一种高压氢环境下爆破片性能测试方法

本发明涉及氢气储运设备安全附件的制造检测技术，具体涉及一种高压氢环境下爆破片性能测试方法。

背景技术：

1、为了应对气候变化、改善燃料短缺问题，加速能源脱碳转型是实现人类可持续发展的必然选择。氢能作为新世纪最具发展潜力的二次能源，已经成为全球能源革命的重大战略方向。

2、高压气态储氢是应用最广泛的一种储氢方式，考虑到氢气对材料的劣化作用及其易燃易爆易泄漏的危险特性，通常需要为氢能承压设备装设合适的超压泄放装置。目前各国涉氢标准关于高压氢系统超压泄放装置的选型和安装要求并不统一，且各自存在技术弊端。例如，常见的温度驱动型超压泄放装置(tprd)或安全阀往往结构设计复杂、制造要求严格，存在动作不及时的安全隐患，并且多数依赖于进口，价格昂贵，其在高压氢气环境下的服役性能也有待进一步提高。也有采用易熔塞装置，但其动作受温度控制，无法在急速升压情况下快速打开，并且存在长期受挤压而脱落或因局部受热而引发误动作的情况。相比之下，爆破片装置的结构简单、价格低廉，动作灵敏、密封性好，尤其适用于高压气体的急速泄压场合。

3、针对不同的应用场合，可以使用具有不同特征结构的爆破片，然而现行的国内外标准尚未明确给出这些不同型式的爆破片在高压氢气泄放场景中的适用性评价方法。现有关于爆破片性能的研究通常采用液体、空气、氮气等介质进行测试，针对氢气介质的爆破片试验装置和试验方法仍然相对空白。考虑到高压氢气环境下材料特殊的抗氢脆需求和氢气易燃易爆易泄漏的特点，爆破片长期承受着夹持力和可能的气体温度、压力波动，并且爆破片整体结构较薄，通常具有开槽或开缝的特殊结构，因此更加需要关注氢脆现象对爆破片动作性能的影响。另外有研究表明，高压氢气泄放自燃的可能性与爆破片破裂形态和破裂时间具有密切关系。相似的膜片破裂过程观察需求也出现在激波管研究中，常见方法是在膜片上游承压设备腔体上开设玻璃窗进行拍摄或补光，并在膜片下游进行对应的补光或拍摄。但是，当爆破片上游腔体承载高压氢气时，该做法将不利于上游腔体的密封和制造，玻璃窗将会成为上游腔体的薄弱部位，一旦在试验过程中出现破损就可能引发高压氢气泄漏带来的燃烧或爆炸事故，从而造成严重的设备或人员伤害。

4、综上，提供一种适用于高压氢气场景下的爆破片性能测试装置及方法，以获得不同工况下的试验数据，建立高压氢环境爆破片适用性评价方法，为高压氢系统超压泄放装置的设计和选型提供参考依据，是符合现实需要的。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种高压氢环境下爆破片性能测试方法。

2、为解决技术问题，本发明的解决方案是：

3、提供一种高压氢环境下爆破片性能测试方法，是利用爆破片性能测试装置，针对受不同夹持力的待测爆破片进行高压氢环境下的爆破压力测试、疲劳性能测试、密封性能测试或破裂形态实时观测；

4、所述爆破片性能测试装置包括试验腔体、暗箱、影像设备防护仓、光路系统、气路系统和控制系统；其中，

5、试验腔体，由通过螺纹依次连接的端座、前夹承座和后夹承座组成；前夹承座和后夹承座具有贯通的轴向通孔，且两者之间设有待测爆破片夹持位；端座为单端封闭，在前夹承座上设有与轴向通孔相连的进气通道和排气通道；

6、暗箱，具有中空的箱形结构，在侧壁上设有箱体进气通道；所述后夹承座固定安装在箱体的外侧，并以其轴向通孔与箱体进气通道对接；

7、影像设备防护仓，包括中空管状的支承柱和截面呈几字形的仓盖，在支承柱的顶端设有三级环形台阶，由上至下每级台阶分别放置o形橡胶密封圈、高压防爆玻璃和定位栅格；仓盖嵌套安装在支承柱外部，以其具有中央开孔的顶面压紧高压防爆玻璃，底部通过法兰固定在暗箱箱体底板上，使支承柱被竖向固定在仓盖顶面与箱体底板之间；高速摄像机放置在支承柱的内部，且镜头朝向仓盖顶面的开孔；

