一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置

《一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置》是合肥通用機械研究院、長春機械科學研究院有限公司於2015年6月10日申請的發明專利，該專利申請號為2015103160952，公布號為CN104897476A，專利公布日為2015年9月9日，發明人是陳學東、劉孝亮、王冰、范志超、莊慶偉。

《一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置》包括其內設定有試樣的氫氣環境箱，以及裝有拉桿的主機載入框架，氫氣環境箱設定在主機載入框架上；氫氣環境箱中設定有上夾持部和下加持部以及電加熱組件，拉桿穿過氫氣環境箱與下加持部固接；氫氣環境箱與供氫氣管相連，氫氣環境箱上還設定有放氣電磁閥；該發明還包括用於監控試樣受力載荷-試樣變形量-試樣環境溫度-試樣周圍氫氣壓力的感測器以及用於監控及處理各感測器所收集信息的控制組件。該發明可線上實現氫氣環境下金屬材料的蠕變性能、持久性能、以及拉-拉交變負荷疲勞性能測試，並可確保其試驗結果的準確性，其工作可靠穩定而效率高。

2020年7月17日，《一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。

（概述圖為《一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置》的摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置
• 公布號：CN104897476A
• 公布日：2015年9月9日
• 申請號：2015103160952
• 申請日：2015年6月10日
• 申請人：合肥通用機械研究院；長春機械科學研究院有限公司
• 地址：安徽省合肥市蜀山區長江西路888號
• 發明人：陳學東、劉孝亮、王冰、范志超、莊慶偉
• 代理機構：合肥和瑞智慧財產權代理事務所
• 代理人：王挺；柯凱敏
• Int.Cl.：G01N3/18(2006.01)I；G01N3/32(2006.01)I；G01N17/00(2006.01)I
• 類別：發明專利

專利背景

化工臨氫設備常受到應力-高溫及氫介質的互動作用，致使設備材料性能劣化，進而設備失效，嚴重影響設備的安全運行。為此，應力-高溫及氫介質互動作用下的材料性能測試及其試驗裝置至關重要，然而由於氫氣的易燃易爆且易泄漏特性，2015年6月之前的材料性能試驗裝置無法同時實現複雜應力-高溫及氫氣環境下金屬材料性能測試。為此，迫切需要一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置，以能實現氫氣環境下金屬材料的蠕變性能-持久性能-以及拉-拉交變負荷疲勞性能測試，從而為金屬材料在複雜應力-高溫與氫氣環境作用下的材料失效機理、性能損傷演化機理等研究提供可用工具。

發明內容

專利目的

《一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置》的目的即為克服上述2015年6月之前技術的不足，提供一種適於實用的高溫氫氣環境材料性能試驗裝置，該發明可線上實現氫氣環境下金屬材料的蠕變性能、持久性能、以及拉-拉交變負荷疲勞性能測試，並可確保其試驗結果的準確性，其工作可靠穩定而效率高。

技術方案

《一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置》包括筒狀且密封的氫氣環境箱，所述氫氣環境箱中設定有待測試樣；該發明還包括裝有拉桿以用於實現對所述試樣進行指定載荷載入的主機載入框架，所述氫氣環境箱設定在主機載入框架上；所述氫氣環境箱中設定有分別用於夾持所述試樣上、下兩端的上夾持部和下夾持部，所述拉桿穿過氫氣環境箱與所述下夾持部固接，且拉桿與氫氣環境箱之間構成動密封配合；所述氫氣環境箱與供氫氣管相連，氫氣環境箱在遠離供氫氣管進氣口的一側設定有放氣電磁閥；所述氫氣環境箱中還設定有電加熱組件；該發明還包括用於監控試樣受力載荷、試樣變形量、試樣環境溫度、試樣周圍氫氣壓力的感測器以及用於監控及處理各感測器所收集信息的控制組件。 優選的，所述電加熱組件包括由內而外依次布置的熱輻射層和隔熱層，所述熱輻射層由同軸套設於所述試樣外周處的馬弗管以及螺旋狀穿設於馬弗管內的加熱電阻絲構成，該筒狀的馬弗管與加熱電阻絲互相配合構成輻射管構造的加熱爐；所述隔熱層至少包括包覆在所述加熱爐外側的金屬隔熱罩，所述馬弗管與金屬隔熱罩之間設定有間距；所述金屬隔熱罩上開設有供高壓氫氣通入的通路。

