CN102288492A

CN102288492A - 一种带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置

Info

Publication number: CN102288492A
Application number: CN2011101845834A
Authority: CN
Inventors: 徐健; 吴欣强; 韩恩厚; 王翔
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2011-07-01
Filing date: 2011-07-01
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2031-07-01
Also published as: CN102288492B

Abstract

本发明属于材料实验技术领域，更确切的说，涉及到一种带原位声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置。首先，解决高温高压水环境条件下进行应力腐蚀测试的装置问题。其次，解决高温高压水环境下声发射信号的传递和采集问题据。该装置包括：提供动态高温高压水环境的高温高压循环水系统、对高压釜内的试样进行恒载拉伸的恒载荷加载装置、控制高温高压循环水系统的控制系统和用来在线监测高压釜内试样的声发射信号声发射监测系统；本发明装置结构简单，使用维护都比较方便且能够较好地满足实验要求，对开展核电材料高温高压水环境中应力腐蚀研究，提高我国核电站关键设备的服役安全性、可靠性和经济性有重要意义。

Description

一种带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置

技术领域

本发明属于材料实验技术领域，更确切的说，涉及到一种带原位声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置。

背景技术

材料在高温高压环境下的应力腐蚀是许多领域所面临的重大问题，如石油、化工、电力等行业。目前我国商用核电站主要采用压水堆，由于压水堆核电站的服役环境为高温高压循环水(280～325℃、8～16MPa)，其压力边界如压力容器、蒸汽发生器、回路管线、热交换器等均承受一定的服役应力，构件材料可能发生严重环境损伤问题，其中应力腐蚀是主要的损伤形式之一，对核电站的安全运行构成很大的潜在威胁。声发射技术作为一种无损检测技术，能够进行连续、原位监测，且对裂纹形成和扩展特别敏感，能够根据声发射信号强弱判断裂纹扩展速率，因此很适合研究应力腐蚀，开展材料在高温高压水环境中应力腐蚀过程的声发射监测研究十分必要。

发明内容

本发明目的在于提供一种带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置。首先解决高温高压水环境条件下进行应力腐蚀测试的装置问题，而恒载荷拉伸实验是开展应力腐蚀研究的有效试验方法之一。其次解决高温高压水环境下声发射信号的传递和采集问题，因为通常声发射探头无法直接放入高温高压水环境中采集数据。

本发明的技术方案如下：

一种带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置，该装置包括：提供动态高温高压水环境的高温高压循环水系统、对高压釜内的试样进行恒载拉伸的恒载荷加载装置、控制高温高压循环水系统的控制系统和用来在线监测高压釜内试样的声发射信号声发射监测系统；

高温高压循环水系统设有储水罐、过滤器、高压泵、预热器、高压釜、冷凝器，高压泵的一端通过管路连接储水罐的出液口，高压泵的另一端通过管路连接高压釜的进水口，高压釜的出水口通过管路连接储水罐，在高压泵与储水罐连通的管路上设置过滤器，在高压泵与高压釜连通的管路上设置预热器，在高压釜与储水罐连通的管路上设置冷凝器、背压阀；

高压釜倒置于支架上，高压釜盖朝下，釜底朝上，高压釜下端的釜盖固定在支架上，高压釜盖的下方设置与高压釜内试样连接的恒载荷加载装置；

恒载荷加载装置设有夹具、水冷加载轴I、转接装置、加载轴II、底盘、砝码，试样夹具固定在高压釜内侧的高压釜盖上，试样固定在夹具上，夹具下方与水冷加载轴I螺纹连接，加载轴I端与转接装置螺纹连接，转接装置下端与加载轴II螺纹连接，加载轴II下方与底盘螺纹连接，砝码为开槽钢板，放置在底盘上；

声发射监测系统主要包括加载轴I、声发射探头、前置放大器、声发射仪，声发射探头固定在加载轴I上，加载轴I把釜内试样的声发射信号传到声发射探头上，声发射探头的后面连接前置放大器、声发射仪，声发射探头将接受到的振动信号转化为电信号，经前置放大器传到声发射仪上。

