一種高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機，包括安全室、拉伸機、高溫高壓釜系統(tǒng)和供排氣系統(tǒng)；安全室包括開設有進氣口、排氣口的密閉的安全隔離室，二氧化碳氣瓶組與安全隔離室的進氣口相連接；高溫高壓釜系統(tǒng)設置于安全隔離室內，其包括置于加熱爐內的高溫高壓釜，高溫高壓釜上開設有拉伸桿進口、氮氣進氣口、氫氣進氣口和排氣口；供排氣系統(tǒng)包括氮氣進氣管路、氫氣進氣管路、排氣管路和安全管路。本發(fā)明通過設置安全隔離室、阻火器以及采用高溫熱啟停試驗流程，防止高溫氫氣泄漏與空氣接觸，并避免釜體材料在220℃以下常低溫區(qū)間發(fā)生嚴重氫脆的可能性，從而達到測試準確、試驗安全、操作方便、設備服役壽命長的目的。
【專利說明】
一種高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機
技術領域
[0001]本發(fā)明屬于臨氫設備檢測技術領域，涉及一種高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機。
【背景技術】
[0002]石油化工加氫精制領域涉及到材料在高壓、高溫及臨氫環(huán)境服役的情況，如煉油廠的加氫反應器。在高溫、高壓及臨氫環(huán)境下，氫原子容易滲入鋼中，引起氫脆、氫鼓泡等失效。測試材料在高壓、高溫及臨氫環(huán)境下的抗氫脆性能，對石油化工行業(yè)中臨氫設備的設計和制造具有重要意義。目前測試氫脆性能的主要方法是將試樣置于密閉環(huán)境箱中充氫，取出后再進行拉伸試驗。這種方法的不足在于:試樣從環(huán)境箱中取出后，會產(chǎn)生氫析出，與材料的服役條件存在差異導致氫脆性能測試結果不準確。因此，在高溫、高壓、臨氫環(huán)境下對材料進行同步拉伸更能準確的測試材料的氫脆性能。
[0003]目前，涉及材料氫脆性能測試的專利有:
[0004]I)申請?zhí)枮?01410401253.X的中國專利公開了高壓氫脆結構試驗裝置及試驗方法，然而其不能進行高溫氫環(huán)境下的拉伸試驗，沒有高溫氫試驗的安全措施，不能對氫氣進行加熱。
[0005]2)申請?zhí)枮?01320188124.2的中國專利公開了一種用于高溫帶壓氫環(huán)境中材料性能試驗的裝置，然而其沒有設置安全隔離室或氫隔離措施，無法防止?jié)B漏的高溫氫氣與空氣的接觸，存在安全隱患。
[0006]3)申請?zhí)枮?01110259252.2的中國專利公開了測試高壓氫氣環(huán)境下材料耐久性的試驗機，然而其沒有設置安全隔離室或隔離措施，無法防止?jié)B漏的高溫氫氣與空氣的接觸可能，存在安全隱患，也未設置氫加熱設備，不能進行高溫氫環(huán)境試驗。
[0007]4)申請?zhí)枮?01110109546.7的中國專利公開了一種高溫高壓環(huán)境下拉升應力試驗機，然而其不能進行氫環(huán)境下的拉伸試驗。
[0008]5)申請?zhí)枮?00810060100.8的中國專利公開了儲氫容器氫環(huán)境疲勞試驗系統(tǒng)，然而其不能進行氫環(huán)境下的拉伸試驗。
[0009]綜上所述，現(xiàn)有的高壓、高溫及臨氫環(huán)境的試驗系統(tǒng)的安全防護措施，或系統(tǒng)方案都不足以滿足高溫高壓氫環(huán)境的拉伸試驗的要求。
【發(fā)明內容】
[0010]本發(fā)明解決的問題在于提供一種高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機能夠模擬加氫反應器的實際工況，能夠在工作溫度達450°c、氫分壓達15MPa的條件下進行拉伸試驗。
[0011]本發(fā)明是通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0012]—種高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機，包括安全室、拉伸機、高溫高壓釜系統(tǒng)和供排氣系統(tǒng)；
[0013]安全室包括開設有進氣口、排氣口的密閉的安全隔離室，二氧化碳氣瓶組經(jīng)二氧化碳管路與安全隔離室的進氣口相連接，排氣管與安全隔離室的排氣口相連接；
[0014]高溫高壓釜系統(tǒng)設置于安全隔離室內，其包括置于加熱爐內的高溫高壓釜，高溫高壓釜上開設有拉伸桿進口、氮氣進氣口、氫氣進氣口和排氣口；拉伸機的拉伸桿通過拉伸桿進口伸入高溫高壓釜中；
