CN102818731B

CN102818731B - 一种低温拉伸试验的低温试验系统

Info

Publication number: CN102818731B
Application number: CN201110156277.XA
Authority: CN
Inventors: 熊庆人; 霍春勇; 赵文轸; 孙良; 吉玲康
Original assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Tubular Goods Research Institute
Current assignee: China National Petroleum Corp; CNPC Tubular Goods Research Institute
Priority date: 2011-06-10
Filing date: 2011-06-10
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2031-06-10
Also published as: CN102818731A

Abstract

本发明涉及到一种低温拉伸试验的低温试验系统，氮气瓶连接管通过气流控制阀通入液氮储罐的底部，液氮储罐通过低温风道分别与预冷室和拉伸工作室联通，两组网状加热器垂直位于低温风道分叉前的风道中，3个控温探头分别设置在两组网状加热器中及两侧的低温风道中，2个控温探头分别设置在预冷室和拉伸工作室内；拉伸工作室底部和侧壁填置有高真空绝热材料，在上盖板和底部配有上夹头和下夹头，分别与拉伸机的上夹头和下两个夹头连接配合，低温拉伸工作室的上下两个夹头选用调质处理后中碳钢，低温箱内壁，选用9Ni钢，内径与棒状试样相配合；能够保证在低温拉伸工作室中获得-100℃--196℃的稳定工作区间。

Description

一种低温拉伸试验的低温试验系统

技术领域

本发明涉及一种在常压下能够在工作温度为-100℃--196℃的范围内调节温度的低温拉伸试验系统，用于在一定的低温下进行金属棒状试样的拉伸。

背景技术

在现有的技术中，0℃至-100℃的温度控制可以通过酒精与液氮的混合溶液获得。而要实现-100℃--196℃温度范围内，最方便经济的方法就是利用常压液氮的低温和气化潜热。例如：通过小型步进电机，调节样品在液氮容器上方低温空间内的位置使样品达到要求的低温。这种方法调节比较灵活方便，其缺点是液氮容器敞开，耗液量大，能够承受的样品质量小，不能实现长时间的大量样品的保存和试验等。另外，可以通过腔内的快速降温，但是主要问题是控制液氮喷射的低温电磁阀价格较贵，并且使用中容易失灵；温度测量滞后较严重；通过喷射这种脉冲动作，在一段时间内保持某一恒定温度区间较为困难；液氮消耗量大等。随着医学和科技水平的不断提高，对低温恒温箱的温度调节范围和恒温控制精度要求也更加高。上述方法难以满足样品数量大、温度稳定度好、恒定时间长等要求。专利号为722154.6的使用新型专利“液氮气体浴低温处理装置”是利用低温处理箱中液氮蒸发出的低温氮气浴冷却金属零件。该处理装置，温度可以达到-196℃附近。主要缺点是处理箱内的温度不能调节，以及采用普通绝热材料层，液氮损耗较大^【1】。专利号为00127813.4的发明专利“低损耗液氮低温箱”是由液氮贮槽、可调距传热腔、样品腔、玻璃钢调距螺杆、高真空多层绝热材料、玻璃钢支承、液位计及测温装置等组成。通过调节传热腔的传热间距，即样品腔下表面与液氮贮槽间的距离，改变样品腔内的温度。另外，液氮贮槽中的低温氮气，可根据样品腔内降温速率及温度分布需要，喷入样品腔或排空。这项发明的特点是样品腔内温度在-150℃至-190℃内调节，能够进行温度控制，且在低温箱内填充了高真空多层绝热材料，液氮的消耗量不大。但是，与本发明相比存在温度调节区间小，温度控制不灵敏等缺点。

在材料强度领域广泛采用的五大性能指标中，有四个(σ_s、σ_b、δ、φ)是通过光滑试样的拉伸试验来获得，其中屈服点σ_s除了用于设计计算外，对于理论研究也有很大用处。而材料在低温下的力学性能的测试，由于试验设备，条件的限制一直不能获得良好的数据资料。

