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原文传递高压掺氢天然气环境下的材料疲劳损伤试验方法

专利名称：	高压掺氢天然气环境下的材料疲劳损伤试验方法
摘要：	本发明涉及材料力学性能测试技术，旨在提供一种高压掺氢天然气环境下的材料疲劳损伤试验方法。本发明通过加载轴推动钢球来对圆盘薄片试样施加载荷，圆盘薄片试样的另一侧接触高压的掺氢天然气，从而实现圆盘薄片试样在接触高压掺氢天然气的同时受到载荷的作用。通过记录圆盘薄片试样在掺氢天然气环境中和氩气环境中破裂前经历的疲劳循环次数，计算得到圆盘薄片试样的疲劳损伤指数，所获数据可用来评价材料在高压掺氢天然气环境下的性能损伤。本发明避免了复杂的伺服试验机构，缩小设备体积，设备成本降低；降低氢气发生泄漏的概率，提高了装置的可靠性和安全性；缩短试验时间，提高试验效率；满足试验温度要求，进行温度对氢脆的影响测试。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	浙江;33
申请人：	浙江大学
发明人：	尚娟;花争立;郑津洋;顾超华
专利状态：	有效
申请日期：	2019-04-16T00:00:00+0800
发布日期：	2019-08-06T00:00:00+0800
申请号：	CN201910302833.6
公开号：	CN110095359A
代理机构：	杭州中成专利事务所有限公司
代理人：	周世骏
分类号：	G01N3/32(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘路866号
主权项：	1.一种高压掺氢天然气环境下的材料疲劳损伤试验方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)搭建高压掺氢天然气环境材料性能损伤评价装置将天然气瓶组、氢气瓶组和氩气瓶组分别通过管路接至低压缓冲罐和试验环境箱，低压缓冲罐出口通过管路分别接至色谱分析仪和气动增压泵，气动增压泵的出口接至高压缓冲罐，高压缓冲罐出口通过管路与试验环境箱相接；高压缓冲罐、试验环境箱和色谱分析仪的出口还通过管路接至真空泵和放空管路；在机架上安装试验环境箱和竖向的加载轴；试验环境箱由上部环境箱体和下部环境箱体组成，两者之间通过凹凸槽定位并由螺栓实现连接；在上部环境箱体的中心设有竖向的空腔通道，竖向加载轴的下端插入其中，且两者为间隙配合；在下部环境箱体的中心与空腔通道对应设置径向尺寸相近的沉孔，沉孔的上缘处设有用于放置薄片状试样的凹陷部位；在下部环境箱体的侧壁上设有进排气口和应力片引线接口，分别由进排气通道和引线通道接至沉孔底部；应力片引线的一端连接双向应变片，另一端由设于引线通道中的引线密封装置引出；试验环境箱通过其进排气口与气路系统连接； (2)分离上部环境箱体和下部环境箱体，在圆盘薄片状试样的下表面中心处装设双向应变片后，将试样放入下部环境箱体沉孔上缘处的的凹陷部位，并布置好引线密封装置；对齐上部环境箱体和下部环境箱体的凹凸槽，将上部环境箱体和下部环境箱体接合，并用螺栓进行连接； (3)在试样的上表面中心放置钢球，钢球位于上部环境箱体的空腔通道内；将加载轴下降至略高于钢球的地方；利用制冷制热机使热媒从热媒流入管路进入换热夹套内，然后从热媒回流管路返回到制冷制热机中并保持循环流动，以保证试验过程中试验环境箱的温度恒定并满足试验温度要求； (4)道尔顿分压定律中的分压公式：PB＝P总VB/V总，即组分气体B的分压等于气体总压与组分气体B的体积分数之积；利用道尔顿分压公式以及氢气在试验条件中总压强的占比大小计算氢气所需的压强大小，然后用真空泵抽掉试验装置及附属管道内的残余空气，直到系统内真空度达到设定值后，对低压缓冲罐进行氢气充装，待低压缓冲罐内氢气压力达到设定值后，再对低压缓冲罐进行天然气充装，直到低压缓冲罐内天然气/氢气混合气体压力达到设定值后，结束气体充装；打开连接低压缓冲罐的减压阀，利用色谱分析仪对低压缓冲罐内的混合气体进行各组分含量的测量，若测量得到的氢气、天然气含量满足试验条件，则进行下一步骤；若不满足试验条件，则根据测量结果进行相应的调整直至测量得到的氢气、天然气含量满足试验条件； (5)使用气动增压泵对高压缓冲罐进行氢气/天然气混合气充装，直到高压缓冲罐内压力达到设定值；然后通过阀门控制使混合气以设定速率进入下部环境箱体内，试验环境箱体内的直至气压达到试验要求，记录气体充装结束的时刻T1； (6)保压至氢气浓度检测装置测量的读数不为零，记录此时刻T2；根据试样厚度、氢气浓度和时间(T2-T1)，利用菲克扩散第二定律计算氢气扩散系数； (7)记录此时双向应变片的读数Y1，降低加载轴，直至双向应变片读数为-Y1，以设定频率循环往复加载轴，使双向应变片读数在Y1～-Y1之间变化，对片试样施加循环载荷，直至氢气浓度检测装置读数以每秒钟变化为原读数的1.5倍的速率增长；在试验过程中记录试样中心处的应变和位移； (8)记录试样破裂前经历的疲劳循环次数F1，使用真空泵对试验环境箱及附属管路抽真空至设定真空度，关闭真空泵；使用氩气进行若干次置换，分离上部环境箱体和下部环境箱体，取出试样； (9)重复步骤(2)、(3)，用真空泵抽掉试验环境箱及气路系统的残余空气，直到真空度达到设定值；对低压缓冲罐进行氩气充装，直至低压缓冲罐内氩气压力达到步骤(5)中氢气/天然气混合气充装压力；使用气动增压泵对高压缓冲罐进行高压氩气充装，直到高压缓冲罐内氩气压力达到设定值后；通过阀门控制使高压缓冲罐内的氩气进入试验环境箱内，直至气压达到试验要求；重复步骤(7)，记录试样在氩气环境中破裂前经历的疲劳循环次数F2；计算两次疲劳循环次数的比值(F1/F2)，该值即为试样的疲劳损伤指数。 2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在上部环境箱体和下部环境箱体的相对连接处设置环形凹槽，内置O型圈作为密封元件。 3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在加载轴与上部环境箱体空腔通道的接触面之间、试样与上部环境箱体接触面之间、试样与下部环境箱体接触面之间分别置O型圈密封元件。 4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述加载轴的下端部呈倒V字形。 5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述试样呈圆盘状薄片，用于放置试样的凹陷部位具有与其对应的形状。 6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在气瓶组出口处和气路系统各设备之间的管路上设置阀门，在低压缓冲罐与色谱分析仪之间的管路上设置减压阀。 7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在沉孔底部中心设置竖向通道，所述进排气通道和引线通道横向穿过下部环境箱体，并接至竖向通道的底端。 8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，氢气浓度检测器设于上部环境箱体的空腔通道内，控制系统通过信号线分别连接至低压缓冲罐、气动增压泵、高压缓冲罐、制冷制热机和氢气浓度检测装置。
所属类别：	发明专利