一种用于高温高压环境的材料应力腐蚀实验装置及方法

1.本发明属于材料测试实验研究领域，具体涉及一种用于服役于高温高压复杂环境的耐热材料在应力加载条件下的裂纹萌生、扩展及材料断裂失效等腐蚀行为过程的实验装置。


背景技术：

2.耐热材料的失效往往会严重威胁各类化工，电站等工厂的安全运行，甚至会给民众的生命安全和环境保护带来灾难性后果，因此研究耐热材料的失效行为和机理是预防工业事故的必要措施之一。目前耐热材料的开发和测试主要采用的是挂片实验，然而对于实际的服役条件往往还伴随着压力差，也就是应力加载的条件，这是挂片实验无法实现的。对于高压环境中需要拉伸动作加载应力就意味着需要在高压环境中进行位移，如何有效密封就是最难以解决的问题。最近的专利(如专利“一种用于应力腐蚀裂纹萌生和扩展实验的加载装置”，公开号：cn111289380a)提供了一种成本较高的应力加载实验装置，且关键部件动态密封部件往往需要进口，且费用高昂，操作不当时容易损坏，需要定期更换，运行时也存在腐蚀介质泄漏的风险。因此，为研发成本低廉，可长期稳定运行同时保障完全密封无安全问题。高集成度、高效率的实验装置及相关方法，对节约实验成本、提高研究效率，推动核电结构材料环境损伤研究进展，确保核电设备安全运行具有重要意义，本发明提供了一种用于高温高压环境的材料应力腐蚀实验装置。


