(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910411756.8
(22)申请日 2019.05.16
(71)申请人 浙江大学
地址 310058 浙江省杭州市西湖区余杭塘
路866号
申请人 中国石油天然气集团公司管材研究
所
(72)发明人 尚娟 李炎华 郑津洋 顾超华
花争立
(74)专利代理机构 杭州中成专利事务所有限公
司 33212
代理人 周世骏
(51)Int.Cl.
G01N 3/36(2006.01)
G01N 3/313(2006.01)
(54)发明名称
法
(57)摘要
本发明涉及材料力学性能测试技术，旨在提
供一种输氢管道服役性能测试装置及测试方法。
该装置是在输氢管道的两端分设端盖构成密闭
腔体中设有铂片，由导线接至恒电流仪；在试验
腔体端盖上还设有导电金属片，由导线接至恒电
流仪；当试样腔体中装满充氢溶液后，与恒电流
仪、导电金属片和铂片共同组成电化学充氢系
统。本发明采用电化学充氢的方式为输氢管道服
役性能的测试创造了临氢环境，避免了直接使用
高压氢气进行输氢管道服役性能测试，进而测试
装置的成本大幅下降，同时提高了测试研究的安
全性。通过换热系统对输氢管道的试验温度进行
调控，
与输氢管道实际服役温度保持一致。权利要求书2页 说明书6页 附图1页CN 110220809 A 2019.09.10
C N 110220809
A
1.一种输氢管道服役性能测试装置，包括用于向待测的输氢管道中输送水和加压的液压水储罐和液压水泵；其特征在于，该装置还包括通过管路依次连接的离子液体储罐、液压离子液体泵和液压充氢溶液储罐，用于向待测的输氢管道中输送充氢溶液和加压； 在输氢管道的两端分设端盖，端盖之间通过螺杆螺母组件紧固，使端盖与输氢管道构成密闭的试验腔体；在其中一个端盖上设置液压水进口和液压充氢溶液进口，在另一个端盖上设置装有密封连接件的通道；换热箱包括侧部开口的箱体和位于侧部的端盖，端盖与箱体之间通过螺丝实现紧固；所述试验腔体位于换热箱的内腔中，两根管路穿过换热箱端盖，分别用于连接液压水泵出口与液压水进口、液压充氢溶液储罐与液压充氢溶液进口；
在试验腔体中设有铂片，由贯穿密封连接件和换热箱侧壁的导线接至恒电流仪；在试验腔体端盖上还设有导电金属片，由贯穿换热箱侧壁的导线接至恒电流仪；当试样腔体中装满充氢溶液后，与恒电流仪、导电金属片和铂片共同组成电化学充氢系统。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述液压水储罐的底部接至液压水泵的入口，液压水泵的出口接至液压水进口；液压水进口与液压水储罐之间还设置回流管道。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述离子液体储罐的底部接至液压离子液体泵的入口，液压离子液体泵的出口接至液压充氢溶液储罐的上部，液压充氢溶液储罐的底部接至液压充氢溶液进口；在液压充氢溶液储罐的上部与离子液体储罐的上部之间设置回流管路。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在换热箱的侧壁或底板上设置热媒进口和热媒出口，分别通过管路连接制冷制热机的出口和入口。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在输氢管道与端盖之间、换热箱侧部开口与端盖之间分别设置O型圈密封元件。
6.根据权利要求1至5任意一项中所述的装置，其特征在于，还包括用于上位控制的计算机，分别通过信号线连接液压水泵、液压离子液体泵、恒电流仪和制冷制热机。
7.根据权利要求1至5任意一项中所述的装置，其特征在于，在与各储罐和泵相连的管路上分别设置控制阀。
8.一种利用权利要求1所述装置进行输氢管道疲劳性能测试的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分离换热箱与端盖，在试验腔体的端盖外表面布置导电金属片，在试验腔体内部放置铂片，确认连接铂片、导电金属片和恒电流仪的电缆在各自通孔处密封完好；闭合试验腔体的一侧端盖，并通过螺杆螺母组件将其固定锁紧；竖向放置试验腔体，从上部开口装满充氢溶液后再闭合另一端盖，通过螺杆螺母组件固定锁紧；将装满充氢溶液的试验腔体放置在换热箱内部空腔中，闭合换热箱端盖，并通过螺钉进行紧固连接；启动制冷制热机使热媒进入换热箱内，利用制冷制热机上的排气孔排出换热箱中气体；热媒充满后再回流到制冷制热机中，保持循环使试验过程中的温度保持恒定；接通恒电流仪的电路，使试验腔体内部发送电化学反应而进行充氢，并保证稳定60min以上；
