CN103217333A - 动态液态金属环境下实现精确变形测量的蠕变实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

动态液态金属环境下实现精确变形测量的蠕变实验装置及方法，其中实验装置包括试验釜（1）、熔化釜（2）、蠕变实验主机（3）、波纹管（4）、反向器（5）、引伸导杆（6）、泵（7）、流量计（8）、氧传感器及氧含量控制模块（9）、液位计（10）、试验釜上端盖（11）、试验机拉杆（12）、液态金属排出管路（13）、熔化釜上端盖（14）、加热炉（15）、真空及气体管路（16）、位移传感器（17），设备之间相连管路与阀门。本发明中的实验方法能精确测量试样标距段的变形量，实现在不同流速和不同氧含量的液态金属环境下进行材料蠕变性能的测试。同时本发明拆装试样方便，便于及时更换试样。

Description

动态液态金属环境下实现精确变形测量的蠕变实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种蠕变实验装置及实验方法，特变涉及一种动态液态金属环境下实现精确变形测量的蠕变实验装置及实验方法。

背景技术

快中子反应堆由于其具有可充分利用核燃料、可实现核燃料的增殖、低压堆芯的高热效率和嬗变核废料等优点，是未来核反应堆主要发展堆型之一。液态金属（如钠、铅、钾钠合金、铅铋合金等）由于其载热效率高，中子慢化作用小，被选作快中子反应堆的冷却剂。由于液态金属会对结构材料产生腐蚀作用，导致结构材料在液态金属环境下的力学性能与在常规条件下的力学性能有很大差别。因此，研究结构材料在液态金属环境下的力学性能，一直是快中子反应堆发展过程中的关键技术问题之一。在快中子反应堆中，结构材料要长期在高温环境下受液态金属的腐蚀作用和应力作用，因此需要开展结构材料在液态金属环境下的蠕变性能研究，为快中子反应堆结构材料的选材提供重要的实验参考依据。

目前，液态金属环境下的蠕变实验主要在德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）开展。通过调研，发现相关实验装置存在以下不足：（1）试样变形量测量是通过测量试验机上拉杆位移，间接测量试样整体变形量，没有直接测量试样标距段变形量；（2）试样拆装都在试验釜内部进行，操作不方便，而且不能及时更换试样；（3）只能在静态液态金属环境进行实验，不能在不同流速液态金属环境下进行实验。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种动态液态金属环境下实现精确变形测量的蠕变实验装置及实验方法，能精确测量试样标距段的变形量，实现在不同流速和不同氧含量的液态金属环境下进行材料蠕变性能的测试；同时拆装试样方便，便于及时更换试样。

本发明是通过以下技术方案实现的：动态液态金属环境下实现精确变形测量的蠕变实验装置，其特征在于包括：试验釜1、熔化釜2、蠕变实验主机3、波纹管4、反向器5、引伸导杆6、泵7、流量计8、氧传感器及氧含量控制模块9、液位计10、试验釜上端盖11、试验机拉杆12、液态金属排出管路13、熔化釜上端盖14、加热炉15、真空及气体管路16、位移传感器17，设备之间相连管路与阀门；

所述试验釜1是实验装置的主体部分，为蠕变实验的载荷加载、变形测量提供特殊实验环境。试验釜1通过支架固定在蠕变实验主机3上，试验釜1设计为整体结构，试验釜上端盖11可拆卸，与起吊装置连接，试验釜上端盖11与试验釜1采用法兰密封；试验釜1外圆是加热炉15，通过加热炉15的温度控制系统对试验釜1加热，使试验釜1达到工作温度；试验釜1连接管路也适用法兰盘连接配合；试验釜上端盖11接有热电偶，测量液态金属温度；试验釜上端盖11接入液位计10，通过液位计10对液态金属工作液面进行测量；引伸导杆6通过试验釜上端盖11密封法兰插入试验釜1腔内，引伸导杆6与试验釜上端盖11用波纹管4进行密封；引伸导杆6下端分别夹在试样上下凸台处，通过位移传感器17对引伸导杆6引出的位移变形进行精确测量；反向器5与试验釜上端盖14采用螺纹连接，反向器5横梁上有螺纹孔，与试验机拉杆12上的螺纹孔构成试样连接的两端，不需在试验釜1外面安装试样下端接头，反向器5横梁上的螺纹孔作为试样下端接头；实验时，反向器5将试样下端接头受到的力传递给试验釜上端盖14，起到了固定试样下端的作用；试验釜上端盖11上有起吊装置，通过试验机拉杆12上升将试验釜上端盖11、反向器5及引伸导杆6一并吊出试验釜1，以便试样的装卸操作；试验机拉杆12与试验釜1通过波纹管4进行密封；

