一种超低温高压的材料腐蚀疲劳试验系统

1.本发明涉及金属材料试验装置，具体涉及超低温高压的材料腐蚀疲劳试验系统。


背景技术：

2.天然气热效率高，环境效益好，发展利用天然气成为当今世界能源发展的潮流。但是液化天然气在采集和运输过程中，由于海水对管道的腐蚀以及波浪和风载荷的作用下，采集天然气的工况环境为海底，海底温度较低，压力较高，超低温高压的环境下，管道与设备极易出现破坏。因此，对管道以及海洋装备的抗腐蚀与抗疲劳性能有着较高的要求，需要对超低温高压环境下的金属材料进行腐蚀疲劳性能的研究。
3.目前，研究金属材料腐蚀疲劳性能的试验方法有很多，但都不能很好的模拟真实的腐蚀环境，试验条件单一，无法模拟超低温高压环境下的腐蚀疲劳试验。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种安全性好、能够更好地模拟超低温高压的试验环境的超低温高压的材料腐蚀疲劳试验系统，本发明技术方案如下：
5.一种超低温高压的材料腐蚀疲劳试验系统，包括：腐蚀疲劳机，液氮冷却装置，氦气增压装置，腐蚀疲劳机包括反应釜组件、密封盖组件、升降釜组件、拉杆组件和动力组件；
6.反应釜组件包括反应釜15、升降釜组件包括上板架4、下板架12、升降杆20、液压缸18；上板架4和下板架12固定在升降杆20上，升降杆20与液压缸18相连，液压缸18能够驱动升降杆20使得下板架12能够靠近或远离反应釜15，反应釜组件置于升降釜组件的基座17上；
7.密封盖组件包括密封盖35、固定连杆13、测量板33和底盘14；密封盖35与反应釜15内壁相匹配并固定连接到上板架4，密封盖35设置有密封孔24、进液孔25以及进气孔26，所述密封孔24、进液孔25、进气孔26均匹配地设置有密封件，所述进气孔26与氦气增压装置中的输气管48连通，用于向所述反应釜15内充入试验气体以增压，进液孔24与液氮冷却装置中的输液管51相连，用于向所述反应釜15内输入试验液体；密封盖35与底盘14通过固定连杆13相连，测量板30上标有横轴和纵轴两条相互垂直的刻度，用于辅助观测材料试样30的实时应变；
8.动力组件位于上板架4上，包括伺服液压工作箱3、电动机2、动力单元1；电动机2与伺服液压工作箱3通过转轴连接，伺服液压工作箱3与动力单元1通过油管21连接；
9.拉杆组件主要包括驱动杆5、调节套筒8、横杆9、底盘14和上拉杆7，驱动杆5受动力单元1控制能够竖向往复移动、驱动杆5的下部连接有上拉杆7，上拉杆7通过调节套筒8和下拉杆27依次连接，下拉杆27穿过密封盖35后与上夹具28相连，材料试样30固定在上夹具28与下夹具31之间；通过调节套筒8能够调整下板架12连接到升降杆20上的位置；横杆9与下拉杆27固定连接，横杆9的两端均设有位移传感器10；底盘14的底部设有温度传感器36与压力传感器37，用于实时监测反应釜15内的温度与压力；
10.液氮冷却装置包括试验液体储存罐49、输液管51、液氮罐52；冷却液体储放罐53和液体增压泵54，试验所需腐蚀溶液储放在试验液体储存罐49，由输液管51将腐蚀溶液输入液氮罐52中进行冷却，经过液氮罐52冷却的腐蚀溶液再经由冷却液体储放罐53进行二次冷却，确保腐蚀溶液达到所需温度，通过液体增压泵54将经过二次冷却的腐蚀溶液泵入反应釜15中；
11.气体增压装置包括氦气储放罐40、气体压力机45和试验氦气回收罐47；气体压力机45用于将试验氦气从氦气储放罐40提取后充入反应釜15中，气体压力机45还用于将试验完成之后的氦气气体排入试验氦气回收罐47。
