一种模拟气瓶应力状态的材料氢脆敏感性试验装置及方法与流程

1.本发明涉及金属材料试验技术领域，具体的说是一种模拟气瓶应力状态的材料氢脆敏感性试验装置及方法。


背景技术：

2.氢脆是由于氢进入金属材料内部，聚合成氢气分子，产生强大的内压而导致微裂纹的萌生和发展，进而致使金属材料塑性显著下降，脆性急剧增加，往往在低于材料抗拉强度的静载荷下经过一段时间应用发生破坏等恶性事故的现象。
3.伴随化石燃料能源枯竭的挑战以及清洁能源发展脚步的不断加快，氢能产业快速发展，其中氢能储运技术中，高压储氢是极具商业化应用前景的储氢技术，已成为现阶段氢能储运的主要方式。高压储氢容器在常温高压氢气环境下，由于氢气会在金属材料表面吸附、溶解、扩散、聚集，故存在导致材料氢脆进而发生失效的可能。要确保其长期、稳定、可靠的运行，对于高压储氢容器研究其材料的氢脆敏感性至关重要。
4.现有材料氢脆敏感性试验方法主要有两种，一是试样电化学充氢后，进行慢拉伸试验；二是在常温高压氢气环境下，直接进行慢拉伸试验。前者装置简便、操作简单，但难以避免氢的扩散导致氢浓度降低；后者需要在高压腔体中进行，使用介质为高压高纯氢气，因氢气为易爆危险源，试验危险性高，价格昂贵，因此难以在国内实验室普及。同时两种方法都只能定性的评价材料是否有发生氢脆的可能性，但无法说明材料在实际使用应力状态下的氢脆敏感性程度。
5.针对此种现状，很有必要发明一种能模拟气瓶应力状态的材料氢脆敏感性试验方法，在保证安全的前提下，评价材料在实际使用应力状态下是否有发生在低于材料抗拉强度的静载荷下发生破坏恶性事故的可能。


技术实现要素：

6.本发明为解决上述问题，提供了一种模拟气瓶应力状态的材料氢脆敏感性试验装置及方法，通过在介质槽中加入电解充氢溶液，以试样作阴极进行电化学充氢并同时施加和保持不低于气瓶服役条件的应力水平，解决现有技术无法评价材料在实际应力状态下的氢脆敏感性问题，操作简单，可操作性强，可为高压储氢容器选材提供进一步的试验支撑，提高储氢容器使用安全性能。
7.本发明通过以下技术方案来实现：一种模拟气瓶应力状态的材料氢脆敏感性试验装置，包括可电化学充氢的试样、含电解充氢溶液的介质槽、可施加拉伸应力的试验机、恒电位仪、作为阳极的石墨棒或铅板；所述试样、试验机、石墨棒或铅板均设置在介质槽内，所述恒电位仪的阴极通过连接导线与试样相连接，所述恒电位仪的阳极与石墨棒或铅板相连接。
8.进一步的，电解充氢溶液包括0.5mol/l的稀硫酸溶液以及200mg/l的毒化剂三氧
化锑。
9.一种模拟气瓶应力状态的材料氢脆敏感性试验方法，主要包括以下步骤：步骤一、根据气瓶的设计参数采用计算或模拟的方式确定气瓶材料所承受的最大应力；步骤二、将试样打磨光滑，进行超声波清洗后安装到已安装在介质槽内且可施加拉伸应力的试验机上；步骤三、将阴极连接导线连接到试样上，并将作为阳极的石墨棒或铅板插入介质槽中；步骤四、使用可施加拉伸应力的试验机对试样进行加载直至达到步骤一中确定的最大应力；同时向介质槽中加入电解充氢溶液，调节恒电位仪对试样进行电化学充氢；步骤五、维持整个系统达到预定的时间后，卸载拉伸应力，取出试样，观察试样的表面裂纹情况；步骤六、在试验机上拉断试样，观察断口有无裂纹萌生和扩展。
10.进一步的，步骤二中超声波清洗时采用分析纯酒精清洗。
11.进一步的，步骤四中电解充氢溶液包括0.5mol/l的稀硫酸溶液以及200mg/l的毒化剂三氧化锑。
12.本发明的有益效果在于：采用本发明所述的模拟气瓶应力状态的材料氢脆敏感性试验方法，通过电化学充氢模拟高压储氢容器面临的材料氢含量升高，通过可施加拉伸应力的试验机模拟储氢容器材料在实际服役工况条件下所受的拉力，解决了现有材料氢脆敏感性研究中无法评价材料在实际使用应力状态下是否有发生低应力脆断破坏恶性事故的可能问题，操作简单，使用方便。
附图说明
13.图1是本发明试验装置的结构示意图；附图标记：1、试样，2、介质槽，3、试验机，4、铅板，5、恒电位仪。
具体实施方式
14.下面根据附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
15.实施例1如图所示，一种模拟气瓶应力状态的材料氢脆敏感性试验装置，包括可电化学充氢的试样1、含电解充氢溶液的介质槽2、可施加拉伸应力的试验机3、恒电位仪5、作为阳极的石墨棒或铅板4；所述试样1、试验机3、石墨棒或铅板4均设置在介质槽2内，所述恒电位仪5的阴极通过连接导线与试样1相连接，所述恒电位仪5的阳极与石墨棒或铅板4相连接。
16.本发明所述的模拟气瓶应力状态的材料氢脆敏感性试验方法包括如下步骤：1）根据气瓶的设计参数，模拟50mpa高压储氢容器材料4130x所承受的最大应力水平为350mpa；2）将试样1工作段打磨光滑，放入分析纯的酒精中进行超声波清洗15min左右去除
表面油脂等污物后，安装到已安装在介质槽2内且可施加拉伸应力的试验机3上；3）将阴极连接导线连接到试样1上，并将作为阳极的石墨棒或铅板4插入介质槽2中；4）使用可施加拉伸应力的试验机3对试样1进行加载直至达到确定的最大应力350mpa；5）向介质槽2中加入电解充氢溶液（0.5mol/l的稀硫酸溶液，含200mg/l的毒化剂三氧化锑），调节恒电位仪5以10ma/cm2的电流密度对试样1进行电化学充氢；6）维持整个系统达到预定的时间240h后，卸载拉伸应力，取出试样1，观察试样1的表面裂纹情况，根据前期试验，此时试样1内部的氢含量约3.6ppm；7）在试验机上拉断试样1，观察断口未发现裂纹萌生和扩展，说明4130x材料在此应力状态下，具有较低的氢脆敏感性，适合作为50mpa高压储氢容器材料。
17.以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。