[0015]供排氣系統(tǒng)包括氮氣進氣管路、氫氣進氣管路、排氣管路和安全管路;氮氣進氣管路將氮氣瓶組與氮氣進氣口相連接，氫氣進氣管路將氫氣瓶組與氫氣進氣口相連接;排氣管路將排氣口與大氣排放口相連接，排氣管路上還設有冷凝器和第二阻火器;安全管路的一端與排氣管路旁路相連通，另一端延伸至大氣排放口，安全管路上設置有安全閥和第一阻火器。
[0016]所述的二氧化碳管路上還設有第四截止閥；
[0017]所述的氮氣管路在氮氣瓶組與氮氣進氣口之間依次設有第一截止閥、第一減壓閥和第一止回閥；
[0018]所述的氫氣管路在氫氣瓶組與氫氣進氣口之間依次設有第二截止閥、第一球閥、第二減壓閥和第二止回閥；
[0019]所述的排氣管路在排氣口與大氣排放口之間依次設有第三截止閥、第二球閥、背壓閥、冷凝器和第二阻火器；
[0020]所述的安全管路在排氣管路旁路與大氣排放口之間依次設有爆破片、安全閥和第一阻火器。
[0021]所述的第一止回閥設置在靠近氮氣進氣口的氮氣管路上，第二止回閥設置在靠近氫氣進氣口的氫氣管路上，以免高溫高壓氣體回流;爆破片、安全閥設置在位于安全隔離室內的安全管路上;排氣管路及安全管路的大氣排出口延伸至室外并朝上對空，且配有避雷針與遮蔽物。
[0022]所述的冷凝器將排出的高溫氫氣冷卻，同時通過第二球閥、背壓閥調節(jié)氫氣的排氣流量與排氣壓力，確保在冷凝器的工作效率下，氫氣的溫度降至可安全排放的溫度，排氣壓差與流量控制在安全范圍內。
[0023]在進行高溫高壓臨氫拉伸測試時，其采用熱啟動操作:
[0024]熱啟動前，將試樣置于高溫高壓釜內并連接在拉伸機上，確認高溫高壓釜的密封性;連通氫氣管路和排氣管路，使氫氣經(jīng)氫氣管路通過排氣管路通往大氣，將氫氣管路中可能存在的空氣排出；通氣一定時間后，關閉氫氣管路，打開氮氣管路，令氮氣瓶組對整個裝置進行氮氣吹掃，排除裝置內的空氣，將管路及高溫高壓釜內的氣體置換為氮氣；
[0025]通氮氣一定時間后，關閉氮氣管路并連通二氧化碳管路，，同時排氣管路也要關閉，使二氧化碳氣瓶組向安全隔離室內持續(xù)通入二氧化碳氣體并排除空氣;等待一段時間，并確認安全隔離室內壓力高于大氣壓的正壓，避免熱啟動及測試時高溫氫與空氣接觸；
[0026]熱啟動時，通過加熱爐對高溫高壓釜進行升溫升壓，當高溫高壓釜內溫度達到220°(:時，加熱爐切換進入保溫模式，關閉氮氣管路并連通氫氣管路使氫氣從氫氣瓶組充入高溫高壓釜內，監(jiān)測高溫高壓釜內的氫氣壓力，當充氫壓力達到目標值時，截斷氫氣供應，熱啟動完成。
[0027]在高溫高壓臨氫拉伸結束時，其采用熱停機操作:
[0028]將加熱爐暫時關閉，待檢測到高溫高壓釜內溫度降低至220°C后，切換加熱爐至保溫狀態(tài);此時運行冷凝器，打開第三截止閥，調節(jié)第二球閥的開度與背壓閥的出口壓力，使冷凝器出口處溫度在安全范圍內，氫氣緩慢通過排氣管路經(jīng)第二阻火器排向大氣；當高溫高壓釜內壓力達到接近常壓后，釜內氣體首次排出結束；調節(jié)第一減壓閥，打開第一截止閥，使氮氣瓶組內的氮氣緩緩通過氮氣管路流經(jīng)高溫高壓釜再通過排氣管路排出，將高溫高壓釜內的殘余氣體吹掃排向大氣；高溫高壓釜內的氫氣已經(jīng)在高溫高壓釜維持220°C的狀態(tài)下排出，熱停機完成。
[0029]所述還包括監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)包括第一監(jiān)控線路、第二監(jiān)控線路及檢測冷凝器出口處溫度的溫度計；
[0030]第一監(jiān)控線路包括第一控制器和通過數(shù)據(jù)信號線與其相連的第二壓力計、溫度傳感器、第三壓力計、第一氫傳感器，第一控制器還通過數(shù)據(jù)信號線與拉伸機、加熱爐相連接；其中第二壓力計檢測高溫高壓釜內壓力值，溫度傳感器檢測高溫高壓釜內溫度值，第三壓力計檢測安全隔離室內壓力值，第一氫傳感器檢測安全隔離室內氫濃度值；
[0031]第二監(jiān)控線路包括第二控制器和通過數(shù)據(jù)信號線與其相連的第一壓力計、第二氫傳感器、第四壓力計，第二控制器還通過數(shù)據(jù)信號線與設置于安全隔離室外的通風設備相連接;其中，第一壓力計檢測氫氣瓶組出口壓力，第二氫傳感器檢測安全隔離室外的氫濃度值，第四壓力計檢測氮氣瓶組出口壓力。
[0032]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益的技術效果:
[0033]本發(fā)明提供的高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機，通過設置安全隔離室、阻火器以及采用高溫熱啟停試驗流程，防止高溫氫氣泄漏與空氣接觸，并避免釜體材料在220°C以下常低溫區(qū)間發(fā)生嚴重氫脆的可能性，從而達到測試準確、試驗安全、操作方便、設備服役壽命長的目的。
[0034]I)本發(fā)明通過以高溫高壓釜(12)作為環(huán)境箱，以氫氣瓶組(2)通過氫氣管路向高溫高壓釜(12)內充氫形成高壓臨氫環(huán)境;通過加熱爐(11)升溫形成高溫高壓釜(12)的高溫環(huán)境;通過與高溫高壓釜(12)相連的拉伸機(26)進行拉伸試驗。從而實現(xiàn)了可在高溫、高壓臨氫環(huán)境下進行的同步的拉伸試驗。
[0035]2)本發(fā)明采用了完全封閉的安全隔離室的設計，將高溫高壓含氫設備與外界隔開，通過二氧化碳氣瓶對安全隔離室內持續(xù)充氣并通過排氣口不斷排出，保證安全隔離室內隔絕空氣，防止?jié)B漏的氫與空氣接觸而產(chǎn)生爆炸的危險，并及時隨著不斷流動的氣體排入到大氣中，從而克服了高溫滲氫帶來的安全隱患。
[0036]3)針對安全隔離室外可能存在的氫泄漏，當發(fā)現(xiàn)安全隔離室外氫氣濃度超過安全閾值時，控制器發(fā)出安全警報，自動開啟排氣風扇對實驗室進行換氣，并提示操作人員切斷設備電源與撤離，進一步保證了實驗室內的安全。
[0037]4)本發(fā)明中所有的手動控制閥門均在安全隔離室外進行操作，避免了操作人員與高溫滲漏氫氣直接接觸的可能，操作人員的安全性得到了提高。
[0038]5)為了保證含氫氣體的安全排放，本發(fā)明在含氫管路的排氣口均設置有阻火器，防止高溫氫氣滲漏后與空氣接觸，防止火焰沿管路傳播的可能，在有意外產(chǎn)生的情況下將危險降到最低，保證了試驗安全。
[0039]6)本發(fā)明高溫熱啟停操作流程，氫氣在高溫高壓釜的進排氣溫度均可以控制在220°C以上，避免了高溫高壓釜受到常溫下嚴重氫脆的影響，提高設備運行的安全性與壽命O
【附圖說明】
[0040]圖1為本發(fā)明的結構示意圖；
[0041]其中，I為氮氣瓶組、2為氫氣瓶組、3為第一壓力計、4為第一截止閥、5為第二截止閥、6為第一球閥、7為第一減壓閥、8為第二減壓閥、9為第一止回閥、10為第二止回閥、11為加熱爐、12為高溫高壓釜、13為安全隔離室、14為爆破片、15為安全閥、16為第三截止閥、17為第二球閥、18為背壓閥、19為冷凝器、20為第一阻火器、21為溫度計、22為第二阻火器、23為第二壓力計、24為溫度傳感器25、為排氣管、26為拉伸機、27為第一控制器、28為第三壓力計、29為第一氫傳感器、30為第二氫傳感器、31為第二控制器、32為第四壓力計、33為第四截止閥、34為二氧化碳氣瓶組、35為通風設備。
【具體實施方式】
[0042]下面結合具體的實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明，所述是對本發(fā)明的解釋而不是限定。
[0043]參見圖1，一種高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機，包括安全室、拉伸機、高溫高壓釜系統(tǒng)和供排氣系統(tǒng)；
[0044]安全室包括開設有進氣口、排氣口的密閉的安全隔離室13，二氧化碳氣瓶組34經(jīng)二氧化碳管路與安全隔離室13的進氣口相連接，排氣管25與安全隔離室13的排氣口相連接；
[0045]高溫高壓釜系統(tǒng)設置于安全隔離室13內，其包括置于加熱爐11內的高溫高壓釜12，高溫高壓釜12上開設有拉伸桿進口、氮氣進氣口、氫氣進氣口和排氣口；拉伸機26的拉伸桿通過拉伸桿進口伸入高溫高壓釜12中；
[0046]供排氣系統(tǒng)包括氮氣進氣管路、氫氣進氣管路、排氣管路和安全管路;氮氣進氣管路將氮氣瓶組I與氮氣進氣口相連接，氫氣進氣管路將氫氣瓶組2與氫氣進氣口相連接;排氣管路將排氣口與大氣排放口相連接，排氣管路上還設有冷凝器19和第二阻火器22;安全管路的一端與排氣管路旁路相連通，另一端延伸至大氣排放口，安全管路上設置有安全閥15和第一阻火器20。
[0047]具體的，高溫高壓釜12被置于加熱爐11內并固定。拉伸機26的拉伸桿通過拉伸桿進口伸入高溫高壓釜12中。安全隔離室內的管路包括第一減壓閥7右側至高溫高壓釜12進氣口管段、第二減壓閥8右側至高溫高壓釜進氣口管段、高溫高壓釜12排氣口至第三截止閥16左側管段和高溫高壓釜12排氣口至安全閥15右側管段。
