CN110455627A - 基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法及*** - Google Patents

基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法及*** Download PDF

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孙永辉
张雪涛
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宋明
桂乐乐
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Abstract

本发明实施例公开了一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法及***，基于断裂力学理论，用于静密封隔绝环境中材料与高压氢气的相容性试验方法，采用紧凑拉伸试样(CT试样)与螺栓加载紧凑拉伸试样(WOL试样)进行，通过该试验方法可以衡量试样材料在恒位移加载状态下的裂纹氢致开裂敏感性以及螺栓加载紧凑拉伸试样在高压氢环境中的临界应力强度因子值KIH，根据本发明方法获得的材料参数不仅可用于衡量材料在高压氢环境中的适用性，还可以为氢环境服役装备的设计制造提供必要的设计参数，试验过程可采用远程监控，避免试验人员近距离接触氢气高压试验装置，降低了试验风险。

Description

基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法及***
技术领域
本发明实施例涉及材料力学性能测试与表征技术领域，具体涉及基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法及***。
背景技术
氢气作为未来的新兴能源，具备来源广泛、排放产物无污染等优势。与氢气直接接触的氢气制取、储运、加氢等设备是氢能发展的关键设备，其安全性也越来越重要，而用于氢气储运设备中的金属材料、非金属材料与氢气接触后会发生氢脆现象，在高压氢气中则会更加明显。为此，在进行氢气制取、储运、加氢等设备的设计制造之前，需要对材料开展与氢气的相容性评价，用于判断材料是否可以在高压氢气环境中进行服役。
现有的材料与氢气的相容评价试验方法有压差式实验、环境中横拉伸试验等。目前工程用氢气压力可分为35MPa、70MPa、90MPa、103MPa甚至更高，由于氢气具有易泄露、易燃、易爆的特性，在开展材料与氢气的相容评价试验时面临许多技术困难，如实时加载中的滑动密封困难、近距离操作存在危险性等。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法，以解决现有的材料与氢气的相容性评价试验存在动密封难、试验危险性大等技术困难的问题。
为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法，所述方法包括：
使用待测试材料制备紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样；
对所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别进行疲劳裂纹预制；
对预制疲劳裂纹的所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别加载载荷；
将加载载荷的所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别在静密封高压氢气环境中放置一段时间进行试验；
试验完成后对所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样进行卸载；
对卸载后的所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样进行冷脆拉断，分别测量并计算试样在试验前后的断面裂纹扩展量Δl；
根据所述断面裂纹扩展量Δl分别对所述紧凑拉伸试样、螺栓加载紧凑拉伸试样与高压氢气的相容性进行评价，并计算螺栓加载紧凑拉伸试样在高压氢气环境下的临界应力强度因子值KIH。
进一步地，所述根据所述断面裂纹扩展量分别对所述紧凑拉伸试样、螺栓加载紧凑拉伸试样与高压氢气的相容性进行评价，并计算螺栓加载紧凑拉伸试样在高压氢气环境下的临界应力强度因子值KIH，包括：
