一种常温高压氢环境下材料氢脆试验方法
【专利摘要】本发明公开一种常温高压氢环境下材料氢脆试验方法，试验气体的升压速率保持在0.01MPa/min～100MPa/min范围内，该试验方法的步骤如下：A.建立爆破压力差值Δp与氢环境差值Δpt间的定量关系，得到公式1，为Δp＝P0k?P0t＝f(Δpt)；B.测定升压方式一的实际爆破压力P1k和爆破时间T1k；C.测定升压方式二的实际爆破压力P2k和爆破时间T2k；D.分别将升压方式一、升压方式二的氢环境差值(Δpt)1、(Δpt)2代入公式1中，计算理想爆破压力P01、P02。当时，说明试样的爆破压力主要受氢环境差值影响，而其它试验误差对试样的爆破压力影响较小，升压速率为r时的爆破压力为本发明将脉冲升压方式下的实际爆破压力转化为理想升压速率下的理想爆破压力，提高试验的精确性，为实际应用中高压氢系统的正确选材提供指导意义。
【专利说明】
一种常温高压氢环境下材料氢脆试验方法
技术领域
[0001] 本发明属于材料性能测试领域，具体涉及一种常温高压氢环境下材料氢脆试验方 法。
【背景技术】
[0002] 安全经济的氢气储运技术是氢能利用推向实用化、产业化的关键。现有的氢气储 存技术中，高压储氢是最普通最直接的储氢方式，已成为现阶段氢能储运的主要方式，高压 储氢系统工作在常温高压氢气条件下，氢与材料的相互作用会导致材料的氢脆(氢损伤)而 导致系统失效，造成人民群众的安全问题和财产损失，要确保其长期、稳定、可靠的运行，对 于高压氢系统的正确选材显得异常重要。
[0003] 针对高压氢系统的选材方法，标准IS011114-4-2005中介绍了一种圆盘压力试验 法，该方法通过将试样加工成直径为58mm，厚度为0 · 75 ± 0 · 005mm的圆盘片，并将其夹持于 夹持腔中，然后分别使用氢气和惰性气体(如氦气）以某恒定升压速率持续升压，直至试样 断裂和爆破，通过比较使用两种气体时试样的断裂或爆破压力，以确定该材料的氢脆敏感 性。在该测试方法中，为保证测试结果的精确性，维持某一恒定升压速率的稳定不变显得至 关重要。在标准IS011114-4-2005中要求该试验的升压速率在0.01MPa/min~100MPa/min范 围内变化，又要求在其中的任一加载速率下稳定升压。在理论上，可通过计算机控制高精度 电动微调阀实现。但实际上，国内外市场暂时还没有满足此大跨度流量范围和高精度的电 动微调阀，特别是对于较低升压速率(升压速率小于0.1MPa/min)时，更加难以实现。
[0004] 另一方面，由于标准中规定的升压速率以分钟为最小时间计量单位，因此可通过1 分钟内的平均升压速率来近似代替该时间段内的升压速率。如图1为夹持腔内压力随时间 变化曲线，即通过脉冲升压方式在时间段TKTiSlmin)内的平均升压速率近似代替时间段 h内的理想升压速率。但是采用该种升压方式时，被测试样所处氢环境（即氢气压力与时间 的耦合作用）与采用理想升压方式时所处的氢环境存在差别。因此对于氢敏感性较高的材 料，其采用脉冲升压方式的爆破压力肯定会与理想升压方式的爆破压力存在一定差值，难 以保证试验的精确性。
【发明内容】
[0005] 本发明为了克服上述现有技术的不足，提供一种常温高压氢环境下材料氢脆试验 方法，该方法采用不同的脉冲升压方式，将脉冲升压方式下的实际爆破压力转化为理想升 压速率下的理想爆破压力，提高试样爆破压力数值的准确性，为实际应用中高压氢系统的 正确选材提供指导意义。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0007] -种常温高压氢环境下材料氢脆试验方法，试样的升压速率保持在0.01MPa/min ~100MPa/min范围内，该试验方法的步骤如下：
[0008] A.建立爆破压力差值Δ p与氢环境差值Δ pt间的定量关系
[0009] A1.选取一组试样以试验装置能够稳定实现的升压速率R加压至试样爆破，记录此 时的爆破压力P〇k;
[0010] A2.选取另一组相同试样，以步骤A1中相同的升压速率R将夹持腔内压力上升至p， 维持该压力t秒后以升压速率R加压至试样爆破，记录此时的爆破压力P0t;
[0011] A3.选取不同的p值和t值，重复m次步骤A2，其中m为彡8的正整数，记录对应的不同 的爆破压力Pot;
[0012] A4.依据步骤A2和A3的试验数据，对试验数据进行线性模拟，建立数值模型如下：