[0048]進一步的，所述的二氧化碳管路上還設有第四截止閥33;
[0049]所述的氮氣管路在氮氣瓶組I與氮氣進氣口之間依次設有第一截止閥4、第一減壓閥7和第一止回閥9;
[0050]所述的氫氣管路在氫氣瓶組2與氫氣進氣口之間依次設有第二截止閥5、第一球閥
6、第二減壓閥8和第二止回閥10;
[0051]所述的排氣管路在排氣口與大氣排放口之間依次設有第三截止閥16、第二球閥
17、背壓閥18、冷凝器19和第二阻火器22;
[0052]所述的安全管路在排氣管路旁路與大氣排放口之間依次設有爆破片14、安全閥15和第一阻火器20。
[0053]具體的，所述的第一止回閥9設置在靠近氮氣進氣口的氮氣管路上，第二止回閥10設置在靠近氫氣進氣口的氫氣管路上，以免高溫高壓氣體回流;爆破片14、安全閥15設置在位于安全隔離室13內的安全管路上;排氣管路及安全管路的大氣排出口延伸至室外并朝上對空，且配有避雷針與遮蔽物。
[0054]所述的冷凝器19將排出的高溫氫氣冷卻，同時通過第二球閥17、背壓閥18調節(jié)氫氣的排氣流量與排氣壓力，確保在冷凝器19的工作效率下，氫氣的溫度降至可安全排放的溫度，排氣壓差與流量控制在安全范圍內。
[0055]進一步的，所述裝置在進行材料力學性能測試時，高溫高壓釜內的氫氣壓力<15MPa，溫度彡 450°C。
[0056]優(yōu)選的，所述高溫高壓釜為圓柱形筒體厚壁結構，設計時保留充分的安全系數(shù)，可承受15MPa壓強。氫氣瓶組選用特種氫氣瓶組，設計壓強30MPa，可滿足15MPa氫壓的供應需求。
[0057]優(yōu)選的，所述高溫高壓釜的釜體材料為2.25Cr_lMo，其在工業(yè)中被廣泛應用于加氫反應器的制造，工藝成熟，可滿足溫度為450 V的氫環(huán)境服役條件。
[0058]優(yōu)選的，所有相關電氣設備均為防爆型。
[0059]優(yōu)選的，安全隔離室采用有機玻璃材質，可滿足氣密性要求，并方便透視觀察。
[0060]優(yōu)選的，所有管路、閥門材質選用316L，耐高溫耐氫腐蝕，保證裝置的安全性。
[0061]優(yōu)選的，第一止回閥9、第二止回閥10置于高溫高壓釜進氣口處，避免試驗時高溫高壓氣體回流至供氣管道。
[0062]優(yōu)選的，排氣管路及安全管路出口被放置在屋檐上對空，并配有避雷針與遮蔽物。
[0063]該高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機，在進行高溫高壓臨氫拉伸測試時，其采用熱啟動操作:
[0064]熱啟動前，將試樣置于高溫高壓釜12內并連接在拉伸機26上，確認高溫高壓釜12的密封性;連通氫氣管路和排氣管路，使氫氣經(jīng)氫氣管路通過排氣管路通往大氣，將氫氣管路中可能存在的空氣排出；通氣一定時間后，關閉氫氣管路，打開氮氣管路，令氮氣瓶組13對整個裝置進行氮氣吹掃，排除裝置內的空氣，將管路及高溫高壓釜內的氣體置換為氮氣；
[0065]通氮氣一定時間后，關閉氮氣管路并連通二氧化碳管路，同時關閉排氣管路，使二氧化碳氣瓶組34向安全隔離室13內持續(xù)通入二氧化碳氣體并排除空氣;等待一段時間，并確認安全隔離室內壓力高于大氣壓的正壓，避免熱啟動時高溫氫與空氣接觸；
[0066]熱啟動時，通過加熱爐11對高溫高壓釜12進行升溫升壓，當高溫高壓釜12內溫度達到220°C時，加熱爐11切換進入保溫模式，關閉氮氣管路并連通氫氣管路使氫氣從氫氣瓶組14充入高溫高壓釜12內，監(jiān)測高溫高壓釜12內的氫氣壓力，當充氫壓力達到目標值時，截斷氫氣供應，熱啟動完成。
[0067]在高溫高壓臨氫拉伸結束時，其采用熱停機操作:
[0068]將加熱爐11暫時關閉，待檢測到高溫高壓釜12內溫度降低至220°C后，切換加熱爐11至保溫狀態(tài);此時運行冷凝器19，打開第三截止閥16，調節(jié)第二球閥17的開度與背壓閥18的出口壓力，使冷凝器出口處溫度在安全范圍內，氫氣緩慢通過排氣管路經(jīng)第二阻火器22排向大氣；當高溫高壓釜12內壓力達到接近常壓后，釜內氣體首次排出結束;調節(jié)第一減壓閥7，打開第一截止閥4，使氮氣瓶組I內的氮氣緩緩通過氮氣管路流經(jīng)高溫高壓釜12再通過排氣管路排出，將高溫高壓釜內的殘余氣體吹掃排向大氣；高溫高壓釜12內的氫氣已經(jīng)在高溫高壓釜12維持220°C的狀態(tài)下排出，熱停機完成。