对于所述紧凑拉伸试样，
若0≤Δl≤0.25mm，且满足平面应变假设准则则该试样材料适用于试验压力下的氢气环境；
若0≤Δl≤0.25mm，但不满足平面应变假设准则在满足未爆先漏设计准则条件下，则该试样材料可选用试验时的厚度适用于试验压力下的氢气环境；
若Δl＞0.25mm，则该试样材料不适用于该试验压力下的氢气环境；
其中，Δl＝le-l0，l0为试样试验前的初始断面裂纹长度，le为试样试验后的终止断面裂纹长度，KI0为试验前试样加载载荷的应力强度因子值，KIe为试验后试样卸载载荷的应力强度因子值，Rp0.2为试样材料的屈服强度，B为试样的厚度，W为试样的宽度。
进一步地，所述根据所述断面裂纹扩展量分别对所述紧凑拉伸试样、螺栓加载紧凑拉伸试样与高压氢气的相容性进行评价，并计算螺栓加载紧凑拉伸试样在高压氢气环境下的临界应力强度因子值KIH，包括：
对于所述螺栓加载紧凑拉伸试样，
若0≤Δl≤0.25mm，且满足平面应变假设准则则该试样材料适用于试验压力下的氢气环境，KIH＝0.5KI0；
若0≤Δl≤0.25mm，但不满足平面应变假设准则在满足未爆先漏设计准则条件下，则该试样材料在试验厚度下适用于试验压力下的氢气环境，KIH＝0.5KI0；
若Δl＞0.25mm，则该试样材料不适用于该试验压力下的氢气环境，KIH＝KIe；
其中，Δl＝le-l0，l0为试样试验前的初始断面裂纹长度，le为试样试验后的终止断面裂纹长度，KI0为试验前试样加载载荷的应力强度因子值，KIe为试验后试样卸载载荷的应力强度因子值，Rp0.2为试样材料的屈服强度，B为试样的厚度，W为试样的宽度。
进一步地，所述方法还包括：
所述螺栓加载紧凑拉伸试样在加载载荷之前以及卸载载荷之后均进行载荷F-缺口张开位移V曲线的标定；
根据加载载荷时试样的实际缺口张开位移和加载载荷之前标定的载荷F-缺口张开位移V曲线获得加载载荷，以及根据卸载载荷时试样的实际缺口张开位移和卸载载荷之后标定的载荷F-缺口张开位移V曲线获得卸载载荷；
根据所述加载载荷和卸载载荷分别计算得到应力强度因子值KI0和应力强度因子值KIe。
进一步地，所述对预制疲劳裂纹的所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别加载载荷，包括：
所述紧凑拉伸试样采用楔形块加载，所述螺栓加载紧凑拉伸试样采用螺栓加载。
进一步地，所述对卸载后的所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样进行低温拉断，分别测量并计算试样在试验前后的断面裂纹扩展量Δl之前，还包括：
对所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别进行着色处理或二次疲劳处理。
进一步地，所述对预制疲劳裂纹的所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别加载载荷，包括：
根据推荐加载值对所述螺栓加载紧凑拉伸试样进行加载；
当所述螺栓加载紧凑拉伸试样的屈服强度Rp0.2接近621MPa时，推荐加载值KI为159～198；
当所述螺栓加载紧凑拉伸试样的屈服强度Rp0.2接近759MPa时，推荐加载值KI为93～159；
当所述螺栓加载紧凑拉伸试样的屈服强度Rp0.2接近897MPa时，推荐加载值KI为71～115。
根据本发明实施例的第二方面，提出了一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性测试***，所述***包括：
试样准备模块，用于使用待测试材料制备紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样；
裂纹预制模块，用于对所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别进行疲劳裂纹预制；
加载模块，用于对预制疲劳裂纹的所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别加载载荷；
试验模块，用于将加载载荷的所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别在静密封高压氢气环境中放置一段时间进行试验；
卸载模块，用于在试验完成后对所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样进行卸载；