[0013] Δ p = P〇k-P〇t = f ( Δ pt) (式 1)
[0014] B.测定升压方式一的实际爆破压力Plk和爆破时间Tlk
[0015] Β1·当需要考察的升压速率为r，0.01MPa/min彡r彡100MPa/min，可采用升压速率R 升压^秒后，维持该压力^-^秒，以^^―⑶^^^时间段的平均升压速率厂代替理 r r 想升压速率r;
[0016] B2.试样爆破结束后，记录实际爆破压力Plk和爆破时间Tlk;
[0017] C.测定升压方式二的实际爆破压力P2k和爆破时间T2k
[0018] Cl.同样的，需要考察的升压速率为r，0.01MPa/min彡r彡100MPa/min，采用升压速 率R升压t2秒后，维持该压力T 2-2t2秒后，再次采用升压速率R升压^秒，以n = r lmin)时间段的平均升压速率F代替理想升压速率r;
[0019] C2.试样爆破结束后，记录实际爆破压力P2k和爆破时间T2k;
[0020] D.计算理想爆破压力Po
[0021 ] D1.将米用升压方式一时实际升压方式与理想升压方式之间的氢环境差值的氢环 境差值（Apth代入式1中，计算其理想升压速率为r时的爆破压力PQ1，即为PQ1-P lk = f( Λ pth，其中，（Apth的取值公式为：
[0022] ( Apt)i = RtiTik/2-Pik*(T〇k-Tik) (式2)
[0023] D2 .将米用升压方式二时实际升压方式与理想升压方式之间的氢环境差值（Δ Pt)2代入式1-1中，计算其理想升压速率为Γ时的爆破压力P〇2,即为P〇2_P2k = f ( Δ pt)2,其中， (Apt)2的取值公式为：
[0024] ( Apt)2 = P2k(T2k-T〇k) (式3)
[0025] D3.式2及式3中米用升压方式一时P〇k即为Ροι，米用升压方式二时P〇k即 为 P〇2;
[0026]计算得升压方式一的爆破压力为Poi = Pik+f ( Δ pt)i;升压方式二的爆破压力为P〇2 = P2k+f( Δ pt)2;
[0027] D4. ξ
?，理想升压速率为r时的试样的理想爆破压力为 L0028J
优选的，A中爆破压力差值Δρ与氢环境差值Apt间的定量关系如下：ApzPok-Pot =f( Apt)=k( Apt)+1，其中k辛0。
[0029] 本发明的有益效果在于：
[0030] 针对实际应用中，对试样材料的氢脆敏感性试验，其理想升压方式难以实现，造成 实际氢脆试验测得的爆破压力与理想爆破压力存在一定的差值，难以保证试验的精确性。
[0031] 本发明通过采用两种不同的脉冲升压方式，利用脉冲升压方式在短时间段内的平 均升压速率近似代替该时间段内的理想升压速率，分别结合公式Ap = PQk-PQt = f(Apt)计 算两种不同脉冲升压方式下的理想爆破压力PQ1、PQ2,并且，通过对两种不同升压方式所得 理想爆破压力的比较，当%^SIO%时，表明试样的爆破压力主要受氢环境差值影响， 而其它试验误差比如升压操作上的误差对试样的爆破压力影响较小，因此理想升压速率下 的爆破压力为
[0032]本发明将脉冲升压方式下的实际爆破压力转化为理想升压速率下的理想爆破压 力，方便了试验操作过程，并且利用该试验方法得出的爆破压力与理想爆破压力偏差度较 小，提高了试样爆破压力数值的准确性，为实际应用中高压氢系统的正确选材提供了指导 意义。
【附图说明】
[0033]图1、2为本发明夹持腔内压力随时间变化曲线。
[0034] 图1中，Pressurel为理想升压方式、Pressure2为升压方式一；图2中，Pressurel为 理想升压方式、Pressure〗为升压方式二。
[0035]本发明中的符号说明如下：
[0036] ΔΡ:爆破压力差值；
[0037] △ pt:氢环境差值；需要说明的是，氢环境差值的计算过程较为复杂，本发明中氢 环境差值采用的公式计算所得值为近似值。
[0038] ( A pt)i:米用升压方式一时实际升压方式与理想升压方式之间的氢环境差值；
[0039] (△ pt)2:米用升压方式二时实际升压方式与理想升压方式之间的氢环境差值；
[0040] f( Apt):爆破压力差值与氢环境差值间的数量模型；
[0041 ] P〇k:以理想的升压速率r加压时，试样的理想爆破压力P0k;
[0042] PQ1:通过升压方式一计算的理想爆破压力；
