一种测量压缩载荷、拉伸载荷、拉伸-压缩载荷下的金属氢扩散规律的方法和装置

本发明涉及一种测量金属氢扩散规律的方法和装置，具体涉及一种测量压缩载荷、拉伸载荷、拉伸-压缩载荷下的金属氢扩散规律的方法和装置。

背景技术：

1、氢能作为一种洁净能源，在世界各国能源转型中的应用价值日益突显。在现有氢能储运技术中，管道输送是实现长距离输运、氢能大规模利用的重要方式，利用已有天然气管网以掺氢天然气的形式输送氢气最具经济性。然而，氢在运输过程中容易产生氢扩散，可造成金属材料发生氢损伤，不仅会缩短运输管道和设备的服役寿命，还会带来严重的安全隐患。在实际工况中管道所受载荷情况复杂，因此，能够模拟实际工况进行金属氢扩散规律的测量对管道材料研发和开展防护工作具有十分重要的意义。

2、现有技术测量的金属氢扩散规律是在试样没有承受外加载荷或者只承受单一的拉伸载荷下获得。没有外加载荷时只能通过测试前对材料拉伸至塑性变形，然后释放载荷，保留塑性应变部分，将材料加工成扩散试样所需尺寸进行测量，这并不能测量金属试样在弹性应变以及弹塑性综合应变下的氢扩散规律。在只承受单一的拉伸载荷时，能够测量金属试样在弹性应变以及弹塑性综合应变下的氢扩散规律，但不能测量金属试样在压缩载荷下的弹性应变以及弹塑性综合应变下的氢扩散规律，也不能测量金属试样在多向压缩载荷或拉伸-压缩载荷下的弹性应变以及弹塑性综合应变下的氢扩散规律。

技术实现思路

1、本发明为了解决现有技术中不能测量金属试样在压缩载荷、多向压缩载荷和拉伸-压缩载荷下的弹性应变以及弹塑性综合应变下的氢扩散规律的问题，进而提供一种测量压缩载荷、拉伸载荷、拉伸-压缩载荷下的金属氢扩散规律的方法和装置。

2、本发明为解决上述问题采取的技术方案是：它包括框架、第一手轮、第一传动丝杆，第一试件夹头、第二手轮、第二传动丝杆，第二试件夹头、第三手轮、第三传动丝杆，第三试件夹头、第一电解池、第二电解池、试件、第一o型圈、第二o型圈、充氢侧第一电极插口、充氢侧第二电极插口、测量侧第一电极插口、测量侧第二电极插口；第一传动丝杆分别通过螺钉、紧定螺钉与第一手轮、第一试件夹头相连形成加载装置。框架上有与第一传动丝杆、第二传动丝杆、第三传动丝杆相匹配的螺纹，加载装置与框架通过框架上螺纹相连接；第一试件夹头、第二试件夹头、第三试件夹头和试件上有相同大小的螺纹孔，试件通过螺栓与第一试件夹头、第二试件夹头、第三试件夹头相连接。通过转动手轮实现压缩载荷、拉伸载荷、拉伸-压缩载荷的加载；试件的两侧端面上分别设有第一电解池和第二电解池，第一电解池和第二电解池均与试件的侧面密封设置，第一电解池和第二电解池通过螺栓安装在试件的两侧，形成反应装置。框架底部有凹槽，反应装置垂直放置在框架底部凹槽中并用螺栓紧固。第一电解池与第二电解池侧面分别通过第一o型圈、第二o型圈与试件形成密封；第一试件夹头、第二试件夹头、第三试件夹头与框架均有一段间距，处于此间距的丝杆上均贴有应变片，应变片与应变测量仪连接；在第一电解池上有充氢侧第一电极插口和充氢侧第二电极插口，在第二电解池上有测量侧第一电极插口和测量侧第二电极插口。恒流电源的正极铂电极插放在充氢侧第一电极插口处，负极通过线路与试件靠近充氢侧表面相连，从而电解产生氢原子。电化学分析仪的参比电极饱和甘汞电极插放在测量侧第一电极插口上，电化学分析仪的对电极铂电极插放在测量侧第二电极插口上。电化学分析仪的工作电极通过线路与试件靠近测量侧表面相连，从而测量出氧化氢原子所产生的电荷和电流。

3、本发明的有益效果是：

4、1.本发明在外加压缩载荷、拉伸载荷、拉伸-压缩载荷条件下，进行氢扩散规律的测量，实现金属材料在氢和应力耦合作用下的试验，进而定量分析氢致裂纹的开裂过程。利用丝杆加载装置，对试件施加拉伸-压缩载荷或者单向、多项的压缩载荷。通过测量丝杆的应变，转换为试件的延伸率，从而测出试件所受载荷大小，采用有限元的方法进行计算充氢位置的应力及应变大小，最后确定标定位置应变与充氢位置承受载荷的应力对应关系。

5、2.本发明测量试件13在弹性应变以及弹塑性综合形变下的氢扩散规律，从而通过计算获得压缩载荷、拉伸载荷、拉伸-压缩载荷作用下的氢扩散系数、氢浓度等氢扩散特性，使试验条件更进一步贴近工程中氢扩散及氢致裂纹形成的实际状况。

