氢气环境材料力学性能测试仪研发概述

刘孝亮，王　冰，范志超，庄庆伟，范　辉

(1.合肥通用机械研究院，安徽 合肥 230031；2.国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，安徽 合肥 230031；3.长春机械科学研究院有限公司，吉林 长春 130103)

氢气环境材料力学性能测试仪研发概述

刘孝亮1,2，王冰1,2，范志超1,2，庄庆伟3，范辉3

(1.合肥通用机械研究院，安徽 合肥 230031；2.国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，安徽 合肥 230031；3.长春机械科学研究院有限公司，吉林 长春 130103)

摘要：氢损伤是金属由于气体作用而造成破坏的重要形式之一，相应的材料性能测试仪则是其不可或缺的研究工具。对用于氢气环境下材料机械性能测试的仪器设备现状进行了概述，以期为进一步的研究提供有益参考。首先，通过对主要测试仪公司的调研，概述了市场现有的相关测试仪产品情况；其次，通过学术文献调研，概述了氢气环境测试仪的研究情况。调研结果表明：测试仪公司没有用于氢气环境材料性能测量的测试仪产品；研究机构方面，氢气环境测试仪已有较多研究，但尚未有集高温、高压氢气环境以及复杂载荷加载能力于一体的测试仪器。这样的测试仪目前正是石化、电力等行业临氢设备安全性能测试、失效机理分析、材料性能数据库建立乃至新材料研发所急需的，因此亟需进行相应测试仪的研发。

关键词：测试仪；材料性能；氢气环境；氢脆；氢蚀

1引言

氢损伤是金属由于气体作用而造成破坏的重要形式之一[1]。Hirth与Johnson对氢损伤进行了详细地分类，即氢脆、氢蚀、氢鼓泡、发纹或白点、显微穿孔、流变性能退化形成金属氢化物等[2]。其中，氢脆与氢蚀是最常见的两种氢损伤形式[3]。国内外众多学者对氢损伤做了大量研究，但依旧有很多问题尚不明确，如氢蚀机理[4-5]，需要深入研究。

通常，氢损伤试验先将材料充氢(如室温气相充氢、高温高压热充氢、电解充氢等)，再在大气环境中进行普通材料的机械性能试验，最后进行相应的对比、分析，如氢脆试验[6]、氢蚀试验[7]。相对于直接在氢气环境中进行机械性能测试的氢气环境试验，该试验方法的试验装置大为简化，特别是相对于高温氢气环境材料性能测试所需的试验装置。

然而，实际使用中，氢气环境、应力、温度等对材料性能的影响通常同时发生，且伴有尚待研究的交互作用，因而上述的氢脆或氢蚀试验不能模拟实际环境中的多因素作用对材料的影响，仅能研究材料在氢损伤后，其机械性能的变化。此外，对于铁素体钢和其它一些氢易于逸出的材料，经充氢后如在空气中试验，因其中溶入的氢能在数分钟内大部分释放出来，则试验结果不能代表氢饱和时的性能损减，所以必须在氢气环境中试验[6]。

因此，需要研发氢气环境材料性能试验装置，即能在氢气甚至高温氢气环境下进行材料性能测试，则测试仪需要同时对试样产生力、氢气、高温三个方面的作用。这对其机构设计、制造、机电控制，以及人机安全保障、长时运行可靠性保证等都是一个挑战。本文从测试仪公司环境箱产品与氢气环境材料性能测试仪两个方面出发，对用于氢气环境下材料机械性能测试的仪器设备现状进行了概述，以期为进一步的研究提供有益参考。

2常见测试仪公司环境箱产品

目前，国内外测试仪公司均没有用于氢气环境材料性能测试的测试仪产品。尽管如此，测试仪公司的成熟高低温环境箱产品对氢气环境测试仪的高低温控制同样具有参考价值。

MTS公司的653系列高温加热炉可用于高温环境的多种测试，包括拉伸、压缩、弯曲和疲劳等，最高加热温度可达1400℃；651系列环境箱，可用于材料大范围高低温测试。采用两段电子加热，并通过电风扇加速热的扩散对流，保证了温度的均匀性，温度最高可达540℃。采用液氮降温，可在室温至-129℃之间进行温度控制。