[0043] PQ2:通过升压方式二计算的理想爆破压力；
[0044] Po:理想爆破压力平均值；
[0045] TQk:以理想的升压速率r加压时，试样的爆破时间T〇k;
[0046] T:脉冲升压方式时一个升压周期的时间；
[0047] Pik:米用升压方式一的爆破压力；
[0048] Tik:米用升压方式一的试样爆破时间；
[0049] P2k:米用升压方式二的爆破压力；
[0050] T2k:米用升压方式二时试样爆破时间。
【具体实施方式】
[0051]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的 实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都 属于本发明保护的范围。
[0052] 实施例1
[0053]以316L的不锈钢材料进行圆盘爆破试验，该试验方法的步骤如下：
[0054] A.建立爆破压力差值Δ p与氢环境差值Δ pt间的定量关系
[0055] A1.选取一组试样以试验装置能够稳定实现的升压速率R = 6MPa/min加压至试样 爆破，爆破压力P〇k为60 · 22MPa;
[0056] A2.选取另一组相同试样，以步骤A1中相同的升压速率R = 6MPa/min将夹持腔内压 力上升至P，维持该压力t秒后以升压速率R = 6MPa/min加压至试样爆破，记录此时的爆破压 力 Pot;
[0057] A3 .选取不同的p值和t值，重复10次步骤A2，记录对应的不同的爆破压力Pot，将各 项试验数据记录于表1中；
[0058]表1.压力p和维持压力时间t的取值及对应的爆破压力PQt、爆破压力差值Δρ、氢环 境差值A pt
[0059]
[
[0061 ] A4.依据表1中的试验数据，建立起如下的数值模型，
[0062] Ap = P〇k-P〇t = f( Apt)=0.0039( Apt)-〇.1371 (式 1-1)
[0063] B.如图1所示，测定升压方式一的实际爆破压力Plk和爆破时间Tlk
[0064] B1.当需要考察的升压速率r为0.6MPa/min时，
[0065] 0 · OIMPa/min彡r彡lOOMPa/min，可采用6MPa/min的升压速率R(瞬时升压速率 0.1 MPa/s)升压t1 = 6秒后，维持该压力
，以此达到
时间段内的平均升压速率F=a.6MPa/min，从而用平均升压速率代替理 想升压速率r;
[0066] Β2·记录实际爆破压力Plk = 55.58MPa和爆破时间Tlk = 92min;
[0067] C.如图2所示，测定升压方式二的实际爆破压力P〇k和爆破时间T2k
[0068] Cl.需要考察的升压速率为r为0.6MPa/min，采用瞬时升压速率0.1 MPa/s升压t2 = 3秒后，维持该压力T2-2t2 = 54秒后，再次米用升压速率R升压t2 = 3秒，以 时间段的平均升压速率F代替理想升压速率r;
[0069] C2 ·记录实际爆破压力P2k = 55 · 55MPa和爆破时间T2k = 93min;
[0070] D.计算理想爆破压力Po
[0071] D1.将升压方式一的氢环境差值（ApthR入公式1中，计算其理想升压速率为r为 0 · 6MPa/min时的爆破压力PQ1，即为PQ1-Plk = f ( Δ pt)!，PQ1即为公式中P〇k，其中，
[0072] ( Apt)i = RtiTik/2-Pik*(T〇k-Tik) (式2)
[0073] 将Tik = 92min，pik = 55.58MPaR = 6MPa/min，ti = 6秒=0· lmin，代入式 2中，得到如下式1-2，
[0074] ( Apt)i = 5140.96-92.63p〇k (式 1-2)
[0075] 再将式1-2代入公式1-1中，得到
[0076] Ap = Pok-Plk = 〇.〇412( Δ pt)+0.0514 = 0 ·0412*(5140· 96-92.63P〇k)+0.0514解出 P〇k = 55.55MPa，即为通过升压方式一计算的理想爆破压力P01;
[0077] D2.将升压方式二的氢环境差值（Apt)2代入公式1中，计算其理想升压速率r为 0 · 6MPa/min时的爆破压力PQ2，即为PQ2-P2k = f ( Δ pt)2，PQ2即为公式中P〇k，其中，
[0078] ( Apt)2 = -P2k(T〇k-T2k) (式3)
