一种高温高压水环境中蠕变变形测量装置及方法

1.本发明属于蠕变测量技术领域，具体涉及一种高温高压水环境中蠕变变形测量装置及方法。


背景技术：

2.在核电、石油、锅炉等重要领域，关键结构材料均在高温高压水环境下长时间服役，在拉伸应力、残余应力以及水环境下的蠕变变形损伤成为焊接结构等完整性评定的关键因素，是判定关键结构材料使用寿命的关键。因此，准确的测量高温高压水环境中材料的蠕变变形对于材料服役寿命的判定具有重要的意义。
3.蠕变试样主要包括三部分，即夹持部位、过渡部位和中间标距段，对材料进行变形测量时，通常通过光栅位移传感器实时记录试样承受的伸长量，然而试样加载孔及过渡圆弧部分在受力下会产生不可忽略的变形，对测试结果产生一定的影响，常规的蠕变测量主要采用在试样标距段加入引伸计的方法来获取试样标距段准确的变形量，然而在高温高压的服役水环境中，由于温度和压力的影响，无法使用常规的引伸计方法来测量变形量。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高温高压水环境中蠕变变形测量装置，其测量装置结构简单，设计合理，实现方便且成本低，测量方法采用直流电位降法来测量试样蠕变变形量，同时为了排除环境因素对变形的影响，使用参比试样来排除干扰，本发明能够准确测量高温高压水环境中试样蠕变的变形量，能够避免圆弧部分以及加载孔变形的影响，通过应变与电压之间的关系计算准确的蠕变数值，对材料服役寿命的推断演化具有重要的意义。
5.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高温高压水环境中蠕变变形测量装置，包括高压筒体和底座，所述高压筒体和底座能够闭合或开启，所述底座上设置有夹持机构，所述夹持机构上夹持有蠕变试样和参比试样，所述蠕变试样和参比试样的结构相同，当所述高压筒体和底座闭合时，所述夹持机构伸入高压筒体内。
6.上述的一种高温高压水环境中蠕变变形测量装置，所述高压筒体上套设有保温衬套。
7.上述的一种高温高压水环境中蠕变变形测量装置，所述高压筒体上设置有进水孔和出水孔。
8.上述的一种高温高压水环境中蠕变变形测量装置，所述高压筒体和底座通过多根螺柱连接，所述螺柱伸出底座的一端设置有密封螺母。
9.上述的一种高温高压水环境中蠕变变形测量装置，所述夹持机构包括相对设置的底座凸台和连杆固定板，所述底座凸台与连杆固定板之间连接有多根支撑杆，所述底座凸台上贯穿有第一连杆，所述连杆固定板上贯穿有与第一连杆相对设置的第二连杆，所述第一连杆靠近第二连杆的端部设置有用于夹持蠕变试样的第一凹槽和垂直贯穿第一凹槽的
第一销孔，所述第一销孔内设置有第一销杆，所述第二连杆靠近第一连杆的端部设置有用于夹持蠕变试样的第二凹槽和垂直贯穿第二凹槽的第二销孔，所述第二销孔内设置有第二销杆，所述参比试样连接在第一销杆和第二销杆上。
10.上述的一种高温高压水环境中蠕变变形测量装置，所述底座凸台固定在底座上，所述第一连杆与底座凸台的连接处设置有密封圈。
11.上述的一种高温高压水环境中蠕变变形测量装置，所述底座上设置有温度传感器，当所述高压筒体和底座闭合时，所述温度传感器伸入高压筒体内。
12.上述的一种高温高压水环境中蠕变变形测量装置，所述蠕变试样和参比试样均包括夹持部、过渡部和中间标距段。
13.本发明还公开了一种高温高压水环境中蠕变变形测量方法，采用上述的测量装置，所述方法包括以下步骤：
14.步骤一、采用第一铂金丝将蠕变试样的一端与参比试样的一端连接；
15.步骤二、采用第二铂金丝连接蠕变试样的另一端，作为电流输入端，采用第三铂金丝连接参比试样的另一端，作为电流输出端；
16.步骤三、将所述电流输入端和电流输出端连接直流电源，所述直流电源输出直流激励电流；
17.步骤四、采用纳伏表同时测量蠕变试样的中间标距段和参比试样的中间标距段的电压；
18.步骤五、获取应变与电压之间的关系表达式；
19.步骤六、根据所述应变与电压之间的关系表达式，以及中间标距段的电压测量值计算蠕变变形。
20.上述的一种高温高压水环境中蠕变变形测量方法，步骤五中所述获取应变与电压之间的关系表达式的具体过程包括：
21.步骤501、所述中间标距段的电阻表达式为：
[0022][0023]
其中，r为中间标距段的电阻，ρ为电导率，l为中间标距段的原始长度，s为中间标距段的横截面积；
[0024]
步骤502、假设所述中间标距段受载拉伸过程中体积不变：
[0025]
v＝s
×
l＝s
′×
(l δx)
ꢀꢀꢀ
(f2)
[0026]
其中，v为中间标距段的体积，s
′
为拉伸过程中某一时刻的的横截面积，δx为拉伸过程中某一时刻的蠕变伸长量；
[0027]
步骤503、结合式(f1)和式(f2)，得到中间标距段的电阻表达式为：
[0028][0029]
步骤504、根据欧姆定律得到：
[0030]
u＝i
×rꢀꢀ
(f4)
[0031]
其中，u为中间标距段的电压，i为电流；
[0032]
步骤505、结合式(f2)、式(f3)和式(f4)，得到中间标距段的电压表达式为：
[0033][0034]
步骤506、对式(f5)进行简化整理，得到中间标距段的电压和蠕变伸长量的关系表达式：
[0035][0036]