6、3.本发明第一电解池11通过恒流电源阴极电解充氢机构进行充氢，进而对试件13充氢，试件13中的氢按照菲克扩散定律向第二电解池12侧扩散，试件13在第二电解池12一侧扩散出来的氢由电化学分析仪进行测量，并由计算机软件chi600e进行记录氢扩散电流随时间的变化。通过记录的氢扩散曲线计算获得氢扩散系数及氢浓度分布。

技术特征：

1.一种测量压缩载荷、拉伸载荷、拉伸-压缩载荷下的金属氢扩散规律的方法和装置，其特征在于：它包括框架(1)、第一手轮(2)、第一传动丝杆(3)，第一试件夹头(4)、第二手轮(5)、第二传动丝杆(6)，第二试件夹头(7)、第三手轮(8)、第三传动丝杆(9)，第三试件夹头(10)、第一电解池(11)、第二电解池(12)、试件(13)；试件(13)的两侧端面上分别设有第一电解池(11)和第二电解池(12)，第一电解池(11)和第二电解池(12)均与试件(13)的侧面密封设置。

2.根据权利要求1所述一种测量压缩载荷、拉伸载荷、拉伸-压缩载荷下的金属氢扩散规律的方法和装置，其特征在于：第一传动丝杆(3)分别通过螺钉、紧定螺钉与第一手轮(2)、第一试件夹头(4)相连形成加载装置。

3.根据权利要求1和3所述一种测量压缩载荷、拉伸载荷、拉伸-压缩载荷下的金属氢扩散规律的方法和装置，其特征在于：框架(1)上有与第一传动丝杆(3)、第二传动丝杆(6)、第三传动丝杆(9)相匹配的螺纹，加载装置与框架(1)通过框架(1)上螺纹相连接。

4.根据权利要求1所述一种测量压缩载荷、拉伸载荷、拉伸-压缩载荷下的金属氢扩散规律的方法和装置，其特征在于：第一试件夹头(4)、第二试件夹头(7)、第三试件夹头(10)和试件(13)上有相同大小的螺纹孔，试件(13)通过螺栓与第一试件夹头(4)、第二试件夹头(7)、第三试件夹头(10)相连接。通过转动手轮实现压缩载荷、拉伸载荷、拉伸-压缩载荷的加载。

5.根据权利要求1所述一种测量压缩载荷、拉伸载荷、拉伸-压缩载荷下的金属氢扩散规律的方法和装置，其特征在于：第一电解池(11)和第二电解池(12)通过螺栓安装在试件(13)的两侧，形成反应装置；框架(1)底部有凹槽，反应装置垂直放置在框架(1)底部凹槽中并用螺栓紧固。

6.根据权利要求1所述一种测量压缩载荷、拉伸载荷、拉伸-压缩载荷下的金属氢扩散规律的方法和装置，其特征在于：它还包括第一o型圈(14)、第二o型圈(15)；第一电解池(11)与第二电解池(12)侧面分别通过第一o型圈(14)、第二o型圈(15)与试件(13)形成密封。

7.根据权利要求1所述一种测量压缩载荷、拉伸载荷、拉伸-压缩载荷下的金属氢扩散规律的方法和装置，其特征在于：第一试件夹头(4)、第二试件夹头(7)、第三试件夹头(10)与框架(1)均有一段间距，处于此间距的丝杆上均贴有应变片，应变片与应变测量仪连接。

8.根据权利要求1所述一种测量压缩载荷、拉伸载荷、拉伸-压缩载荷下的金属氢扩散规律的方法和装置，其特征在于：在第一电解池(11)上有充氢侧第一电极插口(16)和充氢侧第二电极插口(17)，在第二电解池(12)上有测量侧第一电极插口(18)和测量侧第二电极插口(19)；恒流电源的正极铂电极插放在充氢侧第一电极插口(16)处，负极通过线路与试件(13)靠近充氢侧表面相连，从而电解产生氢原子；电化学分析仪的参比电极饱和甘汞电极插放在测量侧第一电极插口(18)上，电化学分析仪的对电极铂电极插放在测量侧第二电极插口(19)上；电化学分析仪的工作电极通过线路与试件(13)靠近测量侧表面相连，从而测量出氧化氢原子所产生的电荷和电流。

技术总结
一种测量压缩载荷、拉伸载荷、拉伸‑压缩载荷下的金属氢扩散规律的方法和装置，本发明涉及一种测量金属氢扩散规律的方法和装置，本发明为了解决现有技术中不能测量金属试样在压缩载荷和拉伸‑压缩载荷下的氢扩散规律的问题，它包括框架、第一手轮、第一传动丝杆，第一试件夹头、第二手轮、第二传动丝杆，第二试件夹头、第三手轮、第三传动丝杆，第三试件夹头、第一电解池、第二电解池、试件；本发明用于金属氢扩散测量领域。

技术研发人员：肖杰,林元华,李天雷,张弘鳞,李科,王雅熙,王明安,刘婉颖
受保护的技术使用者：西南石油大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/21