所述熔化釜2的作用是加热熔化金属锭子，储存液态金属。熔化釜2固定在支架上，熔化釜2设计为整体结构，熔化釜上端盖14可拆卸，与起吊装置连接，熔化釜上端盖14与熔化釜2采用法兰密封；熔化釜2外圆是加热炉15，通过加热炉15的温度控制系统对熔化釜2加热，使熔化釜2达到工作温度；熔化釜2连接管路，也适用法兰盘连接配合；熔化釜上端盖14接有热电偶，测量液态金属温度；熔化釜上端盖14接有液位计10，用于检测液态金属液面位置，熔化釜上端盖14接有氧传感器及氧含量控制模块9，对液态金属中的氧含量进行测控；熔化釜上端盖14与熔化釜2采用法兰密封熔化釜上端盖14，熔化釜2下端接有液态金属排出管路13；

试验釜1和熔化釜2之间用管路连接，适用法兰盘连接配合，管路上焊接有泵7、流量计8，在液态金属管道入口处和出口处焊接有氧传感器及氧含量控制模块9，对液态金属中的氧含量进行测控；试验釜1和熔化釜2接有真空及气体管路16，真空及气体管路16为整个装置提供真空环境、惰性气体保护气氛以及氧控所需的气体，并提供打压气体将液态金属打压回熔化釜2。

动态液态金属环境下实现精确变形测量的蠕变实验方法，其特征在于实现步骤如下：

（1）通过起吊装置将试验釜上端盖11连同反向器5和引伸导杆6一并吊出试验釜1，将蠕变试样上下端分别旋入试验机拉杆12上的螺纹孔和反向器5上的螺纹孔；将引伸导杆6分别卡在试样上下凸台处，将位移传感器17安装在引伸导杆6上端，将金属锭子放入熔化釜2；

（2）加热前，用真空及气体管路16对整个装置进行抽真空，再向装置注入保护气体；用加热炉15对熔化釜2进行加热，使熔化釜2内的金属锭子在保护气氛下熔化；氧传感器及氧含量控制模块9对装置内的液态金属氧含量进行测量，并通过真空及气体管路16向装置内注入氧控所需的气体，实现对液态金属氧含量的调控；

（3）金属锭子在熔化釜2中熔化成为液态金属后，通过泵7驱动流入试验釜1；液态金属流速可通过泵7调节，并通过流量计8进行流速测量；通过液位计10对试验釜1和熔化釜2内液态金属工作液面进行测量。实验结束后，试验釜1中的液态金属回流至熔化釜2中，以实现液态金属的回收利用；熔化釜2下端设有液态金属排出管路13，方便定期更换液态金属，防止液态金属内氧化物杂质沉积过多堵塞管路；

（4）实验时，通过加热炉15对试验釜1和熔化釜2内的液态金属加热，并用热电偶实时测温；待液态金属温度达到目标温度后，蠕变试验机3对试样施加载荷；试样在载荷作用下，试样整体发生形变；引伸导杆6卡在试样标距段上下凸台处，试样标距段受力发生变形时，上下凸台移动，同时带动引伸导杆6移动，引伸导杆6移动后将标距段形变量传递给试验釜1外面的位移传感器17，实现精确测量试样标距段变形量的目的；

（5）实验结束后，关闭泵7。通过试验釜上端盖11接入的真空及气体管路16向试验釜1内通入打压气体，使液态金属回流到熔化釜内2。然后，用起吊装置将试验釜上端盖11、反向器5、引伸导杆6和试样一起吊出试验釜1。拆卸更换试样，开始新的实验。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）在液态金属环境下测量试样标距段变形量以在实现步骤中说明，解决现有装置只能通过测量实验机上拉杆位移来间接测量试样变形量的问题；