(2)在液压充氢溶液储罐内装有能够分层的两种液体，下层为充氢溶液，上层为离子液体；启动液压离子液体泵对液压充氢溶液储罐及连接管线进行增压，直至试验腔体内压力达到输氢管道设计压力P的1.25倍；然后对试验腔体内进行泄压，直至达到大气压力；重复增压和泄压的操作，直至输氢管道破裂；停止操作并记录循环次数F1；
(3)更换输氢管道后，参照步骤(1)和(2)的操作内容，以水替代充氢溶液进行重复增压和泄压，直至输氢
管道破裂；停止操作并记录循环次数F2；
(4)输氢管道在临氢环境中的循环次数F1与在无氢环境中的循环次数F2分别表征输氢管道在临氢环境中和无氢环境中的疲劳性能，二者的比值F1/F2即为输氢管道的疲劳损伤指数。
9.利用权利要求1所述装置进行输氢管道爆破性能测试的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)分离换热箱与端盖，在试验腔体的端盖外表面布置导电金属片，在试验腔体内部放置铂片，确认连接铂片、导电金属片和恒电流仪的电缆在各自通孔处密封完好；闭合试验腔体的一侧端盖，并通过螺杆螺母组件将其固定锁紧；竖向放置试验腔体，从上部开口装满充氢溶液后再闭合另一端盖，通过螺杆螺母组件固定锁紧；将装满充氢溶液的试验腔体放置在换热箱内部空腔中，闭合换热箱端盖，并通过螺钉进行紧固连接；启动制冷制热机使热媒进入换热箱内，利用制冷制热机上的排气孔排出换热箱中气体；热媒充满后再回流到制冷制热机中，保持循环使试验过程中的温度保持恒定；接通恒电流仪的电路，使试验腔体内部发送电化学反应而进行充氢，并保证稳定60min以上；
(2)在液压充氢溶液储罐内装有能够分层的两种液体，下层为充氢溶液，上层为离子液体；启动液压离子液体泵对液压充氢溶液储罐及连接管线进行增压，使试验腔体内压力连续升高，直至输氢管道发生爆破，记录爆破压力P1；
(3)更换输氢管道后，参照步骤(1)和(2)的操作内容，以水替代充氢溶液进行持续增压，使试验腔体内压力连续升高，直至输氢管道发生爆破，记录爆破压力P2；
(4)输氢管道在临氢环境中的爆破压力P1与在无氢环境中的爆破压力P2分别表征输氢管道在临氢环境中和无氢环境中的爆破性能，二者的比值P1/P2即为输氢管道的爆破损伤指数。
10.根据权利要求8或9的方法，其特征在于，所述充氢溶液为0.5mol/L H2SO4溶液；所述离子液体是指室温或室温附近温度下呈液态的由离子构成的物质，其密度小于充氢溶液且两者不相容。
一种输氢管道服役性能测试装置及测试方法
技术领域
[0001]本发明属于材料力学性能测试技术，特别涉及一种输氢管道服役性能测试装置及测试方法。
背景技术
[0002]在保障能源供应安全、应对气候变化、改善环境质量等因素的驱动下，越来越多的国家开始重视清洁能源的发展和利用。氢能具有来源广泛、能量转化率高、无污染、零排放、可储存、可再生等优点，是实现能源可持续供给和循环的重要能源载体。管道输氢被认为是可实现氢气大规模输送利用的有
效方式。但由于高压氢脆问题的存在，临氢环境材料长期在高压氢环境中服役会出现塑性损减、疲劳裂纹扩展速率加快等现象，严重威胁输氢管道的安全，必须通过相应的测试装置对输氢管道的服役性能进行系统的评价，以保障输氢管道在服役周期内的安全性。
[0003]输氢管道服役性能测试装置是保障输氢管道安全的重要装备，为了研究输氢管道的服役性能，就需要测试装置能够模拟输氢管道在实际服役过程中的工况，其中的主要要素包括：(1)输氢管道内要一直处于临氢环境，且临氢环境的最高压力不低于输氢管道的爆破压力；(2)输氢管道在实际工作过程中会产生反复交变载荷，并且输氢管道的服役温度随其所处的环境温度发生变化。这对相应的试验装置提出了较高的要求。传统的测试装置是直接使用水对管道进行水压疲劳和水压爆破试验来进行管道服役性能的测试，这种做法无法体现氢对管道性能的影响，仅适用于输送惰性介质的管道，但不适用于输氢管道；国外有些机构提出直接使用高压氢气来进行输氢管道服役性能的测试，这种方法除了成本非常高外，大量高压氢气的使用也带来了较大的安全隐患，特别是管道在测试过程中失效瞬间大量高压氢气的快速泄放可能导致爆炸事故。输氢管道服役性能测试装置成为制约输氢管道服役性能研究的重要障碍。
