CN105021472A - 一种蒸汽腐蚀疲劳试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于材料性能测试技术领域，涉及一种蒸汽腐蚀疲劳试验系统。本系统包括疲劳试验机以及设置在疲劳试验机上的疲劳加载夹具，还包括蒸汽环境密封筒、加热炉和蒸汽发生箱，所述疲劳试验机用于提供疲劳载荷，并通过所述疲劳加载夹具将疲劳载荷施加到疲劳试样上进行试验；所述蒸汽环境密封筒包覆在所述疲劳试样的外侧，用于向疲劳试样提供密封的蒸汽环境；所述加热炉用于对蒸汽环境密封筒中的蒸汽进行二次加热；所述蒸汽发生箱用于向蒸汽环境密封筒中提供蒸汽。本系统能够满足模拟石油、化工、电力等工业领域中更宽广的蒸汽环境温度范围需求，实现精确的温度调控，为服役于蒸汽腐蚀环境和交变载荷作用下的设备选材设计和寿命评价提供支撑。
Description
技术领域
本发明属于材料性能测试技术领域，涉及一种蒸汽腐蚀疲劳试验系统。
背景技术
在石油、化工、电力等工业领域，因蒸汽腐蚀疲劳导致的设备失效事故时有发生。如汽轮机、蒸汽压缩机等转子长期在复杂交变载荷和蒸汽腐蚀环境下工作，锅炉、蒸汽发生器、换热器等受气泡交替产生和破灭的影响，汽包和蒸汽管道等受来自相邻设备和内部流体产生的激振、以及压力脉动导致的气柱谐振等作用，均存在蒸汽腐蚀疲劳失效风险，影响设备长周期安全、高效运行。对于此类设备进行结构设计和材料选取时，需要以蒸汽腐蚀环境下的疲劳性能数据为依据，并综合考虑机械、温差应力和蒸汽腐蚀等共同作用。
目前，我国测试材料在蒸汽腐蚀环境下疲劳性能的试验系统仍比较匮乏，虽然中国专利文献《高温蒸汽环境下的高频疲劳寿命试验系统及试验方法》(公开号：CN103954514A)报道了一种高温蒸汽环境下的疲劳寿命试验系统，但其主要针对电力装备中的汽轮机叶片等，侧重于考虑测试湿蒸汽中氧气含量对材料疲劳性能的影响，无法完全模拟石油、化工、电力等工业领域中的各种不同温度及不同状态下的蒸汽腐蚀环境。
发明内容
本发明的目的是提供一种蒸汽腐蚀疲劳试验系统，本系统能够满足模拟石油、化工、电力等工业领域中更宽广的蒸汽环境温度范围需求，实现精确的温度调控，为服役于蒸汽腐蚀环境和交变载荷作用下的设备选材设计和寿命评价提供支撑。
为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：
一种蒸汽腐蚀疲劳试验系统，包括疲劳试验机以及设置在疲劳试验机上的疲劳加载夹具，本系统还包括蒸汽环境密封筒、加热炉和蒸汽发生箱，
所述疲劳试验机用于提供疲劳载荷，并通过所述疲劳加载夹具将疲劳载荷施加到疲劳试样上进行试验；
所述蒸汽环境密封筒包覆在所述疲劳试样的外侧，用于向疲劳试样提供密封的蒸汽环境；
所述加热炉用于对蒸汽环境密封筒中的蒸汽进行二次加热；
所述蒸汽发生箱用于向蒸汽环境密封筒中提供蒸汽。
优选的，所述疲劳加载夹具包括分别夹持在疲劳试样两端的上夹持部和下夹持部，所述上夹持部自上而下依次设置有上连接法兰和上密封法兰，所述下夹持部自下而上依次设置有下连接法兰和下密封法兰；
所述蒸汽环境密封筒包括彼此固接且连通的密封筒体和波纹管，蒸汽环境密封筒的上下两端分别与疲劳加载夹具中的上密封法兰和下密封法兰固接并密封，且蒸汽环境密封筒上还设置有与所述蒸汽发生箱的第一蒸汽管道相连的蒸汽入口以及与所述蒸汽发生箱的第二蒸汽管道相连的蒸汽出口。
进一步的，所述密封筒体的筒长大于波纹管的管长，且所述密封筒体包覆在所述疲劳试样的周侧，所述加热炉包覆在密封筒体的外侧；所述蒸汽入口设置在所述密封筒体上，所述蒸汽出口设置在波纹管与疲劳加载夹具相固接的法兰盘上。
