一种模拟乏燃料后处理沸腾硝酸腐蚀磨损的实验装置的制作方法

1.本实用新型涉及硝酸腐蚀磨损装置领域，具体地说是一种模拟乏燃料后处理沸腾硝酸腐蚀磨损的实验装置。


背景技术：

2.乏燃料后处理过程中，部分后处理关键设备是在硝酸腐蚀和力学磨损的共同作用下运行，因此存在硝酸腐蚀磨损的情况。虽然，国内外学者对一些现役材料在沸腾或亚沸腾硝酸介质中的腐蚀行为开展了大量研究，但少有学者对材料的硝酸腐蚀磨损行为开展过相关研究。同时，目前文献报道的硝酸腐蚀研究往往借助传统的失重法和形貌观察法等非原位方法，这导致许多重要的过程转变信息缺失，因而无法深入理解材料的硝酸腐蚀机制，更难以明确该条件下材料的设计原则。而搭建一套腐蚀磨损评价装置，并借助电化学原位测试方法实时监测材料的腐蚀磨损行为变化，可更加方便地获取各种材料在硝酸中进行腐蚀磨损的力学作用分量、化学(腐蚀)作用分量以及力学与化学(腐蚀)耦合作用分量的基础数据。通过将电化学测试与失重、形貌和腐蚀产物膜成分结合可更加系统地揭示材料在硝酸介质中的腐蚀磨损行为，澄清材料的力学与化学(腐蚀)交互作用机制。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是提供一种模拟乏燃料后处理沸腾硝酸腐蚀磨损的实验装置，解决当前无法模拟材料在后处理工况下的硝酸腐蚀磨损问题，同时解决传统硝酸腐蚀实验中无法进行原位电化学测试的问题，实现对相关材料硝酸腐蚀磨损性能的系统评价。
4.本实用新型的技术方案是：
5.一种模拟乏燃料后处理沸腾硝酸腐蚀磨损的实验装置，该装置具有腐蚀磨损测试系统、支撑系统、传动系统、电化学测试系统、液面控制系统、冷凝及尾气处理系统及电控系统，具体结构如下：
6.腐蚀磨损测试系统的釜体和传动系统由不锈钢材料制成的支撑系统支撑，支撑系统设有底部支架、釜体底部框架、底座，底部支架通过螺栓iv安装于底座上，釜体底部框架通过可调节高度活动螺栓安装于底部支架上，通过调节釜体底部框架的高度，使一端伸至釜体内的夹具杆与传动系统的摩擦承力机械臂保持在同一水平高度，传动系统的电机通过螺栓iii安装于底部支架上，釜体置于釜体底部框架上，釜体的侧面下部通过连接件与釜体底部框架上的螺栓ii固定连接；
7.釜体内的工作台上的样品作为工作电极与外部的电化学工作站相连接，电化学测试系统采用三电极体系进行电化学测量，釜体内的夹具杆与传动系统的摩擦承力机械臂通过螺栓i连接，摩擦承力机械臂运动时，固定在支撑部位上的感应计数器记录下运动次数并传递给电控系统，釜体内底部设置热电偶，温度传感器设置于釜体内的硝酸中，热电偶通过导线穿过釜体与电控系统相连，温度传感器通过导线穿过玻璃盖板与电控系统相连；冷凝及尾气处理系统中的冷凝管一端通过玻璃盖板伸入釜体，另一端连接尾气处理装置；液面
控制系统通过软管穿过釜体的侧壁伸入到釜体内，并通过升降机构对釜体内的硝酸液面进行高度调节；传动系统通过电机带动样品上方的玻璃压头在样品表面摩擦，实现腐蚀磨损测试，电化学测试系统实现对硝酸腐蚀磨损测试电化学数据的测量，液面控制系统通过控制硝酸液面实现对不同干湿环境下的腐蚀磨损测试，冷凝及尾气处理系统实现对硝酸蒸汽的循环以及对废气的回收。
8.所述的模拟乏燃料后处理沸腾硝酸腐蚀磨损的实验装置，腐蚀磨损测试系统设有釜体、工作台、夹具杆、压头及配重部分、热电偶，工作台位于釜体内底部的中央，工作台上放置用于腐蚀磨损测试的样品，玻璃压头固定在压头及配重部分底部，压头及配重部分通过夹具杆固定在工作台上方，热电偶排布在釜体内底部。