所述的带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置，在过滤器与储水罐之间的管路上设置手动调节阀，在预热器与高压泵之间的管路上设置高压表和安全阀，在冷凝器与储水罐之间的管路上设置过滤阀、背压阀、流量计和手动调节阀，高压泵的一端连接过滤器，高压泵的另一端连接高压表和安全阀。

所述的带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置，储水罐上端设有一个加液口、两个进气口、一个出气口，两个进气口分别连接氮气罐和氧气罐，出气口连接一个排气装置。

所述的带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置，储水罐的下端有一个出液口和一个排液口，出液口上连有手动调节阀，排液口上有手动调节阀。

所述的带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置，釜盖与支架通过螺栓相连，釜盖下方设有调平螺栓，高压釜的进、出水口设在高压釜盖的侧面，出水口和进水口连接在高压釜盖上。

所述的带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置，高压釜内侧的出水口上连接不锈钢管，不锈钢管伸入高压釜体底部，高压釜外侧的出水口连接压力表和爆破阀，高压釜体与单升降吊臂连接。

所述的带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置，转接装置设有上转接件、下转接件、双向滑块和两个销子，上转接件上端开内螺纹，与加载轴I连接，下端开槽，并在槽侧面打通孔；下转接件上端开槽，并在槽侧面打通孔，下转接件下端开内螺纹，与加载轴II螺纹连接；双向滑块上下各有一个半圆形槽，夹角为90°；连接时将两转接件：上转接件和下转接件开槽端成90°对接，上转接件开槽和下转接件开槽的中间放置双向滑块，上转接件和下转接件的开槽侧面通孔处分别插入销子，插入上转接件的销子与双向滑块的上半圆形槽配合，插入下转接件的销子与双向滑块的下半圆形槽配合，完成连接。

所述的带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置，控制柜内的控制系统连接高压泵、预热器、高压釜，控制系统控制高压泵的开关、预热器的控温、高压釜的控温。

本发明的有益效果是：

1、本发明的高温高压水循环水系统可以控制温度、压力、溶解氧等参数，根据实验要求可以加入特殊离子。

2、本发明的高压泵和背压阀可以精确的调节循环水的压力(0～20MPa)，然后通过预热器和高压釜将水从室温加热到350℃。

3、本发明采用特殊的压力平衡设计，保证拉伸轴在疲劳实验过程中不受高压釜内的压力影响，使实验更加精确。

4、本发明可以在高温高压水环境中对试样进行恒载拉伸试验。通过调节砝码重量可以提供不同大小的恒定载荷。

5、本发明可以通过调平螺栓调平釜盖，通过转接装置使载荷的重心在加载轴I的延长线上，保证试样只受垂直向下的力。

6、本发明的加载轴I同时作为波导杆，简化了装置设计。

7、本发明成本低廉、操作简单、稳定安全。

8、本发明装置结构简单，使用维护都比较方便且能够较好地满足实验要求，对开展核电材料高温高压水环境中应力腐蚀研究，提高我国核电站关键设备的服役安全性、可靠性和经济性有重要意义。

附图说明

图1为整个装置结构图。

图2(a)为恒载荷加载装置结构图。

图2(b)为图2(a)中的转接装置示意图。

图3(a)-(f)为转接装置结构图。其中，图3(a)上转接件主视图；图3(b)上转接件侧视图；图3(c)下转接件主视图；图3(d)下转接件侧视图；

图3(e)双向滑块主视图；图3(f)双向滑块侧视图。

图4为高温高压实验过程原位测得的声发射信号。

图1中，1储水罐；2过滤器；3高压泵；4预热器；5恒载荷加载装置；6支架；7高压釜；8单升降吊臂；9冷凝器；10过滤阀；11背压阀；12流量计；13排气装置；14控制柜；V1、V2、V3为手动调节阀；S1、S2为安全阀；G1、G2为氮气罐和氧气罐；A1声发射探头；A2前置放大器；A3声发射仪。

