CN102288504B - 一种高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及划伤及腐蚀磨损试验装置，具体为一种高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，解决现有技术中高温高压环境下难以实现原位单次划伤和往复多次的腐蚀磨损、试样的绝缘和信号线的引出等问题。该装置设有：变频器、电机、高压釜、控制箱、双立柱固定支架、运动轴、划头等，能实现高温高压下对试样表面进行原位单次划伤和往复多次的腐蚀磨损研究，并可通过安装在高压釜上的高温高压参比电极和高温高压工作、辅助电极配合电化学工作站将划伤或腐蚀磨损过程中试样表面膜由发生破坏到再钝化这一过程的信号检测出来。

Description

一种高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置

技术领域

本发明涉及划伤及腐蚀磨损试验装置，具体为一种高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置。

背景技术

依赖表面形成致密钝化膜而具有腐蚀抗力的耐蚀合金，当局部表面的钝化膜因机械破坏露出新鲜表面时，则会加剧新鲜表面腐蚀的发生，从而在该位置形成新的钝化膜，且再钝化的发生依赖材料本身和环境因素的共同作用。因此，金属材料在特定环境中的再钝化能力对于表征材料的耐腐蚀性能具有重要作用。

目前，材料再钝化能力的表征主要通过划伤电极法来实现，温度和压力主要集中在室温、常压。溶液中腐蚀磨损方面的研究也多限于常压。然而，对于核电和火电等高温高压环境中使用的耐蚀材料，其再钝化能力及腐蚀磨损行为的原位表征尚缺乏有效的手段。其主要原因就是高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置复杂，不仅要实现高温高压下材料表面钝化膜的原位破坏，还要考虑到高温高压下试样和金属容器的绝缘以及信号线的引出等一系列问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，解决现有技术中高温高压下原位划伤及腐蚀磨损难以实现、高温高压环境中绝缘困难等问题。

本发明的技术方案如下：

一种高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，该装置设有：高温工作电极、高温辅助电极、高温参比电极、高压釜盖、高压釜体、加热炉、支架、划头、内磁钢、电机、外磁钢，具体结构如下：

高压釜体和高压釜盖构成高压釜，高压釜盖设置于高压釜体上，高压釜体和高压釜盖连接；高压釜盖上设置高温工作/辅助电极座和高温参比电极，高压釜体内设置辅助电极、划头、工作电极，辅助电极和工作电极分别通过导线穿过高温工作/辅助电极座，高温参比电极的高温参比电极导液管伸至高压釜体内；

内磁钢和外磁钢内外设置，内磁钢和外磁钢之间非直接接触，电机通过偏心轮连杆机构连接外磁钢，内磁钢下部连有上下运动轴；上下运动轴一端连接内磁钢，另一端穿过高压釜体内的底座，上下运动轴上装有划头，试样固定槽设置于底座上；

高压釜体的外侧设置加热炉，支架为双立柱支架，支架上的两个立柱：立柱I和立柱II平行设置于高压釜盖、高压釜体、加热炉的两侧，立柱I上设置滑块II、高压釜盖固定块，立柱II上设置滑块I、高压釜盖固定块、电机固定块，滑块I连有加热炉，滑块II连有高压釜体，高压釜盖固定块、高压釜盖固定块对称设置，连接于高压釜盖的两侧。

所述的高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，还包括控制箱，控制箱内设置变频器开关、加热电源开关、加热电压调节器、压力显示器、温度控制器和变频器，变频器开关与变频器连接，变频器通过导线连接电机；加热电源开关与加热电压调节器连接，加热电压调节器与温度控制器连接，压力显示器和温度控制器连至内部继电器，内部继电器通过导线连接加热炉的炉丝，形成超温断电加热结构和超压断电加热结构。

所述的高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，各个滑块与立柱之间采用螺母丝杠的调节机构，立柱I和立柱II的顶部设置手动升降盘，分别通过调节手动升降盘使滑块I和滑块II沿着两个立柱上下运动。

所述的高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，内磁钢外表面焊有一层不锈钢，内磁钢、外磁钢上下端均设有陶瓷润滑，底座中心孔内装有陶瓷，底座和上下运动轴的下部分通过陶瓷润滑。