12.进一步地，还设置有第一力传感器，用以监测密封盖与反应釜之间的压力。
13.进一步地，还设置有第二力传感器，用于监测对材料试样所施加的疲劳载荷。
14.进一步地，在密封盖上设有探头垫片，位移传感器的探头能够与密封盖上的探头垫片对应，以便于对位移传感器调零。
15.本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
16.(1)本发明可以同时进行腐蚀试验和疲劳试验，大幅度地提高了试验的效率，并且能够更加准确地模拟实际工况，可以增加试验结果的可信度。本发明可以调节试验设备中反应釜内的温度与压强，可以实现超低温高压的腐蚀环境，解决了只能模拟高温高压，常温高压的试验条件的局限问题，从而具有更广泛的应用范围。
17.(2)本发明的液氮冷却装置是自动化设备，设有二次冷却装置，确保腐蚀溶液可以达到设定温度，之后通过液体增压泵将液体泵入试验反应釜中，自动化程度高，提高了试验的准确度，减少了实验误差。
18.(3)本发明的气体增压装置是自动化设备，同时设有气体压力机，使得试验后的氦气在排出时，降低其压力，再将其储放在气体罐中，提升了试验的安全性，不会排出氦气，符合环保的要求。
19.(4)本发明中的设备均为自动化设备，减少了人为的操作，更加准确地控制反应釜内的压力与温度，大幅地提升了试验的准确度与可信度，减小了试验误差。
20.(5)本发明中反应釜中设有进液孔与进气孔，分别进行加液与加压气体的进入，使得加液与加气操作互不干扰，使得试验易于操作。
21.(6)本发明中可以根据反应釜内的温度与压力传感器对试验进行实时监测，使得对试验温度与压力更为准确的控制，更好地分析试样的腐蚀与疲劳过程。
22.(7)本发明不仅可模拟超低温高压的疲劳腐蚀环境，还可模拟常温高压与超低温环境下的腐蚀疲劳试验，使得实验条件更加广泛，能够模拟更多的实际工况，应用更加广泛。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其他的实施附图。
24.图1为本发明提供的高压可控温的材料腐蚀疲劳试验方法的流程图；
25.图2为本发明提供的超低温高压的材料腐蚀疲劳试验系统的一种优选实施方式的结构示意图；
26.图3为本发明提供的腐蚀疲劳机的一种优选实施方式的结构示意图；
27.图4为本发明提供的腐蚀疲劳机反应釜密封盖组件与疲劳试验组件的一种优选实施方式的结构示意图；
28.图5为本发明提供的腐蚀疲劳机反应釜密封盖组件与疲劳试验组件的一种优选实施方式的结构示意图；
29.图6为本发明提供的试验力供给组件的一种优选实施方式的结构示意图；
30.图7为本发明提供的反应釜夹具组件底盘底部的压力传感器和温度穿感受器的一种优选实施方式的结构示意图；
31.图8为本发明提供的氦气增压装置的一种优选实施方式的结构示意图；
32.图9为本发明提供的液氮冷却装置的一种优选实施方式的结构示意图；
33.图10为本发明提供的液氮罐的横剖面的一种优选实施方式的结构示意图；
34.图中的附图标记分别表示如下：
35.1-动力单元；2-电动机；3-伺服液压工作箱；4-上板架；5-驱动杆；6-第二力传感器；7-上拉杆；8-调节套筒；9-横杆；10-位移传感器；11-固定螺栓；12-下板架；13-固定连杆；14-底盘；15-反应釜；16-底座；17-基座；18-液压缸；19-第一力传感器；20-升降杆；21-油管；22-上板架固定螺栓；23-电动机基座；24-密封孔；25-进液孔；26-进气孔；27-下拉杆；28-上夹具；29-销钉；30-材料试样；31-下夹具；32