進一步的，所述加熱電阻絲設定為對應所述試樣上、下部分的兩段式螺旋結構，兩段加熱電阻絲各自獨立加熱，且兩段加熱電阻絲均通過設定在氫氣環境箱上的接線柱與驅動功放相連，所述驅動功放與控制組件電聯接。

優選的，所述金屬隔熱罩與馬弗管之間還布置有隔熱填料。

優選的，所述氫氣環境箱包括筒狀的鐘罩，所述鐘罩的上端封閉，下端開口處設定有底座法蘭，所述鐘罩和底座法蘭彼此固連構成封閉的空間；所述供氫氣管與設定在所述鐘罩上的進氣口相連，所述放氣電磁閥通過管道與底座法蘭固連；所述鐘罩的上端部還設定有安全閥和吊環。

優選的，所述鐘罩的外側設定有冷卻水套，所述冷卻水套與鐘罩之間圍成冷卻水腔，冷卻水腔的進水口通過冷水供水管與水泵相連，冷卻水腔的出水口通過冷水回水管與冷卻水箱相連，所述冷卻水箱、水泵、冷水供水管、冷卻水腔以及冷水回水管依次連通形成一個冷卻水循環管路。

優選的，所述上夾持部包括由上而下依次同軸布置的上連線頭和上夾頭，所述上夾頭與待測試樣上端部固接，所述上夾持部還包括設定在加熱爐上側的金屬隔熱罩夾層中的上蓋；所述上連線頭外形呈直徑上大下小的二段式階梯軸結構，且該階梯軸結構的軸肩處呈平滑過渡的弧錐面狀構造，所述上蓋與上連線頭軸肩相配合的部分呈與之形狀吻合的凹弧面狀構造；所述下夾持部包括由上而下依次同軸布置的下夾頭和下連線頭，所述下連線頭與所述拉桿固接。

進一步的，所述上連線頭和上夾頭之間為螺紋連線，下夾頭和下連線頭之間為鉸接。

優選的，所述控制組件包括控制器和用於遠程控制的工控機，所述控制器和工控機雙向通信連線；所述感測器包括用於測量氫氣環境箱中氫氣壓力的壓力感測器、分別測量試樣上下兩端溫度的上熱電偶和下熱電偶、用於測量試樣伸長量的位移感測器和用於測量試樣載荷的載荷感測器，所述位移感測器、載荷感測器、壓力感測器、上熱電偶和下熱電偶以及驅動功放均與控制器電聯接。

優選的，所述主機載入框架包括自下而上設定的基座、工作檯以及吊車，所述工作檯和吊車均架設固定在基座上，所述氫氣環境箱固設在工作檯上；所述基座中設定有向拉桿施載入荷的載入驅動機構，所述載入驅動機構由依次相連的伺服電機、減速器和滾柱絲槓傳動副構成，所述伺服電機與控制器電聯接。

改善效果

《一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置》的有益效果在於：

1）該發明可實現對待測試樣在載荷-高溫-氫氣環境三個方面互動作用下的性能測試功能。拉桿在載入驅動機構的拉動下作用於氫氣環境箱內的待測試樣，將載入驅動機構的載荷傳遞給試樣，並通過載荷感測器測量載荷後輸入控制組件，以實現對試樣的給定波形載入；該發明通過電加熱組件對氫氣環境箱內部進行加熱，通過熱電偶測量試樣溫度並輸入控制組件，以實現對試樣的給定溫度加熱；該發明通過封閉的氫氣環境箱以及箱體上的相應密封結構來形成密封空間，並通過供氫氣管向該密封空間中充入氫氣，通過壓力感測器測量箱內氫氣壓力並輸入控制組件，從而對試樣形成給定壓力的氫氣環境。該發明結構合理而可靠，其能夠實現氫氣環境下金屬材料的蠕變性能、持久性能、以及拉-拉交變負荷疲勞性能測試。該發明通過增設線上加熱結構，從而使氫氣環境箱內的模擬環境更為符合實際的服役環境，其傳熱鏈短，加熱速度與效率高，試驗結果的準確性高，以最終為金屬材料在複雜應力-高溫與氫氣環境互動作用下的實驗研究提供可用工具。