断面测量模块，用于对卸载后的所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样进行冷脆拉断，分别测量并计算试样在试验前后的断面裂纹扩展量Δl；
相容性评价模块，用于根据所述断面裂纹扩展量Δl分别对所述紧凑拉伸试样、螺栓加载紧凑拉伸试样与高压氢气的相容性进行评价，并计算螺栓加载紧凑拉伸试样在高压氢气环境下的临界应力强度因子值KIH。
进一步地，所述试验模块包括用于提供试验所需的静密封高压氢气环境的高压储氢釜，所述高压储氢釜上设置有用于试验完成后将氢气排出的排气口，所述高压储氢釜连接有用于氢气增压的增压设备，所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样上设置有用于检试样变形信息的检测装置，所述检测装置以及高压储氢釜均连接数据采集***，所述高压储氢釜连接有远程控制***、监控***以及报警***。
进一步地，所述检测装置包括应变片、引伸计或LVDT位移传感器。
本发明实施例具有如下优点：
本发明实施例提出的一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法及***，基于断裂力学理论，用于静密封隔绝环境中材料与高压氢气的相容性试验方法，采用紧凑拉伸试样(CT试样)与螺栓加载紧凑拉伸试样(WOL试样)进行，通过该试验方法可以衡量试样材料在恒位移加载状态下的裂纹氢致开裂敏感性以及螺栓加载紧凑拉伸试样在高压氢环境中的临界应力强度因子值KIH，根据本发明方法获得的材料参数不仅可用于衡量材料在高压氢环境中的适用性，还可以为氢环境服役装备的设计制造提供必要的设计参数，静密封要优于动密封设计，采用静密封的形式开展加载条件下材料与氢的相容性评价确保了试验过程的稳定性，降低了氢气泄漏的风险，试验过程可采用远程监控，避免试验人员近距离接触氢气高压试验装置，降低了试验风险。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1为本发明实施例1提供的一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法的流程示意图；
图2为本发明实施例1提供的一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法CT试样的结构示意图；
图3为本发明实施例1提供的一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法WOL试样的结构示意图；
图4为本发明实施例2提供的一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价***的结构示意图；
图5为本发明实施例2提供的一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价***试验装置的结构示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例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。
实施例1
如图1所示，本实施例提出了一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法，该方法包括以下步骤：
步骤S110、使用待测试材料制备紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样。
试样制备与尺寸测量：
试验采用紧凑拉伸试样(简称：CT试样，如图2所示)和改进型螺栓加载紧凑拉伸试样(简称：WOL试样，如图3所示)进行，其中WOL试样也可称为螺栓加载型CT试样，其与CT试样的区别在于，CT试样在加载时采用楔形块加载，而WOL试样采用的是螺栓加载，试验前先对试样表面进行除油、除锈处理。试样的厚度B是需要确定的关键参数，所选择的试样厚度应不低于85％的设计厚度，当取样不能满足85％设计厚度要求时，应采用最大取样厚度，常用于试验的厚度尺寸有25mm、20mm、15mm、12.5mm、10mm、7.5mm、5mm等。根据试样厚度B可以确定试样的宽度W，CT试样的宽度厚度比推荐为：1≤W/B≤2，WOL试样的宽厚比推荐为：W/B＝2:1，也可选择1:1进行。CT试样、WOL试样的形状尺寸参考ASTM E1681-03(reapproved2008)ε2《Determine threshold stress intensity factor for environment-assistedcracking of metallic materials》中要求。
