CN100595563C - 多应力高温腐蚀试验系统装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种试验装置，尤其涉及一种多应力状态下材料的高温腐蚀试验系统。该试验系统由加载系统、密封系统、加热及温控系统、腐蚀气氛混合系统和支撑台架组成；本发明部分解决了现有试验技术中力学与化学作用无法相结合的难题，提供了一种操作简便，试验温度均匀，试验精度高，成本低的多应力状态下材料的高温腐蚀试验系统。

Description

多应力高温腐蚀试验系统装置

技术领域

本发明涉及一种试验装置，尤其涉及一种多应力状态下材料的高温腐蚀试验系统装置。

背景技术

随着能源、动力、石油化工等工业的发展和现代科学技术的不断进步，生产工艺向着高温、高压和大型化发展。这都使得工程材料的高温腐蚀问题显得愈加突出。金属的高温腐蚀不仅造成金属的锈蚀，而且破坏金属的优异的使用性能。高温氧化、渗碳、硫化、渗氮等形式的腐蚀为人们所熟悉。而对一些较少见的高温腐蚀形式，如金属尘化(Metal Dusting MD)，虽然开展了不少工作，但其具体机理和防护工作尚不被人们所完全认识，很多问题还都在探讨之中。

目前国内外对于高温腐蚀的研究大多是对材料的腐蚀机理的研究，不涉及外加载荷。事实上，工程材料总是在有外加载荷的情况下的。所以有必要研究在外加载荷情况下金属材料的高温腐蚀机理，以及外加应力对高温腐蚀的影响。目前还没有类似的外载荷下的特殊气氛高温腐蚀试验系统，只有无外载荷的如：高温试验炉(马弗炉)、有外载荷的如：高温蠕变试验装置(仅在空气中)。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中力学与化学作用无法相结合的难题而提供了一种操作简便，试验温度均匀，试验精度高，成本低的多应力状态下材料的多气氛高温腐蚀试验系统装置，并较好地解决了试验系统中有害高危腐蚀气体的密封问题。

本发明的技术方案如下：一种多应力高温腐蚀试验系统装置，其特征在于由加载系统、密封系统、加热及温控系统、腐蚀气氛混合系统和支撑台架组成；支撑台架由底座、两根立柱、上支撑板和下支撑板组成，密封系统是在由上密封套、石英管和下密封套组成；支撑台架将上下密封套及石英管固定在上下支撑板上；加载系统及试样穿过上下密封套置于石英管内；整个密封系统穿过加热及温控系统；腐蚀气氛系统的气体经混气箱充分混合后从下密封套引入密封的石英管内。

其中所述的加热及温控系统由电加热炉和装在电热炉内的热电偶组成，电加热炉为对开管式管式加热炉，由两个对开半圆筒形炉体组成。电加热炉设有三个独立的加热区，每个加热区装有独立的电阻丝。电加热炉内装有四个热电偶，其中一个经由热电偶套管后安装在石英管内试样处，其余三个平均分布安装在三个独立的加热区电加热炉内壁上。电加热炉的两个对开半圆筒形炉体分别通过一个连接元件与一侧立柱悬臂连接；连接元件一端与一侧立柱转动连接，另一端固定在电加热炉的对开半圆筒形炉体上；连接元件由一个圆环套筒和一块方形连接板焊接而成，圆环套筒套在一侧立柱上与立柱转动连接，方形连接板固定在电加热炉上；圆环套筒下方立柱上装有止滑圆环套筒，止滑圆环套筒是由两个半圆环组成，两个半圆环由斜销钉联接，并由一正销钉固定于立柱上。

其中所述的密封系统上下密封套与石英管两端连接处使用耐温250℃的O型氟橡胶密封圈，密封面形式45角斜面密封。

其中所述的腐蚀气氛混合系统由高温氮气保护系统、真空抽取系统和混气系统组成；其中真空抽取系统是由上密封盖的排气口之一用于抽真空，连接至高真空度真空泵；另一排气口连密封水槽；混气系统为2种以上的反应气体在混气箱充分混合后接入系统；高温氮气保护系统和混气系统分别通过下密封套上的2个进气孔石英管相连通。

其中所述的加载系统设有上、下支撑杆，分别与上、下支撑座相连，下支撑杆通过螺纹连接与下密封套；上支撑杆穿过上密封套后与砝码托盘相连，用于传递砝码的载荷；整个加载系统位于电热炉内；加载系统的上下密封套可以互换安装以配合不同的加载方式产生不同的应力。