优选的，所述蒸汽发生箱中设置有蒸汽发生器和蓄水箱，所述蒸汽发生器与所述蓄水箱之间通过单向阀相连，所述蒸汽发生器与所述蒸汽环境密封筒之间分别连接有第一蒸汽管道和第二蒸汽管道。
进一步的，所述蒸汽发生箱中还设置有冷却水箱和冷却水泵，所述冷却水箱与所述冷却水泵的入口之间设置有第四冷却水管，所述冷却水泵的出口设置有通向所述疲劳加载夹具并对疲劳加载夹具进行冷却的、依次连接的第三冷却水管、第二冷却水管和第一冷却水管，所述第一冷却水管的出水口插设在所述冷却水箱中。
更进一步的，所述蒸汽环境密封筒的下侧设置有便于冷凝水自流通向第一冷却水管的冷凝水管。
优选的，所述蒸汽发生箱的箱体外侧设置有连接螺杆，所述加热炉通过可折叠炉架与所述连接螺杆可转动地连接在一起。
进一步的，所述连接螺杆与蒸汽发生箱的箱体之间构成螺纹连接，所述连接螺杆上设置有便于调节器连接螺杆高度的手轮。
优选的，所述疲劳加载夹具的包覆在蒸汽环境密封筒内部的部分上安装有可对疲劳试样的温度进行实时监测的热电偶。
优选的，所述蒸汽发生箱的底部安装有移动脚轮。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1)、本发明在工作时，由蒸汽发生箱提供初级蒸汽，初级蒸汽通过蒸汽管道进入蒸汽环境密封筒中，然后通过加热炉对蒸汽环境密封筒内的初级蒸汽进行二次加热以达到试验所需的温度，从而本发明能够模拟更为宽广的蒸汽温度范围状况，满足从湿蒸汽到不同过热蒸汽的各种试验环境的需求，为测试循环交变载荷与蒸汽腐蚀环境共同作用下的材料的疲劳性能提供了良好的平台，试验结果可为服役于蒸汽腐蚀环境和交变载荷作用下的设备选材设计和寿命评价提供支撑。
2)、本发明中的热电偶安装在疲劳加载夹具上，实际工作时可将热电偶的位置设置为最大限度的接近疲劳试样，由此测得的温度不但准确可靠，而且热电偶与控制器相配合，能够实现精确的温度调控，进一步提升了试验结果的准确性和可靠性。
3)、本发明进行试验所需的蒸汽腐蚀环境由蒸汽环境密封筒提供，蒸汽环境密封筒的结构紧凑可靠，其两端分别与疲劳加载夹具的上、下密封法兰连接，且连接处进行密封，由此不但完美地模拟了实际工况，而且有效地降低了蒸汽的消耗量，并大大提高了试验装置的安全性能。
4)、本发明中的蒸汽环境密封筒由密封筒体和波纹管构成，密封筒体的主要功能是为疲劳试样提供一个良好地蒸汽环境条件，而波纹管的主要功能则是通过其自身的伸缩变形，吸收整个蒸汽环境密封筒由热胀冷缩或其他原因而产生的轴向尺寸变化，从而实现蒸汽环境密封筒的整体长度的循环可控，有效地将动密封转变为静密封。本发明的这种密封结构不仅改善和提高了密封效果，而且提高了设备长周期运行的可靠性。
5)、本发明中的蒸汽发生箱中设有向蒸汽发生器提供水源的蓄水箱，这种设计确保了试验能够持续稳定的进行，在提高设备自身安全性的同时还进一步起到了节能的作用。
6)、本发明中还设置有由冷却水箱、冷却水泵和冷却水管构成的水冷系统，所述水冷系统可以对疲劳加载夹具与疲劳试验机相连接的两端部进行有效地冷却，从而一方面确保处于蒸汽环境密封筒中的疲劳加载夹具能够在高温蒸汽环境中按照设定要求施加载荷，另一方面使得与疲劳试验机相连接的疲劳加载夹具的两端部仍然保持常温状态，因此疲劳试验机能够免受高温影响而持续可靠稳定的工作。
7)、本发明中的蒸汽发生箱通过连接螺杆和可折叠炉架对加热炉提供支撑，由于连接螺杆上安装有可调节连接螺杆上下移动的手轮，同时蒸汽发生箱的下侧安装有便于蒸汽发生箱四处移动的移动脚轮，从而蒸汽发生箱通过其自身和连接螺杆的移动，能够对加热炉的位置进行调整和定位，极大地方便了试验的操作。
附图说明
图1是本发明的系统结构示意图。
图2是疲劳试验机的结构示意图。
图3是加载夹具和疲劳试样相连接后的结构示意图。
图4是蒸汽环境密封筒示意图。
图5是加热炉的结构示意图。