9.所述的模拟乏燃料后处理沸腾硝酸腐蚀磨损的实验装置，腐蚀磨损测试系统的釜体顶部设有玻璃盖板，其内底部安装有热电偶及工作台，釜体侧面下部开孔与液面控制系统通过软管相连，釜体顶部玻璃盖板上开设四个小孔及一个大孔，其中：电化学测试用的辅助电极、样品及控制温度用的温度传感器置于釜体内的硝酸中，辅助电极、样品的引出导线通过小孔伸出釜体与电化学工作站相连，温度传感器的引出导线通过小孔伸出釜体与电控系统相连，盐桥通过小孔伸入釜体内部，四个小孔处分别设有密封垫；冷凝管穿过大孔伸至釜体内腔，冷凝管的下端位于釜体内硝酸液面的上方，玻璃盖板通过安装在釜体外的角铁固定于釜体。
10.所述的模拟乏燃料后处理沸腾硝酸腐蚀磨损的实验装置，腐蚀磨损测试系统中，工作台位于釜体内底部中央，工作台由自上而下设置的薄垫片、垫片i、垫片ii通过铆钉、螺丝固定而成，工作台顶部为薄垫片，薄垫片中心窗口处放置腐蚀磨损的样品；热电偶排布在釜体底部，通过聚四氟乙烯套管保护，热电偶以环形排布在釜体底部工作台周围，样品设置于工作台上，热电偶和温度传感器通过导线与电控系统相连。
11.所述的模拟乏燃料后处理沸腾硝酸腐蚀磨损的实验装置，压头及配重部分包括玻璃压头、配重腔体、配重块，玻璃压头通过玻璃压头固定套安装在配重腔体底部中心盲孔处，玻璃压头安装于玻璃压头固定套中心孔处，玻璃压头的下端与样品相对应，配重腔体内部放置不同质量的配重块，配重腔体顶部通过螺帽密封，实验时配重腔体被固定在配重腔体夹具上，配重腔体夹具的侧面沿水平方向开设螺纹孔，夹具杆的一端通过连接杆与所述螺纹孔连接。
12.所述的模拟乏燃料后处理沸腾硝酸腐蚀磨损的实验装置，传动系统设有摩擦承力机械臂、电机、偏心曲轴连杆、摩擦行程感应计数器，摩擦承力机械臂采用不锈钢材料制成螺杆结构，摩擦承力机械臂水平设置，其一端通过螺栓i与夹具杆连接，其另一端通过滑块与偏心曲轴连杆一端通过螺钉连接，偏心曲轴连杆另一端通过螺钉与电机输出端安装的旋转转盘连接，滑块设置于滑轨上且与滑轨呈滑动配合，通过电机带动偏心曲轴连杆控制摩擦承力机械臂的往复运动，电机通过导线与电控系统相连接，摩擦承力机械臂与夹具杆连接处的下方放有一个感应计数器，并通过导线与电控系统相连。
13.所述的模拟乏燃料后处理沸腾硝酸腐蚀磨损的实验装置，电化学测试系统由三电极系统构成，工作电极、辅助电极、参比电极分别外接电化学工作站，工作电极是通过导线与样品相连组成的，辅助电极是用聚四氟乙烯密封的电极，参比电极放在装有饱和氯化钾水溶液的烧杯中，通过盐桥将釜体中的硝酸与所述烧杯中的饱和氯化钾水溶液相连；
14.盐桥由玻璃盐桥主体、塞子、多孔纳米陶瓷组成，玻璃盐桥主体为倒置的u型管状结构，其两端与溶液接触的部位安装多孔纳米陶瓷，玻璃盐桥主体中部有一个向上的开口部位，所述开口部位通过塞子进行封闭。
15.所述的模拟乏燃料后处理沸腾硝酸腐蚀磨损的实验装置，液面控制系统包括软管、升降机构及罐体，罐体通过软管与腐蚀磨损测试系统的釜体相连通，软管上下活动，罐体设置于升降机构上，通过升降机构调节实验过程中釜体内部硝酸液面的高度，釜体液面高于样品则发生湿磨，釜体液面低于样品则发生干磨。