所述的高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，上下运动轴分段连接，上下运动轴的轴套外部通有冷却水套，冷却水进口通过管路依次经高温参比电极、冷却水套和高温工作/辅助电极座连至冷却水出口。

所述的高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，高压釜盖上插装有高压釜导液管，高压釜导液管上装有液相阀，高压釜气相口分三路，分别连接压力表、安全阀、压力传感器，在高压釜气相口上设有气相阀。

所述的高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，辅助电极通过外部套有聚四氟乙烯热缩管的铂丝作为导线点焊在铂片后面，工作电极通过外部套有聚四氟乙烯热缩管的纯镍丝或不锈钢丝作为导线点焊在金属试样上；高温工作/辅助电极座中有四个孔，辅助电极上的导线和工作电极上的导线从高温工作/辅助电极座中引出。

所述的高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，还设有电化学工作站，电化学工作站上的工作电极、辅助电极和参比电极的引线夹头分别与高温工作电极导线、高温辅助电极导线和高温参比电极导线连接。

所述的高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，底座上开有底座固定螺栓孔，螺栓通过底座固定螺栓孔固定底座于高压釜盖上。

所述的高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，划头后部设有弹簧，在划头侧面设置划头固定螺栓，试样固定在试样固定槽中，在试样背部设有试样紧固螺栓于试样固定槽上，试样和固定试样的装置之间采用绝缘结构。

本发明的有益效果是：

1、本发明装置能实现试样在高温高压下原位的单次划伤和往复多次的腐蚀磨损研究，并通过使试样和装置间绝缘，利用安装在高压釜上的高温高压参比电极和高温高压工作、辅助电极配合电化学工作站将划伤或腐蚀磨损过程中试样表面膜由发生破坏到再钝化这一过程的信号检测出来。

2、本发明通过变频器精确控制电机转速，进而控制内外磁钢和划头的运动速度，具有控制精度高的特点。

3、本发明通过调节偏心轮连杆机构偏离电机中心转轴的距离来实现内外磁钢往复运动的行程。

4、本发明通过在划头后部设置弹簧，可以通过调节划头和试样之间的距离来控制划头划过试样表面时的力度大小，且保证划头在划过试样表面时的压力恒定。

5、本发明通过更换不同角度的划头和调节划头和试样间的距离，可以产生不同宽度和不同深度的划痕。

6、本发明内外磁钢之间通过非机械接触传动方式，有效地解决了动密封的问题，具有安全、高效的特点。

7、本发明中的划轴通过分段连接，易于拆卸和维护。

8、通过在控制部分分别设置超温自动断电和超压自动断电，使该装置在工作时更加安全可靠。

附图说明

图1为高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置结构示意图。

图中，1冷却水出口；2高温工作/辅助电极座；3液相阀；4高压釜盖；5高压釜体；6加热炉；7炉丝；8支架；9辅助电极；10硬质合金划头；11工作电极；12变频器开关；13加热电源开关；14加热电压调节器；15压力显示器；16温度控制器；17变频器；18气相阀；19冷却水进口；20高温参比电极；21压力表；22安全阀；23手动升降盘；24压力传感器；25内磁钢；26电机；27外磁钢；28控制箱；29试样固定槽；30轴套；31上下运动轴；32冷却水套；33底座；34高压釜导液管；35高温参比电极导液管；36立柱I；37立柱II；38滑块I；39滑块II；40高压釜盖固定块；41高压釜盖固定块；42电机固定块；43高压釜气相口。

图2为图1中高压釜体内部结构示意图。图中，5高压釜体；29试样固定槽；31上下运动轴；33底座；44试样；45划头固定螺栓；46底座固定螺栓孔；47弹簧；48聚四氟乙烯槽；49试样紧固螺栓。

具体实施方式

如图1所示，本发明高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置设有：冷却水出口1、高温工作/辅助电极座2、液相阀3、高压釜盖4、高压釜体5、加热炉6、炉丝7、支架8、辅助电极9、硬质合金划头10、工作电极11、变频器开关12、加热电源开关13、加热电压调节器14、压力显示器15、温度控制器16、变频器17、气相阀18、冷却水进口19、高温参比电极20、压力表21、安全阀22、手动升降盘23、压力传感器24、内磁钢25、电机26、外磁钢27和控制箱28等，具体结构如下：