步骤507、根据应变ε与蠕变伸长量δx之间的关系ε＝δx/l，对式(f6)进行简化整理，得到应变与电压之间的关系表达式：
[0037]
u＝a
×
ε b
ꢀꢀꢀꢀꢀ
(f7)
[0038]
其中，
[0039]
本发明与现有技术相比具有以下优点：本发明的测量装置结构简单，设计合理，实现方便且成本低，测量方法采用直流电位降法来测量试样蠕变变形量，同时为了排除环境因素对变形的影响，使用参比试样来排除干扰，本发明能够准确测量高温高压水环境中试样蠕变的变形量，能够避免圆弧部分以及加载孔变形的影响，通过应变与电压之间的关系计算准确的蠕变数值，对材料服役寿命的推断演化具有重要的意义。
[0040]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0041]
图1为本发明的测量装置开启状态的结构示意图；
[0042]
图2为本发明的测量装置闭合状态的结构示意图；
[0043]
图3为本发明的夹持机构的结构示意图；
[0044]
图4为本发明的蠕变试样的结构示意图；
[0045]
图5为本发明的测量方法的连接示意图。
[0046]
附图标记说明:
[0047]
1—高压筒体；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
2—底座；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3—夹持机构；
[0048]
3-1—底座凸台；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3-2—连杆固定板；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3-3—支撑杆；
[0049]
3-4—第一连杆；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3-5—第二连杆；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3-6—第一凹槽；
[0050]
3-7—第一销孔；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3-8—第一销杆；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3-9—第二凹槽；
[0051]
3-10—第二销孔；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3-11—第二销杆；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
3-12—密封圈；
[0052]
4—蠕变试样；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
4-1—夹持部；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
4-2—过渡部；
[0053]
4-3—中间标距段；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
5—参比试样；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
6—保温衬套；
[0054]
7—进水孔；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
8—出水孔；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
9—螺柱；
[0055]
10—密封螺母；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
11—温度传感器；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
12—第一铂金丝；
[0056]
13—第二铂金丝；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
14—第三铂金丝；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
15—直流电源；
[0057]
16—纳伏表。
具体实施方式
[0058]
如图1～图3所示，本发明的高温高压水环境中蠕变变形测量装置，包括高压筒体1和底座2，所述高压筒体1和底座2能够闭合或开启，所述底座2上设置有夹持机构3，所述夹持机构3上夹持有蠕变试样4和参比试样5，所述蠕变试样4和参比试样5的结构相同，当所述高压筒体1和底座2闭合时，所述夹持机构3伸入高压筒体1内。
[0059]
本实施例中，如图1和图2所示，所述高压筒体1上套设有保温衬套6。
[0060]
具体实施时，通过保温衬套6提高对高压筒体1内的保温效果。
[0061]
本实施例中，如图2所示，所述高压筒体1上设置有进水孔7和出水孔8。
[0062]
具体实施时，通过进水孔7向高压筒体1内注水，通过出水孔8排水。
[0063]