结合附图对本发明的多应力状态下材料的高温腐蚀试验系统装置作一详细的介绍。本发明的部件包括加载系统、密封系统、加热及温控系统、腐蚀气氛混合系统和支撑台架。加载系统包括上支撑杆17，下支撑杆18、上支撑座30、下支撑座28、砝码托盘11和砝码12，下支撑杆18和下支撑座28通过螺纹连接，上支撑杆17和上支撑座30通过螺纹连接，上支撑杆17，下支撑杆18、上支撑座30、下支撑座28的材料选用GH37，试样放置于上支撑座17和下支撑座28之间，下支撑杆18与下密封套4通过螺纹连接，上支撑杆17穿过上密封套连接砝码托盘，在砝码托盘上加载砝码并作用于上支撑座30，进而冲压试样。整个加载系统位于密封系统内并置于电加热炉6内。电加热炉6通过连接元件5与立柱2悬臂连接，连接元件5由一个圆环套筒和一块方形连接板焊接而成，圆环套筒套在一侧立柱上与立柱转动连接，方形连接板固定在电加热炉6上；圆环套筒下方立柱上装有止滑圆环套筒31，电加热炉6可绕立柱转动，方便试验操作，电加热炉6采用自行设计的立式、对开式管式炉，外形尺寸Φ350mm×500mm；同时采用三区独立加热方式保证电加热炉的均温性，电炉丝采用铁铬铝(0Cr21Al6Nb)电阻丝，连接元件5材料选用45钢，表面均镀铬；热电偶14、热电偶15和热电偶16分别置于电加热炉上中下三个部位，用于电炉三区测温，热电偶13置于热电偶套管内并通过上密封套9伸至于石英管内试样处，热电偶套管与上密封套9的密封结构详见附图3。热电偶13用于测量石英管内试样处的实际温度，四个热电偶均与温控仪相联接，四个热电偶均为四个铂铑-铂热电偶，温控仪采用WT-400B型温度程序控制仪。上、下支撑杆、座、试样均置于石英管8内，石英管内径为Φ60mm、壁厚为10mm，电加热炉6在石英管外加热。石英管8上端安装在上密封套9内、下端安装在下密封套4内，采用自行设计的密封结构密封，详细结构见附图2。石英管8两端与上下密封套之间采用耐温250℃的“O”形氟橡胶密封圈密封，石英管8通过下密封套4上的2个进气孔分别与配置好的腐蚀气氛系统和高温氮气保护系统相连通。氮气瓶出口处装有流量计19，控制氮气流量。腐蚀气氛系统由一氧化碳和氢气经由流量计计量后按一定配比后进入混气箱，充分混合后由下密封套4进入石英管。上密封套9上另有两个出口分别连接真空泵F和密封水槽20，分别用于试验前抽真空和试验时的尾气吸收。

有益效果：

本发明的多应力状态下材料的高温腐蚀试验系统的电加热炉为对开管式炉，炉内装置及试样安装非常方便，对开后可清楚地看到电加热炉内的装置结构，同时电加热炉采用悬臂式安装，通过两连接元件与试验装置一侧立柱转动连接，试验操作也非常方便。本发明试验装置试验规范，试验温度均匀，应用不同的支撑座形式和安装方式可实现拉伸、纯弯曲、三点弯三种不同的应力模式。本发明试验装置密封可靠，采用耐温250℃的氟橡胶密封圈，泄漏量极其微小，完全在安全范围内。同时本发明的试验装置成本非常低。

附图说明

图1是多应力状态下材料的高温腐蚀试验系统装置示意图。

图2是上下密封套密封结构示意图(图1中G的放大)。

图3是热电偶套管密封结构示意图(图1中H的放大)。

图4是上支撑杆密封结构示意图(图1中I的放大)。

图5是三种支撑形式和试样的结构示意图(图1中J的放大)。

图6是电加热炉与立柱连接示意图。

其中：(A)一氧化碳气瓶，(B)氢气气瓶，(C)氮气气瓶，(D)混气箱，(E)WT-400B型温度程序控制仪，(F)真空泵(1)底座，(2)立柱，(3)下支撑板，(4)下密封套，(5)连接件，(6)电加热炉，(7)上支撑板，(8)石英管，(9)上密封套，(10)支撑杆密封帽，(11)砝码托盘，(12)砝码，(13)热电偶，(14)热电偶，(15)热电偶，(16)热电偶，(17)上支撑杆，(18)下支撑杆，(19)流量计，(20)水封槽，(21)压盖，(22)内六角螺栓，(23)O型密封圈，(24)热电偶套管，(25)石棉密封垫，(26)螺母，(27)O型密封圈，(28)下支撑座(或夹头)，(29)试样，(30)上支撑座(或夹头)，(31)止滑圆环套筒

