[发明专利]一种用于高压氢环境下的材料氢致开裂测试装置及方法

说明书

本发明公开了一种用于高压氢环境下的材料氢致开裂测试装置，包括形成有容腔的测试容器，还包括：分隔板，其将容腔分隔为测试腔和平衡腔；充排气管路，其向容腔充入氢气及排出容腔内的氢气；加载轴，其上端位于测试容器外、下端位于测试腔内；载荷传感器，其监测待测试样品所受载荷；以及位移测量传感器，其用于测量加载轴的位移量；加载轴设置有用于承受测试腔内的氢气施压的第一受压面以及用于承受平衡腔内的氢气施压的第二受压面，以使得加载轴在设定压差的作用下向待测试样品施加设定载荷。还公开了应用该测试装置实施的测试方法。应用本发明能够采用载荷控制法进行氢致开裂测试，成本较低且能够获得氢致滞后开裂的时间等关键数据。

技术领域

本发明涉及材料检测技术领域，具体涉及一种用于高压氢环境下的材料氢致开裂测试装置及方法。

背景技术

氢能承压设备是氢能产业的关键核心设备，该类设备通常在一定压力下运行，对于加氢站用固定式储氢容器、车载氢气瓶等氢能承压设备，其设计压力和公称工作压力分别可达到98MPa和70MPa。尽管更高的储氢压力使得储氢密度增加，但也使得设备材料可能面临因高压氢脆引起的力学性能劣化现象，这给氢能承压设备的安全带来极大威胁。为了保障氢能承压设备的安全运行，在设备设计时需对材料与高压氢环境的相容性进行判定。

氢致开裂应力强度因子门槛值是表征材料氢相容性的基础数据，根据该数据不但可以判断材料是否存在氢致开裂的风险，而且还可将其作为设备疲劳裂纹扩展分析的基础数据。美国标准ASME Ⅷ-3KD-10给出了的恒位移和恒载荷测试方法。位移控制法是指在高压氢环境中对带有初始裂纹的待测试样品加载一个初始载荷并保持裂纹张开位移恒定，然后将待测试样品放置在高压氢气中至少1000h，试验结束后检查裂纹扩展量，进而根据初始载荷确定。载荷控制法与位移控制法的总体步骤类似，但其加载方式为设定载荷加载，即在对带有初始裂纹的待测试样品加载一个初始载荷后，该载荷将持续加载在待测试样品上，并保持大小不变。位移控制法在加载时载荷会随着裂纹的扩展而逐渐减小，而载荷控制法在加载时裂纹张开位移会随着裂纹的扩展持续增加。尽管以上两种方法在原理上都可用于测试材料的，但目前几乎所有测试均采用位移控制法。这是由于位移控制法可通过WOL待测试样品实现恒位移加载，而载荷控制法虽然在非高压氢环境下（如常压腐蚀环境下）可通过砝码的重力等实现待测试样品的恒载荷加载，但高压氢环境下涉及到密封等问题，难以通过常规方法实现恒载荷加载。目前，尚无文献通过设定载荷法对材料在高压氢环境下的进行测试，这使得恒载荷测试方法处于原理上行的通但实际无法运用的境地。此外，恒载荷和恒位移测试方法都需要将待测试样品加载后放置在氢气环境中一段较长的时间（不小于1000h），这样一方面增加了该类试验的成本，另一方面导致即使在放置时间内发生开裂，也无法获得待测试样品开裂与时间的准确对应关系等关键信息。

综上所述，现有高压氢环境下材料氢致开裂应力强度因子门槛值难以采用恒载荷方法进行测试，且该类测试方法在测试成本、关键信息获得等方面存在不足。

发明内容

本发明旨在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提供了一种用于高压氢环境下的材料氢致开裂测试装置及方法。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于高压氢环境下的材料氢致开裂测试装置，包括测试容器，所述测试容器形成有用于充入高压氢气的密封容腔，还包括：分隔板，其定位于所述密封容腔内且将密封容腔分隔为测试腔和平衡腔；充排气管路，其与密封容腔连通以向密封容腔充入氢气及排出密封容腔内的氢气，以使得所述测试腔内具有设定压力且测试腔与平衡腔之间具有设定压差；加载轴，其伸入测试容器并穿过分隔板，所述加载轴的上端位于测试容器外、下端位于测试腔内，并且所述测试容器和分隔板均设置有供加载轴穿过的穿孔，所述加载轴与穿孔之间设置有往复式动密封结构；载荷传感器，其与待测试样品连接以在测试过程中实时监测待测试样品所受载荷；以及，位移测量传感器，其用于在测试过程中测量加载轴的位移量；其中，所述加载轴设置有用于承受测试腔内的氢气施压的第一受压面以及用于承受平衡腔内的氢气施压的第二受压面，以使得所述加载轴在设定压差的作用下向待测试样品施加设定载荷。