[0069]進一步的，高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機，還包括監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)包括第一監(jiān)控線路、第二監(jiān)控線路及檢測冷凝器19出口處溫度的溫度計21;
[0070]第一監(jiān)控線路包括第一控制器27和通過數(shù)據(jù)信號線與其相連的第二壓力計23、溫度傳感器24、第三壓力計28、第一氫傳感器29，第一控制器27還通過數(shù)據(jù)信號線與拉伸機26、加熱爐11相連接;其中第二壓力計23檢測高溫高壓釜內壓力值，溫度傳感器24檢測高溫高壓釜內溫度值，第三壓力計28檢測安全隔離室內壓力值，第一氫傳感器29檢測安全隔離室內氫濃度值；
[0071]第二監(jiān)控線路包括第二控制器31和通過數(shù)據(jù)信號線與其相連的第一壓力計3、第二氫傳感器30、第四壓力計32，第二控制器31還通過數(shù)據(jù)信號線與設置于安全隔離室13外的通風設備35相連接;其中，第一壓力計3檢測氫氣瓶組2出口壓力，第二氫傳感器30檢測安全隔離室外的氫濃度值，第四壓力計32檢測氮氣瓶組出口壓力。
[0072]而本發(fā)明的也保證了熱啟動、熱停機的操作:
[0073]由高溫高壓氫系統(tǒng)提供高溫高壓氫環(huán)境，并將試樣固定于高溫高壓釜12內拉伸機25的拉伸桿上，從而實現(xiàn)在高溫高壓氫環(huán)境下的同步材料拉伸試驗。
[0074]可通過調整第二減壓閥8改變氫氣的供氣壓力、加熱爐11加熱溫度獲得不同的壓力及溫度條件，從而模擬各種溫度、壓力條件以貼合材料在各類真實工作環(huán)境的條件，由于環(huán)境真實模擬，力學性能測試在環(huán)境內同步進行，可以得到相較于其他氫脆試驗方式更為準確可靠的數(shù)據(jù)結果。
[0075]可通過監(jiān)控系統(tǒng)對整個設備進行壓力、溫度、環(huán)境氫濃度等參數(shù)進行監(jiān)控，維護設備與人員安全;通過安全隔離室13的設置，通入惰性氣體二氧化碳，防止高溫滲氫與空氣結合帶來的危險隱患，提高了安全性；
[0076]在排氣管路上設置了冷凝器19，保證熱停機時，排出的高溫氫氣可以得到冷卻，同時排氣管路還設置有第二球閥17、背壓閥18，可調節(jié)氫氣的排氣流量與排氣壓力，從而確保在冷凝器的工作效率下，氫氣的溫度降低到可以安全排放的溫度，氫氣的排氣壓差與流量也控制在安全的范圍內；
[0077]在高溫高壓釜12的氮氣進氣口與氫氣進氣口設置有第一止回閥9與第二止回閥10防止高溫氣體回流至供氣管道;高溫高壓釜12外設置有加熱爐11維持熱啟動與熱停機時高溫高壓釜12內的溫度在220°C以上；高溫高壓釜12上接有第二壓力計23、溫度傳感器24，用于獲取高溫高壓釜內的壓力和溫度條件，從而判定是否到達熱啟動的溫度條件及是否到達完成熱啟動的壓力條件。
[0078]所有手動閥門均設置在安全隔離室13外，人員與高溫高壓釜隔離，操作時更為安全;排氣口均設置有阻火器，防止氫排出產(chǎn)生的火災或爆炸的危險。監(jiān)控系統(tǒng)通過連接在拉伸機上負責數(shù)據(jù)采集工作，可整理并分析實驗數(shù)據(jù)。
[0079]具體的，當需要測量氫環(huán)境下某種材料的抗氫脆性能時，在監(jiān)控器的監(jiān)控下進行包括熱啟動前的準備流程、熱啟動流程、力學性能試驗流程、熱停機流程、試驗結束流程共5個流程。
[0080]首先進行熱啟動前的準備流程，將試樣置于高溫高壓釜12內并連接在拉伸機26上，確認高溫高壓釜12密封良好，打開第二截止閥5、第三截止閥16，將第二球閥17通量開至最大，背壓閥18出口壓力調節(jié)為0.1MPa，使氫氣經(jīng)氫氣管路通過排氣管路通往大氣，將氫氣管路中可能存在的空氣排出。通氣一定時間后，關閉第二截止閥5，打開第一截止閥4，令氮氣瓶組13對整個裝置進行氮氣吹掃，排除裝置內的空氣，將管路及高溫高壓釜內的氣體置換為氮氣。
[0081 ] 通氮氣一定時間后，關閉第一截止閥4、第三截止閥16、球閥17、背壓閥18。開啟第四截止閥33，使二氧化碳氣瓶組34向安全隔離室13內持續(xù)通入二氧化碳氣體并排除空氣。等待一段時間，并確認第三壓力計28顯示為略高于大氣壓的正壓時，熱啟動前的高溫高壓釜12內外的空氣置換工作完成，此時進入熱啟動流程。
