用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验装置及方法

本发明属于小冲杆试验装置、海水腐蚀试验装置以及高压气相氢渗透釜试验装置，尤其涉及一种用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验装置及方法。

背景技术：

1、氢气是一种重要的清洁能源，在推动能源转型升级中发挥关键作用。电解水制氢是一种广泛应用的制氢技术。海洋具有世界上最充足的水资源，为电解水制氢提供了原料。海上风电技术发展迅猛，海上风电直接电解海水制氢技术已实现突破，海上绿氢迎来巨大发展。海上制氢后通过海底管道输氢上岸，比将海上风电输送陆地后再制氢更加经济。

2、考虑强度、经济性及安全性，氢气输送管道常选用碳钢材料。与陆上输氢管道相比，海底输氢管道的服役条件更加苛刻。一方面，管道内部的氢气会吸附在管道内表面，解离形成氢原子渗透进管道金属内部，降低基体的塑性，甚至导致管道发生氢脆失效。另一方面，海底输氢管道在服役过程中，管道外壁可能会受到腐蚀性介质影响发生损失破坏，同时管道受到巨大的静水压力，具有较高的应力腐蚀开裂敏感性。在内部氢渗透和外腐蚀共同作用下，管线钢的力学性能劣化更加显著。

3、发明人发现，为准确反映实际服役条件下的材料性能，测试条件应与实际运行条件相似。而目前研究氢气输送管道力学性能的试验装置，只能研究单一介质中材料的力学性能，无法模拟海底高压环境中内部气相氢渗透与管道外腐蚀共同作用下的材料力学性能劣化规律。

技术实现思路

1、本发明为了解决上述问题，提出了一种用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验装置及方法，可以模拟氢气吸附在管道内表面，解离形成氢原子渗透进管道金属内部的情形，以及可以模拟管道外壁受到腐蚀性介质影响的情形，与现有仅能模拟单一介质环境下材料力学性能的小冲杆试验装置相比，模拟试验效果更加接近实际工况。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验装置，采用如下技术方案：

3、一种用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验装置，包括用于夹持试样上夹具和下夹具；

4、所述上夹具内设置有用于填充腐蚀性介质的第一腔室，所述下夹具内设置有用于填充氢气的第二腔室；所述上夹具上开设有容纳冲杆的通孔，所述冲杆的一端用于挤压试样，另一端连接有力学检测部；所述第一腔室靠近夹持试样的一端开设有多个腐蚀性介质通道。

5、进一步的，所述上夹具和所述下夹具通过螺栓连接，所述上夹具和所述下夹具之间设置有密封件。

6、进一步的，所述上夹具和所述下夹具的周向上均匀设置有多个螺栓。

7、进一步的，所述第一腔室上设置有气体通道。

8、进一步的，所述上夹具上设置有顶盖，所述气体通道设置在所述顶盖上；所述顶盖与所述上夹具之间设置有密封件。

9、进一步的，所述下夹具上设置有容纳试样的凹槽，所述上夹具上设置有加紧试样的环形凸块。

10、进一步的，所述第二腔室与所述凹槽之间设置有氢气通道。

11、进一步的，所述下夹具上设置有氢气入口。

12、为了实现上述目的，第二方面，本发明还提供了一种用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验方法，采用如下技术方案：

13、一种用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验方法，使用了如第一方面中所述的用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验装置，包括：

14、把试样夹持在上夹具和下夹具之间，向第一腔室内于填充腐蚀性介质，向第二腔室内填充氢气，待试样腐蚀和充氢一段时间后，借助冲杆和力学检测部进行冲杆试验。

15、进一步的，在第一腔室内提前加入腐蚀性介质，将冲杆取出，替换为密封堵头，将氮气充入第一腔室，达到海底静水压力，模拟海底高压低氧环境；第二腔室内充入氢气，模拟海底输氢管道的内部状态；

16、待试样腐蚀和充氢一段时间后，将第一腔室泄压，排掉腐蚀性介质，第二腔室保持不变；将密封堵头替换为冲杆；

17、冲杆下行过程中将多余的腐蚀性介质通过腐蚀性介质通道挤压到第一腔室中；冲杆下行过程中记录外腐蚀与内部气相氢渗透共同作用下试样的力学性能指标；

18、待冲杆将试样压溃后，氢气缓慢泄漏到第一腔室中。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

20、本发明中在上夹具内设置有用于填充腐蚀性介质的第一腔室，下夹具内设置有用于填充氢气的第二腔室，通过第一腔室和第二腔室能够分别对试样的两侧进行高压海水腐蚀模拟试验和气相氢渗透模拟试验，可以模拟氢气吸附在管道内表面，解离形成氢原子渗透进管道金属内部的情形，以及可以模拟管道外壁受到腐蚀性介质影响的情形，与现有仅能模拟单一介质环境下材料力学性能的小冲杆试验装置相比，模拟试验效果更加接近实际工况；同时，冲杆挤压试样时，试样处多余的腐蚀性介质能够进入腐蚀性介质通道，减小了腐蚀性介质对冲杆的影响，提高了试验精度。

技术特征：

1.用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验装置，其特征在于，包括用于夹持试样上夹具和下夹具；

2.如权利要求1所述的用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验装置，其特征在于，所述上夹具和所述下夹具通过螺栓连接，所述上夹具和所述下夹具之间设置有密封件。

3.如权利要求2所述的用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验装置，其特征在于，所述上夹具和所述下夹具的周向上均匀设置有多个螺栓。

4.如权利要求1所述的用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验装置，其特征在于，所述第一腔室上设置有气体通道。

5.如权利要求4所述的用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验装置，其特征在于，所述上夹具上设置有顶盖，所述气体通道设置在所述顶盖上；所述顶盖与所述上夹具之间设置有密封件。

6.如权利要求1所述的用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验装置，其特征在于，所述下夹具上设置有容纳试样的凹槽，所述上夹具上设置有加紧试样的环形凸块。

7.如权利要求6所述的用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验装置，其特征在于，所述第二腔室与所述凹槽之间设置有氢气通道。

8.如权利要求1所述的用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验装置，其特征在于，所述下夹具上设置有氢气入口。

9.用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验方法，其特征在于，使用了如权利要求1-8任一项所述的用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验装置，包括：

10.如权利要求9所述的用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验方法，其特征在于，在第一腔室内提前加入腐蚀性介质，将冲杆取出，替换为密封堵头，将氮气充入第一腔室，达到海底静水压力，模拟海底高压低氧环境；第二腔室内充入氢气，模拟海底输氢管道的内部状态；

技术总结
本发明属于小冲杆试验装置、海水腐蚀试验装置以及高压气相氢渗透釜试验装置技术领域，提出了一种用于测定海底输氢管道力学性能的冲杆试验装置及方法，在上夹具内设置有用于填充腐蚀性介质的第一腔室，下夹具内设置有用于填充氢气的第二腔室，通过第一腔室和第二腔室能够分别对试样的两侧进行高压海水腐蚀模拟试验和气相氢渗透模拟试验，可以模拟氢气吸附在管道内表面，解离形成氢原子渗透进管道金属内部的情形，以及可以模拟管道外壁受到腐蚀性介质影响的情形，与现有仅能模拟单一介质环境的小冲杆试验装置相比，模拟试验效果更加接近实际工况；冲杆挤压试样时，试样处多余的腐蚀性介质能够进入腐蚀性介质通道，减小了腐蚀性介质对冲杆的影响。

技术研发人员：王财林,李玉星,刘翠伟,朱梦泽,夏在雨,徐修赛
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：
技术公布日：2024/2/29