一种压力-温度-应力耦合作用下的高压氢渗透测试装置

本技术涉及氢渗透测试设备，尤其是一种压力-温度-应力耦合作用下的高压氢渗透测试装置。

背景技术：

1、在高压纯氢或天然气掺氢环境中，临氢设备和金属材料易发生氢脆现象，导致材料塑性降低、萌生裂纹甚至最终失效。金属材料在高压氢气环境中的氢渗透动力学参数（如氢扩散系数、表面吸附氢浓度和氢溶解度）是评价其抗氢渗透性能、指导实际工程选材的关键指标。目前常用的氢渗透测试方法大多在常温常压或单一变量条件下进行，难以真实模拟高压纯氢或天然气掺氢工况下温度、应力与氢压力之间的耦合作用；此外，传统双电解池氢渗透测试技术无法在测试过程中同步施加应力。因此，迫切需要开发一种能够同时精确调控压力、温度与应力，并实时监测氢渗透通量的测试装置，以实现材料在实际服役环境中氢渗透行为的准确评估。

技术实现思路

1、本实用新型提出一种压力-温度-应力耦合作用下的高压氢渗透测试装置，能解决现有测试技术中无法同时控制压力、温度、应力三大关键变量的问题，提供一种可以模拟真实纯氢或掺氢服役环境，并能够在高压环境下精确测量金属材料在平衡状态下气体扩散性能的高压氢渗透测试装置。

2、本实用新型采用以下技术方案。

3、一种压力-温度-应力耦合作用下的高压氢渗透测试装置，所述测试装置包括与高压供氢气路末端的试样（31）相接的测氢盒（18），所述高压供氢气路处顺序设置气源、气体增压器（7）、缓冲罐（10）、高压釜（13）；所述试样置于高压釜的氢渗透面处；所述缓冲罐处包裹用于加热的第一传热夹套（9）；高压釜处包裹用于加热的第二传热夹套（14），外部的电化学工作站（19）通过电极与测氢盒、试样相连。

4、所述测氢盒内置电解液，外部的电化学工作站（19）经导线、工作电极（15）、参比电极（16）、辅助电极（17）与测氢盒、试样相连以监测、采集氢渗透电流；

5、当高压供氢气路向试样输出氢气或掺氢气体，使试样处发生氢渗透现象时，渗透到测氢盒的氢原子在电化学工作站恒电位的作用下电离产生氢离子和电子，从而形成氢渗透电流，通过氢渗透电流的变化进行监测及数据采集。

6、所述气源包括高压氮气瓶（1）、高压甲烷气瓶（2）、高压氢气瓶（3），所述高压氮气瓶（1）、高压甲烷气瓶（2）、高压氢气瓶（3）分别经第一管道、第二管道、第三管道与气体增压器相连形成增压系统，气体增压器对气源输出的氢气或掺氢气体进行加压形成测试气体，再把测试气体经第四管道输入缓冲罐。

7、所述第一管道、第二管道、第三管道处分别设有第一截止阀（4）、第二截止阀（5）、第三截止阀（6），所述第四管道处设有第四截止阀（8）。

8、第一传热夹套、第二传热夹套与高精度控温装置（21）相连，以调节和保持缓冲罐与高压釜中的测试气体的温度在预设范围内。

9、所述高精度控温装置经管路与第一传热夹套和第二传热夹套相连形成温控系统，温控系统通过对管路及夹套内的介质进行循环加热，调节和保持缓冲罐与高压釜中的测试气体的温度。

10、所述试样表面贴有与加载螺母（29）相连的应变片。

11、所述加载螺母处设有用于测量加载位移的百分表（28），当通过旋转加载螺母调整应变片对试样施加的应力时，百分表测得的加载位移能用于计算应力，作出应力-加载位移曲线。

12、所述高压釜和测氢盒形成氢渗透系统；所述高压釜具有进气口（22）和出气口（23），氢气或掺氢气体通过进气口进入高压釜内部以发生氢渗透行为。

13、高压釜下端连接有顺序设置的第一通道（24）和第二通道（25），第二通道与装有电解液的测氢盒相连，第一通道的宽度大于第二通道；所述第一通道和第二通道位于高压釜和测氢盒之间，两通道间的空隙形成用于放置试样的放置腔，试样与工作电极（15）连接，试样的上端、下端处均设有多孔金属过滤器（26），形成第一通道和第二通道之间的分隔结构。