（2）加装反向器，使试样的拆装在试验釜外部进行，解决现有装置拆装试样不方便、更换试样不及时的问题；

（3）实现可控氧含量和可控流速的液态金属实验环境，解决现有装置只能实现静态液态金属实验环境的问题；

（4）本发明结构简单，操作方便，安全性好，满足动态液态金属环境下蠕变实验需求。

附图说明

图1为本发明实验装置结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括：试验釜1、熔化釜2、蠕变实验主机3、波纹管4、反向器5、引伸导杆6、泵7、流量计8、氧传感器及氧含量控制模块9、液位计10、试验釜上端盖11、试验机拉杆12、液态金属排出管路13、熔化釜上端盖14、加热炉15、真空及气体管路16、位移传感器17，设备之间相连管路与阀门；

试验釜1是实验装置的主体部分，为蠕变实验的载荷加载、变形测量提供特殊实验环境。试验釜1通过支架固定在蠕变实验主机3上，试验釜1设计为整体结构，试验釜上端盖11可拆卸，与蠕变实验主机3上的起吊装置连接，试验釜上端盖11与试验釜1采用法兰密封；试验釜1外圆是加热炉15，加热装置设计为不锈钢双外层外壳，以期降低试验釜表面温度；通过加热炉15的温度控制系统对试验釜1加热，使试验釜1达到工作温度；试验釜1连接管路也适用法兰盘连接配合；试验釜上端盖11接有热电偶，测量液态金属温度；试验釜上端盖11接入液位计10，通过液位计10对液态金属工作液面进行测量；引伸导杆6通过试验釜上端盖11密封法兰插入试验釜1腔内，引伸导杆6与试验釜上端盖11用波纹管4进行密封；引伸导杆6下端分别夹在试样上下凸台处，通过位移传感器17对引伸导杆6引出的位移变形进行精确测量；反向器5与试验釜上端盖14采用螺纹连接，反向器5横梁上有螺纹孔，与试验机拉杆12上的螺纹孔构成试样连接的两端，不需在试验釜1外面安装试样下端接头，反向器5横梁上的螺纹孔作为试样下端接头；实验时，反向器5将试样下端接头受到的力传递给试验釜上端盖14，起到了固定试样下端的作用；试验釜上端盖11上有起吊装置，通过试验机拉杆12上升将试验釜上端盖11、反向器5及引伸导杆6一并吊出试验釜1，以便试样的装卸操作；试验机拉杆12与试验釜1通过波纹管4进行密封；

熔化釜2的作用是加热熔化金属锭子，储存液态金属。熔化釜2固定在支架上，熔化釜2设计为整体结构，熔化釜上端盖14可拆卸，与起吊装置连接，熔化釜上端盖14与熔化釜2采用法兰密封；熔化釜2外圆是加热炉15，加热装置设计为不锈钢双外层外壳，以期降低试验釜表面温度；通过加热炉15的温度控制系统对熔化釜2加热，使熔化釜2达到工作温度；熔化釜2连接管路，也适用法兰盘连接配合；熔化釜上端盖14接有热电偶，测量液态金属温度；熔化釜上端盖14接有液位计10，用于检测液态金属液面位置，熔化釜上端盖14接有氧传感器及氧含量控制模块9，对液态金属中的氧含量进行测控，并通过真空及气体管路16向液态金属通入氧气或这氢气，达到调节液态金属含氧量的目的；熔化釜上端盖14与熔化釜2采用法兰密封熔化釜上端盖14，熔化釜2下端接有液态金属排出管路13；

试验釜1和熔化釜2之间用管路连接，适用法兰盘连接配合，管路上焊接有泵7、流量计8，在液态金属管道入口处和出口处焊接有氧传感器及氧含量控制模块9，对液态金属中的氧含量进行测控；试验釜1和熔化釜2接有真空及气体管路16，真空及气体管路16为整个装置提供真空环境、惰性气体保护气氛以及氧控所需的气体，并提供打压气体将液态金属打压回熔化釜2。

