CN103217340A - 高温高压部件损伤与失效过程实验装置 - Google Patents

Abstract

一种高温高压部件损伤与失效过程实验装置：包括以管道依次连接的注水装置（3）、蒸汽发生装置（1）和试件加热与测试装置（2），以及控制各装置压力与温度的压力与温度调节器（4）；试件加热与测试装置（2）包括：从外向里依次是保温材料层（202）、钢板材料层（203）和耐火材料层（204）的有盖密闭箱体，箱体上方设有加载装置（209），其经穿过箱体顶部开孔伸进箱体内的弹簧（208）连接试件（210），箱体内设有电阻加热丝（206），箱体底部开有孔并穿有砝码钩（213），砝码钩下吊有砝码（214）位于箱体下方。本装置能真正模拟高温高压部件在锅炉运行实际中的各种工况、并能对试件进行全过程监测。

Description

高温高压部件损伤与失效过程实验装置

技术领域

本发明涉及一种高温高压部件损伤与失效过程实验装置，尤其是涉及热电厂锅炉、核电厂承压受热管道、化工反应器等高温高压部件与焊接接头寿命的实验装置。 

背景技术

在现代大容量电站锅炉高温过热器和再热器的设计中，为了充分利用金属材料提高循环效率，已使炉内受热面的设计壁温非常接近其金属的许用温度限值，受热面又处于很高的烟温区，因此碳化物球化，内壁氧化皮剥落减薄，持久强度下降，蠕变速度加快，缺陷扩展较正常情况下速度快很多，常导致提前失效爆管。因此研究各种运行条件下高温承压设备的寿命对于寿命管理和状态检修具的重要的意义。 

现有的高温高压部件损伤与失效过程实验装置将试件做成各种标准的薄片形状，放在疲劳、蠕变试验机上，通过加热装置维持一定的温度，经机械加载装置施加一定的拉压应力，测试试件的破坏情况，推算出一些材料有关的强度参数等。这种实验装置虽然比较简单，但是由于试件形状和所处环境条件、缺陷的形式都与实际运行中相差甚大，所以无法直接对各种实际运行条件下缺陷的扩展过程进行研究。而现场试验研究则受很大的限制，时间漫长，且最危险的受热面在炉内深处，难以直接测试。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种高温高压部件损伤与失效过程实验装置，其能真正模拟高温高压部件在锅炉运行实际中的各种工况、并能对试件进行全过程监测。 

解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案： 

一种高温高压部件损伤与失效过程实验装置，其特征在于：包括以管道依次连接的注水装置3、蒸汽发生装置1和试件加热与测试装置2，以及控制各装置压力与温度的压力与温度调节器4； 

所述的试件加热与测试装置2包括：从外向里依次是保温材料层202、钢板材料层203和耐火材料层204的有盖密闭箱体，箱体上方设有加载装置209，其经穿过箱体顶部开孔伸进箱体内的弹簧208连接试件210，箱体内设有电阻加热丝206用以从外部加热试件，箱体底部开有孔并穿有砝码钩213，砝码钩下吊有砝码214位于箱体下方。 

所述的蒸汽发生装置1输送高压蒸汽至加热与测试装置2的管道的端口设有法兰205，连接管状试件，所述的箱体内还设有柱状铠装电加热装置211用以加热管状试件内部。 

所述的箱体支撑在角钢支架201上。 

所述的压力与温度调节器4包括：中央控制器及与其有控制线连接、设在各装置上的温度传感器、压力传感器、水位传感器、动力执行机构、泄漏传感器、控制器、报警装置、电控阀、电阻加热丝和铠装电加热装置。 

作为本发明的进一步改进： 

所述的蒸汽发生装置1包括：底部设有进水管101、顶部设有出气管107的密闭容器，容器从里向外为承压金属壳体106层和保温与保护层105，容器内的下部安装有盛液筒121、顶部设有上挡水板115，容器内还设有电接点水位计104和铠装电加热装置116，盛液筒121内设有下挡水板119，上、下挡水板上都开有过气孔； 

所述的蒸汽发生装置进水管101外套有套管102、出气管107上设有电动排放阀108、安全阀110、第一调节阀112和第二调节阀113，（第二调节阀113给试件进汽充压，第一调节阀112给试件放汽减压，两者配合调节试件内的压力）各阀及铠装电加热装置都与压力与温度调节器有控制线连接； 

所述的铠装电加热装置116穿进密闭容器时通过法兰122连接； 

所述的蒸汽发生装置为上下剖分式密闭容器，用法兰盘120连接件117、118连接，剖分面上设有耐高温高压金属垫片103；密闭容器支承在容器支架124上。 

所述的注水装置3包括：一顶部有盖307箱内有水位计306的水箱305，水箱305设有排水管302和出水管308，排水管上设有放水阀303，出水管上设有由电动机312带动的水泵309，水泵输出管也即蒸汽发生装置进水管上设有逆止阀311。 

