本质安全的高纯高压氢环境材料相容性测试系统及方法
技术领域
本发明涉及材料力学性能测试装备开发
技术领域
，特别涉及一种本质安全的高纯高压氢环境材料相容性测试系统，还涉及一种本质安全的高纯高压氢环境材料相容性测试方法。背景技术
氢的储运是氢能产业化发展中的重要环节，而常温高压储氢因其设备结构简单、充装速度快等优点，是目前工业应用中占主导地位的储氢方式。然而，长期服役在高压氢环境中的承载结构，会面临塑性降低、疲劳裂纹扩展速率加快等氢脆问题，严重危害氢能储输系统的运行安全。由于环境氢试验与真实工况具有环境相似、应力场相似和氢浓度场相似的特点，同时环境氢试验能还原高压氢环境中裂尖高应力梯度区氢的动态侵入和偏聚，更能真实反映高压氢环境承载结构的实际服役工况。因此，开展高压氢环境材料相容性测试十分必要。
然而，由于高压氢环境材料相容性测试是以高压氢环境材料相容性测试装置为技术支撑，而我国在此类装置的研发方面还处于起步阶段。目前，高压氢环境材料相容性测试系统主要存在以下不足：
(1)未采取在线方式监测和提高测试气氛的氢气纯度。
采用高压氢环境测试材料相容性时，需保证高压环境箱内的测试气氛纯度达到要求(一般试验要求氢气纯度是≥99.999％)。目前，主要通过在供气系统中设置吹洗置换系统以提高氢气纯度。例如，中国专利CN203488978U通过循环使用真空和惰性气体吹洗置换使系统内的含氧量降低并提高氢气纯度，并设置取样瓶以获得环境箱内的氢气纯度信息。通过气体取样瓶，获得气体纯度信息是被动式的检测手段，无法达到实时反馈和自动控制的目的，而且每次测试前还需将取样瓶拆下分析后才能判断气体纯度是否达标。
(2)未采取措施排尽放空管内残留的气体。
阻火器是用于阻止易燃气体和易燃液体蒸汽的火焰蔓延的安全装置，由阻火芯、外壳及附件构成。阻火器的开启一般需要一定的压力，当气体压力高于开启压力时，阻火器开启排放气体，并且阻火器是单向结构，可防止空气回流进入管路。然而，当气体逐渐排放，气体压力降至阻火器开启压力以下时，阻火器关闭，则会有气体残留在管路中，管路中残留的气体即为危险源，而目前还未出现相关设计考虑阻火器处残留气体的排空。
(3)未对气体的泄放速率实现定量控制
氢气燃烧极限较广(4～75％)，并且氢气的最小点火能较低(0.07mJ左右)，若氢气的泄放速率过快，氢气与管口摩擦产生的热量足以达到氢气的最小点火能。因此，需要通过管路设计及仪器来控制氢气的泄放速率，例如中国专利CN203488978U通过设置组合阀来减缓氢气的泄放速率，中国专利CN106018119A也是通过设计多个阀门起到减缓泄放速率的作用。然而，上述专利并未采取定量的手段控制泄放速率，无法实现对氢气泄放速率的精准控制。
因此，需要开发一种本质安全的高纯高压氢环境材料相容性测试系统及方法，此测试系统需能实现高压高纯氢环境材料相容性的评价，并且能够保证高压氢环境材料相容性评价试验的安全开展。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明实施例提供本质安全的高纯高压氢环境材料相容性测试系统，能够保证高压氢环境材料相容性评价试验的安全开展。
本发明实施例还提供本质安全的高纯高压氢环境材料相容性测试方法。
根据本发明第一方面的实施例，提供本质安全的高纯高压氢环境材料相容性测试系统，包括力学性能测试模块，所述力学性能测试模块包括气体管路以及安装在该气体管路的测试装置，所述气体管路具有进气端和出气端，所述力学性能测试模块设置有对所述气体管路进行氢气纯度检测的氢气纯度传感器；供气模块，设置在所述气体管路的进气端，所述供气模块包括用于提供氢气的第一供气单元以及用于提供氩气的第二供气单元，所述第二供气单元连接所述气体管路的进气端，以用氩气为所述气体管路进行吹扫，所述第一供气单元连接所述气体管路的进气端，以为所述气体管路提供氢气；排气模块，设置在所述气体管路的出气端，所述排气模块包括阻火器以及与所述阻火器并联设置的阻火器旁路自动阀，所述阻火器旁路自动阀用于将所述阻火器残留的氢气排空；抽真空模块，所述抽真空模块包括用于对所述气体管路进行抽真空的真空泵以及对所述气体管路进行真空检测的真空度计；以及在线监测设备，所述在线监测设备分别与所述力学性能测试模块、所述供气模块、所述排气模块以及所述抽真空模块电连接，以根据所述氢气纯度传感器的反馈信号，对所述气体管路进行抽真空、或吹扫、或提供氢气、或排气。