[0079] 将R = 6MPa/min，t2 = 3秒，T2k = 93min，P2k = 56.88MPa:
?戈入式3中，得到 如下式1-3，
[0080] ( Apt)2 = 5289.84-94.8p〇k (式 1-3)
[0081 ] 再将式1-3代入式1-1中，得到：
[0082] Ap = Pok-P2k = 〇.〇412( Δ pt)+0.0514 = 0 ·0412*(5289·84-94.8P〇k)+0.0514解出 P〇k = 55.88MPa，即为通过升压方式二计算的理想爆破压力P02;
[0083] D3.由于^^ = 0.44%￡10(1/()，说明试样的爆破压力主要受氢环境差值影响，而 其它试验误差对试样的爆破压力影响较小，因此升压速率为〇.6MPa/min时的爆破压力为
[0084] 实施例2
[0085]以无缝气瓶钢材料进行圆盘爆破试验，该试验方法的步骤如下：
[0086] A.建立爆破压力差值Δ p与氢环境差值Δ pt间的定量关系
[0087] A1.选取一组试样以试验装置能够稳定实现的升压速率R=10MPa/min加压至试样 爆破，爆破压力P〇k为40 · 08MPa;
[0088] A2.选取另一组相同试样，以步骤A1中相同的升压速率R=10MPa/min将夹持腔内 压力上升至P，维持该压力t秒后以升压速率R= 10MPa/min加压至试样爆破，记录此时的爆 破压力Pot;
[0089] A3.选取不同的p值和t值，重复9次步骤A2，记录对应的不同的爆破压力Pot，将各项 试验数据记录于表2中；
[0090] 表2.压力p和维持压力时间t的取值及对应的爆破压力PQt、爆破压力差值Δρ、氢环 境差值A pt
[0091]
[0092] A4.依据表2中的试验数据，建立起如下的数值模型，
[0093] Ap = P0k-P0t = f( Apt) =0.015( Apt)+0.293 (式2-1)
[0094] B.如图1所示，测定升压方式一的实际爆破压力Plk和爆破时间Tlk
[0095] B1.当需要考察的升压速率r为0.01MPa/min时，可采用升压速率R = 0.3MPa/min (瞬时升压速率0. 〇〇5MPa/s)升压t = 2秒后，维持该压58秒，以此达到lmin时间段内的平均 升压速率Γ =0.0丨MPa/min，从而用平均升压速率代替理想升压速率r;
[0096] B2 ·记录实际爆破压力Plk = 27 · 88MPa和爆破时间Tlk = 2788min;
[0097] C.如图2所示，测定升压方式二的实际爆破压力P2k和爆破时间T2k
[0098] Cl.需要考察的升压速率为r为0.01MPa/min，采用瞬时升压速率0.005MPa/s升压 t2 = 1秒后，维持该压力T2-2t2 = 58秒后，再次米用升压速率R升压t2 = 1秒，以lmin时间段的 平均升压速率F代替理想升压速率r;
[0099] C2 ·记录实际爆破压力P2k = 32 · 45MPa和爆破时间T2k = 3245min;
[0100] D.计算理想爆破压力P〇
[0101] D1.将升压方式一的氢环境差值（ApthR入公式1中，计算其理想升压速率为r为 O.OIMPa/min时的爆破压力PQ1，即为PQ1-Plk = f( AptkPtn即为公式中P〇k，其中，
[0102] ( Apt)i = RtiTik/2-Pik*(T〇k-Tik) (式2)
[0103] 将Tik= 2788min，Pik = 27 · 88MPa，7；, = ，R = 〇 · 3MPa/min，ti = 2秒=(1/30) min，代入式2中，得到如下式2-2，
[0104] ( Apt)i = 77743.38-2788P〇k (式2-2)
[0105] 再将式2-2代入公式2-1中，得到
[0106] Δ p = Pok-Plk = 〇 ·〇15( Δ pt)+0 · 293 = 0 ·015*(78565 · 84_2788P〇k)+0 · 293
[0107] 解出P〇k = 27.89MPa，即为通过升压方式一计算的理想爆破压力P01;
[0108] D2.将升压方式二的氢环境差值（Apt)2代入公式1中，计算其理想升压速率r为 0.01MPa/min时的爆破压力P〇 2,即为P〇2-P2k = f( Apt)2，P〇2即为公式中P〇k，其中，