试样尺寸的测量应精确至±0.02mm或±0.2％，准确测量试样的厚度B、宽度W、机械缺口长度a，试样的其他尺寸信息如高度、机械缺口高度等信息也应进行记录。
步骤S120、对紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别进行疲劳裂纹预制。
(1)进行疲劳裂纹预制前，应得到材料的抗拉强度Rm、屈服强度Rp0.2，弹性模量E参数。
(2)确定裂纹初始长度，一般控制a0/W在0.45～0.55之间，所要预制的裂纹长度为(a0-a)，其中所需预制的最小疲劳裂纹应大于1.3mm或2.5％W(取其中较大者)。例：CT试样B为25mm，W为50mm，机加工缺口长度a为19mm；若控制a0/W为0.45～0.55，则a0长度应为22.5～27.5mm，减去机加工缺口长度19mm，则预制裂纹长度应为3.5～8.5mm。
(3)疲劳裂纹预制应采用降载荷的方法进行，在裂纹最后的1.3mm或50％裂纹预制量时，其最大疲劳预制裂纹力应当取公式(1)、(2)中的低值。
式中：Ft为疲劳试验机中应当施加的载荷，W是试样的宽度，B为试样的厚度，a0为预制裂纹的长度，Rp0.2为屈服强度，E为弹性模量。的计算可以由公式(3)计算。
(4)可在试样上可以进行标记，标记预制裂纹拟扩展的位置，方便裂纹预制过程中进行观察。然后装夹CT试样或WOL试样，在装夹过程中要注意同轴度保持一致，同轴度会影响试样中裂纹的扩展方向与预制裂纹的对称性。
(5)疲劳裂纹的预制在高频疲劳试验机上进行，应力比为0.1，预制疲劳裂纹过程中最大疲劳裂纹预制力应准确至±2.5％。设定预制裂纹载荷进行疲劳裂纹预制。
步骤S130、对预制疲劳裂纹的紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别加载载荷。
紧凑拉伸试样采用楔形块加载，螺栓加载紧凑拉伸试样采用螺栓加载。
进一步地，该方法还包括：
螺栓加载紧凑拉伸试样在加载载荷之前以及卸载载荷之后均进行载荷F-缺口张开位移V曲线的标定；
根据加载载荷时试样的实际缺口张开位移和加载载荷之前标定的载荷F-缺口张开位移V曲线获得加载载荷，以及根据卸载载荷时试样的实际缺口张开位移和卸载载荷之后标定的载荷F-缺口张开位移V曲线获得卸载载荷；
根据加载载荷和卸载载荷分别计算得到应力强度因子值KI0和应力强度因子值KIe。
一、CT试样的加载
(1)CT试样采用楔形块加载。
(2)CT试样的加载要计算所需加载的最小应力强度因子值，根据试样的抗拉强度Rm，利用以下公式计算：
式中：KIAPP指所要加载的应力强度因子，V为试样所需达到的张开口位移，W为试样的宽度，B为试样的厚度，a0为预制裂纹的长度，E为弹性模量。
(3)对未加载的CT试样进行张开口尺寸测量，随后将CT试样装夹在万能试验机上，利用楔形块对CT试样进行加载，控制CT试样的张开口位移大于公式(5)计算得到的试样张开口位移，完成加载。
(4)张开口尺寸的测量可以在体视显微镜上进行，并记录加载完成的缺口张开位移V。
(5)CT试样加载示例见表1所示。
表1CT试样加载所需最小张开口位移
二、WOL试样的加载
(1)WOL试样利用螺栓进行加载，WOL试样的应力强度因子值KI计算利用下述公式：
式中：W为试样的宽度，B为试样的厚度，a为裂纹长度，FV为加载载荷。
(2)当实验材料的屈服强度Rp0.2与下表中屈服强度相近时，WOL试样KI的加载可参表2中的推荐值进行加载，或根据材料性能进行加载。
表2不同屈服强度Rp0.2所对应的推荐加载值KI
屈服强度R<sub>p0.2</sub> 推荐加载的K<sub>I</sub>
621MPa 159～198
759MPa 93～159
897MPa 71～115
(3)WOL试样在加载前需进行负荷F-缺口张开位移V曲线进行标定，利用万能试验机对WOL试样进行拉伸，在张开口位置安装引伸计，记录拉伸过程中的F-V曲线。
(4)根据表1中的推荐值确定需要加载的KI值，并利用公式(7)计算得到需要加载的载荷FV，并根据获得的F-V曲线得到所需加载的缺口张开位移V。
(5)利用螺栓对WOL试样进行加载，加载时记录试样的缺口张开位移，直到达到加载的张开口位移并记录为V0。
(6)根据实际加载的张开口位移V0，对应F-V曲线得到加载的实际载荷FV0并记录。
步骤S140、将加载载荷的紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别在静密封高压氢气环境中放置一段时间进行试验。