-下连接杆；33-测量板；34-密封槽；35-密封盖；36-温度传感器；37-压力传感器；38-探头垫片；39-横杆套筒；40-氦气储放管；41-气罐密封盖；42-气体压力机显示屏；43-气体压力机开关；44-气体压力机压力控制旋钮；45-气体压力机；46-气管；47-试验氦气回收罐；48-输气管；49-试验液体储存罐；50-液罐密封盖；51-输液管；52-液氮罐；53-冷却液体储放罐；54-液体增压泵；55-增压泵显示屏；56-增压泵开关旋钮；57-u型管。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
37.本发明提供的是一种超低温高压的材料腐蚀疲劳试验系统，如图1所示，本发明的超低温高压的材料腐蚀疲劳试验系统，主要包括：腐蚀疲劳机，液氮冷却装置，氦气增压装置。腐蚀疲劳机具体包括反应釜组件、密封盖组件、升降釜组件、拉杆组件和动力组件。液氮冷却装置包括试验液体储存罐、液氮罐、冷却液体储放罐，液体增压泵；氦气增压装置包括氦气储放罐、增压气管、气体压力机、试验氦气回收罐。
38.反应釜组件包括反应釜15和底座16，底座16固定在基座17上，反应釜15嵌在底座16之中，在反应过程中会限制反应釜15的运动，试验结束之后可以将反应釜15取出清洗。
39.密封盖组件位于升降釜组件中的下板架12上，密封盖组件主要包括密封盖35、固定连杆13、测量板33、底盘14。密封盖35上设有密封孔24、进液孔25以及进气孔26，所述密封
孔24、进液孔25、进气孔26均能够匹配地设置有密封件，所述进气孔26与氦气增压装置中的输气管48连通，能够向所述反应釜15内充入试验气体以增压，进液孔24与液氮冷却装置中的输液管51相连，向所述反应釜15内输入试验液体；密封盖35与底盘14通过固定连杆13相连，测量板33在后侧的固定连杆13之间，测量板30上标有横轴和纵轴两条相互垂直的刻度，用于辅助观测材料试样30的实时应变。
40.升降釜组件还包括基座17、上板架4、下板架12、底座16、升降杆20、液压缸18、第一力传感器19。上板架4和下板架12通过固定螺栓11固定在升降杆20上，升降杆20与液压缸18相连，液压缸18能够驱动升降杆20使得反应釜15靠近或者远离密封盖35。密封盖与反应釜15处于密封状态时，材料试样30位于反应釜15内。
41.拉杆组件主要包括驱动杆5、调节套筒8、横杆9、底盘14、上拉杆7、下拉杆27与第二力传感器6。驱动杆5受动力单元1控制能够竖向移动、驱动杆5的下部连接有上拉杆7，上拉杆7通过调节套筒8和下拉杆27依次连接，下拉杆27穿过密封盖35上的开孔与上夹具28相连，材料试样30固定在上夹具28与下夹具31之间；通过调节套筒8调整下板架12连接到升降杆20上的位置，以便材料试样30的安装与拆卸，也可以更换夹具，进行不同试样的疲劳试验；此外，材料试样30安装完成后，也可以旋转调节套筒8使得上夹具28、下夹具31之间的材料试样30拉紧，使其略有张力；横杆9与底盘14分别位于密封盖35的上下两侧，横杆9安装于下拉杆27之上，横杆9的两端均设有位移传感器10，横杆9通过横杆套筒39与下拉杆27相连，密封盖35上设有探头垫片，位移传感器10的探头能够与密封盖上的探头垫片38对应吻合以便于对位移传感器10调零；底盘14的底部设有温度传感器36与压力传感器37，用于实时监测反应釜15内的温度与压力。
