140MPa高壓氫氣環(huán)境材料力學性能測試裝置研究.pdf

1、氫能具有來源多種多樣、潔凈環(huán)保、可再生、轉化效率高等優(yōu)點，被譽為21世紀最具發(fā)展前景的二次能源。安全高效的儲輸氫和加氫是氫能規(guī)?；帽仨毥鉀Q的關鍵問題。高壓儲輸氫和加氫以其設備結構簡單、充放速度快、壓縮氫氣制備能耗低等優(yōu)點，目前已成為占絕對主導地位的氫能儲輸和加注方式。
　　然而，材料在高壓氣態(tài)氫環(huán)境下長期工作會出現(xiàn)塑性降低、裂紋擴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、日本等發(fā)達國家的氫能計劃無一例外地將高

2、壓氫環(huán)境材料相容性檢測及評價作為高壓氫系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)的首要環(huán)節(jié)。為滿足國內(nèi)高壓氫系統(tǒng)生產(chǎn)和國際競爭的需要，打破國外技術壟斷，解決我國不具備高壓氫環(huán)境下直接進行材料氫脆性能檢測的裝備和技術的難題，保證高壓氫系統(tǒng)長壽命、安全可靠地運行，亟待開展高壓氫氣環(huán)境材料相容性試驗裝置研究。
　　在國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)課題“高壓儲氫、輸氫、加氫安全保障技術裝備與應用示范”（課題編號:2012AA051504）和國家重點基礎研究發(fā)展計

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

4、和不同內(nèi)徑下的設計疲勞壽命進行探究。并提出基于“相對設計疲勞壽命”的分析方法來定量研究氫脆對高壓氫環(huán)境箱設計疲勞壽命的損減效應，同時從標準規(guī)范影響筒體壁厚的角度來探究不同標準規(guī)范對容器設計疲勞壽命的影響。最后以高壓儲氫容器常用的高強度低合金鋼為雛形，提出5種典型的模型材料，以此對高壓氫環(huán)境箱設計疲勞壽命的影響因素展開深入討論，進而揭示了高壓氫環(huán)境箱疲勞壽命的影響規(guī)律。
　　(2)開展了超高壓氫環(huán)境組合密封結構的研究。以橡膠超彈性本

5、構模型、吸氫膨脹效應的數(shù)值算法等核心問題的解決為著力點，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瓶頸，建立了基于吸氫膨脹效應的高壓氫氣組合密封結構有限元模型。并基于所建立的數(shù)值模型，探明氫氣壓力、初始壓縮率、楔尖角、吸氫膨脹效應等因素對密封性能的影響規(guī)律，揭示其密封機理，為高壓氫氣密封的結構形式及結構參數(shù)的合理確定提供科學依據(jù)。
　　(3)以滿足標準要求和國際需求為立足點，確定了擬開發(fā)的高壓氫環(huán)境

6、材料相容性試驗裝置的試驗功能和主要技術參數(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。進而詳細探究了裝置四大關鍵組成部分的工作原理和實現(xiàn)方法，并建立了高壓氫環(huán)境材料相容性試驗裝置的安全防護方法。然后，瞄準裝置研制中所面臨的四大關鍵技術問題—軸向力自平衡方法、試樣自對中方法、高壓氫環(huán)境箱耐久性和高壓氫氣密封技術，并給出創(chuàng)新性的解決方案。上述研究成果成功應用于140 MPa高壓氫環(huán)境材料力學