CN103604713A - 一种蒸汽发生器传热管的多向微动磨损装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种蒸汽发生器传热管的多向微动磨损装置及试验方法，其装置由机架、驱动装置、调平升降系统和数据采集控制系统组成，其中：试件驱动装置的构成是：压电陶瓷作动器上端与中梁固定连接，下端依次通过柔性接头、连接杆、测力传感器与夹持块状试件的上夹具相连，上夹具与中梁之间安装有位移传感器;传热管调平升降系统的构成是：角位移台固定在底座上，角位移台上固定有升降台，升降台上安装试件支撑板，支撑板上靠拢放置两等径的圆柱形试件，圆柱形试件的外侧紧靠夹紧板，夹紧板上螺纹连接下压板，下压板与圆柱形试件紧配合；两圆柱形试件中放置传热管。该装置结构简单，易操作，能进行传热管的多向微动摩擦磨损试验，实验数据准确、可靠，精度高。

Description

一种蒸汽发生器传热管的多向微动磨损装置及试验方法

技术领域

本发明属于一种专门应用于蒸汽发生器传热管的多向复合微动磨损装置及蒸汽发生器传热管的多向复合微动磨损试验方法。

背景技术

微动是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热循环等交变载荷作用下，两个接触表面之间（如紧配合面）发生的极小振幅（微米量级）的相对运动，这些接触表面通常名义上静止，即微动发生在“紧固”配合的机械部件中。

核电站蒸汽发生器的传热管通过高温流体的流动传热。由于流体各部分的流速、温度不均匀，会导致传热管与其-支撑结构（如，传热管-防震条，传热管-支撑板）间发生微动及其微动磨损。目前，全世界所有类型的压水堆核电站蒸汽发生器均已发现有不同程度的微动磨损现象。随着核电站运行时间的延长，影响核电站关键部件寿命的主要降质机制应该成为科研人员研究的焦点问题。例如，中国大亚湾核电站运行已处于40年设计寿命中期，核电站关键部件的寿命评估及预测问题日显突出。

在核电站蒸汽发生器用传热管-支撑结构这种圆柱-平面接触条件下，会发生切向、径向、多向（复合）微动等几种微动模式。由于核电站蒸汽发生器传热管的致振载荷是复杂的交变载荷，其微动模式主要是多向微动，它可以分解为切向微动与径向微动。对这种多向微动磨损进行试验与分析，以搞清其磨损机理及与相关工况的关系，从而为核电站蒸汽发生器传热管的设计、制造与维护提供准确、可靠的试验依据，以降低裂纹的萌生和扩展，提高传热管的疲劳寿命。但目前，尚无专门为核电传热管微动磨损实验量身设计的实验装备和试验方法，无传热管微动磨损基础实验数据积累、相应磨损机理模型和寿命预测模型，这必将制约对蒸汽发生器的完整性评估及寿命预测，进而影响核电站安全、可靠运行。

发明内容

本发明的第一个发明目的是提供一种传热管的多向微动磨损装置。该装置能够进行不同工况与规格材料的核电站蒸汽发生器用传热管的多向微动摩擦磨损试验，且其结构简单，容易操作，控制与测试的精度高，实验数据准确、可靠，重现性好。

本发明实现第一个发明目的所采用的技术方案是，一种蒸汽发生器传热管的多向微动磨损装置，由机架、驱动装置、调平升降系统和数据采集控制系统组成，其中：

所述的机架的构成是：底座上设置有龙门架，龙门架的两立柱上套合有可垂向移动的中梁，中梁中部的上表面通过丝杆副与龙门架的顶梁相连；

试件驱动装置的构成是：压电陶瓷作动器的上端与中梁中部的下表面固定连接，下端依次通过柔性接头、连接杆、测力传感器与夹持块状试件的上夹具相连，上夹具与中梁之间安装有位移传感器;

传热管调平升降系统的构成是：角位移台固定在底座上，角位移台上表面固定有升降台，升降台上表面安装一个试件支撑板，试件支撑板上靠拢放置两个等直径的圆柱形试件，两个圆柱形试件的外侧紧靠左右侧的夹紧板，且夹紧板上方螺纹连接有下压板，下压板下内侧的弧形面与圆柱形试件紧配合；在两圆柱形试件中上部放置传热管，传热管位于上夹具的正下方;