[0082]進行熱啟動流程時，第一控制器27啟動高溫高壓釜系統(tǒng)中的加熱爐11對高溫高壓釜12進行升溫升壓，并由第一控制器27通過溫度傳感器24、第二壓力計23對高溫高壓釜12內的溫度與壓力進行監(jiān)測。當溫度達到220°C后，加熱爐11切換進入保溫模式，打開第二截止閥5，調節(jié)第二減壓閥8，使氫氣從氫氣瓶組14充入高溫高壓釜12內，并通過第一控制器27接收溫度傳感器24的信號觀察高溫高壓釜12內的壓力，當充氫壓力達到目標值時，關閉第二截止閥5，截斷氫氣供應。第一控制器27控制加熱爐11切換進入加熱模式，待第一控制器27通過溫度傳感器24檢測到高溫高壓釜12內溫度達到實驗目標溫度，加熱爐11切換進入保溫模式，此時熱啟動完成，進入力學性能試驗流程。
[0083]進行力學性能試驗流程時，啟動拉伸機26對試樣進行拉伸，第一控制器27通過連接在拉伸機26上的數(shù)據(jù)信號線進行數(shù)據(jù)采集，待拉伸試驗完成，數(shù)據(jù)采集結束，力學性能試驗完成，進入熱停機流程。
[0084]進行熱停機流程時，第一控制器27發(fā)出指令，使拉伸機26停止工作，加熱爐11暫時關閉。待第一控制器27通過溫度傳感器24檢測到高溫高壓釜12內溫度降低至220°C后，切換加熱爐11至保溫狀態(tài)。此時，運行冷凝器19，打開第三截止閥16，調節(jié)第二球閥17的開度與背壓閥18的出口壓力，使冷凝器出口處溫度計21示數(shù)在安全范圍內，此時氫氣緩慢通過排氣管路經(jīng)第二阻火器22排向大氣。當?shù)诙毫τ?3顯示的高溫高壓釜12內壓力達到接近常壓后，釜內氣體已經(jīng)基本排出，調節(jié)第一減壓閥7，打開第一截止閥4，使氮氣瓶組I內的氮氣緩緩通過氮氣管路流經(jīng)高溫高壓釜12再通過排氣管路排出，將高溫高壓釜內的殘余氣體吹掃排向大氣，一段時間后，殘余氣體排盡，熱停機流程完成，進入試驗結束流程。
[0085]進行試驗結束流程時，關閉第一截止閥4、第三截止閥16、第二球閥17、背壓閥18，關閉加熱爐11，使高溫高壓釜12緩慢冷卻，待溫度傳感器24顯示高溫高壓釜12內的溫度接近常溫，關閉冷凝器19，關閉第四截止閥33使安全隔離室內停止充二氧化碳，并打開安全隔離室進行通風。一段時間后，取出試樣，試驗結束，關閉所有設備、閥門，等待下一個試驗周期。
[0086]在整個試驗過程中，第一控制器27監(jiān)測高溫高壓釜12的溫度、壓力以及安全隔離室13內的壓力與氫濃度，第二控制器31監(jiān)測安全隔離室13外的氫濃度與氮氣瓶組1、氫氣瓶組2的供氣壓力。當高溫高壓釜12內的壓力或溫度超標時，第一控制器27會控制加熱爐11、拉伸機25立即停機，并發(fā)出警報提醒人員離開實驗室，待警報結束實驗人員才回到實驗室；當氫濃度超標時，第一控制器27會控制加熱爐11、拉伸機25立即停機，第二控制器31打開通風設備34，快速更替室內空氣，防止氫濃度達到構成危險的程度，并發(fā)出警報提醒人員離開實驗室，待警報結束實驗人員才回到實驗室；當?shù)獨馄拷MI或氫氣瓶組2的供氣壓力不足時，監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出警報，提醒實驗人員更換氣瓶組；當高溫高壓釜12內壓力或溫度增加過快，爆破片14、安全閥15將使超壓超溫氣體迅速經(jīng)過安全管路排出，避免產(chǎn)生爆炸。排氣管路及安全管路均在出口處設置有阻火器，防止氫氣被弓I燃時火焰沿著管路傳播，造成更大危害。
[0087]以上給出的實施例是實現(xiàn)本發(fā)明較優(yōu)的例子，本發(fā)明不限于上述實施例。本領域的技術人員根據(jù)本發(fā)明技術方案的技術特征所做出的任何非本質的添加、替換，均屬于本發(fā)明的保護范圍。
【主權項】
1.一種高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機，其特征在于，包括安全室、拉伸機、高溫高壓釜系統(tǒng)和供排氣系統(tǒng)； 安全室包括開設有進氣口、排氣口的密閉的安全隔離室(13)，二氧化碳氣瓶組(34)經(jīng)二氧化碳管路與安全隔離室(13)的進氣口相連接，排氣管(25)與安全隔離室(13)的排氣口相連接； 高溫高壓釜系統(tǒng)設置于安全隔離室(13)內，其包括置于加熱爐(11)內的高溫高壓釜(12)，高溫高壓釜(12)上開設有拉伸桿進口、氮氣進氣口、氫氣進氣口和排氣口；拉伸機(26)的拉伸桿通過拉伸桿進口伸入高溫高壓釜(12)中； 供排氣系統(tǒng)包括氮氣進氣管路、氫氣進氣管路、排氣管路和安全管路;氮氣進氣管路將氮氣瓶組(I)與氮氣進氣口相連接，氫氣進氣管路將氫氣瓶組(2)與氫氣進氣口相連接;排氣管路將排氣口與大氣排放口相連接，排氣管路上還設有冷凝器(19)和第二阻火器(22);安全管路的一端與排氣管路旁路相連通，另一端延伸至大氣排放口，安全管路上設置有安全閥(15)和第一阻火器(20)。