14、本实用新型提出在可控压力、温度、应力条件下，精确测量金属材料在平衡状态的高压环境下气体渗透性能的装置，其在测量渗透面积和渗透距离准确、不发生气体泄漏的情况下，能在保持气体稳定性等方面确保测量数据的可靠性，因此能通过测试数据成功地获得氢扩散系数、表面吸附氢浓度和氢溶解度，这些数据的精确可靠对于评估金属材料的安全性是必要的，不仅有助于选择在高压氢气环境下的实际应用中合适的金属材料，而且有助于分析在高压环境下用于掺氢管道的金属材料的物理性能对氢渗透性的影响。

15、本实用新型可实现压力、温度、应力的同步调节，并在平衡状态的高压环境下，为准确测定金属材料的氢渗透行为提供可靠的实验技术支持，同时也为模拟真实掺氢管道服役环境及筛选适用金属材料提供实用有效的解决方案。

1.一种压力-温度-应力耦合作用下的高压氢渗透测试装置，其特征在于：所述测试装置包括与高压供氢气路末端的试样（31）相接的测氢盒（18），所述高压供氢气路处顺序设置气源、气体增压器（7）、缓冲罐（10）、高压釜（13）；所述试样置于高压釜的氢渗透面处；所述缓冲罐处包裹用于加热的第一传热夹套（9）；高压釜处包裹用于加热的第二传热夹套（14），外部的电化学工作站（19）通过电极与测氢盒、试样相连。

2.根据权利要求1所述的一种压力-温度-应力耦合作用下的高压氢渗透测试装置，其特征在于：所述测氢盒内置电解液，外部的电化学工作站（19）经导线、工作电极（15）、参比电极（16）、辅助电极（17）与测氢盒、试样相连以监测、采集氢渗透电流；

3.根据权利要求1所述的一种压力-温度-应力耦合作用下的高压氢渗透测试装置，其特征在于：所述气源包括高压氮气瓶（1）、高压甲烷气瓶（2）、高压氢气瓶（3），所述高压氮气瓶（1）、高压甲烷气瓶（2）、高压氢气瓶（3）分别经第一管道、第二管道、第三管道与气体增压器相连形成增压系统，气体增压器对气源输出的氢气或掺氢气体进行加压形成测试气体，再把测试气体经第四管道输入缓冲罐。

4.根据权利要求3所述的一种压力-温度-应力耦合作用下的高压氢渗透测试装置，其特征在于：所述第一管道、第二管道、第三管道处分别设有第一截止阀（4）、第二截止阀（5）、第三截止阀（6），所述第四管道处设有第四截止阀（8）。

5.根据权利要求3所述的一种压力-温度-应力耦合作用下的高压氢渗透测试装置，其特征在于：第一传热夹套、第二传热夹套与高精度控温装置（21）相连，以调节和保持缓冲罐与高压釜中的测试气体的温度在预设范围内。

6.根据权利要求5所述的一种压力-温度-应力耦合作用下的高压氢渗透测试装置，其特征在于：所述高精度控温装置经管路与第一传热夹套和第二传热夹套相连形成温控系统，温控系统通过对管路及夹套内的介质进行循环加热，调节和保持缓冲罐与高压釜中的测试气体的温度。

7.根据权利要求3所述的一种压力-温度-应力耦合作用下的高压氢渗透测试装置，其特征在于：所述试样表面贴有与加载螺母（29）相连的应变片。

8.根据权利要求7所述的一种压力-温度-应力耦合作用下的高压氢渗透测试装置，其特征在于：所述加载螺母处设有用于测量加载位移的百分表（28），当通过旋转加载螺母调整应变片对试样施加的应力时，百分表测得的加载位移能用于计算应力。

9.根据权利要求3所述的一种压力-温度-应力耦合作用下的高压氢渗透测试装置，其特征在于：所述高压釜和测氢盒形成氢渗透系统；所述高压釜具有进气口（22）和出气口（23），氢气或掺氢气体通过进气口进入高压釜内部以发生氢渗透行为。

10.根据权利要求9所述的一种压力-温度-应力耦合作用下的高压氢渗透测试装置，其特征在于：高压釜下端连接有顺序设置的第一通道（24）和第二通道（25），第二通道与装有电解液的测氢盒相连，第一通道的宽度大于第二通道；所述第一通道和第二通道位于高压釜和测氢盒之间，两通道间的空隙形成用于放置试样的放置腔，试样与工作电极（15）连接，试样的上端、下端处均设有多孔金属过滤器（26），形成第一通道和第二通道之间的分隔结构。