上述的本质安全的高纯高压氢环境材料相容性测试系统，至少具有以下有益效果：上述方案，通过对测试装置所在的气体管路进行氢气纯度检测，并将氢气纯度信息上传至在线监测设备，通过自主反馈控制气体管路的吹扫置换，实现氢气纯度的在线监测和自动吹扫置换，确保进入环境箱内的氢气纯度符合要求，同时此环节可在无人值守的情况下完成；另外，阻火器的开启需要一定的气体压力，会导致气体管路内残留部分氢气，存在安全隐患，本发明在阻火器处设计一条排空旁路，安装阻火器旁路自动阀，将阻火器处残留的氢气排空，消除气体管路内的危险源，使该测试系统达到本质安全。
根据本发明第一方面的实施例，所述气体管路包括与所述供气模块连通的进气管路以及与所述排气模块连通的排气管路，所述氢气纯度传感器安装在所述进气管路，所述排气管路设置有排气口自动阀和气体流量传感器，所述在线监测设备接收所述气体流量传感器的反馈信号，以控制所述排气口自动阀的阀门开度。上述方案，可以自动定量控制气体泄放速率，完成高压氢环境材料相容性测试后，排放高压氢气应注意泄放速率，防止氢气泄放速率过快产生较大热量，通过在排气管路上设计一气体流量传感器，气体流量传感器将流量信息传至在线监测设备，并通过信息反馈自动控制排气口自动阀的阀门开度，起到自动调控氢气排放速率的作用，有效降低氢气排空过程中的危险性。
根据本发明第一方面的实施例，所述进气管路安装有进气口压力表，所述排气管路安装有排气口压力表。
根据本发明第一方面的实施例，所述进气管路还安装有进气口三通阀，所述进气口三通阀连接有第一旁路，所述第一旁路另一端与所述排气管路连通，所述进气管路还安装有安全阀，所述安全阀连接有第二旁路，所述第二旁路另一端与所述排气管路连通。
根据本发明第一方面的实施例，所述抽真空模块还包括抽真空管路，所述真空泵和所述真空度计安装在所述抽真空管路上，所述抽真空管路一端连通所述进气管路的进气管口，另一端连通所述排气管路。
根据本发明第一方面的实施例，所述抽真空管路通过抽真空用三通阀与所述进气管路连接。
根据本发明第一方面的实施例，所述第一供气单元包括氢气气源和氢气管路，所述氢气管路一端连接所述氢气气源，另一端连通所述气体管路的进气端，所述氢气管路设置有均与所述在线监测设备电连接的氢气气源自动阀、阻火阀、氢气管路减压阀、氢气管路压力传感器以及氢气管路自动阀。
根据本发明第一方面的实施例，所述第二供气单元包括氩气气源和氩气管路，所述氩气管路一端连接所述氩气气源，另一端连通所述气体管路的进气端，所述氩气管路设置有均与所述在线监测设备电连接的氩气气源自动阀、氩气管路减压阀、氩气管路压力传感器以及氩气管路自动阀。
根据本发明第一方面的实施例，所述排气模块包括连通所述排气管路出气管口的排空管路，所述阻火器安装在所述排空管路上，所述阻火器前后两端分别安装阻火器前端自动阀和阻火器后端自动阀。
根据本发明第二方面的实施例，提供本质安全的高纯高压氢环境材料相容性测试方法，使用本发明第一方面实施例所述的本质安全的高纯高压氢环境材料相容性测试系统，包括以下步骤：
S1，通过抽真空模块对所述力学性能测试模块进行抽真空；
S2，待真空度计将至设定示数后，关闭抽真空模块；
S3，通过第二供气单元对力学性能测试模块充氩气，后通过排气模块排放氩气，再通过抽真空模块进行抽真空；
S4，通过第一供气单元对力学性能测试模块充氢气，后通过排气模块排出氢气，再通过抽真空模块进行抽真空；
S5，重复步骤S5，直至氢气纯度传感器检测到氢气浓度到达99.999％以上；
S6，待高压氢环境材料相容性测试后，通过排气模块排走气体。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
图1是本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