Instron公司开发的SF-16分离式管状加热炉采用三区域电阻丝加热，每个加热区中心安装有壁挂式K型热电偶以用于温度控制，加热电阻丝悬浮布置，易于拆换，最高加热温度可达1200℃。3119迷你系列、3119-400系列与3119-600系列环境箱具有高低温控制能力，温度控制范围为-150℃～600℃。加热与冷却速率可精确控制，高级PID控制算法可使温度稳定线性变化。这对低耐热冲击试样或需要精确热过程的试样尤为重要。

MTS公司、Instron公司、Zwick公司等在其制造的试验机基础上，开发了多种环境箱。所谓的环境箱，主要是用于模拟高、低温环境的装置。MTS公司、Instron公司目前尚没有氢气环境材料性能测试产品，Zwick公司表示曾有过应用实例，但并未形成成熟产品，且未透露相应细节。

3氢气环境材料性能测试仪

目前国内鲜有氢气环境测试仪的研究，国外研究较多，从其对试样的适用性方面，可分为专用型与通用型两大类：专用型采用特殊试样进行测试；通用型则采用标准试样进行测试。

3.1专用型

专用型测试仪通过采用特殊的试样结构，与相应的测试容器配合，在测试过程中形成氢气环境。

美国洛克达因公司(Rocketdyne)采用了一种空心试样测试仪来研究高压氢对材料低周疲劳性能的影响，试样如图1所示[8]。在空心中通入高压氢气，形成氢气环境。该试样避免了使用形成高压氢气环境的压力容器，因而试样以及引伸计安装简单方便，省时省力。同时，易于给试样加热，温度高达1800℉(982℃)，且由于试样空心中的氢气量微小，因而经济性与安全性高。但由于结构限制，难以在孔表面进行复杂的加工，因而与氢气接触面的表面质量难以控制与预处理。

图1　空心试样

美国伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)[9]提出了一种用于高压氢气环境的拉伸测试装置，洛克达因公司[10]后又对其动密封设计进行了改进，如图2所示。该装置有一狭小压力容器，可将试样密封于其中。试样经特殊设计，两端可经过动密封伸出容器外。将装置安装于通用材料测试仪上，即形成氢气环境拉伸测试仪。该测试装置结构简单，用氢量微小。但由于密封处的摩擦力影响难以消除，因而不能精确测得试验所承受的拉伸载荷。另外，由于其结构的限制，试样工作部分的伸长量几乎无法直接测量。

图2　氢气环境容器与长杆试样

美国肯尼迪航空中心研发了内压拉伸测试装置，如图3所示[11-12]。试验时，缓慢增加氢气压力，直至试样断裂或加速伸出容器外。该装置的最大缺陷在于：在试样尺寸不变的情况下，气体压力与试样载荷不能单独变化，而氢气压力又是氢脆的影响因素之一，所以难以区分气体压力与试样载荷对试验结果的作用，且该装置仅能用于拉伸性能测试。

图3　高压氢气环境内压拉伸测试装置

专用型测试仪结构简单，通常用氢量小，经济性与安全性高。但是，所采用的特殊试样缺乏可供参考的工业测试标准，其测试结果难以同标准试样测试结果对比，因而具有较大的局限性。

3.2通用型

通用型采用标准试样，并将其置于充有高压氢气的密闭试验容器中。根据其是否具有加热或冷却装置，将其进一步分为常温型与高低温型。

3.2.1常温型

常温型测试仪没有加热或冷却装置，仅在密闭试验容器中充入氢气，形成常温氢气环境。

日本国家高级工业科技研究所的Fukuyama与Imade等[13-14]以气体压力作为动力，开发了一套可用于100MPa氢气和氩气室温环境的拉伸性能测试仪，如图4所示。该设备通过控制活塞上下气压差产生的力进行加载。由于气压既是氢气环境对材料性能影响的参数之一，又是加载源，因而具有氢压与载荷不能分开控制的局限性。为了达到较大的加载力，则必须相应增加气体的压力，而过高气体压力对气压元件及其控制和密封来说都是一个挑战。为此，Fukuyama与Imade等又开发了一种外部加载的材料性能测试仪，如图5所示[15]。该测试仪通过电机减速系统实现加载，可用于高达230MPa的氢气环境材料性能测试。值得一提的是，Fukuyama与Imade等通过特殊的试样夹持方式及相应的测量方法，将静、动摩擦力从所测得载荷中分离出来，最终得到试样所承受的实际载荷。但也正因为该特殊夹持结构，测试仪仅能用于拉伸性能测试。