具体实施方式

实施例：

本发明试验装置的安装：按顺序组装底座1，立柱2，上支撑板7、下支撑板3，下密封套4，再将电加热炉6通过连接元件5安装在立柱2上，下支撑杆18安装在下密封套4上，将试样放置于下支撑座上，再将石英管8安插在下密封套上，将上支撑座安装在上支撑杆上后，放于试样上，最后将上密封套安装于石英管上端。上密封套9和下密封套4分别通过四个锁紧螺栓与上支撑板7下支撑板3连接。将上支撑杆密封帽10装入O型密封圈后拧在上密封套9上。加载时砝码12放置于砝码盘11，作用于上支撑杆，进而冲压试样。热电偶14、15、16分别置于电加热炉上中下三个部位，测量电加热炉的温度，热电偶13放在热电偶套管内并置于石英管内试样处，测量石英管内试样处的实际温度，热电偶13、14、15、16均通过温控仪控制。

本发明试验装置的试验操作：试验开始时，装入板状试样，试样尺寸40mm×20mm×2mm，材料为Cr5Mo，拧紧所有密封处的螺纹，确保打开氮气瓶通入氮气，调节流量表19控制流量10升/分钟，使石英管内充满氮气，然后关闭氮气，打开真空泵，抽真空；如此往复三次以上，使石英管内的氧含量低于1kPa。通入混合反应气：氢气/一氧化碳，比例0.9l/min∶0.3l/min，并升温到指定温度600℃(加热炉最高设计温度可达1000℃)后加载。此种安装模式可用于纯弯曲试验和三点弯试验。试验结束后关闭反应气，通入氮气冷却至室温后取出试样。

在纯弯曲试验和三点弯试验加载方式采用顶部垂直加载(图5中a、b支撑形式)，拉伸使试验时互换安装上下密封套后采用底部垂直加载(图5中c支撑形式)。

Claims (7)

1、一种多应力高温腐蚀试验系统装置，其特征在于由加载系统、密封系统、加热及温控系统、腐蚀气氛混合系统和支撑台架组成；其中支撑台架由底座、两根立柱、上支撑板和下支撑板组成，密封系统是由上密封套、石英管和下密封套组成；支撑台架将上下密封套及石英管固定在上下支撑板上，加载系统及试样穿过上下密封套置于石英管内，整个密封系统穿过加热及温控系统，腐蚀气氛系统的气体经混气箱充分混合后从下密封套引入密封的石英管内；其中加载系统设有上、下支撑杆，分别与上、下支撑座相连，下支撑杆通过螺纹连接与下密封套；上支撑杆穿过上密封套后与砝码托盘相连，用于传递砝码的载荷；整个加载系统位于密封系统内并置于电加热炉内；加载系统的上下密封套可以互换安装以配合不同的加载方式产生不同的应力。

2、根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的加热及温控系统由电加热炉和装在电热炉内的热电偶组成，电加热炉为对开管式管式加热炉，由两个对开半圆筒形炉体组成。

3、根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的电加热炉的两个对开半圆筒形炉体分别通过一个连接元件与一侧立柱悬臂连接；连接元件一端与一侧立柱转动连接，另一端固定在电加热炉的对开半圆筒形炉体上。

4、根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的电加热炉设有三个独立的加热区，每个加热区装有独立的电阻丝。

5、根据权利要求2所述的装置，其特征在于所述的电加热炉内装有四个热电偶，其中一个经由热电偶套管后安装在石英管内试样处，其余三个平均分布安装在三个独立的加热区电加热炉内壁上。

6、根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述的密封系统中上下密封套与石英管连接处使用耐温250℃的O型氟橡胶密封圈，密封面形式45°角斜面密封。

7、根据权利要求1所述的装置，其特征在于腐蚀气氛混合系统由高温氮气保护系统、真空抽取系统和混气系统组成；其中真空抽取系统是由上密封套的排气口连接至高真空度真空泵，另一排气口连密封水槽；混气系统为2种以上的反应气体在混气箱充分混合后引入密封系统；高温氮气保护系统和混气系统分别通过下密封套(4)上的2个进气孔石英管(8)相连通。

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