本发明方法的具体实验步骤如下：

（1）通过起吊装置将试验釜上端盖11连同反向器5和引伸导杆6一并吊出试验釜1，将蠕变试样上下端分别旋入试验机拉杆12上的螺纹孔和反向器5横梁上的螺纹孔；将引伸导杆6分别卡在试样上下凸台处，将位移传感器17安装在引伸导杆6上端，将金属锭子放入熔化釜2；

（2）加热前，用真空及气体管路16对整个装置进行抽真空，再向装置注入保护气体；用加热炉15对熔化釜2进行加热，使熔化釜2内的金属锭子在保护气氛下熔化；氧传感器及氧含量控制模块9对装置内的液态金属氧含量进行测量，并通过真空及气体管路16向装置内注入氧控所需的气体，实现对液态金属氧含量的调控；

（3）金属锭子在熔化釜2中熔化成为液态金属后，通过泵7驱动流入试验釜1；液态金属流速可通过泵7调节，并通过流量计8进行流速测量；通过液位计10对试验釜1和熔化釜2内液态金属工作液面进行测量。实验结束后，试验釜1中的液态金属回流至熔化釜2中，以实现液态金属的回收利用；熔化釜2下端设有液态金属排出管路13，方便定期更换液态金属，防止液态金属内氧化物杂质沉积过多堵塞管路；

（4）实验时，通过加热炉15对试验釜1和熔化釜2内的液态金属加热，并用热电偶实时测温；待液态金属温度达到目标温度后，蠕变试验机3对试样施加载荷；试样在载荷作用下，试样整体发生形变；引伸导杆6卡在试样标距段上下凸台处，试样标距段受力发生变形时，上下凸台移动，同时带动引伸导杆6移动，引伸导杆6移动后将标距段形变量传递给试验釜1外面的位移传感器17，实现精确测量试样标距段变形量的目的；

（5）实验结束后，关闭泵7。通过试验釜上端盖11接入的真空及气体管路16向试验釜1内通入打压气体，使液态金属回流到熔化釜内2。然后，用起吊装置将试验釜上端盖11、反向器5、引伸导杆6和试样一起吊出试验釜1；拆卸更换试样，开始新的实验。

本发明未详细阐述的部分属于本领域公知技术。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.动态液态金属环境下实现精确变形测量的蠕变实验装置，其特征在于包括：试验釜（1）、熔化釜（2）、蠕变实验主机（3）、波纹管（4）、反向器（5）、引伸导杆（6）、泵（7）、流量计（8）、氧传感器及氧含量控制模块（9）、液位计（10）、试验釜上端盖（11）、试验机拉杆（12）、液态金属排出管路（13）、熔化釜上端盖（14）、加热炉（15）、真空及气体管路（16）、位移传感器（17），设备之间相连管路与阀门；

所述试验釜（1）是实验装置的主体部分，为蠕变实验的载荷加载、变形测量提供特殊实验环境。试验釜（1）通过支架固定在蠕变实验主机（3）上，试验釜（1）设计为整体结构，试验釜上端盖（11）可拆卸，与起吊装置连接，试验釜上端盖（11）与试验釜（1）采用法兰密封；试验釜（1）外圆是加热炉（15），通过加热炉（15）的温度控制系统对试验釜（1）加热，使试验釜（1）达到工作温度；试验釜（1）连接管路也适用法兰盘连接配合；试验釜上端盖（11）接有热电偶，测量液态金属温度；试验釜上端盖（11）接入液位计（10），通过液位计（10）对液态金属工作液面进行测量；引伸导杆（6）通过试验釜上端盖（11）密封法兰插入试验釜（1）腔内，引伸导杆（6）与试验釜上端盖（11）用波纹管（4）进行密封；引伸导杆（6）下端分别夹在试样上下凸台处，通过位移传感器（17）对引伸导杆（6）引出的位移变形进行精确测量；反向器（5）与试验釜上端盖（14）采用螺纹连接，反向器（5）横梁上有螺纹孔，与试验机拉杆（12）上的螺纹孔构成试样连接的两端，不需在试验釜（1）外面安装试样下端接头，反向器（5）横梁上的螺纹孔作为试样下端接头；实验时，反向器（5）将试样下端接头受到的力传递给试验釜上端盖（14），起到了固定试样下端的作用；试验釜上端盖（11）上有起吊装置，通过试验机拉杆（12）上升将试验釜上端盖（11）、反向器（5）及引伸导杆（6）一并吊出试验釜（1），以便试样的装卸操作；试验机拉杆（12）与试验釜（1）通过波纹管（4）进行密封；