采用高压储氢釜提供试验所需的静密封高压氢气环境，试验前先对高压储氢釜进行高压充氢，具体处理步骤如下：
(1)将高压储氢釜清理干净，确保无灰尘、无油等杂质。
(2)将加载完毕的试样固定在试样架中，放入高压储氢釜，随后进行紧固密封。
(3)紧固后利用高纯氮气(99.999％)对高压储氢釜进行清扫置换，氮气置换后***含氧量不超过3％。对高压储氢釜抽真空，真空度不大于3Pa。
(4)对高压储氢釜进行氢气增压，氢气纯度不低于99.999％，待压力稳定后开始试验计时。若对试验温度有要求，应在达到试验温度后对高压储氢釜进行增压至试验压力。
(5)对铁素体钢，高压充氢的试验时间为至少1000h；不锈钢高压充氢的时间推荐为5000h。
步骤S150、试验完成后对紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样进行卸载。
将充氢完毕的CT试样、WOL试样装夹在万能试验机上进行卸载，其中WOL试样在卸载时应记录其缺口张开位移的变化并记录为Ve，卸载完毕后应再次对WOL试样的F-V曲线进行标定，并利用Ve计算得到WOL试样卸载时所承受的载荷FVe。
步骤S160、对卸载后的紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样进行冷脆拉断，分别测量并计算试样在试验前后的断面裂纹扩展量Δl。
进一步地，步骤步骤S160之前还包括：对紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别进行着色处理或二次疲劳处理。
试样断面裂纹测量：将卸载完毕的CT试样、WOL试样进行着色或二次疲劳处理，目的是区分氢致开裂导致的裂纹。着色可以通过高温炉对试样加热至300℃保温1h实现，二次疲劳是指在疲劳试验机上对试样进行疲劳裂纹预制3～5min，试验载荷应明显大于或小于初始裂纹预制时的载荷。随后利用低温将试样拉断，对其断面裂纹进行测量。
预制的疲劳裂纹区域具有清晰的界限，能很容易区分预制疲劳裂纹区与氢致裂纹区的差别，但是氢致裂纹区与人为低温脆断造成的裂纹区之间形貌差别较小，难以区分，通过在脆断前进行着色处理或者二次疲劳处理，可以将氢致裂纹区很明显的标记出来，使氢致裂纹区与人为造成的裂纹区之间产生明显的界限，以便区分出氢致裂纹区，计算氢致断面裂纹扩展量。
断面裂纹的测量应利用工具显微镜或数码显微镜，采用九点法进行，测量计算得到试样试验前的初始断面裂纹长度a0以及试验后的终止断面裂纹长度ae。
步骤S170、根据断面裂纹扩展量Δl分别对紧凑拉伸试样、螺栓加载紧凑拉伸试样与高压氢气的相容性进行评价，并计算螺栓加载紧凑拉伸试样在高压氢气环境下的临界应力强度因子值KIH。
对于紧凑拉伸试样的相容性评价规则：
(1)若0≤Δl≤0.25mm，且满足平面应变假设准则则该试样材料适用于试验压力下的氢气环境；
(2)若0≤Δl≤0.25mm，但不满足平面应变假设准则 在满足未爆先漏设计准则条件下，则该试样材料可选用试验时的厚度适用于试验压力下的氢气环境；
(3)若Δl＞0.25mm，则该试样材料不适用于该试验压力下的氢气环境；
其中，Δl＝le-l0，l0为试样试验前的初始断面裂纹长度，le为试样试验后的终止断面裂纹长度，KI0为试验前试样加载载荷的应力强度因子值，KIe为试验后试样卸载载荷的应力强度因子值，Rp0.2为试样材料的屈服强度，B为试样的厚度，W为试样的宽度。
对于螺栓加载紧凑拉伸试样，按照以下相容性评价规则并计算：
(1)若0≤Δl≤0.25mm，且满足平面应变假设准则则该试样材料适用于试验压力下的氢气环境，KIH＝0.5KI0；
(2)若0≤Δl≤0.25mm，但不满足平面应变假设准则 在满足未爆先漏设计准则条件下，则该试样材料在试验厚度下适用于试验压力下的氢气环境，KIH＝0.5KI0；
(3)若Δl＞0.25mm，则该试样材料不适用于该试验压力下的氢气环境，KIH＝KIe；
其中，Δl＝le-l0，l0为试样试验前的初始断面裂纹长度，le为试样试验后的终止断面裂纹长度，KI0为试验前试样加载载荷的应力强度因子值，KIe为试验后试样卸载载荷的应力强度因子值，Rp0.2为试样材料的屈服强度，B为试样的厚度，W为试样的宽度。