2）該發明採用了內置式輻射加熱方式，縮短了傳熱鏈，提高了加熱速度與效率，可快速實現線上的指定溫度調控，進一步的確保了服役環境的真實性。具體說來，該發明中的加熱組件以具備特定的螺旋形孔路的馬弗管，搭配可穿設於該螺旋線孔路上的加熱電阻絲組成。之所以採用上述結構，則是考慮到對於試樣的加熱應當是均勻而有效的，僅採用單純的電加熱結構，顯然難以滿足上述需求。通過馬弗管搭配加熱電阻絲，加熱電阻絲受熱，傳導至馬弗管，經由馬弗管內層管面發散，即可實現對於待測試試樣的熱量均勻輻射功能。

3）該發明採用上-下兩段加熱電阻絲加熱，兩段電阻絲各自獨立控制加熱，相應的溫度感測器即熱電偶直接安裝在試樣有效區域上-下兩端，從而進一步的保證加熱區域的均溫性，直至在氫氣環境箱內形成高至600℃的高溫環境。該發明的這種結構不但提高了試樣有效區域加熱的均勻性，同時也確保了其測溫精度的高精確性。

4）該發明中還設定有由金屬隔熱罩及隔熱填料所形成的多層式隔熱層結構，一方面保證了試樣周圍溫度的高恆溫性，以確保其模擬環境的真實效果，有利於提升測試數據的精確性；另一方面，由於氫氣環境箱為可開啟結構，一旦在實驗完成後進行開箱操作時，隔熱層的布置顯然有利於實現對於現場操作人員的保護效果，其操作起來也更為安全方便。

5）該發明中的上、下夾持部的具體結構，以固定於試樣兩端的上-下夾頭及上-下連線頭構成，相應處構成軸線彼此垂直的鉸接配合，避免了因施力角度或安裝誤差所導致的試樣受力偏斜現象。上夾持部的上連線頭與金屬隔熱罩夾層中的上蓋之間的弧形配合，更進一步的提升了其工作可靠性，即使因為安裝原因等因素，導致拉桿在施力時出現施力偏斜，整個夾持部也會在其自身的鉸接配合以及上連線頭與試樣框架間的弧形配合處得到自補償，從而也就確保了整個裝置能夠穩定可靠的工作。

6）該發明在氫氣環境箱外覆設有冷卻水套，從而可與外部的管路-水泵-水箱等形成水冷系統，以保護鐘罩不至過熱，確保試驗裝置的安全性和可靠性。

7）主機載入框架的布置以上層起吊機構-中層水平工作檯-下層基座三者構成，三者間可以以立柱等構件加以連線。起吊機構保證了水平工作檯處的氫氣環境箱的正常啟閉，水平工作檯提供了氫氣環境箱以穩定的密封及安放平台，基座則提供了氫氣環境箱內試樣的指定載荷載入功能以及載荷測試功能。