本实验装置可以由蒸发器控制蒸发量和排汽调节阀开闭共同进行试件内压力调节，排汽量可以很小或没有排汽，需要的补水量少，减小试验能耗及工质消耗；还可以由外部加热装置和内部加热装置共同维持一定的温度，调节手段多，可以尽量模拟实际温度条件及内外有温差等情况；还可以在内部压力加载的同时进行机械加载，模拟缺陷部位实际应力状态等。 

与现有技术相比，本发明的优点在于： 

1、结构简单、安全可靠、自动化程度高、成本较低廉、试验时蒸汽排放量小、补水量少、试验能耗低； 

2、能真正模拟高温高压部件在锅炉运行实际中的各种工况（温度变化、压力变化、各种气体成分与灰渣等条件的组合）；可以在内部压力加载的同时进行机械加载，模拟缺陷部位实际应力状态等；可以由外部加热装置和内部加热装置共同维持一定的温度，可以尽量模拟实际温度条件及内外有温差等情况； 

3、能对试件进行全过程监测。能对各种实际运行条件下锅炉高温部件、焊接接头蠕变、疲劳、腐蚀、缺陷与裂纹扩展的过程进行全面详细的研究。 

本发明能用于各种实际运行条件下（温度变化、压力变化、各种气体成分与灰渣等条件的组合）锅炉高温部件、焊接接头蠕变、疲劳、腐蚀、缺陷与裂纹扩展的过程进行全面详细的研究。 

附图说明

图1是本发明实施例的组成和连接关系示意图。 

图中：1-蒸汽发生装置，2-试件加热与测试装置2，3-注水装置3，4-压力与温度调节器； 

101－进水管，102-套管，103-耐高温高压金属垫片，104-电接点水位计，105-保温材料，106-上挡水板孔，107-蒸汽出气管，108-电动排放阀，109-排放阀法兰，110-安全阀，111-安全阀法兰，112-第一调节阀，113-第二调节阀，114-第二调节阀法兰，115-上挡水板，116-铠装电加热装置，117-螺母，118-螺母垫圈，119-下挡水板，120-法兰盘，121-盛液筒，122-法兰，123-螺栓，124-容器支架； 

201-角钢支架，202-保温材料，203-钢板材料层，204-耐火材料层，205-法兰，206-电阻加热丝，208-弹簧，209-加载装置，210-试件，211-铠装电加热装置，213-砝码钩，214-砝码； 

301-排水沟，302-排水管，303-放水阀，304-法兰，305-水箱，306-水箱水位计，307-水箱盖，308-出水管，309-往复式活塞注水泵，310-法兰，311-逆止阀，312-电动机。 

具体实施方式

以下将结合具体实施例和说明书附图对本发明做进一步详细说明。 

实施实例：如图1所示，本发明的高温高压部件损伤与失效过程实验装置，包括四大部份：蒸汽发生系统1、试件加热与测试系统2、注水系统3、控制监测与保护系统4。 

支撑在角钢支架201上的试件加热与测试装置2包括：从外向里依次是保温材料层202、钢板材料层203和耐火材料层204的有盖密闭箱体，箱体上方设有加载装置209，其经穿过箱体顶部开孔伸进箱体内的弹簧208连接试件210，箱体内设有电阻加热丝206用以加热试件外部，箱体底部开有孔并穿有砝码钩213，砝码钩下吊有砝码214位于箱体下方。 

试件加热与测试装置通过管道107和调节阀113连接在蒸汽发生装置上，电动调节阀113是试件的进汽调节与判断阀，电动调节阀112是试件的排汽与减压阀，通过连接在管道和试件上电动调节阀112，电动调节阀113的开、闭控制试件内部压力；试件210外部由箱体电阻加热丝206加热，内部由铠装电加热装置211加热，以控制其内外金属壁温。 

蒸汽发生装置1输送高压蒸汽至加热与测试装置2的管道的端口设有法兰205，连接管状试件，箱体内还设有柱状铠装电加热装置211用以加热管状试件内部。 

压力与温度调节器4包括：中央控制器及与其有控制线连接、设在各装置上的温度传感 器、压力传感器、水位传感器、动力执行机构、泄漏传感器、控制器、报警装置、电控阀、电阻加热丝和铠装电加热装置；用于自动按设定的规律控制试件的试验压力与温度，及在泄漏时迅速排放降压降温，确保安全。 

压力容器的内、外壁安装有温度监测传感器探头、上部安装有压力监测传感器探头；试件内部为高压蒸汽，安装有压力和温度传感器探头。 

蒸汽发生装置1包括：底部设有进水管101、顶部设有出气管107的密闭容器，容器从里向外为承压金属壳体106层和保温材料层105，容器内的下部安装有盛液筒121、顶部设有上挡水板115，容器内还设有电接点水位计104和铠装电加热装置116，盛液筒121内设有下挡水板119，上、下挡水板上都开有过气孔。 

