CN104297141A - 一种试样轴向冲刷腐蚀试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种试样轴向冲刷腐蚀试验装置及方法，包括加热保温系统、罐体、螺杆型搅拌桨、导流筒、连接杆、连接盘、罐体顶盖、导向筒、真空系统、波纹管、定位杆、电机、磁性连轴传动件、升降系统、试样夹具、试样和顶针等结构件。试验装置的工作原理为电机驱动外磁体旋转，磁力作用下将旋转运动传递至内磁体，内磁体旋转带动螺杆型搅拌桨旋转，驱动罐体内流体在垂直方向上循环流动，导流筒外壁安装试样夹具固定试样，形成流体对试样的轴向冲刷。本发明的积极效果是，采用一个简单的罐体搅拌结构实现了试样的轴向冲刷。

Description

一种试样轴向冲刷腐蚀试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种试样轴向冲刷腐蚀试验装置及方法，用于实现管材、棒材试样的表面冲刷试验。

背景技术

现有的高温流体装置中，流体的驱动方式主要有两种：热对流和机械泵驱动，其缺点是：热对流驱动的流体流速一般较小，且不适合于粘度较大的流体；机械泵驱动的流体一般流速较大，缺点是一些特殊高温、高腐蚀流体对机械泵的性能要求很高，且采用机械泵驱动的试验装置一般规模较大，建设和运行成本高。

对于一些特殊流体，如液态铅铋合金，其温度高，化学性质活泼，腐蚀性强。如何实现小型试验装置内铅铋流体驱动，并能保持稳定流速、对试样进行轴向冲刷和长期稳定运行，是一个亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种试样轴向冲刷腐蚀试验装置及方法，采用一个简单的罐体搅拌结构实现了试样的轴向冲刷，有效模拟一些特殊工况下的试样和流体环境，如反应堆堆芯包壳管所处工况，具有试验装置小巧、功能全、建造和运行成本低等优点。

本发明技术解决方案：一种试样轴向冲刷腐蚀试验装置，包括：加热保温系统、罐体、螺杆型搅拌桨、导流筒、连接杆、连接盘、罐体顶盖、导向筒、真空系统、波纹管、定位杆、电机、磁性连轴传动件、升降系统、试样夹具、试样和顶针；顶针焊接固定于罐体底部中心位置；试样采用试样夹具固定；试样夹具安装固定在导流筒外壁；导流筒通过连接杆与连接盘连接；连接盘与螺杆型搅拌桨传动轴为同心套管结构并轴向连接；螺杆型搅拌桨传动轴上端与磁性连轴传动件连接；磁性连轴传动件与电机连接；磁性连轴传动件外壳与升降系统下端、波纹管上端连接；波纹管下端与导向筒连接；导向筒侧壁连接真空系统，导向筒下端连接罐体顶盖；罐体顶盖下端与罐体连接；罐体顶盖上端与定位杆连接；定位杆穿过磁性连轴传动件外壳与升降系统上端连接；升降系统通过对磁性连轴传动件外壳施加压力，控制波纹管伸缩实现螺杆型搅拌桨、导流筒在密闭的罐体内升降。

罐体为流体流动和储存的容器，通常，罐体内截面为圆形，以减少流体流阻，另外为了保证罐体内流体处于高温条件，罐体外侧有加热保温系统。

真空系统，实现实验装置的抽真空及惰性气体充排功能。

升降系统，通过压缩波纹管，实现试样、搅拌桨和导流筒在罐体内的升降功能。

螺杆型搅拌桨，叶片为连续螺旋状，通过高速旋转压缩驱动流体流动，为了减少高温流体的传热影响到电机的工作环境，螺杆型搅拌桨通常有一个长的传动轴。螺杆型搅拌桨传动轴底部有圆锥孔，圆锥孔大小与顶针大小相匹配。

顶针，焊接固定于罐体底部中心位置，尖部设计加工为圆锥状，对螺杆型搅拌桨传动轴进行定位。

连接盘，通过连接杆与导流筒连接，连接盘与螺杆型搅拌桨传动轴为同心套管结构并轴向连接。在螺杆型搅拌桨升降过程中，连接盘同步升降。在螺杆型搅拌桨旋转过程中，连接盘不旋转。

定位杆，连接升降系统与罐体顶盖，并穿过磁性连轴传动件外壳。定位杆通常由3根呈正三角形排列的细长钢棒组成，作用是固定升降系统，同时防止电机旋转过程中产生对波纹管的扭矩。

