[发明专利]多功能压差式高压氢与材料相容性的测试方法

说明书

本发明涉及材料力学性能测试设备开发领域，旨在提供多功能压差式高压氢与材料相容性的测试方法。该多功能压差式高压氢与材料相容性的测试方法包括爆破试验测试方法、变氢压疲劳试验测试方法、恒定氢压疲劳试验测试方法。本发明利用圆盘试样上下表面的压差来对圆盘试样施加载荷的方法，避免了复杂的伺服试验机构，设备体积极大地缩小，设备投入降低，操作简便，试验效率提高；且在试验过程中，圆盘试样的应变和位移等参数可方便地进行测量，相应测试元件不受高压氢气的影响。

技术领域

本发明是关于材料力学性能测试设备开发领域，特别涉及多功能压差式高压氢与材料相容性的测试方法。

背景技术

氢气是化石能源的清洁利用以及新能源发展过程中重要的组成部分。氢气通常以高压气态的形式进行储存和运输。近些年，由于高压氢系统压力走高、服役环境复杂化的发展趋势，使得高压氢系统用材料与氢相容性问题(即氢脆问题)变得逐渐突出。氢脆会使得材料的韧性下降，裂纹扩展速度变大，进而造成高压氢系统在服役过程中突然发生严重失效，给人民群众的安全造成极大隐患。为了保障高压氢系统的安全，高压氢系统用材料必须开展与氢相容性的试验研究。

要进行金属材料与高压氢的相容性研究，应当在高压氢环境下(高达100MPa)开展材料的力学性能测试。这就对相应的试验装置提出了较高的要求。世界上许多研究机构都开展了材料在高压氢环境中相容性研究设备的研发，但是上述设备都面临如下的关键问题：

(1)设备结构复杂，成本高，操作复杂

目前开发的氢相容性试验装置多是在传统材料试验机的基础上，加上能够提供高压氢气环境的环境箱，试样及其夹具被盛装在环境箱内部，因此，环境箱内部容积较大，加之其压力通常较高(高达100MPa)，造成设备造价昂贵。除此之外，较大容积的环境箱还需要配备相应的氢气供气系统，整个设备操作复杂，氢气和人工成本较高。如专利[201110259252.2]中提出的试验装置，不仅设备本身的成本较高，且每次试验需多人操作设备，氢气消耗量也大。

(2)存在高压氢气动密封结构，容易发生泄漏

现有的材料与氢相容性试验装置中都有贯穿氢环境箱的加载杆，从而为环境箱内部的试样提供加载力。为了维持环境箱内部的压力，加载杆与环境箱接触处需设置动密封元件。而实践表明，现有的动密封结构寿命非常短，经常在使用较短时间后，因为磨损及溶氢膨胀等原因而突然发生失效，造成氢气的泄漏，存在较大安全隐患。

(3)高压氢气环境中试样的各项参数测量难度大

在高压氢气环境中，试样应变、力等测量元件由于受氢气的影响，信号会发生严重漂移，造成测量的不准确。

(4)试样的受力状态与实际构件的受力状态间存在较大差异

通常，高压储氢容器的筒壁在服役过程中受两向应力或三向应力的作用。而现有的试验机通常是测试试样在单向应力作用下的失效行为，与构件的实际服役状况还存在一定差距。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种采用圆盘状薄片作为试样，利用圆盘试样上下表面的压差来对圆盘试样施加载荷的实验方法。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是：

提供多功能压差式高压氢与材料相容性的试验装置，能在高压氢环境下(高达100MPa)对圆盘试样进行力学性能测试，所述试验装置包括试验腔体、气动增压泵、低压储罐、高压储罐、真空泵、氢气瓶组、氩气瓶组和控制系统模块；