2.如權利要求1所述的高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機，其特征在于，所述的二氧化碳管路上還設有第四截止閥(33); 所述的氮氣管路在氮氣瓶組(I)與氮氣進氣口之間依次設有第一截止閥(4)、第一減壓閥(7)和第一止回閥(9); 所述的氫氣管路在氫氣瓶組(2)與氫氣進氣口之間依次設有第二截止閥(5)、第一球閥(6)、第二減壓閥(8)和第二止回閥(10); 所述的排氣管路在排氣口與大氣排放口之間依次設有第三截止閥(16)、第二球閥(17)、背壓閥(18)、冷凝器(19)和第二阻火器(22); 所述的安全管路在排氣管路旁路與大氣排放口之間依次設有爆破片(14)、安全閥(15)和第一阻火器(20)。3.如權利要求2所述的高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機，其特征在于，所述的第一止回閥(9)設置在靠近氮氣進氣口的氮氣管路上，第二止回閥(10)設置在靠近氫氣進氣口的氫氣管路上，以免高溫高壓氣體回流;爆破片(14)、安全閥(15)設置在位于安全隔離室(13)內的安全管路上;排氣管路及安全管路的大氣排出口延伸至室外并朝上對空，且配有避雷針與遮蔽物。4.如權利要求2所述的高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機，其特征在于，所述的冷凝器(19)將排出的高溫氫氣冷卻，同時通過第二球閥(17)、背壓閥(18)調節(jié)氫氣的排氣流量與排氣壓力，確保在冷凝器(19)的工作效率下，氫氣的溫度降至可安全排放的溫度，排氣壓差與流量控制在安全范圍內。5.如權利要求1所述的高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機，其特征在于，在進行高溫高壓臨氫拉伸測試時，其采用熱啟動操作: 熱啟動前，將試樣置于高溫高壓釜(12)內并連接在拉伸機(26)上，確認高溫高壓釜(12)的密封性;連通氫氣管路和排氣管路，使氫氣經(jīng)氫氣管路通過排氣管路通往大氣，將氫氣管路中可能存在的空氣排出；通氣一定時間后，關閉氫氣管路，打開氮氣管路，令氮氣瓶組(13)對整個裝置進行氮氣吹掃，排除裝置內的空氣，將管路及高溫高壓釜內的氣體置換為氮氣； 通氮氣一定時間后，關閉氮氣管路并連通二氧化碳管路，同時關閉排氣管路，使二氧化碳氣瓶組(34)向安全隔離室(13)內持續(xù)通入二氧化碳氣體并排除空氣;等待一段時間，并確認安全隔離室內壓力高于大氣壓的正壓，避免熱啟動及測試時高溫氫與空氣接觸； 熱啟動時，通過加熱爐(11)對高溫高壓釜(12)進行升溫升壓，當高溫高壓釜(12)內溫度達到220°C時，加熱爐(11)切換進入保溫模式，關閉氮氣管路并連通氫氣管路使氫氣從氫氣瓶組(14)充入高溫高壓釜(12)內，監(jiān)測高溫高壓釜(12)內的氫氣壓力，當充氫壓力達到目標值時，截斷氫氣供應，熱啟動完成。6.如權利要求1所述的高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機，其特征在于，在高溫高壓臨氫拉伸結束時，其采用熱停機操作: 將加熱爐(11)暫時關閉，待檢測到高溫高壓釜(12)內溫度降低至220°C后，切換加熱爐(11)至保溫狀態(tài);此時運行冷凝器(19)，打開第三截止閥(16)，調節(jié)第二球閥(17)的開度與背壓閥(18)的出口壓力，使冷凝器出口處溫度在安全范圍內，氫氣緩慢通過排氣管路經(jīng)第二阻火器(22)排向大氣；當高溫高壓釜(12)內壓力達到接近常壓后，釜內氣體首次排出結束;調節(jié)第一減壓閥(7)，打開第一截止閥(4)，使氮氣瓶組(I)內的氮氣緩緩通過氮氣管路流經(jīng)高溫高壓釜(12)再通過排氣管路排出，將高溫高壓釜內的殘余氣體吹掃排向大氣；高溫高壓釜(12)內的氫氣已經(jīng)在高溫高壓釜(12)維持220°C的狀態(tài)下排出，熱停機完成。7.