氢能具有来源多种多样、洁净环保、可再生、转化效率高等优点,被誉为21世纪最具发展前景的二次能源。安全高效的储输氢和加氢是氢能规模化利用必须解决的关键问题。高压储输氢和加氢以其设备结构简单、充放速度快、压缩氢气制备能耗低等优点,目前已成为占绝对主导地位的氢能储输和加注方式。然而,材料在高压气态氢环境下长期工作会出现塑性降低、裂纹扩展速率加快的高压氢脆现象。压力越高,这一问题愈为突出。美国、日本等发达国家的氢能计划无一例外地将高压氢环境材料相容性检测及评价作为高压氢系统产品开发的首要环节。为满足国内高压氢系统生产和国际竞争的需要,打破国外技术垄断,解决我国不具备高压氢环境下直接进行材料氢脆性能检测的装备和技术的难题,保证高压氢系统长寿命、安全可靠地运行,亟待开展高压氢气环境材料相容性试验装置研究。在国家高技术研究发展计划(863计划)课题“高压储氢、输氢、加氢安全保障技术装备与应用示范”(课题编号：2012AA051504)和国家重点基础研究发展计划(973计划)课题“高压常温氢气环境下承载件损伤的演化机制”(课题编号：2015CB057601)等项目的支持下,本文开展了高压氢环境材料相容性试验装置的研究工作。主要研究内容和取得的创新成果如下：(1)研究了基于断裂力学的高压储氢容器设计疲劳寿命的分析模型及预测方法,用于确定高压氢环境箱的设计疲劳寿命。然后聚焦高压临氢设备常用材料,分析了容器在疲劳载荷作用下的疲劳裂纹扩展特性,并对临氢设备常用材料制作的储氢容器在不同压力和不同内径下的设计疲劳寿命进行探究。并提出基于“相对设计疲劳寿命”的分析方法来定量研究氢脆对高压氢环境箱设计疲劳寿命的损减效应,同时从标准规范影响筒体壁厚的角度来探究不同标准规范对容器设计疲劳寿命的影响。最后以高压储氢容器常用的高强度低合金钢为雏形,提出5种典型的模型材料,以此对高压氢环境箱设计疲劳寿命的影响因素展开深入讨论,进而揭示了高压氢环境箱疲劳寿命的影响规律。(2)开展了超高压氢环境组合密封结构的研究。以橡胶超弹性本构模型、吸氢膨胀效应的数值算法等核心问题的解决为着力点,突破了超高压橡胶O形圈组合密封有限元分析因高度非线性特性所致难以收敛的技术瓶颈,建立了基于吸氢膨胀效应的高压氢气组合密封结构有限元模型。并基于所建立的数值模型,探明氢气压力、初始压缩率、楔尖角、吸氢膨胀效应等因素对密封性能的影响规律,揭示其密封机理,为高压氢气密封的结构形式及结构参数的合理确定提供科学依据。(3)以满足标准要求和国际需求为立足点,确定了拟开发的高压氢环境材料相容性试验装置的试验功能和主要技术参数,并提出了该装置的总体方案,包括高压氢环境箱系统、置换及供气系统、加载系统和总控系统四大部分。进而详细探究了装置四大关键组成部分的工作原理和实现方法,并建立了高压氢环境材料相容性试验装置的安全防护方法。然后,瞄准装置研制中所面临的四大关键技术问题—轴向力自平衡方法、试样自对中方法、高压氢环境箱耐久性和高压氢气密封技术,并给出创新性的解决方案。上述研究成果成功应用于140 MPa高压氢环境材料力学性能测试装置的研制,并通过耐压试验、气密性试验和140 MPa高压氢脆试验对装置进行功能验证。