附圖說明

圖1為《一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置》的工作系統示意圖。

圖2為主機載入框架以及相應氫氣環境箱的配合結構圖。

圖3為氫氣環境箱內部各部件結構剖視圖。

圖4為圖3的半剖視圖。

圖5為圖3的俯視圖。

附圖中各標號與該發明的各部件名稱的對應關係如下：1-氫氣瓶、2-置換氣瓶、3-置換閥、4-充氣電磁閥、5-冷卻水箱、6-水泵、7-伺服電機、8-減速器、9-滾珠絲槓傳動副、10-位移感測器、11-載荷感測器、12-拉桿、13-驅動功放、14-下加熱絲、15-上加熱絲、16-壓力感測器、17-放氣電磁閥、18-下熱電偶、19-上熱電偶、20-試樣、21-鐘罩、22-控制器、23-工控機、24-下底板、25-角鋼、26-上底板、27-立柱、28-工作檯、30-安全閥、31-吊車立柱、32-吊車、34-動密封圈、35-熱偶座、36-密封圈、37-下連線頭、38-下夾頭、39-上夾頭、40-上蓋、41-上連線頭、42-吊環、43-供氫氣管、44-隔熱罩、45-冷卻水套、46-馬弗管、47-加熱電阻絲、48-托盤、49-底座法蘭、50-接線柱、51-冷水供水管、52-冷水回水管。

技術領域

《一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置》涉及材料性能測試儀領域，具體涉及一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置。

權利要求

1.《一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置》包括筒狀且密封的氫氣環境箱，所述氫氣環境箱中設定有試樣（20）；該發明還包括裝有拉桿（12）以用於實現對所述試樣（20）進行指定載荷載入的主機載入框架，所述氫氣環境箱設定在主機載入框架上；所述氫氣環境箱中設定有分別用於夾持所述試樣（20）上、下兩端的上夾持部和下夾持部，所述拉桿（12）穿過氫氣環境箱與所述下夾持部固接，且拉桿（12）與氫氣環境箱之間構成動密封配合；所述氫氣環境箱與供氫氣管（43）相連，氫氣環境箱在遠離供氫氣管（43）進氣口的一側設定有放氣電磁閥（17）；所述氫氣環境箱中還設定有電加熱組件；該發明還包括用於監控試樣（20）受力載荷-試樣（20）變形量-試樣（20）環境溫度-試樣（20）周圍氫氣壓力的感測器以及用於監控及處理各感測器所收集信息的控制組件；所述電加熱組件包括由內而外依次布置的熱輻射層和隔熱層，所述熱輻射層由同軸套設於所述試樣（20）外周處的馬弗管（46）以及螺旋狀穿設於馬弗管（46）內的加熱電阻絲（47）構成，筒狀的馬弗管（46）與加熱電阻絲（47）互相配合構成輻射管構造的加熱爐；所述隔熱層至少包括包覆在所述加熱爐外側的金屬隔熱罩（44），所述馬弗管（46）與金屬隔熱罩（44）之間設定有間距；所述金屬隔熱罩（44）上開設有供高壓氫氣通入的通路。

2.根據權利要求1所述的一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置，其特徵在於：所述加熱電阻絲（47）設定為對應所述試樣（20）上、下部分的兩段式螺旋結構，兩段加熱電阻絲（47）各自獨立加熱，且兩段加熱電阻絲（47）均通過設定在氫氣環境箱上的接線柱（50）與驅動功放（13）相連，所述驅動功放（13）與控制組件電聯接。

3.根據權利要求1所述的一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置，其特徵在於：所述金屬隔熱罩（44）與馬弗管（46）之間還布置有隔熱填料。

4.根據權利要求1所述的一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置，其特徵在於：所述氫氣環境箱包括筒狀的鐘罩（21），所述鐘罩（21）的上端封閉，下端開口處設定有底座法蘭（49），所述鐘罩（21）和底座法蘭（49）彼此固連構成封閉的空間；所述供氫氣管（43）與設定在所述鐘罩（21）上的進氣口相連，所述放氣電磁閥（17）通過管道與底座法蘭（49）固連；所述鐘罩（21）的上端部還設定有安全閥（30）和吊環（42）。

5.根據權利要求4所述的一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置，其特徵在於：所述鐘罩（21）的外側設定有冷卻水套（45），所述冷卻水套（45）與鐘罩（21）之間圍成冷卻水腔，冷卻水腔的進水口通過冷水供水管（51）與水泵（6）相連，冷卻水腔的出水口通過冷水回水管（51）與冷卻水箱（5）相連，所述冷卻水箱（5）、水泵（6）、冷水供水管（51）、冷卻水腔以及冷水回水管（51）依次連通形成一個冷卻水循環管路。