图2(a)-(b)中，6支架；7高压釜；15夹具；16加载轴I；17转接装置；17.a上转接件；17.b下转接件；17.c双向滑块；18加载轴II；19砝码；20底盘；21试样；22销子；17.a上转接件；17.b下转接件；17.c双向滑块。

图3(a)-(f)中，17.a上转接件；17.b下转接件；17.c双向滑块。

具体实施方式：

如图1所示，本发明提供了一种能在高温高压循环水环境下为材料提供恒载拉伸的试验装置，该装置主要由高温高压循环水系统、恒载荷加载装置、控制系统、声发射监测系统四部分组成。高温高压循环水系统能够提供动态高温高压水环境，恒载荷加载装置对高压釜内的试样进行恒载拉伸，控制系统控制高温高压循环水系统和高压釜，声发射监测系统用来在线监测高压釜内试样的声发射信号，具体结构如下：

高温高压循环水系统主要由储水罐1、过滤器2、高压泵3、预热器4、高压釜7、冷凝器9、过滤阀10、背压阀11、流量计12、排气装置13组成。高压泵3的一端通过管路连接储水罐1的出液口，高压泵3的另一端通过管路连接高压釜7的进水口，高压釜7的出水口通过管路连接储水罐1，在高压泵3与储水罐1连通的管路上设置过滤器2，在高压泵3与高压釜7连通的管路上设置预热器4，在高压釜7与储水罐1连通的管路上设置冷凝器9、背压阀11。

在过滤器2与储水罐1之间的管路上设置手动调节阀V1，在预热器4与高压泵3之间的管路上设置高压表和安全阀S1，在冷凝器9与储水罐1之间的管路上设置过滤阀10、背压阀11、流量计12和手动调节阀V3。储水罐1的水经过过滤器2过滤后进入高压泵3、预热器4，进入高压釜7，从高压釜7流出后进入冷凝器9冷却，经过背压阀11、流量计12最后返回储水罐1。

高温高压循环水系统中有一个100升的有机玻璃储水罐1，储水罐1为这个循环水回路提供水源，试验后的水经过一系列冷却过滤后又重新回到储水罐1，整个高温高压循环水形成一个封闭的回路。储水罐1上端有一个加液口、两个进气口、一个出气口。两个进气口分别连接一个氮气罐G1和一个氧气罐G2，可以调节储水罐1中的气体含量，出气口连接一个排气装置13，可将储水罐1中的空气排出，而又使外界空气无法进入储水罐1。储水罐1的下端有一个出液口和一个排液口。所述的出液口上也有一个手动调节阀V1，用来控制进入循环水回路中溶液的流量，所述的排液口上有一个手动调节阀V2，用来控制是否排出储水罐1中的水。

打开储水罐1下部出液口前面的手动调节阀V1，溶液进入过滤器2，过滤器2可以过滤溶液中的大颗粒杂质。然后溶液进入高压泵3，溶液经预热器4加热后进入高压釜7。高压釜7自身带有加热装置，可对水进行二次加热。水流出高压釜7后进入冷凝器9冷却至室温，经过滤阀10到背压阀11，过滤阀可过滤杂质来保护背压阀11。水经背压阀11后变为常压，经过流量计12最后流回储水罐1。

高压釜7为316不锈钢釜，容积2升，设计温度和压力为350℃、20MPa。为了便于加载，高压釜7倒置于支架6上，即高压釜盖朝下，釜底朝上，高压釜盖的下方设置与高压釜7内试样连接的恒载荷加载装置5，高压釜7下端的釜盖固定在支架6上，釜盖与支架6用螺栓相连，釜盖下方有三个调平螺栓，保证釜盖水平，高压釜7的进、出水口设在高压釜盖的侧面，出水口和进水口连接在高压釜盖上。高压釜7内侧的出水口上连接不锈钢管，不锈钢管伸入高压釜体底部，高压釜外侧的出水口连接压力表和爆破阀。高压釜体与单升降吊臂8连接，通过单升降吊臂8实现升降。