目前，由于传统的技术多为利用液氮等一些液态的安全气体作为低温介质。液氮温度大概在零下196℃，而如要获得零下100℃左右的温度，就需要液氮与其他室温溶液配比，来获得合适的温度。但是零下140至液氮温度附近区间是一个盲区，目前可以选用石油醚与液氮进行配比获得此区间的温度，但是由于石油醚的高危险性，所以一般不建议使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种低温拉伸试验的低温试验系统，利用液氮所产生的低温氮气的低温风洞原理来控制整个系统的温度，具有精确，安全，高效的特点。

本发明所述的一种低温拉伸试验的低温试验系统，工作温度为-100℃--196℃，其特征在于：整个系统分为六大部分：(a)低温气体发生装置，由液氮储罐与氮气瓶组成；(b)气体控温系统，由两组网状加热器组成；(c)测温系统，由5个控温探头组成；(d)低温风道；(e)预冷室；(f)拉伸工作室；氮气瓶出口的连接管通过气流控制阀通入液氮储罐的底部，液氮储罐的出口通过低温风道分别与预冷室和拉伸工作室联通，两组网状加热器垂直位于低温风道分叉前的风道中，3个控温探头分别设置在两组网状加热器中及两侧的低温风道中，2个控温探头分别设置在预冷室和拉伸工作室内；拉伸工作室是一个筒体式结构，底部和侧壁填置有高真空绝热材料，在上盖板和底部配有上夹头和下夹头，分别与拉伸机的上夹头和下两个夹头连接配合，低温拉伸工作室的的上下两个夹头选用调质处理后中碳钢，低温箱内壁，选用9Ni钢，内径与棒状试样相配合。

整个发明的原则就是：(1)能够保证对温度的精确控制；(2)保证整个系统具有良好的绝热性能，否则无法保证低温试验的进行。

发明的效果

本发明最直接的效果就是能够利用本低温系统进行低温拉伸试验。在绝热性能良好的情况下，考虑整个系统的一定热量损失，能够保证在低温拉伸工作室中获得-100℃--196℃的稳定工作区间。

附图说明

图1低温拉伸系统简图。

其中：1，氮气瓶，2，液氮储罐，3，低温风道，4-1，网状加热器，4-2，网状加热器，5，预冷室，6，拉伸工作室，7，气流控制阀，8，高真空绝热材料，9，上夹头，10，棒状试样，11，下夹头，12-1，控温探头，12-2，控温探头，12-3，控温探头，12-4，控温探头，12-5，控温探头，13，上盖板，14，低温箱内壁。

具体实施方式

整个系统如图1中所示：(a)低温气体发生装置，由液氮储罐与氮气瓶组成；(b)气体控温系统，由两组网状加热器组成；(c)测温系统，由5个控温探头组成；(d)低温风道；(e)预冷室；(f)拉伸工作室；氮气瓶1出口的连接管通过气流控制阀7通入液氮储罐2的底部，液氮储罐的出口通过低温风道3分别与预冷室5和拉伸工作室6联通，两组网状加热器4-1、4-2垂直位于低温风道分叉前的风道中，3个控温探头12-1、12-2、12-3分别设置在两组网状加热器中及两侧的低温风道中，2个控温探头12-4、12-5分别设置在预冷室和拉伸工作室内；拉伸工作室是筒体式结构，底部和侧壁填置有高真空绝热材料8，在上盖板13和底部配有上夹头9和下夹头11，分别与拉伸机的上夹头和下两个夹头连接配合，低温拉伸工作室的的上下两个夹头选用调质处理后中碳钢，低温箱内壁14，选用9Ni钢，内径与棒状试样10相配合。

首先，打开气流控压阀7，控制氮气的压力使得室温温度的氮气以合理的流量从氮气瓶1通入液氮储罐2的底部。合理的控制氮气流量，会使得液氮储罐中的液氮以气态形式沿着低温风道3从液氮储罐中流出。从液氮储罐中流出的氮气首先经过控温探头12-1，测得相应的气体温度T1。然后经过第一道网状加热器4-1，并通过控温探头12-2，测得气体温度T2。低温气体继续经过第二道网状加热器4-2，并通过控温探头12-3，测得气体温度T3。随后T3温度的气体分为两路，一路进入预冷室，5，一路进入拉伸工作室6中。在预冷室与拉伸工作室中，分别还有两个测温探头12-4、12-5，测得的预冷室的温度为T4和拉伸工作室的温度为T5。