16.所述的模拟乏燃料后处理沸腾硝酸腐蚀磨损的实验装置，冷凝及尾气处理系统设有冷凝管、循环水箱、尾气处理装置，竖向冷凝管一端向下通过釜体的玻璃盖板上的小孔，与釜体内腔相连，冷凝管另一端弯折向下连接橡胶管通入到尾气处理装置中，循环水箱通过循环管路包覆冷凝管的中部。
17.所述的模拟乏燃料后处理沸腾硝酸腐蚀磨损的实验装置，电控系统设有温度控制部分、移速控制部分、摩擦次数记录部分，其中：温度控制部分与热电偶及温度传感器相连，通过实时监控硝酸溶液的温度精确控制溶液的温度；移速控制部分与电机相连，通过控制电机的不同转速来调节摩擦承力机械臂的移速；摩擦次数记录部分与感应计数器相连，直接读出摩擦的次数。
18.本实用新型的设计思想是：
19.本实用新型基于现实存在的工程问题：乏燃料后处理过程中，部分关键设备是在硝酸腐蚀和力学磨损的共同作用下使用，存在硝酸腐蚀磨损的情况，但因缺少相应的腐蚀磨损装置进行模拟，无法对其开展有效研究。因此，研发一套模拟乏燃料后处理沸腾硝酸腐蚀磨损的实验装置，可以探究相关材料的腐蚀与磨损交互作用机制，明确不同服役工况下材料的耐蚀与耐磨选用原则，积累相关的耐蚀耐磨基础数据。
20.在沸腾硝酸中可以长期使用的材料有限，从长期使用及安全性角度出发，选用聚四氟乙烯作为腐蚀磨损装置的釜体，选用不锈钢材料作为摩擦承力机械臂。在硝酸中使用的导线，热电偶等零件需通过聚四氟乙烯套管保护。同时为了节能环保需要，设备设计及搭建时要尽可能小型化，釜体容积不超过10l，并设计冷凝及尾气处理装置对产生的硝酸蒸汽进行循环和废气处理。
21.为了实现原位电化学测量，设计装置时要考虑电化学测试时三电极的安放，同时参比电极不能在高温下使用，因此采用盐桥与硝酸溶液进行连接。
22.为了实现样品干磨、湿磨及干湿交替下的腐蚀磨损测试，采用液面控制系统对聚四氟乙烯釜体内的硝酸液面高度进行调节。
23.本实用新型具有如下优点及有益效果：
24.1.本实用新型实现了在乏燃料后处理工况下，对不同种类、不同尺寸的材料进行硝酸腐蚀磨损的模拟。
25.2.本实用新型采用了模块化设计，装置的每一部分均可以方便地拆卸、组合以及进行再改造。
26.3.本实用新型的腐蚀磨损测试系统的釜体，通过聚四氟乙烯软管与液面控制系统相连，可以实现样品干磨、湿磨及干湿交替下的腐蚀磨损测试。
27.4.本实用新型可以通过控制摩擦承力机械臂的移动速度来控制样品表面玻璃压
头的磨损速度，实现在不同磨速下的腐蚀磨损测试。
28.5.本实用新型可以通过控制热电偶对硝酸溶液进行加热，通过温度传感器进行反馈，实现在不同温度下的腐蚀磨损测试
29.6.本实用新型主体采用聚四氟乙烯和不锈钢材料，在保证安全的前提下，控制了成本，具有经济效益。
30.7.本实用新型采用了冷凝及尾气处理装置，实现了硝酸蒸汽的冷凝循环和硝酸废气的无害化处理，节能环保。
附图说明
31.图1为本实用新型主体结构示意图。
32.图2为本实用新型工作台示意图。
33.图3为本实用新型热电偶排布示意图。
34.图4为本实用新型压头及配重部分及夹具结构示意图。
35.图5为本实用新型盐桥示意图。