波纹管，连接磁性连轴传动件和导向筒，作用是试验装置密封，同时通过伸缩实现螺杆型搅拌桨、导流筒在密闭的罐体内升降。

电机通过磁性连轴传动件驱动螺杆型搅拌桨，磁性连轴传动件包括外磁体、内磁体、外壳和隔离罩四部分，隔离罩采用柔性石墨材料消除磁阻，外磁体和内磁体均由两个大小相同的半O型圈结构永磁体组成，外磁体与电机连接，内磁体与螺杆型搅拌桨的传动轴上端连接。工作时电机驱动外磁体旋转，磁力作用下将旋转运动传递至内磁体，并带动螺杆型搅拌桨旋转，结合导流筒导流作用，驱动罐体内流体在垂直方向上循环流动。

试样夹具采用特殊设计结构，由上顶盖、下卡套、下底盖三部分组成，上顶盖、下卡套分别固定于导流筒外壁上下两端并保持同轴，下卡套和下底盖采用间隙配合，并利用细金属丝缠绕固定，保证试样安装、拆卸过程不碰触试样中间段，同时避免腐蚀和自焊，试验结束后剪断金属丝取出试样。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)现有流体冲刷腐蚀试验中，试验装置一般为回路管道结构，装置规模大、建造和运行成本高，本发明利用一个简单的罐体结构实现了对试样的轴向冲刷，具有试验装置小巧、功能全、建造和运行成本低等优点；

(2)本发明采用搅拌桨与导流筒组合的机械结构驱动流体，特别适合于高温、高腐蚀、化学性质活泼的低流速流体；

(3)本发明通过利用升降系统压缩波纹管，控制螺杆型搅拌桨、导流筒在罐体内升降，简易实现了高温、密闭环境下罐体内螺杆型搅拌桨、导流筒的操作，避免了罐体内流体低温凝固或蒸气泄漏可能造成的系列实验问题；

(4)本发明中电机通过磁性连轴传动件驱动螺杆型搅拌桨，磁性连轴传动件的隔离罩采用柔性石墨材料，利用柔性石墨材料抗磁性强、耐高温、耐腐蚀、密封型优良的特点，可以充分满足试验装置的实验条件需求；

(5)本发明中，试样夹具由上顶盖、下卡套和下底盖三部分组成，可以方便试样的安装和拆卸，并可实现试样安装、拆卸过程均不碰触试样中间段，同时由于不需要螺帽和卡扣等紧固件，避免了螺帽、卡扣的腐蚀自焊和对试样产生额外应力。

附图说明

图1为本发明的试验装置总体结构示意；

图2为本发明实施例的罐体和罐内部件(未含螺杆型搅拌桨)俯视图；

图3为本发明的磁性连轴传动件结构示意图；

图4为本发明中螺杆型搅拌桨示意图；

图5为本发明中上顶盖示意图；

图6为本发明中下卡套示意图；

图7为本发明中下顶盖示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示，本发明试验装置包括：加热保温系统1、罐体2、螺杆型搅拌桨3、导流筒4、连接杆14、连接盘5、罐体顶盖6、导向筒7、真空系统8、波纹管9、定位杆10、电机11、磁性连轴传动件12、升降系统13、试样夹具15、试样16和顶针17；顶针17焊接于罐体2底部中心位置；试样16采用试样夹具15固定；试样夹具15安装固定在导流筒4外壁；导流筒4通过连接杆14与连接盘5连接；连接盘5与螺杆型搅拌桨3传动轴为同心套管结构并轴向连接；螺杆型搅拌桨3传动轴上端与磁性连轴传动件12连接；磁性连轴传动件12与电机11连接；磁性连轴传动件12外壳与升降系统13下端、波纹管9上端连接；波纹管9下端与导向筒7连接；导向筒7侧壁连接真空系统8，导向筒7下端连接罐体顶盖6；罐体顶盖6下端与罐体2连接；罐体顶盖6上端与定位杆10连接；定位杆10穿过磁性连轴传动件12外壳与升降系统13上端连接；升降系统13通过对磁性连轴传动件12外壳施加压力，控制波纹管9伸缩实现螺杆型搅拌桨3、导流筒4在密闭的罐体2内升降。

如图3所示，磁性连轴传动件12包括外磁体18、内磁体19、隔离罩20和外壳21四部分，外磁体18与电机11连接，内磁体19与螺杆型搅拌桨3的传动轴上端连接，工作时电机11驱动外磁体18旋转，磁力作用下将旋转运动传递至内磁体19，进而带动螺杆型搅拌桨3旋转。