如图2(a)-(b)所示，恒载荷加载装置5包括夹具15、水冷加载轴I16、转接装置17、加载轴II18、底盘20、砝码19。试样夹具15固定在高压釜7内侧的高压釜盖上，试样21固定在夹具上。夹具15下方与水冷加载轴I16螺纹连接，加载轴I16下端与转接装置17螺纹连接，转接装置下端与加载轴II18螺纹连接，加载轴II18下方与底盘20螺纹连接，砝码19为开槽钢板，放置在底盘20上。砝码19大小固定，厚度不同，可以提供不同载荷加载轴I。

如图3(a)-(f)所示，转接装置包括上转接件17.a、下转接件17.b、双向滑块17.c和两个销子22。上转接件17.a上端开内螺纹，与加载轴I16连接，下端开槽，并在槽侧面打通孔。下转接件17.b上端开槽，并在槽侧面打通孔，下转接件17.b下端开内螺纹，与加载轴II18螺纹连接。双向滑块17.c上下各有一个半圆形槽，夹角为90°。连接时将两转接件：上转接件17.a和下转接件17.b开槽端成90°对接，上转接件17.a开槽和下转接件17.b开槽的中间放置双向滑块17.c，上转接件17.a和下转接件17.b的开槽侧面通孔处分别插入销子22，插入上转接件17.a的销子与双向滑块17.c的上半圆形槽配合，插入下转接件17.b的销子与双向滑块17.c的下半圆形槽配合，完成连接。通过转接装置使载荷的重心在加载轴I的延长线上，保证试样只受垂直向下的力。

控制柜14内的控制系统连接高压泵3、预热器4、高压釜7，控制柜14内的控制系统可以控制高压泵3的开关、预热器4的控温、高压釜7的控温，并能提供过温过压等安全保护。

声发射监测系统主要包括加载轴I16、声发射探头A1、前置放大器A2、声发射仪A3。声发射探头A1固定在波导杆即加载轴I16上，加载轴I把釜内试样的声发射信号传到声发射探头A1上，声发射探头A1的后面连接前置放大器A2、声发射仪A3。声发射探头A1将接受到的振动信号转化为电信号，经前置放大器A2传到声发射仪A3上。加载轴I 16作为波导杆，既可以保证声波的导通性，又简化了设备。

运行这套带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置，包括如下步骤：

1、储水罐1注水。关闭手动调节阀V1、V2，打开储水罐1上面的加液口，注入实验用水，当水位到达储水罐1高度约三分之二时，注水完毕。

2、装试样。通过单升降吊臂8使高压釜体上移，分开高压釜体和釜盖后，将试样放入夹具15中，并使用销子22连接。

3、拧紧高压釜。装完试样后，通过单升降吊臂8使釜体下移放使高压釜体和釜盖充分结合，然后拧紧高压釜7下面的主螺栓，使高压釜7完全密封。

4、试样加载，根据实验需要在底盘20上放置不同重量的砝码19。

5、连接声发射装置。将声发射探头A1固定在波导杆即加载轴I16上，声发射探头A1的后面连接前置放大器A2和声发射仪A3。

6、通循环水。打开手动调节阀V1，使储水罐1与回路接通，打开高温高压循环水控制柜14，打开高压泵3的开关按钮，将储水罐1的水送入回路。

7、循环水升压。当循环水开始流回储水罐1时，向右缓慢拧紧背压阀11，此时压力逐渐上升，直到达到实验压力。

8、循环水加热。加热前打开冷凝器9和加载轴I 16水冷套的自来水开关，设定实验温度，然后开启控制柜14上的预热器4和高压釜7控温按钮，此时釜内的温度逐渐上升，直到温度稳定。