6.根據權利要求1所述的一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置，其特徵在於：所述上夾持部包括由上而下依次同軸布置的上連線頭（41）和上夾頭（39），所述上夾頭（39）與試樣（20）上端部固接，所述上夾持部還包括設定在加熱爐上側的金屬隔熱罩（44）夾層中的上蓋（40）；所述上連線頭（41）外形呈直徑上大下小的二段式階梯軸結構，且所述二段式階梯軸結構的軸肩處呈平滑過渡的弧錐面狀構造，所述上蓋（40）與上連線頭（41）軸肩相配合的部分呈與之形狀吻合的凹弧面狀構造；所述下夾持部包括由上而下依次同軸布置的下夾頭（38）和下連線頭（37），所述下連線頭（37）與所述拉桿（12）固接。

7.根據權利要求6所述的一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置，其特徵在於：所述上連線頭（41）和上夾頭（39）之間為螺紋連線，下夾頭（38）和下連線頭（37）之間為鉸接。

8.根據權利要求2所述的一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置，其特徵在於：所述控制組件包括控制器（22）和用於遠程控制的工控機（23），所述控制器（22）和工控機（23）雙向通信連線；所述感測器包括用於測量氫氣環境箱中氫氣壓力的壓力感測器（16）、分別測量試樣（20）上下兩端溫度的上熱電偶（19）和下熱電偶（18）、用於測量試樣（20）伸長量的位移感測器（10）和用於測量試樣（20）載荷的載荷感測器（11），所述位移感測器（10）、載荷感測器（11）、壓力感測器（16）、上熱電偶（19）和下熱電偶（18）以及驅動功放（13）均與控制器（22）電聯接。

9.根據權利要求8所述的一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置，其特徵在於：所述主機載入框架包括自下而上設定的基座、工作檯（28）以及吊車（32），所述工作檯（28）和吊車（32）均架設固定在基座上，所述氫氣環境箱固設在工作檯（28）上；所述基座中設定有向拉桿（12）施載入荷的載入驅動機構，所述載入驅動機構由依次相連的伺服電機（7）、減速器（8）和滾柱絲槓傳動副（9）構成，所述伺服電機（7）與控制器（22）電聯接。

實施方式

1、主機載入框架

主機載入框架可實現對於試樣的蠕變-持久及拉-拉交變負荷載入，以及提供氫氣環境箱以穩定的安裝平台。主機載入框架如圖2所示，是由上方的起吊機構，構成工作檯的水平台面以及位於工作檯以下的基座構成。具體說來，如圖1、2所示，所述基座為由下底板24、上底板25、四根角鋼25構成的長方體空間，由伺服電機7、減速器8與滾珠絲桿傳動副9所構成的載入驅動機構則安裝於所述長方體空間內。四根立柱27安裝於上底板25上，工作檯28由四根立柱27支撐。由鐘罩21及其內部的加熱爐45、試樣20等部件構成的氫氣環境箱則安裝於工作檯28上。起吊機構由吊車立柱31和吊車32構成，吊車立柱31安裝於上底板26與工作檯28上，吊車32安裝於立柱31上，實現鐘罩21裝拆時的起吊。如圖1所示，減速器8優選為蝸輪蝸桿減速器，伺服電機7通過齒形帶與蝸輪蝸桿減速器相連，減速器8的輸出孔與滾珠絲槓相連，滾珠絲桿的絲桿端構成上述鉛垂拉桿12，拉桿12的上端沿其鉛垂向向上延伸並貫穿工作檯28的水平台面後伸入氫氣環境箱中。載荷感測器11固定在鉛垂拉桿12上。