36.图中：1.循环水箱；2.电化学工作站；3.冷凝管；4.尾气处理装置；5.盐桥；6.密封垫；7.盖板；8.参比电极；9.辅助电极；10.压头及配重部分；11.夹具杆；12.温度传感器；13.工作台；14.样品；15.热电偶；16.软管；17.升降机构；18.罐体；19.角铁；20.釜体；21.密封垫；22.螺栓i；23.螺栓ii；24.感应计数器；25.摩擦承力机械臂；26.滑块；27.偏心曲轴连杆；28.螺钉；29.旋转转盘；30.电控系统；31.滑轨；32.电机；33.底部支架；34.釜体底部框架；35.可调节高度活动螺栓；36.螺栓iii；37.螺栓iv；38.配重块；39.连接杆；40.压头固定套；41.压头；42.配重腔体；43.配重腔体夹具；44.螺帽；45.盐桥主体；46.塞子；47.多孔纳米陶瓷；48.薄垫片；49.垫片i；50.垫片ii；51.底座。
具体实施方式
37.如图1所示，本实用新型模拟乏燃料后处理沸腾硝酸腐蚀磨损实验装置，具有腐蚀磨损测试系统、支撑系统、传动系统、电化学测试系统、液面控制系统、冷凝及尾气处理系统及电控系统30，该实验装置主要包括：循环水箱1、电化学工作站2、冷凝管3、尾气处理装置4、盐桥5、密封垫6、玻璃盖板7、参比电极8、辅助电极9、压头及配重部分10、聚四氟乙烯夹具杆11、温度传感器12、工作台13、样品14、热电偶15、聚四氟乙烯软管16、升降机构17、聚四氟乙烯罐体18、角铁19、聚四氟乙烯釜体20、聚四氟乙烯密封垫21、螺栓i22、螺栓ii23、感应计数器24、摩擦承力机械臂25、滑块26、偏心曲轴连杆27、螺钉28、旋转转盘29、电控系统30、滑轨31、电机32、底部支架33、釜体底部框架34、可调节高度活动螺栓35、螺栓iii36、螺栓iv37、配重块38、连接杆39、玻璃压头固定套40、玻璃压头41、配重腔体42、配重腔体夹具43、聚四氟乙烯螺帽44、玻璃盐桥主体45、聚四氟乙烯塞子46、多孔纳米陶瓷47、聚四氟乙烯薄垫片48、聚四氟乙烯垫片i49、聚四氟乙烯垫片ii50、底座51，具体结构如下：
38.腐蚀磨损测试系统的聚四氟乙烯釜体20和传动系统由不锈钢材料制成的支撑系统支撑，支撑系统设有底部支架33、釜体底部框架34、底座51，底部支架33通过螺栓iv37安装于底座51上，釜体底部框架34通过可调节高度活动螺栓35安装于底部支架33上，通过调节釜体底部框架34的高度，使一端伸至聚四氟乙烯釜体20内的聚四氟乙烯夹具杆11与传动
系统的摩擦承力机械臂25保持在同一水平高度，方便用配套的螺栓i 22、密封垫21将夹具杆11与摩擦承力机械臂25连接。传动系统的电机32通过螺栓iii36安装于底部支架33上，聚四氟乙烯釜体20置于釜体底部框架34上，聚四氟乙烯釜体20的侧面下部通过连接件与釜体底部框架34上的螺栓ii23固定连接。
39.聚四氟乙烯釜体20内的工作台13上的样品14作为工作电极与外部的电化学工作站2相连接，并采用三电极体系进行电化学测量，聚四氟乙烯釜体20内的聚四氟乙烯夹具杆11与传动系统的摩擦承力机械臂25通过螺栓i 22连接，摩擦承力机械臂25运动时，固定在支撑部位上的感应计数器24记录下运动次数并传递给电控系统30，釜体20内底部是用聚四氟乙烯保护的热电偶15，温度传感器12设置于釜体20内的硝酸中，热电偶15用聚四氟乙烯保护的导线穿过釜体20与电控系统30相连，温度传感器12用聚四氟乙烯保护的导线穿过玻璃盖板7与电控系统30相连，可以进行温度控制；冷凝及尾气处理系统中的冷凝管3一端通过玻璃盖板7一处小孔伸入釜体20，另一端连接尾气处理装置4；液面控制系统通过聚四氟乙烯软管16穿过聚四氟乙烯釜体20的侧壁伸入到釜体20内，并利用升降机构17对釜体20内的硝酸液面进行高度调节。腐蚀磨损测试系统模拟后处理工况条件下的沸腾硝酸环境，传动系统通过电机32带动样品14上方的玻璃压头41在样品14表面摩擦，实现腐蚀磨损测试，电化学测试系统实现对硝酸腐蚀磨损测试电化学数据的测量，液面控制系统通过控制硝酸液面实现对不同干湿环境下的腐蚀磨损测试，冷凝及尾气处理系统实现对硝酸蒸汽的循环以及对废气的回收。