8、光路系统，包括设于暗箱内的光源和单向玻璃，以及设于端座封闭端内侧的反光镜；光源、单向玻璃、箱体进气通道、前夹承座和后夹承座的轴向通孔、反光镜依次同轴布置；单向玻璃位于试验腔体中轴线与高速摄像机镜头中轴线的交点，其反射面以与试验腔体中轴线呈45°的倾角朝着试验腔体和高速摄像机的方向设置；所述光源设于单向玻璃右侧偏上位置，偏离试验腔体中轴线的距离由光线通过单向玻璃上的折射角度决定；

9、气路系统，包括压缩机、气控减压阀、管道，以及设于管道上的多个电控阀门；试验腔体的进气通道经管路依次连接气控减压阀、压缩机和供气子系统；试验腔体的排气通道经管路连接泄放子系统、抽真空子系统和回收子系统；所述压缩机出口还通过管路连接至高压氢气存储子系统；其中，泄放子系统包括泄放阀，抽真空子系统包括真空泵，回收子系统包括回收罐，供气子系统包括氢气瓶和氩气瓶，高压氢气存储子系统包括高压储氢容器；

10、控制系统，包括上位计算机、控温子系统，以及设于试验腔体和气路系统中的氢气传感器、压力传感器和温度传感器；其中，控温子系统用于调节控制高压氢气存储子系统的温度，包括高压储氢容器夹套和提供换热介质的冷源/热源，两者通过管路连接并构成循环回路，管路上设有电控阀门；上位计算机通过信号线连接分别控温子系统、光源、高速摄像机、各传感器及阀门；

11、所述高压氢环境下爆破片性能测试方法，具体包括：

12、(1)按所述装置的结构和连接关系进行各设备和系统的组装；

13、(2)分离前夹承座和后夹承座，在前夹承座的台阶内依次安装环形金属垫片、待测爆破片和异形压环；然后将前夹承座和后夹承座的螺纹对接、旋紧，并根据预设测试方案调整安装力矩；

14、(3)依次开启氩气瓶和泄放阀，对试验腔体及相连管路进行两次吹扫直至完全排净腔内气体；

15、(4)开启真空泵对试验腔体及相连管路抽真空；

16、(5)依次开启氢气瓶和泄放阀，对试验腔体及相连管路进行两次吹扫；

17、(6)利用爆破片性能测试装置，针对受不同夹持力的待测爆破片进行测试或观测；具体包括：

18、(6.1)在进行爆破压力测试时：以设定速率升高试验腔体内氢气压力，当监测到前夹承座上的压力传感器的示数值出现超出仪表和设备精度范围的骤降时，通过上位计算机提示爆破片爆破动作预警，并记录下此时通过压力传感器读取的爆破压力数值；

19、(6.2)在进行疲劳性能测试时：以设定的压力循环上、下限及频率对试验腔体进行设定压力循环次数的增压和减压操作，然后再按照步骤(6.1)所述操作对疲劳后的爆破片进行爆破压力测试；或者，对爆破片进行疲劳寿命测试，以设定的压力循环上、下限及频率对试验腔体进行循环增压和减压操作，直至前夹承座上的压力传感器监测到的压力循环峰值与设定压力循环上限间的差值超出仪表和设备的精度范围；通过上位计算机提示爆破片爆破动作预警，并记录下此时的疲劳循环次数以及通过压力传感器读取的爆破压力数值；

20、(6.3)在进行密封性能测试时：使用前夹承座和后夹承座上的氢气传感器，监测在保压、增压以及压力循环操作过程中，爆破片密封泄漏通道内的氢气浓度变化，并由上位计算机记录；