技术特征：
1.一种模拟气瓶应力状态的材料氢脆敏感性试验装置，其特征在于：包括可电化学充氢的试样（1）、含电解充氢溶液的介质槽（2）、可施加拉伸应力的试验机（3）、恒电位仪（5）、作为阳极的石墨棒或铅板（4）；所述试样（1）、试验机（3）、石墨棒或铅板（4）均设置在介质槽（2）内，所述恒电位仪（5）的阴极通过连接导线与试样（1）相连接，所述恒电位仪（5）的阳极与石墨棒或铅板（4）相连接。2.根据权利要求1所述的一种模拟气瓶应力状态的材料氢脆敏感性试验装置，其特征在于：电解充氢溶液包括0.5mol/l的稀硫酸溶液以及200mg/l的毒化剂三氧化锑。3.根据权利要求1所述的一种模拟气瓶应力状态的材料氢脆敏感性试验方法，其特征在于：主要包括以下步骤：步骤一、根据气瓶的设计参数采用计算或模拟的方式确定气瓶材料所承受的最大应力；步骤二、将试样打磨光滑，进行超声波清洗后安装到已安装在介质槽内且可施加拉伸应力的试验机上；步骤三、将阴极连接导线连接到试样上，并将作为阳极的石墨棒或铅板插入介质槽中；步骤四、使用可施加拉伸应力的试验机对试样进行加载直至达到步骤一中确定的最大应力；同时向介质槽中加入电解充氢溶液，调节恒电位仪对试样进行电化学充氢；步骤五、维持整个系统达到预定的时间后，卸载拉伸应力，取出试样，观察试样的表面裂纹情况；步骤六、在试验机上拉断试样，观察断口有无裂纹萌生和扩展。4.根据权利要求3所述的一种模拟气瓶应力状态的材料氢脆敏感性试验方法，其特征在于：步骤二中超声波清洗时采用分析纯酒精清洗。5.根据权利要求3所述的一种模拟气瓶应力状态的材料氢脆敏感性试验方法，其特征在于：步骤四中电解充氢溶液包括0.5mol/l的稀硫酸溶液以及200mg/l的毒化剂三氧化锑。

技术总结
本发明公开一种模拟气瓶应力状态的材料氢脆敏感性试验装置，包括介质槽、恒电位仪及设在介质槽内的试样、试验机、石墨棒或铅板，恒电位仪阴极通过连接导线与试样连接，恒电位仪阳极与石墨棒或铅板连接；其试验方法包括一、根据气瓶设计参数采用计算或模拟方式确定气瓶材料所承受最大应力；二、将试样打磨光滑，超声波清洗后安装到试验机上；三、将阴极连接导线与试样连接，将作为阳极的石墨棒或铅板插入介质槽中；四、使用试验机对试样进行加载直至达到最大应力；向介质槽中加入电解充氢溶液，调节恒电位仪对试样电化学充氢；五、维持一定时间后卸载拉伸应力，取出试样观察试样表面裂纹情况；六、在试验机上拉断试样观察断口有无裂纹萌生和扩展。裂纹萌生和扩展。裂纹萌生和扩展。


技术研发人员：武春学 刘博 张永峰
受保护的技术使用者：中船双瑞（洛阳）特种装备股份有限公司
技术研发日：2022.02.23
技术公布日：2022/9/8