本实施例中，如图2所示，所述高压筒体1和底座2通过多根螺柱9连接，所述螺柱9伸出底座2的一端设置有密封螺母10。
[0064]
具体实施时，高压筒体1和底座2通过螺柱9和密封螺母10紧固连接。
[0065]
本实施例中，如图3所示，所述夹持机构3包括相对设置的底座凸台3-1和连杆固定板3-2，所述底座凸台3-1与连杆固定板3-2之间连接有多根支撑杆3-3，所述底座凸台3-1上贯穿有第一连杆3-4，所述连杆固定板3-2上贯穿有与第一连杆3-4相对设置的第二连杆3-5，所述第一连杆3-4靠近第二连杆3-5的端部设置有用于夹持蠕变试样4的第一凹槽3-6和垂直贯穿第一凹槽3-6的第一销孔3-7，所述第一销孔3-7内设置有第一销杆3-8，所述第二连杆3-5靠近第一连杆3-4的端部设置有用于夹持蠕变试样4的第二凹槽3-9和垂直贯穿第二凹槽3-9的第二销孔3-10，所述第二销孔3-10内设置有第二销杆3-11，所述参比试样5连接在第一销杆3-8和第二销杆3-11上。
[0066]
本实施例中，如图3所示，所述底座凸台3-1固定在底座2上，所述第一连杆3-4与底座凸台3-1的连接处设置有密封圈3-12。
[0067]
具体实施时，底座凸台3-1和底座2能够一体成型，通过密封圈3-12提高密封性。
[0068]
本实施例中，如图1所示，所述底座2上设置有温度传感器11，当所述高压筒体1和底座2闭合时，所述温度传感器11伸入高压筒体1内。
[0069]
具体实施时，通过温度传感器11检测高压筒体1内的高温环境的具体温度值。
[0070]
本实施例中，所述蠕变试样4和参比试样5均包括夹持部、过渡部和中间标距段。
[0071]
具体实施时，蠕变试样4的结构示意图如图4所示，包括夹持部4-1、过渡部4-2和中间标距段4-3。
[0072]
本发明的高温高压水环境中蠕变变形测量方法，包括以下步骤：
[0073]
步骤一、采用第一铂金丝12将蠕变试样4的一端与参比试样5的一端连接；
[0074]
具体实施时，为了保证电流大小一致，将蠕变试样4和参比试样5进行串联。
[0075]
步骤二、采用第二铂金丝13连接蠕变试样4的另一端，作为电流输入端，采用第三铂金丝14连接参比试样5的另一端，作为电流输出端；
[0076]
步骤三、将所述电流输入端和电流输出端连接直流电源15，所述直流电源15输出直流激励电流；
[0077]
步骤四、采用纳伏表16同时测量蠕变试样4的中间标距段和参比试样5的中间标距段的电压；
[0078]
具体实施时，采用参考试样法进行参比电位测量，能够有效消除包括试样伸长等
其他因素导致的电压的变化。具体的连接示意图如图5所示。
[0079]
步骤五、获取应变与电压之间的关系表达式；
[0080]
具体过程包括：
[0081]
步骤501、所述中间标距段的电阻表达式为：
[0082][0083]
其中，r为中间标距段的电阻，ρ为电导率，l为中间标距段的原始长度，s为中间标距段的横截面积；
[0084]
步骤502、假设所述中间标距段受载拉伸过程中体积不变：
[0085]
v＝s
×
l＝s
′×
(l δx)
ꢀꢀꢀ
(f2)
[0086]
其中，v为中间标距段的体积，s
′
为拉伸过程中某一时刻的的横截面积，δx为拉伸过程中某一时刻的蠕变伸长量；
[0087]
步骤503、结合式(f1)和式(f2)，得到中间标距段的电阻表达式为：
[0088][0089]
步骤504、根据欧姆定律得到：
[0090]
u＝i
×rꢀꢀꢀꢀꢀ
(f4)
[0091]
其中，u为中间标距段的电压，i为电流；
[0092]
步骤505、结合式(f2)、式(f3)和式(f4)，得到中间标距段的电压表达式为：
[0093][0094]
步骤506、对式(f5)进行简化整理，得到中间标距段的电压和蠕变伸长量的关系表达式：
[0095][0096]
从式(f5)中能够看出，电压u对蠕变伸长量δx的二阶导为一次函数，即电压随蠕变伸长量变化呈现出二次函数关系，蠕变引起蠕变伸长量δx很小，δx2是比δx更高阶的无穷小量，即δx2＜＜δx，因此可以忽略不计δx2，得到：
[0097]
步骤507、根据应变ε与蠕变伸长量δx之间的关系ε＝δx/l，对式(f6)进行简化整理，得到应变与电压之间的关系表达式：
[0098]
u＝a
×
ε b
ꢀꢀꢀꢀ
(f7)
[0099]
其中，
[0100]
步骤六、根据所述应变与电压之间的关系表达式，以及中间标距段的电压测量值计算蠕变变形。
[0101]
具体实施时，第一铂金丝12、第二铂金丝13和第三铂金丝14均采用直径为0.5mm的
铂金丝，电位测量点用线，即蠕变试样4的中间标距段和参比试样5的中间标距段与纳伏表16的连接线采用0.25mm的铂金丝；铂金丝连接完成后，直流电源15输出i＝2a的直流激励电流，采用纳伏表16对蠕变试样4的中间标距段和参比试样5的中间标距段的电位降进行持续监测，能够测量出试样标距段处电位降随蠕变时间之间的关系，避免圆弧部分以及加载孔变形的影响，通过应变与电压之间的关系表达式(f7)，获取准确的蠕变数值，从而获取准确的奥氏体不锈钢的蠕变性能，对材料服役寿命的推断演化具有重要的意义。
[0102]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。