40.腐蚀磨损测试系统设有聚四氟乙烯釜体20、聚四氟乙烯工作台13、聚四氟乙烯夹具杆11、压头及配重部分10、用聚四氟乙烯保护的热电偶15，聚四氟乙烯工作台13位于聚四氟乙烯釜体20内底部的中央，工作台13上放置用于腐蚀磨损测试的样品14，玻璃压头41固定在用聚四氟乙烯保护的压头及配重部分10底部，压头及配重部分10通过聚四氟乙烯夹具杆11固定在工作台13上方，被保护的热电偶15排布在釜体20内底部。
41.腐蚀磨损测试系统的聚四氟乙烯釜体20顶部设有玻璃盖板7，其内底部安装有热电偶15及工作台13，聚四氟乙烯釜体20侧面下部开孔与液面控制系统通过聚四氟乙烯软管16相连，聚四氟乙烯釜体20可以容纳1～5l的硝酸，顶部玻璃盖板7上开了四个小孔及一个大孔，其中：电化学测试用的辅助电极9、样品14及控制温度用的温度传感器12置于釜体20内的硝酸中，辅助电极9、样品14的引出导线通过小孔伸出釜体与电化学工作站2相连，温度传感器12的引出导线通过小孔伸出釜体与电控系统30相连，盐桥5通过小孔伸入釜体内部，四个小孔处分别设有密封垫6；冷凝管3穿过大孔伸至釜体20内腔，冷凝管3的下端位于釜体20内硝酸液面的上方，整个玻璃盖板7用安装在聚四氟乙烯釜体20外的角铁19固定于釜体20。
42.如图2所示，腐蚀磨损测试系统中，聚四氟乙烯工作台13位于聚四氟乙烯釜体20内底部中央，工作台13由自上而下设置的聚四氟乙烯薄垫片48、聚四氟乙烯垫片i49、聚四氟乙烯垫片ii50用聚四氟乙烯铆钉、螺丝固定而成，工作台13顶部为聚四氟乙烯薄垫片48，聚四氟乙烯薄垫片48中心窗口处可放置腐蚀磨损的样品14，可实现不同形状、不同尺寸样品的腐蚀磨损测试。
43.如图3所示，腐蚀磨损测试系统中，热电偶15排布在聚四氟乙烯釜体20底部，用聚四氟乙烯套管保护，热电偶15以环形排布在釜体20底部工作台13周围，样品14设置于工作
台13上，被聚四氟乙烯保护的热电偶15和温度传感器12通过用聚四氟乙烯套管保护的导线与电控系统30相连，可实现对硝酸溶液在20～200摄氏度内的精确温度控制。
44.如图4所示，压头及配重部分10包括玻璃压头41、聚四氟乙烯制成可密封的配重腔体42、配重块38，玻璃压头41通过玻璃压头固定套40安装在配重腔体42底部中心盲孔处，玻璃压头41安装于玻璃压头固定套40中心孔处，玻璃压头41的下端与样品14相对应，在实验中对样品表面进行磨损，配重腔体42内部可放置不同质量的配重块38，可实现在10g～5000g的配重，整个配重腔体42顶部通过聚四氟乙烯螺帽44密封，实验时配重腔体42被固定在聚四氟乙烯制成的配重腔体夹具43上，配重腔体夹具43的侧面沿水平方向开设螺纹孔，聚四氟乙烯夹具杆11的一端通过连接杆39与所述螺纹孔连接。