图4　压差内加载拉伸测试仪

上述测试仪均采用外部载荷传感器。由于存在试验容器密封处的摩擦力和氢气压力产生的附加载荷，虽然学者们采用了一些措施来消除其影响，如Fukuyama与Imade等的平衡腔设计与特殊夹持结构设计[16]，日本机械工程公司Yasuo和Yasuhide的平衡杆设计[17]，但依旧不能直接测得试样实际承受的载荷。

图5　外加载材料性能测试仪

因此，美国国家标准技术研究所(NIST)材料可靠性研究部的Slifka、Drexler等[18]在研究管道钢材疲劳性能时开发了一种测试仪。采用抗高压氢气干扰的内部载荷传感器测量载荷，其原理如图6所示。该内部传感器在空气中以外部载荷传感器标定，试验中的测量与控制也均基于该内部载荷传感器。然而，限于技术的保密性，目前此类传感器价格非常昂贵，且在市场上很难购买。

图6　内载荷传感器测试仪原理图

为了保证充入氢气的纯度，德国斯图加特大学的Deimel和Hanisch[19]还开发了一种配有氢气纯度检测的拉伸测试仪，结构原理如图7所示。通过反复充放气和O2与H2O检测分析装置来保证试验时的高氢气纯度，具有一定的参考价值。

图7　氢气环境恒速拉伸测试仪结构原理图

常温型材料性能测试仪因为没有加热或冷却装置，所以结构相对简单，对于氢气这种易燃易爆气体更为安全。但是，常温型材料性能测试仪只能用于常温测试，无法满足高低温测试要求。而现实中，目前对高低温测试的需求越来越多。

3.2.2高低温型

高低温型测试仪配有加热或冷却装置，根据其安装方式，可分为内置型和外置型。

内置型测试仪将加热或冷却(通常为加热)装置置于试验容器内，传热效率高，但也因此增加了试验容器的尺寸，进而增加了氢气的使用量，降低了经济性与安全性。

Yokogawa与Fukuyama等[16]开发了一台用于高压高温氢气环境的拉伸测试仪，如图8所示。采用8kW内置电阻炉加热，温度高达773K(500℃)。试验压力容器外壳以循环水冷散热，同时阻止对O型密封圈的热损伤。由于加热炉内置，其陶瓷炉壁等的脱气将污染氢气，导致氢气纯度难以保证。值得一提的是，该测试仪首次提出平衡腔设计，消除了氢压对载荷测量的影响。

图8　Yokogawa等研发的拉伸测试仪

Rocketdyne公司[20]开发的拉伸测试装置将试样腔与加热炉腔隔开，彼此独立，如图9所示。在两个腔体中充入同样压力的同种气体，使得穿过各腔体间的气体泄漏量最小化，从而保证了试样腔中氢气的纯度，加热温度高达2000℉(1093℃)，因此致使试验容器体积更加巨大。

图9　Rocketdyne高温高压氢气环境拉伸测试仪

外置型测试仪将加热或冷却装置置于试验容器外部，减小了容器体积，进而降低了氢气的使用量，增加了经济性与安全性，也保证了氢气的纯度。但是需将热量通过容器壁，致使效率降低，也易使容器壁过热或过冷，对容器的材料是一个挑战。

Yokogawa与Fukuyama等[21]开发的一种蠕变测试仪，如图10所示，采用外置加热方式，温度高达873K(600℃)。日本钢铁有限公司(Japan Steel Works Ltd.)研发的氢气环境疲劳性能测试的试验仪器，如图11所示[22-23]，通过压力容器外的热交换器进行加热与冷却，高温可达85℃，低温可达-40℃。Yasuo和Yasuhide[17]研发的100MPa级氢气环境材料性能测试仪，如图12所示，环境温度范围为-45℃～90℃。值得一提的是，该测试提出了一种平衡杆设计来消除氢压对载荷测量的影响。高低温型测试仪增加了加热或冷却装置，致使结构更加复杂，但应用更为广泛。