参照图1，出示了一种本质安全的高纯高压氢环境材料相容性测试系统，包括供气模块、抽真空模块30、力学性能测试模块40、排气模块50以及在线监测设备61。
其中，力学性能测试模块40包括气体管路以及安装在该气体管路的测试装置41，气体管路具有进气端和出气端，力学性能测试模块40设置有对气体管路进行氢气纯度检测的氢气纯度传感器42。测试装置41是用于高压氢环境材料相容性测试，气体管路连接测试装置41，为其提供氢气，使其保证高压环境箱内的测试气氛纯度达到要求。
具体的，供气模块设置在气体管路的进气端，供气模块包括用于提供氢气的第一供气单元10以及用于提供氩气的第二供气单元20，第二供气单元20连接气体管路的进气端，以用氩气为气体管路进行吹扫，第一供气单元10连接气体管路的进气端，以为气体管路提供氢。可以理解的是，第二供气单元20是采用惰性气体对气体管路进行吹洗，后再通过第一供气单元10向气体管路充入氢气，氢气纯度传感器42能够及时反馈气体管路中的氢气纯度。
除了第二供气单元20采用惰性气体对气体管路进行吹洗，还设置抽真空模块30，可以进一步提高气体管路中氢气纯度，抽真空模块30包括用于对气体管路进行抽真空的真空泵32以及对气体管路进行真空检测的真空度计31。
排气模块50设置在气体管路的出气端，排气模块50包括阻火器52以及与阻火器52并联设置的阻火器旁路自动阀54，阻火器旁路自动阀54用于将阻火器52残留的氢气排空。可以理解的是，阻火器52的开启需要一定的气体压力，会导致气体管路内残留部分氢气，存在安全隐患。本发明实施例，在阻火器51处设计一条排空旁路，并在排空旁路安装阻火器旁路自动阀54，将阻火器52处残留的氢气排空，消除气体管路内的危险源，使该测试系统达到本质安全。
在线监测设备61，在线监测设备61分别与力学性能测试模块40、供气模块、排气模块50以及抽真空模块30电连接，以根据氢气纯度传感器42的反馈信号，对气体管路进行抽真空、或吹扫、或提供氢气、或排气。通过对测试装置所在的气体管路进行氢气纯度检测，并将氢气纯度信息上传至在线监测设备，通过自主反馈控制气体管路的吹扫置换，实现氢气纯度的在线监测和自动吹扫置换，确保进入环境箱内的氢气纯度符合要求，同时此环节可在无人值守的情况下完成。
目前在完成高压氢环境材料相容性测试后，需要注意排放高压氢气的泄放速率，防止氢气泄放速率过快产生较大热量。本实施例中，气体管路包括与供气模块连通的进气管路73以及与排气模块50连通的排气管路74，氢气纯度传感器42安装在进气管路73，排气管路74设置有排气口自动阀48和气体流量传感器45，在线监测设备61接收气体流量传感器45的反馈信号，以控制排气口自动阀48的阀门开度。可以理解的是，通过在排气管路74上设计一气体流量传感器45，气体流量传感器45将流量信息传至在线监测设备61，并通过信息反馈自动控制排气口自动阀48的阀门开度，起到自动调控氢气排放速率的作用，有效降低氢气排空过程中的危险性。
供气模块中，第一供气单元10包括氢气气源11和氢气管路71，氢气管路71一端连接氢气气源11，另一端连通气体管路的进气端，氢气管路71设置有均与在线监测设备61电连接的氢气气源自动阀12、阻火阀13、氢气管路减压阀14、氢气管路压力传感器15以及氢气管路自动阀16。另外，第二供气单元20包括氩气气源21和氩气管路72，氩气管路72一端连接氩气气源21，另一端连通气体管路的进气端，氩气管路72设置有均与在线监测设备61电连接的氩气气源自动阀22、氩气管路减压阀24、氩气管路压力传感器25以及氩气管路自动阀26。
抽真空模块30中，抽真空模块30还包括抽真空管路75，真空泵32和真空度计31安装在抽真空管路75上，抽真空管路75一端连通进气管路73的进气管口，另一端连通排气管路74，进一步的，抽真空管路75通过抽真空用三通阀33与进气管路73连接。
力学性能测试模块40中，进气管路73安装有进气口压力表43，排气管路74安装有排气口压力表44。进一步的，进气管路73还安装有进气口三通阀46，进气口三通阀46连接有第一旁路76，第一旁路76另一端与排气管路74连通，进气管路73还安装有安全阀47，安全阀47连接有第二旁路77，第二旁路77另一端与排气管路74连通。
