140MPa高壓氫氣環(huán)境材料力學(xué)性能測(cè)試裝置研究.pdf

1、氫能具有來(lái)源多種多樣、潔凈環(huán)保、可再生、轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為21世紀(jì)最具發(fā)展前景的二次能源。安全高效的儲(chǔ)輸氫和加氫是氫能規(guī)模化利用必須解決的關(guān)鍵問題。高壓儲(chǔ)輸氫和加氫以其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、充放速度快、壓縮氫氣制備能耗低等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為占絕對(duì)主導(dǎo)地位的氫能儲(chǔ)輸和加注方式。
　　然而，材料在高壓氣態(tài)氫環(huán)境下長(zhǎng)期工作會(huì)出現(xiàn)塑性降低、裂紋擴(kuò)展速率加快的高壓氫脆現(xiàn)象。壓力越高，這一問題愈為突出。美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的氫能計(jì)劃無(wú)一例外地將高

2、壓氫環(huán)境材料相容性檢測(cè)及評(píng)價(jià)作為高壓氫系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)的首要環(huán)節(jié)。為滿足國(guó)內(nèi)高壓氫系統(tǒng)生產(chǎn)和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的需要，打破國(guó)外技術(shù)壟斷，解決我國(guó)不具備高壓氫環(huán)境下直接進(jìn)行材料氫脆性能檢測(cè)的裝備和技術(shù)的難題，保證高壓氫系統(tǒng)長(zhǎng)壽命、安全可靠地運(yùn)行，亟待開展高壓氫氣環(huán)境材料相容性試驗(yàn)裝置研究。
　　在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)課題“高壓儲(chǔ)氫、輸氫、加氫安全保障技術(shù)裝備與應(yīng)用示范”（課題編號(hào):2012AA051504）和國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)

3、劃(973計(jì)劃)課題“高壓常溫氫氣環(huán)境下承載件損傷的演化機(jī)制”（課題編號(hào):2015CB057601）等項(xiàng)目的支持下，本文開展了高壓氫環(huán)境材料相容性試驗(yàn)裝置的研究工作。主要研究?jī)?nèi)容和取得的創(chuàng)新成果如下：
　　(1)研究了基于斷裂力學(xué)的高壓儲(chǔ)氫容器設(shè)計(jì)疲勞壽命的分析模型及預(yù)測(cè)方法，用于確定高壓氫環(huán)境箱的設(shè)計(jì)疲勞壽命。然后聚焦高壓臨氫設(shè)備常用材料，分析了容器在疲勞載荷作用下的疲勞裂紋擴(kuò)展特性，并對(duì)臨氫設(shè)備常用材料制作的儲(chǔ)氫容器在不同壓力

4、和不同內(nèi)徑下的設(shè)計(jì)疲勞壽命進(jìn)行探究。并提出基于“相對(duì)設(shè)計(jì)疲勞壽命”的分析方法來(lái)定量研究氫脆對(duì)高壓氫環(huán)境箱設(shè)計(jì)疲勞壽命的損減效應(yīng)，同時(shí)從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范影響筒體壁厚的角度來(lái)探究不同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)容器設(shè)計(jì)疲勞壽命的影響。最后以高壓儲(chǔ)氫容器常用的高強(qiáng)度低合金鋼為雛形，提出5種典型的模型材料，以此對(duì)高壓氫環(huán)境箱設(shè)計(jì)疲勞壽命的影響因素展開深入討論，進(jìn)而揭示了高壓氫環(huán)境箱疲勞壽命的影響規(guī)律。
　　(2)開展了超高壓氫環(huán)境組合密封結(jié)構(gòu)的研究。以橡膠超彈性本

5、構(gòu)模型、吸氫膨脹效應(yīng)的數(shù)值算法等核心問題的解決為著力點(diǎn)，突破了超高壓橡膠O形圈組合密封有限元分析因高度非線性特性所致難以收斂的技術(shù)瓶頸，建立了基于吸氫膨脹效應(yīng)的高壓氫氣組合密封結(jié)構(gòu)有限元模型。并基于所建立的數(shù)值模型，探明氫氣壓力、初始?jí)嚎s率、楔尖角、吸氫膨脹效應(yīng)等因素對(duì)密封性能的影響規(guī)律，揭示其密封機(jī)理，為高壓氫氣密封的結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)參數(shù)的合理確定提供科學(xué)依據(jù)。
　　(3)以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求和國(guó)際需求為立足點(diǎn)，確定了擬開發(fā)的高壓氫環(huán)境

6、材料相容性試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)功能和主要技術(shù)參數(shù)，并提出了該裝置的總體方案，包括高壓氫環(huán)境箱系統(tǒng)、置換及供氣系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和總控系統(tǒng)四大部分。進(jìn)而詳細(xì)探究了裝置四大關(guān)鍵組成部分的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法，并建立了高壓氫環(huán)境材料相容性試驗(yàn)裝置的安全防護(hù)方法。然后，瞄準(zhǔn)裝置研制中所面臨的四大關(guān)鍵技術(shù)問題—軸向力自平衡方法、試樣自對(duì)中方法、高壓氫環(huán)境箱耐久性和高壓氫氣密封技術(shù)，并給出創(chuàng)新性的解決方案。上述研究成果成功應(yīng)用于140 MPa高壓氫環(huán)境材料力學(xué)