本实施例提出的一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法，基于断裂力学理论，用于静密封隔绝环境中材料与高压氢气的相容性试验方法，采用紧凑拉伸试样(CT试样)与螺栓加载紧凑拉伸试样(WOL试样)进行，通过该试验方法可以衡量试样材料在恒位移加载状态下的裂纹氢致开裂敏感性以及螺栓加载紧凑拉伸试样在高压氢环境中的临界应力强度因子值KIH，根据本发明方法获得的材料参数不仅可用于衡量材料在高压氢环境中的适用性，还可以为氢环境服役装备的设计制造提供必要的设计参数，静密封要优于动密封设计，采用静密封的形式开展加载条件下材料与氢的相容性评价确保了试验过程的稳定性，降低了氢气泄漏的风险。
实施例2
与上述实施例1相对应的，如图4所示，本实施例提出了一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性测试***，该***包括：
试样准备模块210，用于使用待测试材料制备紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样。
裂纹预制模块220，用于对紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别进行疲劳裂纹预制。
加载模块230，用于对预制疲劳裂纹的紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别加载载荷。
试验模块240，用于将加载载荷的紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别在静密封高压氢气环境中放置一段时间进行试验。
如图5所示，试验模块240涉及的试验装置包括用于提供试验所需的静密封高压氢气环境的高压储氢釜241，高压储氢釜241外部设置有加热装置2411，高压储氢釜241上设置有用于试验完成后将氢气排出的排气口242，高压储氢釜241通过氮气或氢气管路2431连接有用于氢气增压的增压设备243，紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样上设置有用于检试样变形信息的检测装置，检测装置以及高压储氢釜241均通过数据线缆连接数据采集***244，高压储氢釜241连接有远程控制***245、监控***以及报警***，监控***包括监控摄像头246，报警***包括氢气报警器247。
进一步地，检测装置包括应变片、引伸计或LVDT位移传感器。可以采用在试样裂纹尖端附近粘贴应变片248、试样张开口位置安装引伸计249或LVDT位移传感器等方式，将试验过程中的变形信息转换为电信号传输至数据采集***，记录试验材料表面的变形信息与监测试验进度。
具体试验过程如下：
(1)清洁高压储氢釜241，确保内部无粉尘、油迹、水，将加载完毕的试样放至高压储氢釜241，必要时可采用试样架对试样进行固定；若安装有应变片、引伸计或LVDT，应将数据线连接至数据接口处；
(2)打开高压储氢釜241远程控制***、数据采集***、监控***及报警***，确保***工作正常；
(3)紧固高压储氢釜241，确保密封件正确安装，利用增压***进行高纯氮气吹扫，至少进行3次吹扫，吹扫的氮气压力大于2MPa。
(4)吹扫完毕后进行抽真空，然后进行氢气增压，若试验温度高于室温，应当达到试验温度后再进行氢气增压，直至达到试验压力。
(5)***稳定后开始计时，利用远程控制、监控、报警***对设备状态进行检测，数据采集***对试验温度、压力、变形信息进行采集并记录。
(6)试验完毕后进行泄压，氢气通过排气口242(阻燃器)排放，随后利用高纯氮气进行吹扫，确保高压釜内无氢气介质，打开高压储氢釜241，完成试验。
卸载模块250，用于在试验完成后对紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样进行卸载。
断面测量模块260，用于对卸载后的紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样进行冷脆拉断，分别测量并计算试样在试验前后的断面裂纹扩展量Δl。
相容性评价模块270，用于根据断面裂纹扩展量Δl分别对紧凑拉伸试样、螺栓加载紧凑拉伸试样与高压氢气的相容性进行评价，并计算螺栓加载紧凑拉伸试样在高压氢气环境下的临界应力强度因子值KIH。
本发明实施例提供的一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价***中各部件所执行的功能均已在上述实施例1中做了详细介绍，因此这里不做过多赘述。