所述熔化釜（2）的作用是加热熔化金属锭子，储存液态金属。熔化釜（2）固定在支架上，熔化釜（2）设计为整体结构，熔化釜上端盖（14）可拆卸，与起吊装置连接，熔化釜上端盖（14）与熔化釜（2）采用法兰密封；熔化釜（2）外圆是加热炉（15），通过加热炉（15）的温度控制系统对熔化釜（2）加热，使熔化釜（2）达到工作温度；熔化釜（2）连接管路，也适用法兰盘连接配合；熔化釜上端盖（14）接有热电偶，测量液态金属温度；熔化釜上端盖（14）接有液位计（10），用于检测液态金属液面位置，熔化釜上端盖（14）接有氧传感器及氧含量控制模块（9），对液态金属中的氧含量进行测控；熔化釜上端盖（14）与熔化釜（2）采用法兰密封熔化釜上端盖（14），熔化釜（2）下端接有液态金属排出管路（13）；

试验釜（1）和熔化釜（2）之间用管路连接，适用法兰盘连接配合，管路上焊接有泵（7）、流量计（8），在液态金属管道入口处和出口处焊接有氧传感器及氧含量控制模块（9），对液态金属中的氧含量进行测控；试验釜（1）和熔化釜（2）接有真空及气体管路（16），真空及气体管路（16）为整个装置提供真空环境、惰性气体保护气氛以及氧控所需的气体，并提供打压气体将液态金属打压回熔化釜（2）。

2.动态液态金属环境下实现精确变形测量的蠕变实验方法，其特征在于实现步骤如下：

（1）通过起吊装置将试验釜上端盖（11）连同反向器（5）和引伸导杆（6）一并吊出试验釜（1），将蠕变试样上下端分别旋入试验机拉杆（12）上的螺纹孔和反向器（5）上的螺纹孔；将引伸导杆（6）分别卡在试样上下凸台处，将位移传感器（17）安装在引伸导杆（6）上端，将金属锭子放入熔化釜（2）；

（2）加热前，用真空及气体管路（16）对整个装置进行抽真空，再向装置注入保护气体；用加热炉（15）对熔化釜（2）进行加热，使熔化釜（2）内的金属锭子在保护气氛下熔化；氧传感器及氧含量控制模块（9）对装置内的液态金属氧含量进行测量，并通过真空及气体管路（16）向装置内注入氧控所需的气体，实现对液态金属氧含量的调控；

（3）金属锭子在熔化釜（2）中熔化成为液态金属后，通过泵（7）驱动流入试验釜（1）；液态金属流速可通过泵（7）调节，并通过流量计（8）进行流速测量；通过液位计（10）对试验釜（1）和熔化釜（2）内液态金属工作液面进行测量。实验结束后，试验釜（1）中的液态金属回流至熔化釜（2）中，以实现液态金属的回收利用；熔化釜（2）下端设有液态金属排出管路（13），方便定期更换液态金属，防止液态金属内氧化物杂质沉积过多堵塞管路；

（4）实验时，通过加热炉（15）对试验釜（1）和熔化釜（2）内的液态金属加热，并用热电偶实时测温；待液态金属温度达到目标温度后，蠕变试验机（3）对试样施加载荷；试样在载荷作用下，试样整体发生形变；引伸导杆（6）卡在试样标距段上下凸台处，试样标距段受力发生变形时，上下凸台移动，同时带动引伸导杆（6）移动，引伸导杆（6）移动后将标距段形变量传递给试验釜（1）外面的位移传感器（17），实现精确测量试样标距段变形量的目的；

（5）实验结束后，关闭泵（7），通过试验釜上端盖（11）接入的真空及气体管路（16）向试验釜（1）内通入打压气体，使液态金属回流到熔化釜内（2）。然后，用起吊装置将试验釜上端盖（11）、反向器（5）、引伸导杆（6）和试样一起吊出试验釜（1）；拆卸更换试样，开始新的实验。