[发明专利]高压掺氢天然气环境下的材料单次加载损伤试验方法

摘要

本发明涉及材料力学性能测试技术，旨在提供一种高压掺氢天然气环境下的材料单次加载损伤试验方法。本发明通过控制加载轴持续以恒定的应变速率对圆盘薄片试样施加载荷，直到圆盘薄片试样破裂，从而实现圆盘薄片试样单次加载极限压力的测试，并与圆盘薄片试样在氩气环境中的单次加载极限压力大小对比，得到圆盘薄片试样的单次加载损伤指数，所获数据用来评价材料在高压掺氢天然气环境下的性能损伤。本发明避免了复杂的伺服试验机构，设备体积极大地缩小，设备成本降低；可以缩短试验时间，大大提高试验效率；保证试验过程中的温度保持恒定并满足试验温度要求；可实现氢气/天然气混合气体的精确配比；氢气泄漏检测方便判断圆盘薄片试样是否破裂。

主权项

1.一种高压掺氢天然气环境下的材料单次加载损伤试验方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)搭建高压掺氢天然气环境材料性能损伤评价装置将天然气瓶组、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；在机架上安装试验环境箱和竖向的加载轴；试验环境箱由上部环境箱体和下部环境箱体组成，两者之间通过凹凸槽定位并由螺栓实现连接；在上部环境箱体的中心设有竖向的空腔通道，竖向加载轴的下端插入其中，且两者为间隙配合；在下部环境箱体的中心与空腔通道对应设置径向尺寸相近的沉孔，沉孔的上缘处设有用于放置薄片状试样的凹陷部位；在下部环境箱体的侧壁上设有进排气口和应力片引线接口，分别由进排气通道和引线通道接至沉孔底部；应力片引线的一端连接双向应变片，另一端由设于引线通道中的引线密封装置引出；试验环境箱通过其进排气口与气路系统连接；(2)分离上部环境箱体和下部环境箱体，在圆盘薄片状试样的下表面中心处装设双向应变片后，将试样放入下部环境箱体沉孔上缘处的的凹陷部位，并布置好引线密封装置；对齐上部环境箱体和下部环境箱体的凹凸槽，将上部环境箱体和下部环境箱体接合，并用螺栓进行连接；(3)在试样的上表面中心放置钢球，钢球位于上部环境箱体的空腔通道内；将加载轴下降至略高于钢球的地方；利用制冷制热机使热媒从热媒流入管路进入换热夹套内，然后从热媒回流管路返回到制冷制热机中并保持循环流动，以保证试验过程中试验环境箱的温度恒定并满足试验温度要求；(4)道尔顿分压定律中的分压公式：P_B＝P_总V_B/V_总，即组分气体B的分压等于气体总压与组分气体B的体积分数之积；利用道尔顿分压公式以及氢气在试验条件中总压强的占比大小计算氢气所需的压强大小，然后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，对低压缓冲罐进行氢气充装，待低压缓冲罐内氢气压力达到设定值后，再对低压缓冲罐进行天然气充装，直到低压缓冲罐内天然气/氢气混合气体压力达到设定值后，结束气体充装；打开连接低压缓冲罐的减压阀，利用色谱分析仪对低压缓冲罐内的混合气体进行各组分含量的测量，若测量得到的氢气、天然气含量满足试验条件，则进行下一步骤；若不满足试验条件，则根据测量结果进行相应的调整直至测量得到的氢气、天然气含量满足试验条件；(5)使用气动增压泵对高压缓冲罐进行高压氢气/天然气混合气充装，直到高压缓冲罐内氢气/天然气混合气压力达到设定值；然后降低加载轴，直至由双向应变片检测的示数接近于零并即将大幅增大，停止下降；(6)通过阀门控制流量，使高压缓冲罐内的氢气/天然气混合气进入下部环境箱体内，直至试验环境箱体内的气压达到试验要求；记录此时加载轴的载荷传感器读数S₁，通过加载轴以10^‑5/s～10^‑7/s的恒定应变速率施力于钢球从而对试样施加载荷直至其破裂；在试验过程中，记录试样中心处的应变与位移，以及试样破裂后加载轴的载荷传感器读数S₂，两次载荷传感器读数的差值S₂‑S₁即为试样的受力大小；(7)使用真空泵对试验环境箱及其附属管路进行抽真空，然后以氩气对试验环境箱和管路内进行若干次置换后，分离试验环境箱的箱体，取出试样；(8)重复步骤(2)和(3)，对试验环境箱及气路系统抽真空直至达到设定真空度值；对低压缓冲罐进行氩气充装，直至低压缓冲罐内压力达到步骤(5)中的氢气/天然气混合气压力设定值；使用气动增压泵对高压缓冲罐进行高压氩气充装，直到高压缓冲罐内氩气压力达到设定值后；通过阀门控制使高压缓冲罐内的氩气进入试验环境箱内，直至气压达到试验要求；重复步骤(6)，记录两次载荷传感器读数的差值为S₄‑S₃，计算试样在含氢气环境和氩气环境中的受力比值(S₂‑S₁)/(S₄‑S₃)，该值即为试样的单次加载损伤指数。