[0109] ( Apt)2 = -P2k(T〇k-T2k) (式3)
[0110] 将T2k = 3245min，P2k = 32 · 45MPa，7;u = ，R = 0 · 3MPa/min，t2 = 1 秒=(1 /60) min，代入式3中，得到如下式2-3，
[0111] ( Δ pt)2= 105300 · 25-3245p〇k (式2-3)
[0112] 再将式2-3代入公式2-1中，得到
[0113] Δ p = Pok-P2k = 〇 ·〇15*( 105300 · 25_3245P〇k)+0 · 293
[0114] 解出P〇k = 32.46MPa，即为通过升压方式二计算的理想爆破压力P02;
[0115] D3.由于I，1-，1=7.6% <10%，说明试样的爆破压力主要受氢环境差值影响，而 其它试验误差对试样的爆破压力影响较小，因此升压速率为0.01MPa/min时的爆破压力为
1〇
【主权项】
1. 一种常溫高压氨环境下材料氨脆试验方法，试样的升压速率保持在O.OIM化/min~ lOOMPa/min范围内，其特征在于该试验方法的步骤如下： A. 建立爆破压力差值Δ P与氨环境差值Δ pt间的定量关系 A1.选取一组试样，W试验装置能够稳定实现的升压速率R加压至试样爆破，记录此时 的爆破压力Pok; A2.选取另一组相同试样，W步骤A1中相同的升压速率时尋夹持腔内压力上升至P，维持 该压力t秒后W升压速率R加压至试样爆破，记录此时的爆破压力Pot; A3.选取不同的P值和t值，重复m次步骤A2,其中m为>8的正整数，记录对应的不同的爆 破压力Pot; A4.依据步骤A2和A3的试验数据，对试验数据进行线性模拟，建立数值模型如下： A p = P〇k-P〇t = f ( Δ pt)(式 1) B. 测定升压方式一的实际爆破压力Pik和爆破时间Tik B1.当需要考察的升压速率为r，0.01MPa/min《;r《 lOOMPa/min，可采用升压速率R升压 ti秒后，维持该压力打秒，^打=^时间段的平均升压速率产代替理想升压速率'，其 r r 中 Ti《lmin; B2.试样爆破结束后，记录实际爆破压力Pik和爆破时间Tik; C. 测定升压方式二的实际爆破压力P2k和爆破时间T2k Cl.同样的，需要考察的升压速率为'，0.0謹?3/111111《'《1001?3/111111，采用升压速率1? 升压t2秒后，维持该压力T2-2t2秒，再次采用升压速率R升压t2秒，时间段的平均 r 升压速率户代替理想升压速率r，其中，Τ2《Imin; C2.试样爆破结束后，记录实际爆破压力P2k和爆破时间T2k; D. 计算理想爆破压力Po D1.将采用升压方式一时实际升压方式与理想升压方式之间的氨环境差值（Apt)i代入 式1中，计算其理想升压速率为r时的爆破压力Poi，即为Poi-Pik = f ( Δ pt)i，其中，（Δ pt)i的 取值公式为： (Δ pt)i = IU化k/2-Pik*(T〇k-Tik)(式2) D2.将采用升压方式二时实际升压方式与理想升压方式之间的氨环境差值（Apt)2代入 式1中，计算其理想升压速率为r时的爆破压力P〇2,即为P〇2-P2k = f ( A pt)2,其中，（A pt)2的 取值公式为： (Apt)2 = P2k(T2k-T〇k)(式 3) D3 .式2及式3中T〇k = P〇k/:r;义用升压方式一时Pok即为Poi，义用升压方式二时Pok即为 P〇2 ； 计算得升压方式一的爆破压力为P〇l = Plk+f(Apt)l;升压方式二的爆破压力为P〇2 = P2k +f( A pt)2; 〇4.当^^^^1〇%时，理想升压速率为r时的试样的理想爆破压力为4 =，气口 '02- L2. 根据权利要求1所述的一种常溫高压氨环境下材料氨脆试验方法，其特征在于，A步 骤中爆破压力差值A p与氨环境差值Δ pt间的定量关系如下： A P二Pok-Pot二f ( Δ pt)二k( Δ pt)+l，其中k卓0〇
【文档编号】G01N3/12GK105973711SQ201610272642
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年4月27日
【发明人】胡盼, 陈学东, 范志超, 孔韦海, 崔军, 张强
【申请人】合肥通用机械研究院, 合肥通用机械研究院特种设备检验站