[发明专利]一种高压氢环境下拉伸试验用钢管试样及其制备方法

说明书

本发明涉及材料力学性能测试技术，旨在提供一种高压氢环境下拉伸试验用钢管试样及其制备方法。该钢管试样包括上套筒、下套筒和待测管段，所述上套筒和下套筒各自以先热套再焊接的方式套装在待测管段的两端实现固定连接；在上套筒和下套筒的外侧设有外螺纹。本发明中的钢管试样由上下套筒和待测管段三部分组成，设计合理、加工简便，可批量生产。在拉伸试验时的装夹方式为螺纹连接，装夹方便。夹具对试样的作用力不直接作用在待测管段上，而是通过与套筒外螺纹的相互作用间接对待测管段产生拉力，从而避免了对管壁的挤压作用，解决了传统技术中管壁夹持部位出现应力集中而易发生氢致断裂的问题。

技术领域

本发明属于材料力学性能测试领域，特别涉及一种高压氢环境下拉伸试验用钢管试样及其制备方法。

背景技术

公称外径小于26mm的奥氏体不锈钢钢管常用于加氢站或车载高压氢系统中，但其材料(尤其是焊接部位材料)在高压氢气、载荷等的共同作用下可能出现因高压氢脆引起的力学性能劣化现象，严重威胁高压氢系统的安全。开展高压氢环境下的原位拉伸试验是获得材料抗氢脆性能的有效手段，已被引入国内外高压氢系统相关标准中，然而对于高压氢系统用奥氏体不锈钢钢管，由于其直径较小，无法从管壁上取样，因此不能采用标准拉伸试样进行试验。一种可行的替代方法是截取全尺寸的管段，放入高压氢环境中进行拉伸试验，但该方法面临一个关键问题，即如何制备试样以及对其进行装夹。

钢管的拉伸试验要求钢管试样在标距段内发生断裂，且在拉伸过程中钢管试样和夹具之间不能滑脱。一种方案是采用钳口式夹具直接夹持待测管段的端部，但由于待测管段的夹持段和标距段结构尺寸一致，因此在钳口载荷的作用下，试样极有可能在夹持段发生压扁或断裂。另一种方案是将待测管段的夹持端加强，目前主要采用ASTM E8的方法：将滑动配合的圆柱形金属塞头插入待测管段两端制成拉伸试样，再用夹具钳口夹持试样的两端完成试样装夹。这种方法通过钳口压力产生管壁与塞头之间的摩檫力，阻止试样拔出，理论虽然可行，但在实际实施中对夹持力精度控制要求过高，若夹持力偏小，则试样在拉伸过程中将滑脱，若夹持力偏大，则极易造成试样夹持端损伤，在氢环境下损伤的效应将被放大，导致试样在夹持段断裂。此外，由于金属塞头堵住了待测管段的两端，导致氢气无法进入管段内部，这与钢管实际服役工况不符，且管段仅承受外部压力可能发生失稳失效。

综上所述，现有钢管试样结构及其装夹方法在拉伸过程中存在具有滑脱风险、易在夹持处断裂、管内氢压过低等问题，无法满足高压氢环境下的拉伸试验要求，故提出本发明的内容。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种高压氢环境下钢管拉伸试验用试样及其制备方法.

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种高压氢环境下拉伸试验用钢管试样，该钢管试样包括上套筒、下套筒和待测管段，所述上套筒和下套筒各自以先热套再焊接的方式套装在待测管段的两端实现固定连接；在上套筒和下套筒的外侧设有外螺纹。

作为优选方案，所述待测管段带有焊缝或不带焊缝；当带有焊缝时，焊缝处于待测管段的中间位置。

作为优选方案，所述待测管段的两端设有外倒角，上套筒和下套筒的两端设有内倒角；在上套筒和下套筒的外侧端部，所述外倒角与内倒角共同组成环形凹槽作为热套后的焊接位置；在上套筒和下套筒的内侧端部，所述内倒角与待测管段的侧壁共同组成环形凹槽作为热套后的焊接位置。

作为优选方案，在热套之前，上套筒和下套筒的内径比待测管段的外径小0.02～0.03mm。

本发明进一步提供了所述高压氢环境下拉伸试验用钢管试样的制备方法，包括以下步骤：

(1)在待测管段的两端加工外倒角，在上套筒和下套筒的两端加工内倒角；

(2)采用热套工艺将上套筒和下套筒分别套入待测管段的上端部和下端部；