如權利要求1、5或6所述的高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機，其特征在于，還包括監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)包括第一監(jiān)控線路、第二監(jiān)控線路及檢測冷凝器(19)出口處溫度的溫度計(21); 第一監(jiān)控線路包括第一控制器(27)和通過數(shù)據(jù)信號線與其相連的第二壓力計(23)、溫度傳感器(24)、第三壓力計(28)、第一氫傳感器(29)，第一控制器(27)還通過數(shù)據(jù)信號線與拉伸機(26)、加熱爐(11)相連接;其中第二壓力計(23)檢測高溫高壓釜內壓力值，溫度傳感器(24)檢測高溫高壓釜內溫度值，第三壓力計(28)檢測安全隔離室內壓力值，第一氫傳感器(29)檢測安全隔離室內氫濃度值； 第二監(jiān)控線路包括第二控制器(31)和通過數(shù)據(jù)信號線與其相連的第一壓力計(3)、第二氫傳感器(30)、第四壓力計(32)，第二控制器(31)還通過數(shù)據(jù)信號線與設置于安全隔離室(13)外的通風設備(35)相連接;其中，第一壓力計(3)檢測氫氣瓶組(2)出口壓力，第二氫傳感器(30)檢測安全隔離室外的氫濃度值，第四壓力計(32)檢測氮氣瓶組出口壓力。8.如權利要求7所述的高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機，其特征在于，在熱啟動、熱停機時，由第一控制器(27)進行溫度、壓力的檢測并進行加熱爐(11)的控制: 在熱啟動時，由第一控制器(27)啟動加熱爐(II)對高溫高壓釜(12)進行升溫升壓，并由第一控制器(27)通過溫度傳感器(24)、第二壓力計(23)對高溫高壓釜(12)內的溫度與壓力進行監(jiān)測；當?shù)谝豢刂破?27)監(jiān)測到高溫高壓釜(12)內的溫度達到220°C后，第一控制器(27)調節(jié)加熱爐(11)切換進入保溫模式;第二截止閥(5)打開，調節(jié)第二減壓閥(8)，使氫氣從氫氣瓶組(14)充入高溫高壓釜(12)內，第一控制器(27)接收溫度傳感器(24)的信號檢測高溫高壓釜(12)內的壓力，當充氫壓力達到目標值時，關閉第二截止閥(5)，截斷氫氣供應；第一控制器(27)控制加熱爐(11)切換進入加熱模式，待第一控制器(27)通過溫度傳感器(24)檢測到高溫高壓釜(12)內溫度達到實驗目標溫度，控制加熱爐(11)切換進入保溫模式； 在熱停機時，第一控制器(27)發(fā)出指令，使拉伸機(26)停止工作，并控制加熱爐(I I)暫時關閉；待第一控制器(27)通過溫度傳感器(24)檢測到高溫高壓釜(12)內溫度降低至2200C后，切換加熱爐(11)至保溫狀態(tài)。9.如權利要求7所述的高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機，其特征在于，在在熱啟動、熱停機過程中，第一控制器(27)監(jiān)測高溫高壓釜(12)的溫度、壓力以及安全隔離室(13)內的壓力與氫濃度；當高溫高壓釜(12)內的壓力或溫度超標時，第一控制器(27)會控制加熱爐(11)、拉伸機(25)立即停機，并發(fā)出警報； 第二控制器(31)監(jiān)測安全隔離室(13)外的氫濃度與氮氣瓶組(1)、氫氣瓶組(2)的供氣壓力；當安全隔離室(13)外氫濃度超標時，第一控制器(27)會控制加熱爐(11)、拉伸機(25)立即停機，第二控制器(31)打開通風設備(35)，快速更替空氣并發(fā)出警報；當?shù)獨馄拷M(I)或氫氣瓶組(2)的供氣壓力不足時，第二控制器(31)發(fā)出警報，提醒換氣瓶組；當高溫高壓釜(12)內壓力或溫度增加過快，爆破片(14)、安全閥(15)將使超壓超溫氣體迅速經(jīng)過安全管路排出，避免產(chǎn)生爆炸。10.如權利要求1所述的高溫高壓氫環(huán)境下的拉伸應力試驗機，其特征在于，在進行檢測時，高溫高壓釜(12)內的氫氣壓力<15MPa，溫度<450°C，能夠承受15MPa壓強并滿足450°C的氫環(huán)境服役條件； 所述的加熱爐(11)維持熱啟動與熱停機時高溫高壓釜(12)內的溫度在220°C以上； 所述的安全隔離室(13)采用透明的有機玻璃材質，并滿足氣密性要求。
【文檔編號】G01N3/18GK106018119SQ201610566188
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月18日
【發(fā)明人】程光旭, 胡雨齊, 胡海軍, 張早校, 弓衛(wèi)軍, 李青
【申請人】西安交通大學