2、環境裝置

環境裝置主要用於形成高溫氫氣環境。其包括氫氣環境箱、置換氣源及其管路、氫氣氣源及其管路以及水冷系統。如圖3、4所示，所述氫氣環境箱包括由鐘罩21和底座法蘭49構成的外層密封結構，所述底座法蘭49固定在工作檯28上，鐘罩21和底座法蘭49圍成的密封空間中設定有由金屬隔熱罩44、托盤48及貼附於其內壁的隔熱填料構成的中層結構，以馬弗管46和加熱電阻絲47構成的內層結構，氫氣環境箱的這三層結構圍合在構成其中心的上、下夾持部以及試樣20周圍。各層結構均連通外圍的置換氣源及其管路和氫氣氣源及其管路，所述置換氣源為置換氣瓶2，所述氫氣氣源為氫氣瓶1，置換氣瓶2通過置換閥3與供氫氣管43連通，氫氣瓶1通過充氣電磁閥4與供氫氣管43連通，所述置換閥3以及充氣電磁閥4的控制端均與控制器22電聯接如圖3所示，所述加熱電阻絲47採用上-下兩段加熱電阻絲構成，兩段加熱電阻絲各自獨立控制，以保證加熱區域的熱輻射均溫性，直至形成高至600℃高溫環境。使用時，在所述密封的環境裝置中經多次置氣後再充入氫氣，以形成氫氣環境；試樣20則直接安裝於輻射管管腔內。

如圖2、3所示，氫氣環境箱外壁處布置相應水冷系統等以保證其壁體溫度。水冷系統包括設定在鐘罩21外側的冷卻水套45，冷卻水套45與鐘罩21之間圍成冷卻水腔，冷卻水腔的進水口通過冷水供水管51與水泵6相連，冷卻水腔的出水口通過冷水回水管51與冷卻水箱5相連，水泵6的進水口插設在冷卻水箱5的液面一下；所述冷卻水箱5、水泵6、冷水供水管51、冷卻水腔以及冷水回水管51依次連通形成一個冷卻水循環管路即水冷系統。

3、夾持裝置

夾持裝置由上夾持部和下夾持部構成，用於對試樣20進行固定和施載入荷。如圖3所示，所述上夾持部包括由上而下依次同軸布置的上連線頭41和上夾頭40，所述上夾頭40與待測試樣20上端部固接，所述上夾持部還包括設定在加熱爐上側的金屬隔熱罩44夾層中的上蓋40；所述上連線頭41外形呈直徑上大下小的二段式階梯軸結構，且該階梯軸結構的軸肩處呈平滑過渡的弧錐面狀構造，所述上蓋40與上連線頭41軸肩相配合的部分呈與之形狀吻合的凹弧面狀構造；所述下夾持部包括由上而下依次同軸布置的下夾頭38和下連線頭37，所述下連線頭37與所述拉桿12固接。所述上連線頭41和上夾頭40之間以及下夾頭38和下連線頭37之間均為鉸接，且連線上連線頭41和上夾頭40之間的鉸接軸與連線下夾頭38和下連線頭37之間的鉸接軸的軸線彼此垂直設定。

4、測控系統

用於實現載入波形、溫度與氫氣壓力的測量與控制。如圖1所示，通過控制伺服電機7的轉速-轉向，鉛垂拉桿12作用於氫氣環境箱內的待測試樣20，並將主機載入框架的載荷傳遞給試樣20，然後通過載荷感測器11測量載荷並輸入控制器22，實現對試樣20的給定波形載入。通過驅動功放13控制上-下兩段加熱電阻絲47的輸入功率，電加熱組件工作，以上熱電偶19和下熱電偶18分別測量試樣20的溫度並輸入控制器22，實現了對試樣20的給定溫度加熱。通過控制充氣電磁閥4和放氣電磁閥17的啟閉，以氫氣環境箱與箱體上的相應密封結構來形成密封空間，並在該密封空間中充入氫氣，採用壓力感測器16測量箱內氫氣壓力並輸入控制器22，從而對試樣20形成給定壓力的氫氣環境；通過位移感測器10測量試樣20的伸長量，並將測量結果傳送到控制器22中。所述控制器22與工控機23雙向通信連線，以使得遠程工作人員可以實時獲得試驗結果和監控試驗過程。

榮譽表彰

2020年7月17日，《一種高溫氫氣環境材料性能試驗裝置》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。