低温拉伸工作室的的上下两个夹头9，11，可选用中碳钢调质处理后使用。低温箱内壁14，选用液氮储罐常用材料9Ni钢制造，内径不宜太大，应与棒状试样10配合为宜。因为太大的内径会导致温度不易稳定而且会增大液氮的消耗量。

具体实施例，进行-150℃的试样拉伸试验。打开氮气控压阀向液氮储罐中通入常温氮气，调节两道网状加热器至合适功率(具体调节方法主要参考测温探头温度的测量)。测得T1温度为-193℃，T2温度为-175℃，T3温度为-158℃，T4温度为 -153℃，T5温度为-149℃～-151℃范围内波动。本系统主要以T5温度为主控温度，其他探头温度，以T5温度为主。其中，由于T4温度为预冷室温度，没有具体严格的限制，允许有一定上下浮动。

关于装夹：随着整个系统温度趋于稳定，用特制卡钳将已经预冷过的一个试样从预冷室中取出，首先装配到9上夹头上，打开13低温拉伸工作室的上盖板，拿着上夹头连同试样装夹到11下夹头上。盖好13上盖板。然后再将上下夹头分别装配到拉伸机的夹头上。观察测温探头12-5，当T5温度处于-149℃～-151℃范围内波动的动态稳定时，可立即开始拉伸试验。

关于卸夹：试样在断裂后分为两部分。首先，卸去上夹头与其连同的前一半试样。然后，打开上盖板，利用特制的钳子拧下另一半试样。然后重复之前的步骤继续做下一组试样。

Claims

1.一种低温拉伸试验的低温试验系统，工作温度为-100℃～-196℃，其特征在于：整个系统分为六大部分：(a)低温气体发生装置，由液氮储罐与氮气瓶组成；(b)气体控温系统，由两组网状加热器组成；(c)测温系统，由5个控温探头组成；(d)低温风道；(e)预冷室；(f)拉伸工作室；氮气瓶出口的连接管通过气流控制阀通入液氮储罐的底部，液氮储罐的出口通过低温风道分别与预冷室和拉伸工作室联通，两组网状加热器垂直位于低温风道分叉前的风道中，3个控温探头分别设置在两组网状加热器中及两侧的低温风道中，2个控温探头分别设置在预冷室和拉伸工作室内；拉伸工作室是一个筒体式结构，底部和侧壁填置有高真空绝热材料，在上盖板和底部配有上夹头和下夹头，分别与拉伸机的上夹头和下夹头连接配合，拉伸工作室的上夹头和下夹头选用调质处理后中碳钢，拉伸工作室内壁，选用9Ni钢，内径与棒状试样相配合。

2.一种低温拉伸试验的方法，其特征在于：根据权利要求1所述的低温试验系统，首先，打开气流控制阀（7），控制氮气的压力使室温温度的氮气以合理的流量从氮气瓶（1）通入液氮储罐（2）的底部，液氮储罐中的液氮以气态形式沿着低温风道（3）从液氮储罐中流出；从液氮储罐中流出的氮气首先经过第一控温探头（12-1），测得相应的气体温度T1，然后经过第一道网状加热器（4-1），并通过第二控温探头（12-2），测得气体温度T2，低温气体继续经过第二道网状加热器（4-2），并通过第三控温探头（12-3），测得气体温度T3，随后T3温度的气体分为两路，一路进入预冷室（5），一路进入拉伸工作室（6）中,在预冷室与拉伸工作室中，分别还有第四和第五控温探头(12-4、12-5)，测得的预冷室的温度为T4和拉伸工作室的温度为T5，当T5温度处于-100℃～-196℃范围时，开始拉伸试验。