21、(6.4)在进行破裂形态实时观测时：从光源发出的光线以平行于试验腔体的中轴线的方向传播，先透过单向玻璃折射后进入试验腔体内，被未完全展开的爆破片挡住一部分，再由端座内侧的反光镜反射回来；能够通过的部分光线在到达单向玻璃反射面后，被大部分反射至垂直于原光线方向向下传播，通过高压防爆玻璃和定位栅格后最终被高速摄像机接收，以此方式实时记录爆破片爆破过程中的破裂形态、破裂速率以及有无碎片产生；

22、(7)试验完成后，关闭氢气瓶、压缩机和气控减压阀，开启泄放阀，将试验腔体和相连管路中的高压氢气经由阻火器排放至安全区域；或者，在开启泄放阀之前，先将试验腔体排出的高压氢气回收至回收罐中以重复利用；

23、(8)开启真空泵对试验腔体及相连管路抽真空；

24、(9)关闭试验系统，拆卸清理试验腔体。

25、作为本发明的优选方案，所述步骤(2)中，前夹承座与后夹承座之间的安装力矩是由实际爆破片产品的安装力矩换算获得的，过程中考虑两种情况对爆破片的夹持力相等，各自的螺纹连接参数不同。

26、作为本发明的优选方案，所述步骤(6)中，根据试验腔体内氢气压力实时监测的数值，通过上位计算机对气控减压阀的运行参数进行同步调节；根据压力监测数值提示爆破片爆破时，通过上位计算机自动关断氢气传感器线路上的阀门；氢气经压缩机增压后直接输入试验腔体，或者先存储于高压储氢容器中再输入试验腔体；温度传感器将高压储氢容器内的氢气温度实时反馈至上位计算机，通过上位计算机对控温子系统的控制参数进行同步调节；或者，利用控温子系统、高压储氢容器和供气子系统中的氩气瓶制备低温氩气，以在试验结束后进行低温氩气吹扫，来快速冷却试验装置。

27、作为本发明的优选方案，所述爆破片性能测试装置中，端座、前夹承座和后夹承座的外部呈六棱柱形状；前夹承座和后夹承座的轴向通孔直径、暗箱箱体进气通道内径均大于或等于待测爆破片的泄放口径；所述反光镜为圆形，安置在所述端座的端面台阶内，且被前夹承座压和反光镜压环压紧实现限位安装；所述反光镜压环的内径大于待测爆破片泄放口径。

28、作为本发明的优选方案，所述高压储氢容器器壁上设有多个开孔，分别用于安装监测压力和温度的传感器，以及通过管路连接泄放阀。

29、作为本发明的优选方案，所述箱体底板开设高速摄像机接线通孔及其外围沉孔；所述支承柱开设轴向通孔，沿通孔内侧壁面由上至下依次开设第四台阶、第五台阶和第六台阶；所述高压防爆玻璃由第一圆锥台和第二圆锥台构成；所述仓盖由内收上段、圆筒中段和法兰下段构成；所述第四台阶、第六台阶和第一圆锥台的上缘处设置圆角；所述第五台阶侧壁面为锥面，所述第二圆锥台侧壁面为磨砂玻璃锥面，二者倾角相同，且前者轴向长度小于后者；所述第一圆锥台侧壁面倾角大于所述第二圆锥台；所述支承柱设于所述箱体底板沉孔内；所述高压防爆玻璃放置于所述支承柱第五台阶锥面上；所述仓盖内收上段的下端面压在高压防爆玻璃上端面；所述仓盖圆筒中段套于所述支承柱外侧壁面；所述仓盖法兰下段与所述箱体底板以螺钉连接；所述支承柱的第六台阶上放置定位栅格；所述第六台阶下方通孔内放置高速摄像机；所述支承柱下端面开设环向的凹槽，凹槽内嵌装o形橡胶密封圈四；所述支承柱第四台阶上放置o形橡胶密封圈五。

30、作为本发明的优选方案，所述爆破片性能测试装置中，端座内侧壁面由右至左开设第一台阶和端面台阶；所述前夹承座由第一左段圆台、第一中段棱柱和第一右段棱槽构成，其中第一右段棱槽内侧壁面由右至左开设第二台阶和第三台阶；所述后夹承座由第二左段圆台、第二中段棱柱和第二右段棱槽构成，其中第二右段棱槽右端面开设环向均布螺孔，与所述箱体进气通道外围箱体上开设的环向均布通孔配合安装螺钉；在与箱体进气通道相对的暗箱箱体上设有箱门和排气窗，箱门的外侧设有门把手。