技术实现要素：

3.为解决现有高温高压拉伸实验装置的构造单一和现有的高温高压拉伸实验装置存在造价高、密封性能较差和使用温度低的问题，本发明提供一种用于高温高压环境的材料应力腐蚀实验装置。
4.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种用于高温高压环境的材料应力腐蚀实验装置，包括拉伸轴和拉伸力加载装置，拉伸轴包括固定拉伸轴和可动拉伸轴，固定拉伸轴和可动拉伸轴的一端连接拉伸试样，可动拉伸轴的另一端连接拉伸力加载装置，固定拉伸轴的一端固定；固定拉伸轴和可动拉伸轴连接试样处设置高压釜，拉伸轴穿过所述高压釜，高压釜釜体外部均匀的缠绕有电加热丝，高压釜上开设腐蚀性流体入口和出口，高压釜中设置温度传感器和压力传感器，高压釜与外部基础或设备固定连接；高压釜的两端设置第一高压空间和第二高压空间，拉伸轴穿过第一高压空间和第二高压空间，第一高压空间和第二高压空间相互背离的一端分别与拉伸轴端部密封连接，第二高压空间为可伸长空间；第一高压空间或第二高压空间设置拉力传感器，可动拉伸轴的端部设置位移传感器和电流传感器；拉力传感器、位移传感器、电流传感器、温度传感器和压力传感器均接入监控系统。
5.高压釜包括高压釜釜体，高压釜釜体的一端设置高压釜盖或高压釜釜体的两端均设置高压釜盖另一端与高压釜釜体一体化成型，端面中心开孔；高压釜盖设置有相互连接
的盘形大端和管形小端，
6.当高压釜釜体的两端均设置高压釜盖时，高压釜盖包括第一高压釜端盖和第二高压釜端盖，高压釜盖的盘形大端通过法兰盘结构连接高压釜釜体，第一高压空间包括高压管和两个变径接头，高压管的端部与两个变径接头密连接，其中一个变径接头连接第一高压釜盖的小端，第二高压釜盖的与外部基础或设备固定连接；第一高压釜盖的管形小端外侧还设置散热部件；第二高压空间包括高压软管和两个变径接头，高压软管的端部与变径接头的外侧密封链接，其中一个变径接头设置在第二高压釜端盖的管形小端外侧，另一个变径接头与拉伸轴的端部密封连接。
7.散热部件采用散热翅片结构并与高压釜釜盖一体化成型，或者采用夹套结构，独立加工并连接在高压釜釜盖上，所述夹套结构通入冷却液体进行散热；反应釜的两个端面内侧设置隔热板。
8.拉伸轴竖直或水平安装，腐蚀性流体入口低于腐蚀性流体出口，高压釜釜体内包含1～12个拉伸轴，用于同时进行多个样品的测试。
9.拉伸轴采用耐高温金属材料，与变径接头连接处的直径大于其他部分的直径，采用螺纹连接方式或卡套连接方式连接变径接头。
10.拉力传感器布置在高压管上，高压管采用金属材料，或拉力传感器布置在高压软管上，或拉力传感器布置在拉伸轴上。
11.固定拉伸轴和可动拉伸轴的一端通过夹具连接拉伸试样，夹具为独立部件或与固定拉伸轴和可动拉伸轴为一体化部件，即拉伸轴一端设置有夹具功能的结构，夹具能够夹紧柱状拉伸试样。
12.高压软管为耐高温高压可弯曲的软管，长度为50～5000mm，高压软管为压缩弯曲状态。
13.拉伸力加载装置采用配重块或者伺服拉伸试验机
14.基于本发明所述材料应力腐蚀实验装置的实验方法，位移传感器在拉伸位移超过上限时发出报警信号，关闭伺服拉伸试验机；电流传感器正负线接通到低压侧拉伸轴的上下两端，外部接通弱电，当电流低于设定值或归零时，关闭伺服拉伸试验机；拉力传感器、位移传感器、电流传感器、温度传感器和压力传感器均外接到监控系统，监控系统通过监控拉力传感器或位移传感器对拉伸轴进行受力控制。
15.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
16.本发明提供的一种用于高温高压环境的材料应力腐蚀实验装置，采用高压管和高压软管作为密封容器，高压软管自身可以弯曲形变，使得拉伸轴作为内芯能够完成拉伸动作的同时不会对系统整体的密封性能带来影响，保证了系统的绝佳的密封性能；同时采用这种方式进行高温高压条件的拉伸实验不需要用到需要频繁更换且价格昂贵的进口动态密封部件使整个实验装置的造价降低。
附图说明
17.图1为本发明一种用于高温高压环境的材料应力腐蚀实验装置。
18.附图中，1-拉伸系统，2-承压系统，11-拉伸轴，12-变径接头，13-拉力传感器，14-高压管，15-夹具，16-拉伸试样，17-高压软管，18-位移传感器，19-电流传感器，110-伺服拉
伸试验机，21-温度传感器，22-压力传感器，23-高压釜釜盖，24-高压釜釜体，25-隔热板，26-支撑架，27-散热部件
具体实施方式
19.下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分。
20.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明的技术方案。
21.除非另有说明，否则示出的示例性实施方式/实施例将被理解为提供可以在实践中实施本发明的技术构思的一些方式的各种细节的示例性特征。因此，除非另有说明，否则在不脱离本发明的技术构思的情况下，各种实施方式/实施例的特征可以另外地组合、分离、互换和/或重新布置。
22.在附图中使用交叉影线和/或阴影通常用于使相邻部件之间的边界变得清晰。如此，除非说明，否则交叉影线或阴影的存在与否均不传达或表示对部件的具体材料、材料性质、尺寸、比例、示出的部件之间的共性和/或部件的任何其它特性、属性、性质等的任何偏好或者要求。此外，在附图中，为了清楚和/或描述性的目的，可以夸大部件的尺寸和相对尺寸。当可以不同地实施示例性实施例时，可以以不同于所描述的顺序来执行具体的工艺顺序。例如，可以基本同时执行或者以与所描述的顺序相反的顺序执行两个连续描述的工艺。此外，同样的附图标记表示同样的部件。
23.当一个部件被称作“在”另一部件“上”或“之上”、“连接到”或“结合到”另一部件时，该部件可以直接在所述另一部件上、直接连接到或直接结合到所述另一部件，或者可以存在中间部件。然而，当部件被称作“直接在”另一部件“上”、“直接连接到”或“直接结合到”另一部件时，不存在中间部件。为此，术语“连接”可以指物理连接、电气连接等，并且具有或不具有中间部件。