45.传动系统设有摩擦承力机械臂25、电机32、偏心曲轴连杆27、摩擦行程感应计数器24，摩擦承力机械臂25采用不锈钢材料制成螺杆结构，摩擦承力机械臂25水平设置，其一端通过螺栓i22与夹具杆11连接，其另一端通过滑块26与偏心曲轴连杆27一端通过螺钉连接，偏心曲轴连杆27另一端通过螺钉28与电机32输出端安装的旋转转盘29连接，滑块26设置于滑轨31上且与滑轨31呈滑动配合，通过电机32带动偏心曲轴连杆27控制摩擦承力机械臂25的往复运动，电机32通过导线与电控系统30相连接，摩擦承力机械臂25与聚四氟乙烯夹具杆11连接处的下方放有一个感应计数器24，并通过导线与电控系统30相连，可以精确记录玻璃压头41在样品表面来回摩擦的次数。
46.电化学测试系统由三电极系统构成，工作电极、辅助电极9、参比电极8分别外接电化学工作站2进行电化学测试，工作电极是通过用聚四氟乙烯保护的导线与样品14相连组成的，辅助电极9是用聚四氟乙烯密封的电极，参比电极8放在装有饱和氯化钾水溶液的烧杯中，用盐桥5将釜体20中的硝酸与所述烧杯中的饱和氯化钾水溶液相连，保证了参比电极8在使用温度范围了正常使用，实现了在沸腾硝酸下腐蚀磨损的电化学实时测试。
47.如图5所示，盐桥5由玻璃盐桥主体45、聚四氟乙烯塞子46、多孔纳米陶瓷47组成，玻璃盐桥主体45为倒置的u型管状结构，其两端与溶液接触的部位安装多孔纳米陶瓷47，玻璃盐桥主体45中部有一个向上的开口部位，所述开口部位通过聚四氟乙烯塞子46进行封闭，保证了参比电极8在正常使用温度下工作。
48.液面控制系统包括聚四氟乙烯软管16、升降机构17及聚四氟乙烯罐体18，聚四氟乙烯罐体18通过聚四氟乙烯软管16与腐蚀磨损测试系统的聚四氟乙烯釜体20相连通，聚四氟乙烯软管16可以上下活动，聚四氟乙烯罐体18设置于升降机构17上，通过升降机构17可以调节实验过程中釜体20内部硝酸液面的高度，釜体20液面高于样品14则发生湿磨，釜体20液面低于样品14则发生干磨，液面控制系统可以实现干湿交替下的材料腐蚀磨损测试。
49.冷凝及尾气处理系统设有冷凝管3、循环水箱1、尾气处理装置4，竖向冷凝管3一端向下通过聚四氟乙烯釜体20的玻璃盖板7上的小孔，与釜体20内腔相连，冷凝管3另一端弯折向下连接橡胶管通入到尾气处理装置4(装有水的烧杯)中，循环水箱1通过循环管路包覆冷凝管3的中部，通过循环水箱1来控制冷凝管3中冷凝水的流速和温度，实现了对硝酸蒸汽的循环以及对废气的回收。
50.电控系统30设有温度控制部分、移速控制部分、摩擦次数记录部分，其中：温度控制部分与热电偶15及温度传感器12相连，通过实时监控硝酸溶液的温度可以精确控制溶液的温度；移速控制部分与电机32相连，通过控制电机32的不同转速来调节摩擦承力机械臂
25的移速；摩擦次数记录部分与感应计数器24相连，可以直接读出摩擦的次数。
51.实验时，腐蚀磨损样品安装在工作台上，样品通过导线与外界的电化学工作站连接，向聚四氟乙烯釜体内注入硝酸，以传动系统的机械臂带动固定在聚四氟乙烯夹具上的玻璃压头在样品表面往复摩擦，实现腐蚀磨损模拟测试。本实用新型在真实模拟乏燃料后处理工况条件下，研究材料在沸腾硝酸中腐蚀磨损行为，可精确控制硝酸溶液温度、摩擦速度、摩擦行程等试验参数及模拟材料干湿交替下的腐蚀磨损，实现不同腐蚀磨损形式的切换及腐蚀磨损样品的在线电化学监测和失重测试。
52.以上所述，仅是本实用新型的较最佳的案例，并非对本实用新型作任何限制。凡是根据实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。