1 前言

為了實(shí)現(xiàn)碳中和，氫有望在運(yùn)輸、發(fā)電以及制造業(yè)等各領(lǐng)域發(fā)揮作用，與氫相關(guān)的技術(shù)開發(fā)也日趨活躍。在氫利用設(shè)備的部件中，大多使用以鋼鐵材料為主的金屬材料，例如加氫站的蓄壓器、閥門、管路等，金屬材料會(huì)暴露在超過80MPa的高壓氫氣下。金屬材料暴露在氫氣下時(shí)，氫氣會(huì)侵入材料中，導(dǎo)致材料的強(qiáng)度和延展性等力學(xué)性能降低，有時(shí)會(huì)產(chǎn)生通常說的氫脆。因此，在將金屬材料應(yīng)用于氫氣環(huán)境部件時(shí)，評(píng)估與使用環(huán)境相同的氫氣氣氛下的力學(xué)性能極為重要。本文介紹了日本大同特殊鋼有限公司（以下簡(jiǎn)稱：大同特鋼）擁有的高壓氫氣氛圍材料試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)。

2 裝置規(guī)格及特征

在大同特鋼擁有的高壓氫氣氛圍材料試驗(yàn)機(jī)中，有外壓式高壓氫氣氛圍材料試驗(yàn)機(jī)、內(nèi)壓式高壓氫氣氛圍材料試驗(yàn)機(jī)和高壓氫暴露試驗(yàn)裝置三種，表1是其規(guī)格。

外壓式材料試驗(yàn)機(jī)，在最高140MPa的高壓氫氣氣氛的壓力容器內(nèi)，可進(jìn)行低應(yīng)變速率拉伸（SSRT：Slow Strain Rate Tensile）試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)、疲勞裂紋擴(kuò)展試驗(yàn)和破壞韌性試驗(yàn)。拉伸和壓縮的載荷由油壓控制，通過貫穿容器的拉桿將載荷傳遞到壓力容器內(nèi)的試樣。壓力容器和拉桿之間的滑動(dòng)部分用樹脂制的密封件密封，保持高壓氫氣氛圍。載荷測(cè)量中，為了不受滑動(dòng)部位阻力的影響，使用壓力容器內(nèi)的測(cè)力傳感器，在測(cè)力傳感器上裝有不易受氫影響的應(yīng)變儀。

內(nèi)壓式材料試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示，在圓棒軸中心部位進(jìn)行細(xì)孔加工，采用中空形狀的試樣。將高壓氫氣封入中空孔中，使試樣內(nèi)部處于高壓氫氣氛圍中，就可以進(jìn)行SSRT和疲勞試驗(yàn)。根據(jù)試樣的形狀也被稱為中空式試驗(yàn)。與外壓式材料試驗(yàn)相比，由于不需要大型高壓容器，因此設(shè)備的引進(jìn)和維持成本低，使用氣體少量，并可在短時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)試驗(yàn)氣體壓力和溫度等。此外，外壓式材料試驗(yàn)機(jī)為了不損壞壓力容器和拉桿間滑動(dòng)部位的樹脂制密封件，對(duì)橫頭位移速度有限制，在疲勞試驗(yàn)中，最大頻率被限制在1Hz左右。一般要求的107次反復(fù)試驗(yàn)需要約116天，而內(nèi)壓式由于沒有滑動(dòng)部位的制約，最大可以用20Hz左右的速度進(jìn)行試驗(yàn)，能夠大幅度縮短試驗(yàn)時(shí)間。

在高壓氫氣暴露試驗(yàn)裝置中，通過將試樣設(shè)置在最高130MPa的高壓氫氣氛圍的壓力容器內(nèi)，可進(jìn)行氫氣載荷和定位移法破壞韌性試驗(yàn)等。

3 評(píng)價(jià)事例

作為氫脆特性評(píng)價(jià)的一例，使用外壓式試驗(yàn)機(jī)，對(duì)奧氏體系不銹鋼SUS304進(jìn)行了SSRT試驗(yàn)，結(jié)果示于圖2。試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，初始應(yīng)變速度為7×10-5/s。從應(yīng)力-位移曲線可以看出，與大氣中相比，氫氣中SUS304的延展性降低，由于氫使其脆化。

4 結(jié)語

通過運(yùn)用本文介紹的高壓氫氣氛圍材料試驗(yàn)機(jī)，可進(jìn)行提高耐氫材料特性和降低成本的材料開發(fā)。