24.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
25.以竖直布置为例，一种用于高温高压环境的材料应力腐蚀实验装置，包括拉伸系统1和承压系统2；拉伸系统1包括拉伸轴11、变径接头12、拉力传感器13、高压管14、夹具15、拉伸试样16、高压软管17、位移传感器18、电流传感器19和伺服拉伸试验机110；拉伸轴11顶部固定在一个固定面上；变径接头12沿着拉伸轴11的轴线设置两组，变径接头12将拉伸系统1分为多个高压空间，高压空间用高压管14、承压系统2和高压软管17将外部常压空间隔开；拉力传感器位于第一高压空间，两端连接拉神轴11以测定拉伸试样16所受拉力；夹具15连接拉伸轴11与拉伸试样16，用以固定拉伸试样16；位移传感器18和电流传感器19连接在拉伸轴11上用以连续记录拉伸试样16的拉伸形变。
26.承压系统2包括温度传感器21、压力传感器22、高压釜釜盖23、高压釜釜体24、隔热板25、支撑架26和散热部件27；温度传感器21和压力传感器22固定高压釜釜盖23或高压釜
釜体24上，其中温度传感器21探头位置靠近拉伸试样16；高压釜釜体24两端连接高压釜釜盖23，高压釜釜盖23的高压侧设置有隔热板25；支撑架26置于一个外部固定基础或固定支架上；散热部件27位于高压釜釜盖23和变径接头12连接处。
27.承压系统2中可以同时布置1～12个拉伸系统1；拉伸系统1和承压系统2可以竖直布置也可以水平布置；而且腐蚀性流体入口低于腐蚀性流体出口。
28.拉伸轴11采用耐高温金属材料，在与变径接头12连接处具较大的直径，拉伸轴11采用螺纹连接方式或卡套连接方式通过变径接头12与高压管14、承压系统2和高压软管17连接。
29.拉力传感器13布置在高压管14内的高压环境中，此时高压管14可以采用金属材料，或将拉力传感器13可以布置在高压软管17中，也可以布置在外部的低压侧此时高压管14为可弯曲的高压软管。
30.夹具15可以为独立部件，连接拉伸轴11和拉伸试样16，或者夹具15与拉伸轴11为同一部件，即拉伸轴11一端设置有夹具15功能的结构作为夹具，夹具15能够夹紧0.2～25mm截面为圆形、方形、椭圆形或平椭圆形的拉伸试样16。
31.高压软管17为耐高温高压可弯曲的软管，长度为50～5000mm，根据不同的拉伸位移需求截取适当长度，在所有的实验进程中，高压软管17呈现压缩弯曲状态。
32.位移传感器18在拉伸位移超过上限时发出报警，并通过监控系统关闭伺服拉伸试验机110；电流传感器19正负线接通到低压侧拉伸轴11的上下两端，外部接通弱电，当电流低于设定值或归零时，监控系统关闭伺服拉伸试验机110；拉力传感器13、位移传感器18、电流传感器19、温度传感器21和压力传感器22均外接到监控系统，监控系统可以通过监控拉力传感器13使拉伸系统1进行受力控制，也可以通过监控位移传感器18使拉伸系统1进行位移控制。
33.作为高压釜可选的实施例，高压釜釜体24的可以在一端设置高压釜盖另一端与高压釜釜体24一体化成型，端面中心开孔，供拉伸轴11通过；高压釜盖23设置有相互连接的盘形大端和管形小端。
34.高压釜的另一个实施例，也可以在高压釜釜体24的两端均设置高压釜盖23，此时，高压釜盖23包括第一高压釜端盖和第二高压釜端盖，高压釜盖的盘形大端通过法兰盘结构连接高压釜釜体24，第一高压空间包括高压管14和两个变径接头12，高压管14的端部与两个变径接头12密连接，其中一个变径接头12连接第一高压釜盖的小端，第二高压釜盖的与外部基础或设备固定连接；第一高压釜盖的管形小端外侧还设置散热部件27；第二高压空间包括高压软管17和两个变径接头12，高压软管17的端部与变径接头12的外侧密封链接，其中一个变径接头12设置在第二高压釜端盖的管形小端外侧，另一个变径接头12与拉伸轴11的端部密封连接。
35.作为可选的实施例，伺服拉伸试验机110可以替换为配重块。
36.高压釜釜体24为两端采用高压釜釜盖23密封连接或者高压釜釜体24为桶体，高压釜釜体24只有一端设有开口，所述开口处采用高压釜釜盖23密封连接，此时高压软管17的端部与高压釜釜体24连接。
37.散热部件27通过对高压釜釜盖23加工而来或者独立加工并通过接头连接在高压釜釜盖23上；散热部件27可以采用翅片型散热管制作而成，或者采用夹套结构，通入冷却液
体进行散热；隔热板25和散热部件27的尺寸选取应保证在高温腐蚀性流体在高压管14和高压软管17中的最高温度小于高压管14和高压软管17的工作温度。
38.基于本技术所述高温高压环境的材料应力腐蚀实验装置进行实验时，对将要进行拉伸实验的拉伸试样16进行尺寸加工，并预估拉伸位移选取合适的高压软管17，如图1所示，预先将温度传感器21、压力传感器22和隔热板25安装在高压釜釜盖23上；
39.将高压釜釜盖23打开，之后令上端的拉伸轴11、变径接头12、拉力传感器13、高压管14和高压釜釜盖23连接可靠后，将拉伸试样16用夹具15夹紧置入高压釜釜体24中，并让拉伸轴11固定在固定面上，之后再将上部的高压釜釜盖23安装在高压釜釜体24上进行密封；
40.将下部的夹具15夹紧拉伸试样16并和拉伸轴11连接好再将下部的高压釜釜盖23安装在高压釜釜体24上进行密封；
41.将下部的高压釜釜盖23、变径接头12、高压软管17和拉伸轴11连接好；
42.将电流传感器19的正负线接通到低压侧拉伸轴11的上下两端，外部接通弱电，再将位移传感器18和伺服拉伸试验机110连接好；
43.设置监控程序中的温度、压力、拉力和位移值，之后使用低压的腐蚀性流体吹扫气路，排出空气，并测试整个装置的密封性，完成后最终开始试验。
44.最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权力要求书界定的范围为准。