多功能压差式高压氢与材料相容性的试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明是关于材料力学性能测试设备开发领域，特别涉及多功能压差式高压氢与材料相容性的试验装置。
【背景技术】
[0002]氢气是化石能源的清洁利用以及新能源发展过程中重要的组成部分。氢气通常以高压气态的形式进行储存和运输。近些年，由于高压氢系统压力走高、服役环境复杂化的发展趋势，使得高压氢系统用材料与氢相容性问题(即氢脆问题)变得逐渐突出。氢脆会使得材料的韧性下降，裂纹扩展速度变大，进而造成高压氢系统在服役过程中突然发生严重失效，给人民群众的安全造成极大隐患。为了保障高压氢系统的安全，高压氢系统用材料必须开展与氢相容性的试验研宄。
[0003]要进行金属材料与高压氢的相容性研宄，应当在高压氢环境下(高达10MPa)开展材料的力学性能测试。这就对相应的试验装置提出了较高的要求。世界上许多研宄机构都开展了材料在高压氢环境中相容性研宄设备的研发，但是上述设备都面临如下的关键问题:
[0004](I)设备结构复杂，成本高，操作复杂
[0005]目前开发的氢相容性试验装置多是在传统材料试验机的基础上，加上能够提供高压氢气环境的环境箱，试样及其夹具被盛装在环境箱内部，因此，环境箱内部容积较大，加之其压力通常较高(高达10MPa)，造成设备造价昂贵。除此之外，较大容积的环境箱还需要配备相应的氢气供气系统，整个设备操作复杂，氢气和人工成本较高。如专利[201110259252.2]中提出的试验装置，不仅设备本身的成本较高，且每次试验需多人操作设备，氢气消耗量也大。
[0006](2)存在高压氢气动密封结构，容易发生泄漏
[0007]现有的材料与氢相容性试验装置中都有贯穿氢环境箱的加载杆，从而为环境箱内部的试样提供加载力。为了维持环境箱内部的压力，加载杆与环境箱接触处需设置动密封元件。而实践表明，现有的动密封结构寿命非常短，经常在使用较短时间后，因为磨损及溶氢膨胀等原因而突然发生失效，造成氢气的泄漏，存在较大安全隐患。
[0008](3)高压氢气环境中试样的各项参数测量难度大
[0009]在高压氢气环境中，试样应变、力等测量元件由于受氢气的影响，信号会发生严重漂移，造成测量的不准确。
[0010](4)试样的受力状态与实际构件的受力状态间存在较大差异
[0011]通常，高压储氢容器的筒壁在服役过程中受两向应力或三向应力的作用。而现有的试验机通常是测试试样在单向应力作用下的失效行为，与构件的实际服役状况还存在一定差距。
【发明内容】
[0012]本发明的主要目的在于克服现有技术中的不足，提供一种采用圆盘状薄片作为试样，利用圆盘试样上下表面的压差来对圆盘试样施加载荷的实验装置。为解决上述技术问题，本发明的解决方案是:
[0013]提供多功能压差式高压氢与材料相容性的试验装置，能在高压氢环境下(高达10MPa)对圆盘试样进行力学性能测试，所述试验装置包括试验腔体、气动增压泵、低压储罐、高压储罐、真空泵、氢气瓶组、氩气瓶组和控制系统模块；
[0014]所述试验腔体包括端盖、上部腔体、下部腔体、压环，上部腔体、下部腔体的内部中心空腔形成连通的空腔通道，端盖与上部腔体之间、上部腔体与下部腔体之间分别通过端盖螺栓、上部腔体螺栓连接，且连接处都采用O型圈作为密封元件进行密封，加盖端盖后能实现空腔通道的密封；下部腔体在与上部腔体的接触面上，即下部腔体的上表面上，设有用于放置圆盘试样的凹槽，且圆盘试样与下部腔体的凹槽间设置有O型圈用于密封；所述压环内嵌在上部腔体内，且与上部腔体过盈配合，压环用于向放置在下部腔体凹槽内的圆盘试样施加压应力，压环与上部腔体之间、压环与圆盘试样之间都分别设置有O型圈用于密封；压环采用环形压环，压环的外直径与圆盘试样的直径相同，压环的内直径与上部腔体的内直径、下部腔体的内直径相同；上部腔体与下部腔体上分别设置有上部腔体通气口和下部腔体通气口；