9、停止实验。当实验时间达到设定的条件后，然后关闭控制柜14上的预热器4和高压釜7的加热开关，此时釜内温度逐渐降低，当到达室温后，向左调节背压阀11，使压力降低为零，关闭高压泵3，使水停止循环，然后关闭冷凝器9和水冷装置的自来水，将砝码19卸下，实验结束。

实施例：

国产核级304不锈钢在300℃、10MPa、溶解氧(DO)饱和的高温高压循环水中的恒载拉伸试验。

实验材料为国产核级304不锈钢，试样加工成紧凑拉伸试样，试样宽度W＝20mm，试样厚度B＝10mm，向储水罐中注入纯水。把试样固定在夹具上，拧紧高压釜，在底盘上放置350kg砝码。将声发射探头固定在波导杆即加载轴I上，开动高温高压循环水控制柜，启动高压泵。等水流回储水罐时，然后调节背压阀，使压力恒定为10MPa，预热器温度设定为300℃，高压釜温度设定为300℃，启动加热开关，打开声发射软件，设置门槛值为25dB，开始监测声发射信号。实验进行60000s后停止加热，开始降温。当釜内温度降至室温时，停止监测声发射信号。图4为整个过程的累计撞击数，从图中可以看出，升温降温时的声发射信号明显多于恒温过程，这可能由于温度变化引起材料热胀冷缩，产生多余的声发射信号。整个实验过程中系统运行稳定，没有出现泄露问题。

Claims

1.一种带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置，其特征在于，该装置包括：提供动态高温高压水环境的高温高压循环水系统、对高压釜内的试样进行恒载拉伸的恒载荷加载装置、控制高温高压循环水系统的控制系统和用来在线监测高压釜内试样的声发射信号声发射监测系统；

2.按照权利要求1所述的带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置，其特征在于，在过滤器与储水罐之间的管路上设置手动调节阀，在预热器与高压泵之间的管路上设置高压表和安全阀，在冷凝器与储水罐之间的管路上设置过滤阀、背压阀、流量计和手动调节阀，高压泵的一端连接过滤器，高压泵的另一端连接高压表和安全阀。

3.按照权利要求1所述的带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置，其特征在于，储水罐上端设有一个加液口、两个进气口、一个出气口，两个进气口分别连接氮气罐和氧气罐，出气口连接一个排气装置。

4.按照权利要求1所述的带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置，其特征在于，储水罐的下端有一个出液口和一个排液口，出液口上连有手动调节阀，排液口上有手动调节阀。

5.按照权利要求1所述的带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置，其特征在于，釜盖与支架通过螺栓相连，釜盖下方设有调平螺栓，高压釜的进、出水口设在高压釜盖的侧面，出水口和进水口连接在高压釜盖上。

6.按照权利要求1所述的带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置，其特征在于，高压釜内侧的出水口上连接不锈钢管，不锈钢管伸入高压釜体底部，高压釜外侧的出水口连接压力表和爆破阀，高压釜体与单升降吊臂连接。

7.按照权利要求1所述的带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置，其特征在于，转接装置设有上转接件、下转接件、双向滑块和两个销子，上转接件上端开内螺纹，与加载轴I连接，下端开槽，并在槽侧面打通孔；下转接件上端开槽，并在槽侧面打通孔，下转接件下端开内螺纹，与加载轴II螺纹连接；双向滑块上下各有一个半圆形槽，夹角为90°；连接时将两转接件：上转接件和下转接件开槽端成90°对接，上转接件开槽和下转接件开槽的中间放置双向滑块，上转接件和下转接件的开槽侧面通孔处分别插入销子，插入上转接件的销子与双向滑块的上半圆形槽配合，插入下转接件的销子与双向滑块的下半圆形槽配合，完成连接。

8.按照权利要求1所述的带声发射测试的高温高压循环水恒载拉伸实验装置，其特征在于，控制柜内的控制系统连接高压泵、预热器、高压釜，控制系统控制高压泵的开关、预热器的控温、高压釜的控温。