高压釜由高压釜体5和高压釜盖4构成，高压釜盖4设置于高压釜体5上，高压釜体5和高压釜盖4通过螺栓连接。高压釜盖4上设置高温工作/辅助电极座2和高温参比电极20，高压釜体5内设置辅助电极9、硬质合金划头10、工作电极11，辅助电极9和工作电极11分别通过导线穿过高温工作/辅助电极座2，高温参比电极20的高温参比电极导液管35伸至高压釜体5内。

内磁钢25和外磁钢27内外设置，变频器17的输出端连接电机26，通过变频器17控制电机26运转，电机26通过偏心轮连杆机构连接外磁钢27，电机26带动偏心轮连杆机构运动，从而实现外磁钢27沿轴向的上下运动。内磁钢25外表面焊有一层不锈钢，防止内磁钢25与高压釜内气相相接触，内磁钢25下部连有上下运动轴31，上下运动轴31外部设有冷却水套32，上下运动轴31通过分段连接，易于拆卸和维护。上下运动轴31一端通过螺纹连接内磁钢25，另一端穿过高压釜体5内的底座33，上下运动轴31上装有硬质合金划头10，试样固定槽29设置于底座33上。

本发明可以通过调节偏心轮连杆机构偏离电机中心转轴的距离，来调节内外磁钢以及划头运动的行程。内磁钢25、外磁钢27上下端均设有陶瓷润滑，底座33中心孔内装有陶瓷，便于和上下运动轴31的下部分通过陶瓷润滑。硬质合金划头10上下移动是通过内外磁钢之间产生磁力进行控制，内外磁钢之间非直接接触。上下运动轴31的轴套30外部通有冷却水套32，可有效防止温度过高，磁钢消磁。外磁钢27在轴套30外部随着电机转动带动偏心轮上下运动，内磁钢25则随着外磁钢27在轴套30内部上下运动。

高压釜盖4上插装有高压釜导液管34，高压釜导液管34上装有液相阀3，高压釜气相口43分三路，分别连接压力表21、安全阀22、压力传感器24，在高压釜气相口43上设有气相阀18。

冷却水进口19通过管路依次经高温参比电极20、冷却水套32和高温工作/辅助电极座2连至冷却水出口1。

高压釜体5的外侧设置加热炉6，加热炉6内设置炉丝7。支架8为双立柱支架，支架8上的两个立柱：立柱I36和立柱II37平行设置于高压釜盖4、高压釜体5、加热炉6的两侧，立柱I36上设置滑块II39、高压釜盖固定块40，立柱II37上设置滑块I38、高压釜盖固定块41、电机固定块42，滑块I38连有加热炉6，滑块II39连有高压釜体5，高压釜盖固定块40、高压釜盖固定块41对称设置，连接于高压釜盖4的两侧。各个滑块与立柱之间采用螺母丝杠的调节机构，立柱I36和立柱II37的顶部设置手动升降盘23，可分别通过调节手动升降盘23使滑块I38和滑块II39沿着两个立柱上下运动。

控制箱28内设置变频器开关12、加热电源开关13、加热电压调节器14、压力显示器15、温度控制器16和变频器17，变频器开关12与变频器17连接，变频器开关12用于控制变频器17的启闭，变频器17通过导线连接电机26，硬质合金划头10在划伤试样29表面时的运动速度可由变频器精确控制；加热电源开关13与加热电压调节器14连接，加热电压调节器14与温度控制器16连接，压力显示器15和温度控制器16连至内部继电器，内部继电器通过导线连接炉丝7，形成超温断电加热结构和超压断电加热结构。本发明装置的最高工作温度可以达到350℃，最大工作压力可以达到20MPa。

本发明中，高温工作/辅助电极座2的作用是通过该电极座可以将高压釜中的导线引出，并保证绝缘和密封。其中的高温辅助电极9用外部一根套有聚四氟乙烯热缩管的铂丝作为导线点焊在铂片后面制成，高温工作电极11用外部一根套有聚四氟乙烯热缩管的纯镍丝或不锈钢丝作为导线点焊在金属试样上制成。高温工作/辅助电极座2中有四个孔，可以同时将高温辅助电极上的导线和高温工作电极上的导线引出，因此称为高温工作/辅助电极座。高温参比电极20采用Ag/AgCl电极。