针对管状的试件，蒸汽出气管输出蒸汽通过法兰连接至放置在试件加热与测试装置中的管状试件，蒸汽出气管上设有第二调节阀113；蒸汽发生装置进水管101外套有套管102、出气管107上设有电动排放阀108、安全阀110、第一调节阀112和第二调节阀113，各阀及铠装电加热装置都与压力与温度调节器有控制线连接；铠装电加热装置116穿进密闭容器时通过法兰122和连接件123连接。 

本实施例的蒸汽发生装置为上下剖分式密闭容器，用法兰盘120连接件117、118连接，剖分面上设有耐高温高压金属垫片103；密闭容器支承在容器支架124上。 

蒸汽发生装置是一高压容器，下部是水，上部是汽。高压注水进入下挡水板119的下方，进入盛液筒121。调节铠装电加热装置116可以调节蒸发量以调节压力，并作为高压蒸汽的贮气罐。产生的蒸汽在压力过高时可通过安全阀110自动排放，或在正常工作时通过上挡水板孔106均流后流向试件210。 

注水装置3包括：一顶部有盖307箱内有水位计306的水箱305，水箱305设有排水管302和出水管308，排水管上设有放水阀303，出水管上设有由电动机312带动的水泵309，水泵输出管也即蒸汽发生装置进水管上设有逆止阀311。 

注水装置连接蒸汽发生系统，将水注入到下挡水板119的下方，用于向蒸发器供水。套管结构为减小蒸发器温差，防止其因热应力出现裂纹与变形。 

Claims (8)

1.一种高温高压部件损伤与失效过程实验装置，其特征在于：包括以管道依次连接的注水装置（3）、蒸汽发生装置（1）和试件加热与测试装置（2），以及控制各装置压力与温度的压力与温度调节器（4）；

所述的试件加热与测试装置（2）包括：从外向里依次是保温材料层（202）、钢板材料层（203）和耐火材料层（204）的有盖密闭箱体，箱体上方设有加载装置（209），其经穿过箱体顶部开孔伸进箱体内的弹簧（208）连接试件（210），箱体内设有电阻加热丝（206），箱体底部开有孔并穿有砝码钩（213），砝码钩下吊有砝码（214）位于箱体下方。

2.根据权利要求1所述的高温高压部件损伤与失效过程实验装置，其特征在于：所述的蒸汽发生装置（1）输送高压蒸汽至加热与测试装置（2）的管道的端口设有法兰（205），连接管状试件，所述的箱体内还设有柱状铠装电加热装置（211）。

3.根据权利要求1或2所述的高温高压部件损伤与失效过程实验装置，其特征在于：所述的蒸汽发生装置（1）包括：底部设有进水管（101）、顶部设有出气管（107）的密闭容器，容器从里向外为承压金属壳体层（106）和保温与保护层（105），容器内的下部安装有盛液筒（121）、顶部设有上挡水板（115），容器内还设有电接点水位计（104）和铠装电加热装置（116），盛液筒（121）内设有下挡水板（119），上、下挡水板上都开有过气孔。

4.根据权利要求3所述的高温高压部件损伤与失效过程实验装置，其特征在于：所述的蒸汽发生装置（1）进水管（101）外套有套管（102）、出气管（107）上还设有电动排放阀（108）、安全阀（110）、第一调节阀（112）和第二调节阀（113），各阀及铠装电加热装置都与压力与温度调节器（4）有控制线连接；所述的铠装电加热装置（116）穿进密闭容器时通过法兰（122）连接。

5.根据权利要求4所述的高温高压部件损伤与失效过程实验装置，其特征在于：所述的蒸汽发生装置（1）为上下剖分式密闭容器，用法兰盘（120）连接件（117、118）连接，剖分面上设有耐高温高压金属垫片（103）。

6.根据权利要求5所述的高温高压部件损伤与失效过程实验装置，其特征在于：所述的注水装置（3）包括：一顶部有盖（307）、箱内有水位计（306）的水箱（305），水箱（305）设有排水管（302）和出水管（308），排水管上设有放水阀（303），出水管上设有由电动机（312）带动的水泵（309），水泵输出管也即蒸汽发生装置进水管上设有逆止阀（311）。

7.根据权利要求6所述的高温高压部件损伤与失效过程实验装置，其特征在于：所述的水泵（309）为往复式注水泵。

8.根据权利要求7所述的高温高压部件损伤与失效过程实验装置，其特征在于：所述的压力与温度调节器（4）包括：中央控制器及与其有控制线连接、设在各装置上的温度传感器、压力传感器、水位传感器、动力执行机构、泄漏传感器、控制器、报警装置、电控阀、电阻加热丝和铠装电加热装置。

Images