位移传感器、测力传感器和压电陶瓷作动器均与数据采集控制系统连接。

本发明的第二个发明目的是提供一种使用上述的多向微动磨损装置进行传热管多向微动磨损试验的方法，该试验方法能方便实现传热管的多向微动摩擦磨损，以模拟传热管在交变载荷下的多向微动损伤，其控制与测试的精度高，实验数据的重现性好；且其自动化程度高。

本发明实现第二个发明目的所采用的技术方案是，一种使用上述的多向微动磨损装置进行传热管多向微动磨损试验的方法，其作法是：

a、将块状试件夹持在上夹具上，通过丝杆副调节中梁的垂直高度，使块状试件与传热管靠近，再调整角位移台的前后倾角使传热管与块状试件的平面保持平行，随后调节升降台的高度使块状试件与传热管保持良好的线接触；

b、数据采集控制系统控制压电陶瓷作动器向下运动，向块状试件施加设定的垂向载荷；然后数据采集控制系统控制压电陶瓷作动器上下作动，使上夹具夹持的块状试件以设定的振幅和往复次数与传热管实现径向往复微动，并通过位移传感器实现振幅的闭环控制；同时传热管与两个圆柱形试件实现切向-径向多向微动；力传感器同时测出块状试件所受的载荷。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、将块状试件与竖向的压电陶瓷作动器相连，传热管放置于两圆柱试样之上，由压电陶瓷作动器驱动块状试件与传热管发生径向（垂向）微动，实现对传热管与支撑件的径向微动磨损的模拟；同时传热管与两圆柱形试件发生的斜向微动，则实现了传热管与支撑件间切向与径向多向复合微动。

二、块状试件与压电陶瓷作动器定位准确作动幅度小，频率稳，精度高；此外，角位移台精确将块状试件与传热管对中，升降台精确保证垂直位置的调整，并且各自独立；从而能精确实现块状试件及传热管的线接触，并保证各接触处均按设定的微小位移幅值（最小可达100nm）进行多向复合微动；压电陶瓷作动器也能精确施加设定的法向载荷，从而精确实现给定参数条件下的传热管的径向微动试验和切向—径向多向复合微动摩擦磨损试验的同时进行。

三、上夹具与夹紧板各自独立，块状试件与传热管为线接触，夹紧板中的两个圆柱试件与传热管均实行线接触，实验时，更换不同的夹紧板从而可以相应更换两个圆柱试件直径的距离，可根据实际要求实现不同角度的复合磨损实验，得出多组实验数据，能进行各种复杂的多向多向复合微动的模拟。

可见，采用本发明的装置和方法，可以方便的、自动的按设定条件，进行不同工况与规格材料的多向微动摩擦磨损试验，模拟出传热管在垂向载荷和交变载荷作用下的径向或多向复合微动损伤，其控制与测试的精度高，实验数据更准确、可靠，重现性好。

上述的多向微动磨损装置中的压电陶瓷作动器的上端与中梁中部的下表面固定连接的具体结构是：中梁中部的下表面与安装筒的上端壁固定连接，安装筒的上端壁内表面固定连接压电陶瓷作动器，连接杆伸出安装筒下端壁外部；

上述的上夹具与中梁之间安装有位移传感器的具体结构是;位移传感器一端与安装筒固定连接，另一端与上夹具相连。

安装筒能很好的保护压电陶瓷作动器不受损坏，同时更方便压电陶瓷作动器及位移传感器的安装。

上述的多向微动磨损装置中的试件支撑板上固定有围住夹紧板的盛液壁，且盛液壁底部与支撑板之间密封连接。

使用上述的有盛液壁的多向微动磨损装置进行传热管多向微动磨损试验的方法，其作法是：

先向盛液壁围成的内腔充入液体介质，使液体介质淹没传热管与块状试件的接触部位，再进行以下的操作：

a、将块状试件夹持在上夹具上，通过丝杆副调节中梁的垂直高度，使块状试件与传热管靠近，再调整角位移台的前后倾角使传热管与块状试件的平面保持平行，随后调节升降台使块状试件与传热管保持良好的线接触；

b、数据采集控制系统控制压电陶瓷作动器向下运动，向块状试件施加设定的垂向载荷；然后数据采集控制系统控制压电陶瓷作动器上下作动，使上夹具及其夹持的块状试件以设定的振幅和往复次数径向往复微动，并通过位移传感器实现振幅的闭环控制；同时传热管与两个圆柱形试件实现切向-径向多向微动；力传感器同时测出块状试件所受的载荷。