本发明中，通过变频器17、电机26、高压釜、控制箱28、双立柱固定支架8、运动轴、硬质合金划头10等，能实现高温高压下对试样表面进行原位单次划伤和往复多次的腐蚀磨损研究，并可通过安装在高压釜上的高温高压参比电极和高温高压工作、辅助电极配合电化学工作站，将划伤或腐蚀磨损过程中试样表面膜由发生破坏到再钝化这一过程的信号检测出来。

本发明中，将电化学工作站上的工作电极、辅助电极和参比电极的引线夹头分别与高温工作电极11导线、高温辅助电极9导线和高温参比电极20导线连接即可。通过设置计算机中电化学工作站的程序参数，即可将腐蚀过程中产生的信号检测出来。

如图2所示，高压釜体5内设置底座33，底座33上开有底座固定螺栓孔46，螺栓通过底座固定螺栓孔46固定底座33于高压釜盖4上(图1)。硬质合金划头10后部设有弹簧47，可以通过弹簧47调节硬质合金划头10和试样44之间的接触正应力，在硬质合金划头10侧面设置划头固定螺栓45，可以通过划头固定螺栓45固定硬质合金划头10和试样44之间的距离，来控制硬质合金划头10划过试样44表面时的力度大小，且保证硬质合金划头10在划过试样44表面时压力恒定。尺寸为10mm×10mm×2mm的试样44固定在试样固定槽29(燕尾槽)中，在试样44背部设有试样紧固螺栓49于试样固定槽29上，上下移动硬质合金划头10来实现试样44表面的划伤，硬质合金划头10可以采用硬质合金YG8、氧化铝或金刚石等加工而成。在试样44和试样固定槽29之间设有聚四氟乙烯槽48或表面带有氧化膜的Zr4合金槽，试样44和固定试样的装置之间是绝缘的。

本发明高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置的工作过程如下：

1、将纯镍丝或不锈钢丝外表面套一层聚四氟乙烯热缩管，用热风枪热缩后作为导线焊接在试样表面；

2、将试样安装在设有聚四氟乙烯的试样固定槽中，并将试样背部的螺栓拧紧；

3、将辅助电极安装在高压釜中，并保持与试样正对；

4、将高温参比电极安装在高压釜中，并保持高温参比电极上部的出液口打开；

5、设定变频器参数，调节划头和试样的距离及划头背部的弹簧，保证划头的在滑动的过程中能与试样接触，且不会触及辅助电极；

6、往高压釜中加入体积为高压釜容积1/2到2/3的溶液，溶液可以根据实际工作环境选择，如模拟核电站一回路含硼酸和氢氧化锂的水溶液等，并保证试样、辅助电极和高温参比电极导液管35的下端能完全浸没在溶液中；

7、调节手动升降盘，将高压釜体和加热炉依次调节到合适的高度，拧紧高压釜盖上的螺栓；

8、根据实验需要往高压釜液相口向釜中通入氮气除氧，然后从气相阀中排出。除气结束后，将液相阀和气相阀依次关闭；

9、设定温度控制器上的目标温度、超温自动断电的温度上限、加热调节电压以及超压自动断电的压力上限等参数；

10、打开冷却水开关，往冷却水进口处通入冷却水；

11、打开加热电源开关，待高温参比电极出液口连续出水后，将出液口处阀门拧紧关闭；

12、再钝化行为研究和腐蚀磨损行为研究

①再钝化行为研究：待温度达到设定值，并趋于稳定后，根据试验需要利用恒电位仪给试样上加一恒电位，使其处于钝化状态。稳定30min后，打开变频器开关，使划头划过试样表面，表面钝化膜发生破坏，并快速生成新的钝化膜。单次划伤完成后关闭变频器开关。通过电化学工作站快速采集和记录该过程中引起的电流变化，便可获知材料的再钝化能力。

②腐蚀磨损行为研究：待温度达到设定值，并趋于稳定后，根据试验需要利用恒电位仪给试样上加一恒电位，使其处于钝化状态。稳定30min后，打开变频器开关，使划头往复划过试样表面，表面钝化膜重复发生破坏和再钝化。通过电化学工作站快速采集和记录该过程中引起的电流变化，便可得知与该过程相关的腐蚀磨损信息。

Claims (10)