31、作为本发明的优选方案，所述进气通道和排气通道设于前夹承座的第一中段棱柱上；在第一中段棱柱上还设有监测通道一与监测通道二，分别嵌入安装了用于温度监测和压力监测的传感器；在前夹承座的第二台阶处设有监测通道三，在后夹承座的第二中段棱柱处设有监测通道四，分别嵌入安装了用作氢浓度监测的传感器。

32、作为本发明的优选方案，在所述第一中段棱柱左端面、第二左段圆台外侧壁面和所述箱体进气通道与其外围环向均布通孔间的箱体外壁面上分别开设环向的凹槽，在凹槽内分别嵌装o形橡胶密封圈用于密封。

33、作为本发明的优选方案，所述待测爆破片夹持位设于前夹承座的第一右段棱槽与后夹承座的第二左段圆台之间的第三台阶内；在待测爆破片夹持位中，依次放置环形金属垫片、待测爆破片和异形压环，异形压环被后夹承座压紧，进一步压紧待测爆破片和环形金属垫片并实现密封；所述异形压环是具有第一圆环和第二圆环的一体式结构；其中第一圆环内径与待测爆破片外径相同，第二圆环内径与待测爆破片泄放口径相同，并在靠近待测爆破片一侧的第二圆环左缘处设置圆角。

34、发明原理描述：

35、转角同轴光源通常采用发光二极管(led)阵列发射出均匀亮光，光线从一侧透过带有特殊涂层的单向玻璃后，向着待观测物体传播，并被待观测物体反射回来，反射光线在回程途中遇到单向玻璃后再被其反射至观测方向，此类设计结构紧凑，通常被用于观察反射度极高的工件表面上的划痕、裂纹或异物等。

36、考虑到爆破片本身对光线的反射率十分有限，破裂膜瓣形状各异导致其反射角度不确定，因此本发明基于上述原理在试验腔体端面台阶内设置反光镜面，以拓展光路达到更加清晰准确的实时观察爆破片破裂动作的目的。

37、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

38、1、本发明在试验腔体内部安装反光镜的设计使观测光路穿过破裂的爆破片，由此实现对不同开口型式爆破片在高压氢气冲击下的破裂形态、破裂速率以及有无碎片产生的观察和记录；高速摄像机布置在箱底方位，可防止由动量或浮力主导的高压氢气射流对昂贵高速摄像机设备造成冲击。

39、2、本发明在试验装置中采用暗箱设计，可以保护试验人员和设备的安全，同时降低环境光线对试验的干扰，有利于提高拍摄的准确性；暗箱门上所开排气窗能帮助向指定区域对暗箱内氢气进行排放，缓解箱内压力因氢气泄放导致的小幅度提升。

40、3、自紧式高压防爆玻璃及影像设备防护仓采用特殊的结构设计，方便安装的同时能够有效密封，以保护高速摄像机；暗箱底部通孔除了用于放置高速摄像机信号线，还可以避免高压氢气意外进入影像设备防护仓对设备造成的损坏；此外定位栅格也能在高压防爆玻璃意外破碎情况下进一步保护高速摄像机，并且为爆破片破裂形态图像绘制提供网格参考。

41、4、本发明的试验装置具有多功能测试能力，可实现对受不同夹持力的、具有不同开口型式的爆破片在不同增压参数、压力循环参数、温度波动参数等氢气工况下的爆破压力、疲劳寿命、密封水平及破裂形态等性能的安全测试，只需改变异形压环尺寸即可拓展待测爆破片的规格尺寸，填补了高压氢环境下爆破片性能测试装置及方法领域的空白。

42、5、本发明所述试验装置结构简单，拆装方便，方法容易实现，能够帮助高压氢用爆破片性能评估、快速选型以及结构优化设计，并为高压氢气泄放自燃后果研究提供明确合理的开口条件参数。