42.动力组件位于上板架4上，主要包括伺服液压工作箱3、电动机2、动力单元1、电动机基座23。电动机2与伺服液压工作箱3通过转轴连接，伺服液压工作箱3与动力单元1通过油管21连接。动力单元1控制驱动杆5上下移动，从而最终带动上拉杆7上下移动，从而实现对材料试样30施加循环载荷，进而进行疲劳试验。
43.液氮冷却装置包括试验液体储存罐49、液罐密封盖50、输液管51、液氮罐52；冷却液体储放罐53；液体增压泵54；增压泵显示屏55；增压泵开关旋钮56；试验所需腐蚀溶液储放在试验液体储存罐49，由输液管51将腐蚀溶液输入液氮罐52中进行冷却，液氮冷却装置采用冷却液体储放罐53对通过液氮罐的液体进行二次冷却，确保腐蚀溶液达到所需温度，之后将冷却好的液体通过液体增压泵54将腐蚀溶液通过进液口25泵入反应釜15中，完成腐蚀液体的灌入。液体增压泵54用于实现腐蚀溶液泵入反应釜15内，增压泵显示屏55、增压泵开关旋钮56用于控制腐蚀溶液增压泵的开启与关闭、开始冷却与停止冷却等。
44.气体增压装置包括氦气储放罐40、气罐密封盖41、气体压力机显示屏42、气体压力机开关43、气体压力机压力控制旋钮44、气体压力机45、气管46、试验氦气回收罐47、输气管48；该装置采用氦气对超低温的反应釜进行加压，氦气环保安全，提高了试验的安全性。将试验氦气从氦气储放罐40中通过气管42，通过气体压力机45，从输气管48输出，输气管的另一端与进气孔26相连接，从而将氦气充入反应釜15中，当试验结束之后，将试验完成之后的氦气气体，通过输气管48进入气体压力机45中进行减压后，再通过气管46排入在试验氦气回收罐47中，完成试验。
45.本发明提供的一种超低温高压的材料疲劳腐蚀装置的操作步骤如下：
46.步骤一：将材料试样30利用销钉29固定在上夹具28和下夹具31之间，操作调节套筒8使得试样略微受张力，通过电脑控制软件系统对位移传感器10进行调零。
47.步骤二：将试样放入反应釜15中，启动升降装置，同时使密封盖35与反应釜15紧密贴合，随即拧紧密封盖35，使反应釜达到密封状态，通过第一力传感器19监测密封盖35与反应釜15之间的压力。
48.步骤三：启动液氮冷却装置，腐蚀溶液先存放在试验液体储存罐49中，通过输液管51进入液氮罐50中进行冷却，之后冷却好的腐蚀溶液通过输液管51进入冷却液体储放罐51中，之后经液体增压泵54将腐蚀溶液通过进液孔25输入到反应釜15中。同时打开密封孔24，将反应釜15内部的气体排尽，之后关闭密封孔24。待腐蚀溶液加入完毕后，关闭进液孔25，关闭液体增压泵54，停止加液，关闭液氮冷却装置。
49.步骤四：启动氦气增压装置，旋转气体压力机压力控制旋钮42，达到试验设定压强，开始充气。打开进气孔26，将气管46与进气孔相连，之后将氦气从氦气储放罐38经输气管48进入气体压力机45中，再经过气管46将氦气充入反应釜15中，通过电脑软件系统实时监测反应釜15内的压强，待达到设定压强时，关闭气体压力机开关43，关闭氦气增压装置，关闭进气孔26。开始试验。
50.步骤五：启动动力组件1，带动疲劳试验组件对材料试样30施加疲劳载荷，并通过第二力传感器6监测施加的力的大小，直到试验结束。
51.步骤六：试验结束后，打开进气孔26与气体压力机开关43，使得反应釜15中的氦气经过气体压力机45进行降压，之后排出到试验氦气回收罐47中，待气体全部排出后，打开进液孔25泄压，升高升降框架，拆除试样，完成设备清洁。
52.本发明的优点在于通过试验温度和压力可调，实现超低温温高压的试验环境，试验条件广泛，可调节调节温度与压强，试验精度准确，反应釜为完全密封环境，腐蚀溶液不易溅出，试验完成后气体排出经过减压装置，使得气体排出更加安全，安全性能高。