1.一种高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，其特征在于：该装置设有：高温工作电极、高温辅助电极、高温参比电极、高压釜盖、高压釜体、加热炉、支架、划头、内磁钢、电机、外磁钢，具体结构如下：

高压釜体和高压釜盖构成高压釜，高压釜盖设置于高压釜体上，高压釜体和高压釜盖连接；高压釜盖上设置高温工作/辅助电极座和高温参比电极，高压釜体内设置辅助电极、划头、工作电极，辅助电极和工作电极分别通过导线穿过高温工作/辅助电极座，高温参比电极的高温参比电极导液管伸至高压釜体内；

内磁钢和外磁钢内外设置，内磁钢和外磁钢之间非直接接触，电机通过偏心轮连杆机构连接外磁钢，内磁钢下部连有上下运动轴；上下运动轴一端连接内磁钢，另一端穿过高压釜体内的底座，上下运动轴上装有划头，试样固定槽设置于底座上；

高压釜体的外侧设置加热炉，支架为双立柱支架，支架上的两个立柱：立柱Ⅰ和立柱Ⅱ平行设置于高压釜盖、高压釜体、加热炉的两侧，立柱Ⅰ上设置滑块Ⅱ、高压釜盖固定块，立柱Ⅱ上设置滑块Ⅰ、高压釜盖固定块、电机固定块，滑块Ⅰ连有加热炉，滑块Ⅱ连有高压釜体，高压釜盖固定块、高压釜盖固定块对称设置，连接于高压釜盖的两侧。

2.按照权利要求1所述的高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，其特征在于：还包括控制箱，控制箱内设置变频器开关、加热电源开关、加热电压调节器、压力显示器、温度控制器和变频器，变频器开关与变频器连接，变频器通过导线连接电机；加热电源开关与加热电压调节器连接，加热电压调节器与温度控制器连接，压力显示器和温度控制器连至内部继电器，内部继电器通过导线连接加热炉的炉丝，形成超温断电加热结构和超压断电加热结构。

3.按照权利要求1所述的高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，其特征在于：各个滑块与立柱之间采用螺母丝杠的调节机构，立柱Ⅰ和立柱Ⅱ的顶部设置手动升降盘，分别通过调节手动升降盘使滑块Ⅱ和滑块Ⅰ沿着两个立柱上下运动。

4.按照权利要求1所述的高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，其特征在于：内磁钢外表面焊有一层不锈钢，内磁钢、外磁钢上下端均设有陶瓷润滑，底座中心孔内装有陶瓷，底座和上下运动轴的下部分通过陶瓷润滑。

5.按照权利要求1所述的高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，其特征在于：上下运动轴分段连接，上下运动轴的轴套外部通有冷却水套，冷却水进口通过管路依次经高温参比电极、冷却水套和高温工作/辅助电极座连至冷却水出口。

6.按照权利要求1所述的高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，其特征在于：高压釜盖上插装有高压釜导液管，高压釜导液管上装有液相阀，高压釜气相口分三路，分别连接压力表、安全阀、压力传感器，在高压釜气相口上设有气相阀。

7.按照权利要求1所述的高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，其特征在于：高温辅助电极通过外部套有聚四氟乙烯热缩管的铂丝作为导线点焊在铂片后面，高温工作电极通过外部套有聚四氟乙烯热缩管的纯镍丝或不锈钢丝作为导线点焊在金属试样上；高温工作/辅助电极座中有四个孔，高温辅助电极上的导线和高温工作电极上的导线从高温工作/辅助电极座中引出。

8.按照权利要求1所述的高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，其特征在于：还设有电化学工作站，电化学工作站上的工作电极、辅助电极和参比电极的引线夹头分别与高温工作电极导线、高温辅助电极导线和高温参比电极导线连接。

9.按照权利要求1所述的高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，其特征在于：底座上开有底座固定螺栓孔，螺栓通过底座固定螺栓孔固定底座于高压釜盖上。

10.按照权利要求1所述的高温高压原位划伤及腐蚀磨损试验装置，其特征在于：划头后部设有弹簧，在划头侧面设置划头固定螺栓，试样固定在试样固定槽中，在试样背部设有试样紧固螺栓于试样固定槽上，试样和固定试样的装置之间采用绝缘结构。

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