本发明实施例提出的一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价***，基于断裂力学理论，用于静密封隔绝环境中材料与高压氢气的相容性试验方法，采用紧凑拉伸试样(CT试样)与螺栓加载紧凑拉伸试样(WOL试样)进行，通过该试验方法可以衡量试样材料在恒位移加载状态下的裂纹氢致开裂敏感性以及螺栓加载紧凑拉伸试样在高压氢环境中的临界应力强度因子值KIH，根据本发明获得的材料参数不仅可用于衡量材料在高压氢环境中的适用性，还可以为氢环境服役装备的设计制造提供必要的设计参数，高压储氢釜的静密封要优于动密封设计，采用静密封的形式开展加载条件下材料与氢的相容性评价确保了试验过程的稳定性，降低了氢气泄漏的风险，试验过程可采用远程监控，避免试验人员近距离接触氢气高压试验装置，降低了试验风险。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法，其特征在于，所述方法包括：
使用待测试材料制备紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样；
对所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别进行疲劳裂纹预制；
对预制疲劳裂纹的所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别加载载荷；
将加载载荷的所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别在静密封高压氢气环境中放置一段时间进行试验；
试验完成后对所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样进行卸载；
对卸载后的所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样进行冷脆拉断，分别测量并计算试样在试验前后的断面裂纹扩展量Δl；
根据所述断面裂纹扩展量Δl分别对所述紧凑拉伸试样、螺栓加载紧凑拉伸试样与高压氢气的相容性进行评价，并计算螺栓加载紧凑拉伸试样在高压氢气环境下的临界应力强度因子值KIH。
2.根据权利要求1所述的一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法，其特征在于，所述根据所述断面裂纹扩展量分别对所述紧凑拉伸试样、螺栓加载紧凑拉伸试样与高压氢气的相容性进行评价，并计算螺栓加载紧凑拉伸试样在高压氢气环境下的临界应力强度因子值KIH，包括：
对于所述紧凑拉伸试样，
若0≤Δl≤0.25mm，且满足平面应变假设准则则该试样材料适用于试验压力下的氢气环境；
若0≤Δl≤0.25mm，但不满足平面应变假设准则在满足未爆先漏设计准则条件下，则该试样材料可选用试验时的厚度适用于试验压力下的氢气环境；
若Δl＞0.25mm，则该试样材料不适用于该试验压力下的氢气环境；
其中，Δl＝le-l0，l0为试样试验前的初始断面裂纹长度，le为试样试验后的终止断面裂纹长度，KI0为试验前试样加载载荷的应力强度因子值，KIe为试验后试样卸载载荷的应力强度因子值，Rp0.2为试样材料的屈服强度，B为试样的厚度，W为试样的宽度。
3.根据权利要求1所述的一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法，其特征在于，所述根据所述断面裂纹扩展量分别对所述紧凑拉伸试样、螺栓加载紧凑拉伸试样与高压氢气的相容性进行评价，并计算螺栓加载紧凑拉伸试样在高压氢气环境下的临界应力强度因子值KIH，包括：
对于所述螺栓加载紧凑拉伸试样，
若0≤Δl≤0.25mm，且满足平面应变假设准则则该试样材料适用于试验压力下的氢气环境，KIH＝0.5KI0；
若0≤Δl≤0.25mm，但不满足平面应变假设准则在满足未爆先漏设计准则条件下，则该试样材料在试验厚度下适用于试验压力下的氢气环境，KIH＝0.5KI0；
若Δl＞0.25mm，则该试样材料不适用于该试验压力下的氢气环境，KIH＝KIe；
其中，Δl＝le-l0，l0为试样试验前的初始断面裂纹长度，le为试样试验后的终止断面裂纹长度，KI0为试验前试样加载载荷的应力强度因子值，KIe为试验后试样卸载载荷的应力强度因子值，Rp0.2为试样材料的屈服强度，B为试样的厚度，W为试样的宽度。
4.根据权利要求1所述的一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法，其特征在于，所述方法还包括：
所述螺栓加载紧凑拉伸试样在加载载荷之前以及卸载载荷之后均进行载荷F-缺口张开位移V曲线的标定；