这样在进行实验时，还可模拟出传热管在不同的液体环境下，得出不同液体环境下的传热管的磨损试验数据，其模拟的环境更加逼真。

附图说明

图1是本发明实施例的主视结构示意图。

图2是图1中局部A的放大结构示意图。

具体实施方式

实施例1

图1、图2示出，一种蒸汽发生器传热管的多向微动磨损装置，由机架、驱动装置、调平升降系统和数据采集控制系统组成，其中：

所述的机架的构成是：底座10上设置有龙门架，龙门架的两立柱11上套合有可垂向移动的中梁12，中梁12中部的上表面通过丝杆副14与龙门架的顶梁13相连；

试件驱动装置的构成是：压电陶瓷作动器21的上端与中梁12中部的下表面固定连接，下端依次通过柔性接头23、连接杆22、测力传感器25与夹持块状试件28的上夹具26相连，上夹具26与中梁12之间安装有位移传感器27;

传热管调平升降系统的构成是：角位移台37固定在底座10上，角位移台37上表面固定有升降台36，升降台36上表面安装一个试件支撑板34，试件支撑板34上靠拢放置两个等直径的圆柱形试件31，两个圆柱形试件31的外侧紧靠左右侧的夹紧板35，且夹紧板35上方螺纹连接有下压板32，下压板32下内侧的弧形面与圆柱形试件31紧配合；在两圆柱形试件31中上部放置传热管30，传热管30位于上夹具26的正下方;

位移传感器27、测力传感器25和压电陶瓷作动器21均与数据采集控制系统连接。

本例的压电陶瓷作动器21的上端与中梁12中部的下表面固定连接的具体结构是：中梁12中部的下表面与安装筒20的上端壁固定连接，安装筒20的上端壁内表面固定连接压电陶瓷作动器21，连接杆22伸出安装筒20下端壁外部；

上夹具26与中梁12之间安装有位移传感器27的具体结构是：位移传感器27一端与安装筒20固定连接，另一端与上夹具26相连。

本例的试件支撑板34上固定有围住夹紧板35的盛液壁33，且盛液壁33底部与支撑板34之间密封连接。

使用本例的多向微动磨损装置进行传热管多向微动磨损试验的方法，其作法是：

先向盛液壁33围成的内腔充入液体介质，使液体介质淹没传热管30与块状试件28的接触部位，再进行以下的操作：

a、将块状试件28夹持在上夹具26上，通过丝杆副14调节中梁12的垂直高度，使块状试件28与传热管30靠近，再调整角位移台37的前后倾角使传热管30与块状试件28的平面保持平行，随后调节升降台36使块状试件28与传热管30保持良好的线接触；

b、数据采集控制系统控制压电陶瓷作动器21向下运动，向块状试件28施加设定的垂向载荷；然后数据采集控制系统控制压电陶瓷作动器21上下作动，使上夹具26及其夹持的块状试件28以设定的振幅和往复次数径向往复微动，并通过位移传感器27实现振幅的闭环控制；同时传热管30与两个圆柱形试件31实现切向-径向多向微动；力传感器25同时测出块状试件28所受的载荷。

这种方法可以得出试验充入的液体环境下传热管的磨损试验数据。

实施例2

本例的传热管的多向微动磨损装置与实施例1的装置的结构基本相同，不同的仅仅是去掉了盛液壁33。

使用本例的多向微动磨损装置进行传热管多向微动磨损试验的方法，其作法是：

a、将块状试件28夹持在上夹具26上，通过丝杆副14调节中梁12的垂直高度，使块状试件28与传热管30靠近，再调整角位移台37的前后倾角使传热管30与块状试件28的平面保持平行，随后调节升降台36使块状试件28与传热管30保持良好的线接触；

b、数据采集控制系统控制压电陶瓷作动器21向下运动，向块状试件28施加设定的垂向载荷；然后数据采集控制系统控制压电陶瓷作动器21上下作动，使上夹具26及其夹持的块状试件28以设定的振幅和往复次数径向往复微动，并通过位移传感器27实现振幅的闭环控制；同时传热管30与两个圆柱形试件31实现切向-径向多向微动；力传感器25同时测出块状试件28所受的载荷。

Claims (5)