如图4所示，螺杆型搅拌桨3叶片为连续螺旋状，通过高速旋转压缩驱动导流筒4与螺杆型搅拌桨3间的流体，螺杆型搅拌桨3传动轴底部有圆锥孔，圆锥孔大小与顶针17大小相匹配。

如图5－7所示，试样夹具由上顶盖22、下卡套23和下底盖24三部分组成，上顶盖22、下卡套23分别固定于导流筒4外壁上下两端并保持同轴，下卡套23和下底盖24采用间隙配合，并利用细金属丝缠绕固定，试验结束后剪断金属丝取出试样。采用本发明设计的试样夹具，试样安装和拆卸过程无需碰触试样中间段，同时由于不需要螺帽和卡扣等紧固件，避免了螺帽、卡扣的腐蚀自焊和对试样产生额外应力。

本发明的整体测量步骤工作过程如下：

(1)按照图1、图2所示结构，连接螺杆型搅拌桨3、导流筒4、连接杆14、连接盘5、罐体顶盖6、导向筒7、真空系统8、波纹管9、定位杆10、电机11、磁性连轴传动件12、升降系统13、试样夹具15和试样16，得到一个整体的试验装置上部构件。

(2)向罐体2内加入计算好质量的流体，装入步骤(1)得到的试验装置上部构件密封罐体顶盖6；

(3)打开真空系统8，将波纹管9与罐体2内的空气置换为惰性气体，关闭真空系统8；

(4)利用加热保温系统1将罐体2内流体加热至试验温度；

(5)调节升降系统13，使试样16、导流筒4和螺杆型搅拌桨3浸入至罐体2的流体液面以下；

(6)启动电机11，驱动螺杆型搅拌桨3旋转，形成罐体2内的流体在垂直方向上的循环流动；

(7)调节电机11转速，控制罐体2内流体流速至实验值；

(8)试验结束后，关闭电机11，调节升降系统13，使试样16、导流筒4和螺杆型搅拌桨3移出流体液面；

(9)关闭加热保温系统1，待流体冷却后，打开罐体顶盖6取出试样16。

实施实例1：按照上述说明设计研制了液态铅铋合金腐蚀实验装置并开展了腐蚀实验，电机11为大功率步进电机；螺杆型搅拌桨3的螺纹数为3.5；试样16为16根外径、高度相同的不锈钢空心棒，试样16通过试样夹具15安装固定于导流筒4外壁。腐蚀试验步骤如下：

