[发明专利]一种高压掺氢天然气环境材料性能损伤评价装置

说明书

本发明涉及材料力学性能测试设备，旨在提供一种高压掺氢天然气环境材料性能损伤评价装置。该装置包括气瓶组、气路系统和试验环境箱；试验环境箱的上部中心设有竖向的空腔通道并插入加载轴，在下部中心对应设置沉孔，试样的边缘被夹持在上下箱体之间；在试样的上表面中心摆放钢球，在下表面中心布置双向应变片；试验环境箱通过其进排气口与气路系统连接。本发明利用加载轴推动钢球来对圆盘薄片试样施加载荷的方法，避免了复杂的伺服试验机构，缩小设备体积，降低成本；避免使用高压动密封元件，降低氢气发生泄漏的概率，提高了装置的可靠性和安全性；通过增大加载轴的施力频率加快圆盘薄片试样的疲劳失效，缩短试验时间，提高试验效率。

技术领域

本发明属于材料力学性能测试设备，特别涉及一种高压掺氢天然气环境材料性能损伤评价装置及。

背景技术

随着我国能源结构的不断优化，可再生能源发展迅速。虽然以风能和太阳能为代表的可再生能源迅速发展，但是风/光发电的时间间歇性和不可预测性限制其大规模并入主干电网，特别是我国的风/光地理资源分布不均衡导致了发电中心与负载中心分离，给其大规模应用造成严重的“弃风限电”。根据国家能源局统计，仅2017年，我国弃风、弃光电量高达419亿kW·h，弃风率超过12％。将多余的风电或光电电解制氢，并将制得的氢气掺入天然气，组成掺氢天然气(HCNG)，然后再利用现有天然气管网进行输送，最终用作交通燃料、发电燃料及清洁燃气，被认为是解决大规模风/光电消纳问题的有效途径，在提高可再生能源利用率的同时还可带来良好的环境效益，具有广泛的应用前景。但是，与天然气的物化性质不同，高压氢气会劣化金属材料的力学性能，引起材料的氢损伤。为保障管道输送掺氢天然气的安全，高压掺氢天然气环境用材料必须开展性能损伤的试验研究。

要进行高压掺氢天然气环境材料性能损伤的研究，应当在真实的高压掺氢天然气环境下开展材料的性能测试。这对相应的试验装置提出了较高的要求。国内外目前缺乏相应的试验装置。仅有个别研究机构前期开发了用于纯氢气环境材料力学性能测试的装置，但是上述设备都面临以下关键问题：

(1)设备结构复杂，存在安全隐患

现有的纯氢气环境材料力学性能测试装置大多由传统材料试验机改造而来，即在传统材料试验机上装设能够提供试验所需的纯氢气环境的环境箱，为容纳试样及其夹具，环境箱内部的容积通常设计的较大，进而导致环境箱体积和壁厚较大，设备整体结构较复杂，造价昂贵。环境箱内储存易燃易爆介质多，并且现有装置都是靠贯穿试验机环境箱的加载轴来对装夹的试样施加载荷，加载轴与环境箱接触面之间常设计动密封结构以维持试验箱内部的压力，但是，动密封结构使用寿命有限，易造成介质泄漏，存在较大安全隐患。

(2)测试效率低，时间成本高

现有的高压掺氢天然气环境材料性能损伤装置对装夹的试样施加压力载荷较慢，无法快速实现对试样的单次加载试验测试，在恒压疲劳试验中加载轴施力频率较低，从而造成试验时间成本高，且每次试验需多人操作设备，试验人工成本高。

发明内容

本发明是解决当前试验装置及测试方法存在的关键问题，提出一种高压掺氢天然气环境材料性能损伤评价装置。

为解决关键问题，本发明的解决方案是：

提供一种高压掺氢天然气环境材料性能损伤评价装置，包括气瓶组、气路系统和试验环境箱；

所述气瓶组包括用于制备混合试验气体的天然气瓶组和氢气瓶组，以及用于吹扫的氩气瓶组；所述气路系统包括低压缓冲罐、色谱分析仪、气动增压泵、高压缓冲罐和真空泵；天然气瓶组、氢气瓶组和氩气瓶组分别通过管路接至低压缓冲罐和试验环境箱，低压缓冲罐出口通过管路分别接至色谱分析仪和气动增压泵，气动增压泵的出口接至高压缓冲罐，高压缓冲罐出口通过管路与试验环境箱相接；高压缓冲罐、试验环境箱和色谱分析仪的出口还通过管路接至真空泵和放空管路；