根据加载载荷时试样的实际缺口张开位移和加载载荷之前标定的载荷F-缺口张开位移V曲线获得加载载荷，以及根据卸载载荷时试样的实际缺口张开位移和卸载载荷之后标定的载荷F-缺口张开位移V曲线获得卸载载荷；
根据所述加载载荷和卸载载荷分别计算得到应力强度因子值KI0和应力强度因子值KIe。
5.根据权利要求1所述的一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法，其特征在于，所述对预制疲劳裂纹的所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别加载载荷，包括：
所述紧凑拉伸试样采用楔形块加载，所述螺栓加载紧凑拉伸试样采用螺栓加载。
6.根据权利要求1所述的一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法，其特征在于，所述对卸载后的所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样进行低温拉断，分别测量并计算试样在试验前后的断面裂纹扩展量Δl之前，还包括：
对所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别进行着色处理或二次疲劳处理。
7.根据权利要求1所述的一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性评价方法，其特征在于，所述对预制疲劳裂纹的所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别加载载荷，包括：
根据推荐加载值对所述螺栓加载紧凑拉伸试样进行加载；
当所述螺栓加载紧凑拉伸试样的屈服强度Rp0.2接近621MPa时，推荐加载值KI为159～198；
当所述螺栓加载紧凑拉伸试样的屈服强度Rp0.2接近759MPa时，推荐加载值KI为93～159；
当所述螺栓加载紧凑拉伸试样的屈服强度Rp0.2接近897MPa时，推荐加载值KI为71～115。
8.一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性测试***，其特征在于，所述***包括：
试样准备模块，用于使用待测试材料制备紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样；
裂纹预制模块，用于对所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别进行疲劳裂纹预制；
加载模块，用于对预制疲劳裂纹的所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别加载载荷；
试验模块，用于将加载载荷的所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样分别在静密封高压氢气环境中放置一段时间进行试验；
卸载模块，用于在试验完成后对所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样进行卸载；
断面测量模块，用于对卸载后的所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样进行冷脆拉断，分别测量并计算试样在试验前后的断面裂纹扩展量Δl；
相容性评价模块，用于根据所述断面裂纹扩展量Δl分别对所述紧凑拉伸试样、螺栓加载紧凑拉伸试样与高压氢气的相容性进行评价，并计算螺栓加载紧凑拉伸试样在高压氢气环境下的临界应力强度因子值KIH。
9.根据权利要求8所述的一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性测试***，其特征在于，所述试验模块包括用于提供试验所需的静密封高压氢气环境的高压储氢釜，所述高压储氢釜上设置有用于试验完成后将氢气排出的排气口，所述高压储氢釜连接有用于氢气增压的增压设备，所述紧凑拉伸试样和螺栓加载紧凑拉伸试样上设置有用于检试样变形信息的检测装置，所述检测装置以及高压储氢釜均连接数据采集***，所述高压储氢釜连接有远程控制***、监控***以及报警***。
10.根据权利要求9所述的一种基于恒位移加载的材料与高压氢气相容性测试***，其特征在于，所述检测装置包括应变片、引伸计或LVDT位移传感器。
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