发明内容
[0004]本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提出一种输氢管道服役性能测试装置及测试方法。
[0005]为解决技术问题，本发明的解决方案是：
[0006]提供一种输氢管道服役性能测试装置，包括用于向待测的输氢管道中输送水和加压的液压水储罐和液压水泵；该装置还包括通过管路依次连接的离子液体储罐、液压离子液体泵和液压充氢溶液储罐，用于向待测的输氢管道中输送充氢溶液和加压；
[0007]在输氢管道的两端分设端盖，端盖之间通过螺杆螺母组件紧固，使端盖与输氢管道构成密闭的试验腔体；在其中一个端盖上设置液压水进口和液压充氢溶液进口，在另一个端盖上设置装有密封连接件的通道；换热箱包括侧部开口的箱体和位于侧部的端盖，端盖与箱体之间通过螺丝实现紧固；所述试验腔体位于换热箱的内腔中，两根管路穿过换热箱端盖，分别用于连接液压水泵出口与液压水进口、液压充氢溶液储罐与液压充氢溶液进
口；
[0008]在试验腔体中设有铂片，由贯穿密封连接件和换热箱侧壁的导线接至恒电流仪；在试验腔体端盖上还设有导电金属片，由贯穿换热箱侧壁的导线接至恒电流仪；当试样腔体中装满充氢溶液后，与恒电流仪、导电金属片和铂片共同组成电化学充氢系统。[0009]本发明中，所述液压水储罐的底部接至液压水泵的入口，液压水泵的出口接至液压水进口；液压水进口与液压水储罐之间还设置回流管道。
[0010]本发明中，所述离子液体储罐的底部接至液压离子液体泵的入口，液压离子液体泵的出口接至液压充氢溶液储罐的上部，液压充氢溶液储罐的底部接至液压充氢溶液进口；在液压充氢溶液储罐的上部与离子液体储罐的上部之间设置回流管路。
[0011]本发明中，在换热箱的侧壁或底板上设置热媒进口和热媒出口，分别通过管路连接制冷制热机的出口和入口。
[0012]本发明中，在输氢管道与端盖之间、换热箱侧部开口与端盖之间分别设置O型圈密封元件。
[0013]本发明中，还包括用于上位控制的计算机，分别通过信号线连接液压水泵、液压离子液体泵、恒电流仪和制冷制热机。
[0014]本发明中，在与各储罐和泵相连的管路上分别设置控制阀。
[0015]本发明提供了一种利用前所述装置进行输氢管道疲劳性能测试的试验方法，包括以下步骤：
[0016](1)分离换热箱与端盖，在试验腔体的端盖外表面布置导电金属片，在试验腔体内部放置铂片，确认连接铂片、导电金属片和恒电流仪的电缆在各自通孔处密封完好；闭合试验腔体的一侧端盖，并通过螺杆螺母组件将其固定锁紧；竖向放置试验腔体，从上部开口装满充氢溶液后再闭合另一端盖，通过螺杆螺母组件固定锁紧；将装满充氢溶液的试验腔体放置在换热箱内部空腔中，闭合换热箱端盖，并通过
螺钉进行紧固连接；启动制冷制热机使热媒进入换热箱内，利用制冷制热机上的排气孔排出换热箱中气体；热媒充满后再回流到制冷制热机中，保持循环使试验过程中的温度保持恒定；接通恒电流仪的电路，使试验腔体内部发送电化学反应而进行充氢，并保证稳定60min以上；
[0017](2)在液压充氢溶液储罐内装有能够分层的两种液体，下层为充氢溶液，上层为离子液体；启动液压离子液体泵对液压充氢溶液储罐及连接管线进行增压，直至试验腔体内压力达到输氢管道设计压力P的1.25倍；然后对试验腔体内进行泄压，直至达到大气压力；重复增压和泄压的操作，直至输氢管道破裂；停止操作并记录循环次数F1；
[0018](3)更换输氢管道后，参照步骤(1)和(2)的操作内容，以水替代充氢溶液进行重复增压和泄压，直至输氢管道破裂；停止操作并记录循环次数F2；
[0019](4)输氢管道在临氢环境(充氢溶液)中的循环次数F1与在无氢环境(水)中的循环次数F2分别表征输氢管道在临氢环境中和无氢环境中的疲劳性能，二者的比值F1/F2即为输氢管道的疲劳损伤指数。
[0020]本发明还提供了利用前述装置进行输氢管道爆破性能测试的试验方法，包括以下步骤：
[0021](1)分离换热箱与端盖，在试验腔体的端盖外表面布置导电金属片，在试验腔体内部放置铂片，确认连接铂片、导电金属片和恒电流仪的电缆在各自通孔处密封完好；闭合试
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