[0015]所述氢气瓶组用于提供试验用氢气，所述氩气瓶组用于提供置换和试验用的氩气，氢气瓶组的排气口、氩气瓶组的排气口分别连接至低压储罐的进气口，低压储罐的排出口连接至气动增压泵，气动增压泵连接至高压储罐，高压储罐的排气口分别与上部腔体通气口和下部腔体通气口连通；上部腔体通气口和下部腔体通气口设有直接连至低压储罐的放氢回路，用于将上部腔体或下部腔体中排放出的氢气回收至低压储罐；上部腔体通气口和下部腔体通气口设有直接连至氩气瓶组的置换管路，用于对上部腔体或下部腔体进行气体置换；上部腔体通气口、下部腔体通气口还与真空泵的进气口连接；
[0016]所述放氢回路上设有放氢回路阀门，上部腔体通气口处设有上部腔体流量控制阀门，下部腔体通气口处设有下部腔体流量控制阀门，真空泵的进气口处设有真空泵阀门，高压储罐的排气口处设有高压储罐出口阀；所述氢气瓶组的排气口处、氩气瓶组的排气口处、低压储罐的进气口处、置换管路上分别设有阀门A、阀门B、阀门C、阀门D ;
[0017]所述控制系统模块用于控制气动增压泵和真空泵的运行、所有阀门的开度。其实现方式可采用硬件、软件或硬件与软件的结合。本领域技术人员可根据本发明所述功能，对现有技术手段加以利用以实现相关功能。由于这些内容并非本发明重点，故不再赘述。
[0018]在本发明中，所述上部腔体通气口、下部腔体通气口还设有放空管路，并设有放空阀门用于控制；
[0019]所述上部腔体通气口、下部腔体通气口之间还设有支路用于连通，且支路上设置有支路阀门；即上部腔体通气口、下部腔体通气口之间设有经过上部腔体流量控制阀门、支路阀门、下部腔体流量控制阀门的连通管路；
[0020]所述氢气瓶组的排气口、氩气瓶组的排气口之间还设有支路用于连通，且支路上设置有阀门E ;即氢气瓶组的排气口、氩气瓶组的排气口之间设有经过阀门A、阀门E、阀门B的连通管路，并保证氢气瓶组的排气口、低压储罐的进气口之间的连通管路经过阀门A、阀门C，氩气瓶组的排气口、低压储罐的进气口之间的连通管路经过阀门B、阀门E、阀门C。
[0021]在本发明中，所述试验腔体、低压储罐、高压储罐内都设置有压力传感器，并能通过控制系统模块控制试验腔体、低压储罐、高压储罐内的压力信号采集。
[0022]在本发明中，所述试验腔体的设计压力为35?lOOMPa，且上部腔体和下部腔体都采用由奥氏体不锈钢制造的腔体，压环采用由抗拉强度大于SOOMPa的高强钢制造的压环。
[0023]提供基于所述试验装置的爆破试验测试方法，具体包括下述步骤:
[0024]步骤A:分离上部腔体和下部腔体，装设好圆盘试样后，用上部腔体螺栓密闭接合上部腔体和下部腔体，移除端盖，利用上部腔体的中心空腔对圆盘试样布置位移测试装置和应变测试装置；
[0025]步骤B: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，使用气动增压泵对高压储罐进行高压氢气充装，直到高压储罐内氢气压力达到设定值；
[0026]步骤C:再次使用真空泵对下部腔体及其附属的管路进行抽真空至设定真空度后，关闭真空泵，通过下部腔体流量控制阀门使高压储罐内的氢气以特定的速率进入下部腔体内，直至圆盘试样爆破，切断氢气源，记录爆破压力，并在