[发明专利]高压氢渗透动力学测试装置及测试方法

说明书

技术领域

本发明涉及高压氢渗透测试技术领域，尤其是涉及一种可以在短时间内测试材料的临界疲劳载荷，测量不同温度、氢压和疲劳载荷下的氢渗透量的高压氢渗透动态力学测试装置及测试方法。

背景技术

随着我国经济的快速发展，能源供需矛盾日益突出，对能源安全和经济可持续发展构成严重威胁。氢能源开发利用和传统化石燃料的加工升级已成为解决能源供应和环境问题的重要途径。石油加氢裂化、加氢精制、加氢重整、煤炭加氢液化工艺中的加氢反应器和氢能储存中的超高压储氢容器等高压临氢设备，是能源、石油、化工等国民经济支柱领域的核心设备。高压临氢设备具有服役环境苛刻、失效机理复杂、事故后果严重等特征的重型装备。在高压氢环境中，高压临氢设备的材料往往在短时间内能保持良好的使用，但是随着时间的延长，经常发生开裂问题；经过研究发现，上述材料的开裂是由于疲劳载荷与氢损伤双重作用的结果。

高压H₂环境中，H₂分子可以吸附在金属表面并进一步解离进入金属内部，并与材料承受载荷交互作用，造成氢致开裂、应力腐蚀开裂、氢致疲劳开裂等多种形式的氢损伤，严重危害设备的安全服役。一方面氢浸入到金属内部会降低材料的力学性能，尤其是降低材料的抗疲劳失效性能，而另一方面，材料在不同的载荷作用下，会影响氢向金属内部的扩散过程，二者都受到氢压的影响，三者之间相互作用，形成一个复杂的耦合机制。因此，材料在高压H₂环境下的力学性能退化研究成为了氢能源推广利用的一个重点也是难点。

中国发明授权公开号：CN202693457U，授权公开日2013年1月23日，公开了一种高温高压硫化氢环境氢渗透检测装置，所述高温高压硫化氢环境氢渗透检测装置包含有：一高温高压阴极反应釜，其一侧的侧壁上沿径向设置有一密封套，所述密封套的一端位于所述高温高压阴极反应釜的反应腔处，而其另一端则凸伸出所述高温高压阴极反应釜的外侧壁，并与所述高温高压阴极反应釜的外侧壁之间形成密封连接；该发明的不足之处是，不能在拉伸试样的同时检测氢渗透量。

发明内容

本发明的发明目的是为了克服现有技术中的不足，提供了一种可以在短时间内测试材料的临界疲劳载荷，测量不同温度、氢压和疲劳载荷下的氢渗透量的高压氢渗透动态力学测试装置及测试方法。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高压氢渗透动力学测试装置，所述高压氢渗透动力学测试装置分别与电化学工作站、油浴控制器和疲劳试验机相连接，疲劳试验机上设有用于连接试样两端的上夹具和下夹具；包括氢气罐、氮气罐、离子泵、氢气缓冲釜和设于疲劳试验机上的反应釜；所述反应釜包括上端开口的用于容纳碱性导电液体的第一釜体和与第一釜体密封连接的第一釜盖，第一釜体外周面上设有环绕第一釜体的加热腔，加热腔通过进油管和出油管与油浴控制器相连接；所述第一釜盖和第一釜体分别设有用于对竖向贯穿反应釜的中空棒状试样进行密封限位的上密封结构和下密封结构；所述氮气罐通过氮气进气管与第一釜体相连通，第一釜体上设有排气管；反应釜上设有用于检测第一釜体内的氮气压力的第一压力表；试样两端分别通过通气管与氢气缓冲釜相连通，离子泵与氢气缓冲釜相连接；

第一釜盖上设有伸入第一釜体内部的参比电极和辅助阳极；电化学工作站分别与参比电极、辅助阳极和试样电连接；

所述氢气缓冲釜包括上端开口的第二釜体和与第二釜体密封连接的第二釜盖，所述氢气罐通过两个氢气导通管与第二釜体内部相连通；氢气缓冲釜上设有用于检测第二釜体内的氢气压力的第二压力表。

传统的氢环境力学系统中，只能表征外部环境氢压与材料力学性能退化的间接关系，不能更深层次地表征氢的侵入量与载荷的交互作用与材料力学性能之间的内在联系，制约了高压H₂环境中的材料力学性能退化的定量化研究。

而关于氢的侵入量的测量方法，现在被广泛应用的方法是D-S氢氧化法，该方法测量氢的原理是在金属表面镀一层镍或者钯，并给金属表面施加一个氧化电位，该电位刚好是镀层的钝化电位并且是氢的氧化电位，当没有氢从金属表面冒出时，金属表面处于钝化态，无电荷转移，当氢原子从金属的另一端扩散到这一端的表面时，氢原子重新氧化成为氢离子，并发生电荷转移，利用电化学测试设备采集产生的电流，一个电子的转移就代表了一个氢原子的扩散，所形成的电流表示氢的扩散量，目前只能在无载荷的高压氢环境下测量，或在无高压环境的载荷下测量，缺少一种能够在高压氢环境中既能进行力学加载又能原位测量氢的渗透量的设备。