(1)向罐体2内加入计算好重量的固体铅铋块，装入安装好试样16的导流筒4和螺杆型搅拌桨3，密封罐体顶盖6。

(2)打开真空系统8，将波纹管9与罐体2内的空气置换为氩气，关闭真空系统8。

(3)打开罐体2外部的加热保温系统1对罐体2进行加热，直至固体铅铋块完全熔化。

(4)调节升降系统13，使试样16、导流筒4和螺杆型搅拌桨3完全浸入液态铅铋合金液面。

(5)启动旋转电机11，带动螺杆型搅拌桨3旋转，形成罐体2内液态铅铋合金的垂直流动。

(6)调节旋转电机11转速，控制罐体2内的液态铅铋合金流速至试验值。

(7)试验结束后，关闭旋转电机11，调节升降系统13，使试样16、导流筒4和螺杆型搅拌桨3移出液态铅铋合金液面。

(8)关闭加热系统1，待液态铅铋合金冷却后，打开罐体顶盖6取出试样16。

实施实例2：利用水校对该腐蚀实验装置的驱动效率，计算过程如下公式：

$\mathrm{\η}=\frac{4\×Q}{\mathrm{\π}\×(D^2-d^2)\×(H-h)\×\mathrm{\ω}}$

式中：

η为试验装置的驱动效率；

D为螺杆型搅拌桨的直径；

d为螺杆型搅拌桨传动轴的直径；

H为螺杆型搅拌桨叶片的螺距；

h为螺杆型搅拌桨叶片的厚度；

ω为电机的转速；

Q为转速为ω时罐体中的液态铅铋合金循环流量。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种试样轴向冲刷腐蚀试验装置，其特征在于包括：罐体(2)、螺杆型搅拌桨(3)、导流筒(4)、连接杆(14)、连接盘(5)、罐体顶盖(6)、导向筒(7)、真空系统(8)、波纹管(9)、定位杆(10)、电机(11)、磁性连轴传动件(12)、升降系统(13)、试样夹具(15)、试样(16)和顶针(17)；螺杆型搅拌桨(3)、导流筒(4)、连接杆(14)、连接盘(5)、试样夹具(15)、试样(16)和顶针(17)均位于罐体(2)内，其中顶针(17)固定于罐体(2)底部中心位置；试样(16)安装固定在试样夹具(15)上；试样夹具(15)安装固定在导流筒(4)外壁；导流筒(4)通过连接杆(14)与连接盘(5)连接；连接盘(5)与螺杆型搅拌桨(3)传动轴为同心套管结构并轴向连接；螺杆型搅拌桨(3)传动轴上端与磁性连轴传动件(12)连接；磁性连轴传动件(12)与电机(11)连接；磁性连轴传动件(12)外壳与升降系统(13)下端、波纹管(9)上端连接；波纹管(9)下端与导向筒(7)连接；导向筒(7)侧壁连接真空系统(8)，导向筒(7)下端连接罐体顶盖(6)；罐体顶盖(6)下端与罐体(2)连接；罐体顶盖(6)上端与定位杆(10)连接；定位杆(10)穿过磁性连轴传动件(12)外壳与升降系统(13)上端连接；升降系统(13)通过对磁性连轴传动件(12)外壳施加压力，控制波纹管(9)伸缩实现螺杆型搅拌桨(3)、导流筒(4)在密闭的罐体(2)内升降。

2.如权利要求1所述的试样轴向冲刷腐蚀试验装置，其特征在于：所述罐体(2)外侧有加热保温系统(1)。

3.如权利要求1所述的试样轴向冲刷腐蚀试验装置，其特征在于：所述磁性连轴传动件(12)包括外磁体、内磁体、外壳和隔离罩；外磁体和内磁体均由两个大小相同的半O型圈结构永磁体组成；外磁体与电机(11)旋转轴连接；内磁体与螺杆型搅拌桨(3)传动轴上端连接；电机(11)驱动外磁体旋转，磁力作用下将旋转运动传递至内磁体，带动螺杆型搅拌桨(3)旋转，结合导流筒(4)导流作用，驱动罐体(2)内流体在垂直方向上循环流动。

4.如权利要求1所述的试样轴向冲刷腐蚀试验装置，其特征在于：所述螺杆型搅拌桨(3)传动轴底部有圆锥孔，圆锥孔大小与顶针(17)大小相匹配。

5.如权利要求1所述的试样轴向冲刷腐蚀试验装置，其特征在于：所述试样夹具(15)由上顶盖、下卡套和下底盖组成，上顶盖、下卡套分别固定于导流筒(4)外壁上下两端并保持同轴，下卡套和下底盖采用间隙配合，并利用细金属丝缠绕固定，试验结束后剪断金属丝取出试样。

6.如权利要求1、3所述的试样轴向冲刷腐蚀试验装置，其特征在于：所述磁性连轴传动件(12)的隔离罩为柔性石墨材料。

7.采用权利要求1－5所述的试样轴向冲刷腐蚀试验方法，其特征在于实现步骤如下：

(1)按照权利要求1所述结构，连接螺杆型搅拌桨(3)、导流筒(4)、连接杆(14)、连接盘(5)、罐体顶盖(6)、导向筒(7)、真空系统(8)、波纹管(9)、定位杆(10)、电机(11)、磁性连轴传动件(12)、升降系统(13)、试样夹具(15)和试样(16)，得到一个整体的试验装置上部构件；

(2)向腐蚀试验装置的罐体(2)内加入计算好质量的流体，装入步骤(1)得到的试验装置上部构件，密封罐体顶盖(6)；

(3)打开真空系统(8)，将波纹管(9)与罐体(2)内的空气置换为惰性气体，关闭真空系统(8)；

(4)利用加热保温系统(1)将罐体(2)内流体加热至试验温度；

(5)调节升降系统(13)，使试样(16)、导流筒(4)和螺杆型搅拌桨(3)浸入至流体液面以下；

(6)启动电机(11)，驱动螺杆型搅拌桨(3)旋转，形成罐体(2)内流体在垂直方向上的循环流动；

(7)调节电机(11)转速，控制罐体(2)内流体流速至试验值；

(8)试验结束后，关闭电机(11)，调节升降系统(13)，使试样(16)、导流筒(4)和螺杆型搅拌桨(3)移出流体液面；

(9)关闭加热保温系统(1)，待流体冷却后，打开罐体顶盖(6)取出试样(16)。