各氢气环境材料性能测试仪的功能等情况如表1所示。可见，现有氢气环境材料性能测试仪或者用于室温氢气环境，或者加热能力明显不足，如高温仅达100℃以内，或者测试功能有限，如只能进行拉伸性能测试。

图10　Yokogawa等研发的蠕变测试仪

图11　氢气环境疲劳性能测试仪

图12　100MPa级高压氢气环境材料性能测试仪

类型名称功能是否可加热特点专用型空心试样测试仪(图1)疲劳测试是(982℃)长杆试样测试仪(图2)拉伸测试否内压测试仪(图3)拉伸测试否结构简单,通常用氢量小,经济性与安全性高,但特殊试样缺乏可供参考的工业测试标准,局限性大。通用型常温型高温型高低温型压差内加载测试仪(图4)拉伸测试否外加载测试仪(图5)拉伸测试否内载荷传感器测试仪(图6)疲劳测试否恒速测试仪(图7)拉伸测试否Yokogawa拉伸测试仪(图8)拉伸测试是(最高500℃)Roketdyne测试仪(图9)拉伸测试是(最高1093℃)Yokogawa蠕变测试仪(图10)蠕变测试是(最高600℃)氢气环境疲劳测试仪(图11)疲劳测试是(85℃/-40℃)100MPa级测试仪(图12)疲劳、拉伸测试是(90℃/-45℃)结构相对简单安全,但只能用于常温测试,无法满足高低温要求的测试。具有加热或冷却装置,致使结构更加复杂,但应用更为广泛。

4结论

国内外测试仪公司均没有用于高温高压氢气环境材料性能测试的产品。国内鲜有氢气环境测试仪研究，国外虽然已有较多研究，但其加热能力、加载能力依旧有待改进。目前还没有同时具有高温加热能力与复杂交变载荷加载能力的氢气环境材料性能测试仪。而相关石化、电力等行业的临氢设备在实际使用中，其性能正是受到氢气环境、高温、复杂交变载荷等作用及其交互作用的影响。为了研究此种使用情况下的材料性能、损伤参数、机理，以至提高材料安全性及开发新材料等，亟需进行相应测试仪的研发。

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Summary on Material Testing Apparatus in Hydrogen Environment

Liu Xiaoliang1,2,Wang Bing1,2,Fan Zhichao1,2,Zhuang Qingwei3,Fan Hui3

(1.Hefei General Machinery Research Institute,Hefei 230031,Anhui,China; 2.National Safety Engineering Technology Research Center for Pressure Vessels and Pipeline,Hefei 230031,Anhui,China; 3.Changchun Research Institute for Mechanical Science Co.,Ltd.Changchun 130103,Jilin,China)

Abstract：The degradation of material properties by hydrogen is the most common type of damages induced by gas,and the corresponding material testing apparatus is the indispensable tool for researching the degradation.A research status of material testing apparatus in hydrogen environment is investigated for reference purpose to further research.The existing market apparatus produced by main testing machine companies,and the researches about the apparatus by institutes,such as colleges and universities and so on,are investigated separately.The review indicates that the environment chambers of existing market apparatus were mainly designed for providing high or low temperature testing environment but hydrogen environment,and a lot of useful researches for material test in hydrogen were developed by institutes.However,a material testing apparatus which can be used in high temperature and pressure hydrogen for alternating load test,such as fatigue test,is still not existed at present.It is such apparatus that needed for safety test,failure analysis,material properties database establishment and new material development in petrochemical and electrical power industry urgently,which is need to be researched and developed urgently too.

Keywords:testing apparatus;material property;hydrogen environment;hydrogen embrittlement;hydrogen corrosion

[收稿日期]2016-03-01

[作者简介]刘孝亮，博士，主要从事金属材料极端环境力学性能测试设备开发研究工作。

[基金项目]国家重大科学仪器设备开发专项(2012YQ220233)。

中图分类号：TH87

文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.001