1.一种蒸汽发生器传热管的多向微动磨损装置，由机架、驱动装置、调平升降系统和数据采集控制系统组成，其中：

所述的机架的构成是：底座（10）上设置有龙门架，龙门架的两立柱（11）上套合有可垂向移动的中梁（12），中梁（12）中部的上表面通过丝杆副（14）与龙门架的顶梁（13）相连；

试件驱动装置的构成是：压电陶瓷作动器（21）的上端与中梁（12）中部的下表面固定连接，下端依次通过柔性接头(23）、连接杆（22）、测力传感器（25）与夹持块状试件（28）的上夹具（26）相连，上夹具（26）与中梁（12）之间安装有位移传感器(27);

传热管调平升降系统的构成是：角位移台（37）固定在底座（10）上，角位移台（37）上表面固定有升降台（36），升降台（36）上表面安装一个试件支撑板（34），试件支撑板（34）上靠拢放置两个等直径的圆柱形试件（31），两个圆柱形试件（31）的外侧紧靠左右侧的夹紧板（35），且夹紧板（35）上方螺纹连接有下压板（32），下压板（32）下内侧的弧形面与圆柱形试件（31）紧配合；在两圆柱形试件（31）中上部放置传热管（30），传热管（30）位于上夹具（26）的正下方;

位移传感器（27）、测力传感器（25）和压电陶瓷作动器（21）均与数据采集控制系统连接。

2.根据权利要求1所述的一种蒸汽发生器传热管的多向微动磨损装置，其特征在于：

所述的压电陶瓷作动器（21）的上端与中梁（12）中部的下表面固定连接的具体结构是：中梁（12）中部的下表面与安装筒（20）的上端壁固定连接，安装筒（20）的上端壁内表面固定连接压电陶瓷作动器（21），连接杆（22）伸出安装筒（20）下端壁外部；

所述的上夹具（26）与中梁(12)之间安装有位移传感器(27)的具体结构是：位移传感器(27)一端与安装筒（20）固定连接，另一端与上夹具（26）相连。

3.根据权利要求1所述的一种蒸汽发生器传热管的多向微动磨损装置，其特征在于:所述的试件支撑板（34）上固定有围住夹紧板（35）的盛液壁(33)，且盛液壁（33）底部与支撑板（34）之间密封连接。

4.一种使用权利要求1或2所述的多向微动磨损装置进行传热管多向微动磨损试验的方法，其作法是：

a、将块状试件（28）夹持在上夹具(26)上，通过丝杆副（14）调节中梁（12）的垂直高度，使块状试件（28）与传热管（30）靠近，再调整角位移台（37）的前后倾角使传热管（30）与块状试件（28）的平面保持平行，随后调节升降台（36）的高度使块状试件（28）与传热管（30）保持良好的线接触；

b、数据采集控制系统控制压电陶瓷作动器（21）向下运动，向块状试件（28）施加设定的垂向载荷；然后数据采集控制系统控制压电陶瓷作动器（21）上下作动，使上夹具（26）夹持的块状试件（28）以设定的振幅和往复次数与传热管（30）实现径向往复微动，并通过位移传感器（27）实现振幅的闭环控制；同时传热管（30）与两个圆柱形试件（31）实现切向-径向多向微动；力传感器（25）同时测出块状试件（28）所受的载荷。

5.一种使用权利要求3所述的多向微动磨损装置进行传热管多向微动磨损试验的方法，其作法是：

先向盛液壁（33）围成的内腔充入液体介质，使液体介质淹没传热管（30）与块状试件（28）的接触部位，再进行以下的操作：

a、将块状试件（28）夹持在上夹具(26)上，通过丝杆副（14）调节中梁（12）的垂直高度，使块状试件（28）与传热管（30）靠近，再调整角位移台（37）的前后倾角使传热管（30）与块状试件（28）的平面保持平行，随后调节升降台（36）的高度使块状试件（28）与传热管（30）保持良好的线接触；

b、数据采集控制系统控制压电陶瓷作动器（21）向下运动，向块状试件（28）施加设定的垂向载荷；然后数据采集控制系统控制压电陶瓷作动器（21）上下作动，使上夹具（26）夹持的块状试件（28）以设定的振幅和往复次数与传热管（30）实现径向往复微动，并通过位移传感器（27）实现振幅的闭环控制；同时传热管（30）与两个圆柱形试件（31）实现切向-径向多向微动；力传感器（25）同时测出块状试件（28）所受的载荷。

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