排气模块50中，排气模块50包括连通排气管路74出气管口的排空管路78，阻火器52安装在排空管路78上，阻火器52前后两端分别安装阻火器前端自动阀51和阻火器后端自动阀53。
本实施例中，还出示一种本质安全的高纯高压氢环境材料相容性测试方法，使用上述的本质安全的高纯高压氢环境材料相容性测试系统，包括以下步骤：
S1，通过抽真空模块30对力学性能测试模块40进行抽真空。
具体是，打开第一供气单元10中的阻火阀13、氢气管路减压阀14和氢气管路自动阀16，打开第二供气单元20中的氩气管路减压阀24和氩气管路自动阀26，打开抽真空三通阀33、打开力学性能测试模块40中的进气口三通阀46和安全阀47，启动抽真空模块30中的真空泵32，对整个系统进行首次抽真空，包括氢气管路71、氩气管路72、进气管路73、排气管路74、抽真空管路75、第一旁路76以及第二旁路77。
S2，待真空度计31将至设定示数后，关闭抽真空模块30。
具体是，关闭抽真空三通阀33、排气口自动阀48，关闭真空泵32。
S3，通过第二供气单元20对力学性能测试模块40充氩气，后通过排气模块50排放氩气，再通过抽真空模块30进行抽真空。
具体是，开启氩气气源自动阀22，调节氩气管路减压阀24，开启氩气管路自动阀26和排气口自动阀48，使得整个气体管路及测试装置41的环境箱内充满氩气，随后开启阻火器旁路自动阀54排放氩气。
然后，关闭排气口自动阀48和氩气气源自动阀22，开启真空泵32，对整个系统再次抽真空。
此步骤的目的是使用氩气对系统进行吹扫，并将系统内残留的空气置换排空。
S4，通过第一供气单元10对力学性能测试模块40充氢气，后通过排气模块50排出氢气，再通过抽真空模块30进行抽真空。
S4.1，关闭氩气气源自动阀22、氩气管路减压阀24、氩气管路自动阀26以及阻火器前端自动阀51，然后开启氢气气源自动阀12、阻火阀13、氢气管路减压阀14以及氢气管路自动阀16、进气口三通阀46、安全阀47以及排气口自动阀48，使氢气充满气体管路及测试装置41的环境箱，随后，关闭氢气气源自动阀12，开启阻火器前端自动阀51、阻火器后端自动阀53，待排气口压力表44示数降至阻火器52开启压力左右后，开启阻火器旁路自动阀54，排空气体管路内残余的氢气。
S4.2，关闭阻火器前端自动阀51、阻火器后端自动阀53以及排气口自动阀48，开启真空泵32，对整个气体管路及测试装置41的环境箱进行抽真空，此步骤是通过氢气对整个系统进行吹扫，并将系统内的氩气置换排空，配合抽真空模块30提高氢气纯度和吹扫效率。
S5，重复步骤S5，直至氢气纯度传感器42检测到氢气浓度到达99.999％以上；
关闭排气口自动阀48，开始向测试装置41的环境箱内充入氢气，同时氢气纯度传感器42检测氢气纯度：
若氢气纯度未达到99.999％，则开启排气口自动阀48、阻火器前端自动阀51以及阻火器后端自动阀53，将氢气排出；若氢气纯度达到99.999％，则关闭排气口自动阀48，待排气口压力表44的示数到达测试压力后，关闭安全阀47和氢气气源自动阀12，开启进气口三通阀46、阻火器前端自动阀51以及阻火器后端自动阀53，将除气体管路外的其余管路内的氢气排空，减少管路内高压气体的含量。
S6，待高压氢环境材料相容性测试后，通过排气模块50排走气体。
待高压氢环境材料相容性测试结束后，打开排气口自动阀48、阻火器前端自动阀51以及阻火器后端自动阀53，对测试装置41的环境箱进行泄压，当排气口压力表44的示数降至阻火器52的开启压力左右，关闭阻火器前端自动阀51，开启阻火器旁路自动阀54，排空气体管路内残余的氢气，消除安全隐患。
还包括步骤S7，开启氩气气源自动阀22，调节氩气管路减压阀24，开启氩气管路自动阀26、进气口三通阀46、安全阀47以及排气口自动阀48，使用氩气吹扫整个系统，将系统内的氢气置换排空，使得试验结束后系统内的氢含量和压力指数下降至安全水平。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