图6是蒸汽发生箱体的结构示意图。
图7是图6的A-A向剖视图。
图中标记的含义如下：
10—疲劳试验机 11A—试验机上法兰盘 11B—试验机下法兰盘
20—疲劳加载夹具 21A—上连接法兰 21B—下连接法兰
22A—上密封法兰 22B—下密封法兰 23—疲劳试样 24—热电偶
30—蒸汽环境密封筒 31A—蒸汽出口 31B—蒸汽入口
32—波纹管 33—密封筒体
40—加热炉 41—加热炉筒体 42—可折叠炉架
50—蒸汽发生箱 51A—第一冷却水管 51B—第二冷却水管
51C—第三冷却水管 51D—第四冷却水管
52A—第一蒸汽管道 52B—第二蒸汽管道 52C—冷凝水管
53A—连接螺杆 53B—手轮 54—移动脚轮
55—蒸汽发生器 56—蓄水箱 57—单向阀
58—冷却水箱 59—冷却水泵
具体实施方式
下面结合附图对本发明的工作过程做进一步说明。
如图1～7所示，本蒸汽腐蚀疲劳试验系统包括如下组成部分：包括疲劳试验机10、疲劳加载夹具20、蒸汽环境密封筒30、加热炉40、蒸汽发生箱50。
所述疲劳试验机10上设有试验机上法兰盘11A和试验机下法兰盘11B，分别与所述疲劳加载夹具20的上连接法兰21A和下连接法兰21B相连进行疲劳加载，如图2、3所示。
所述疲劳加载夹具20将所述疲劳试验机10提供的疲劳载荷施加到疲劳试样23上进行试验，所述疲劳加载夹具20上安装的热电偶24用于测试试验环境温度，所述疲劳加载夹具20上还设有上密封法兰22A和下密封法兰22B，分别与所述蒸汽环境密封筒30的波纹管32和密封筒体33连接并进行密封。如图4所示，所述波纹管32设置在上侧，密封筒体33设置在下侧，波纹管32和密封筒体33之间通过法兰固接并密封；所述密封筒体32与疲劳加载夹具的下密封法兰22B连接并密封，所述波纹管32与疲劳加载夹具的上密封法兰22A连接并密封。所述波纹管32端部开有蒸汽出口31A与所述蒸汽发生箱50的第一蒸汽管道52A相连、所述密封筒体33上开有蒸汽入口31B与所述蒸汽发生箱50的第二蒸汽管道52B相连，蒸汽发生箱50为所述蒸汽环境密封筒30输送试验所需的蒸汽，如图3、4、6所示。
所述加热炉40的加热炉筒体41通过可折叠炉架42可转动地连接到所述蒸汽发生箱50的连接螺杆53A上，连接螺杆53A与蒸汽发生箱50的箱体构成螺纹配合，所述加热炉筒体41可通过所述连接螺杆53A底部安装的手轮53B调节高度，如图5、6所示。
所述蒸汽发生箱50包括蒸汽发生器55、蓄水箱56、冷却水箱58和冷却水泵59，所述蒸汽发生器55与所述蓄水箱56之间通过单向阀57相连，即蓄水箱56通过单向阀57对所述蒸汽发生器55进行补水；所述蒸汽发生器55通过所述第二蒸汽管道52B向所述蒸汽环境密封筒30输送蒸汽，所述蒸汽发生器55通过所述第一蒸汽管道52A回收所述蒸汽环境密封筒30中的多余蒸汽，所述冷却水箱58通过第四冷却水管51D与所述冷却水泵59相连，并通过第一冷却水管51A、第二冷却水管51B和第三冷却水管51C为所述疲劳加载夹具20提供循环冷却水；所述蒸汽环境密封筒30中的冷凝水通过冷凝水管52C连接到所述第一冷却水管51A并回收到所述冷却水箱58中；所述蒸汽发生箱50的底部安装有移动脚轮54，可进行水平方向移动，如图6、7所示。
下面结合图1～7对本发明的试验过程做详细说明：
1、如图1～7所示，将疲劳试样23安装到疲劳加载夹具20上，连接疲劳加载夹具20的上密封法兰22A和蒸汽环境密封筒30的波纹管32，以及疲劳加载夹具20的下密封法兰22B和蒸汽环境密封筒30的密封筒体33并进行密封，然后将疲劳加载夹具20的上连接法兰21A和下连接法兰21B分别与疲劳试验机10上的试验机上法兰盘11A和试验机下法兰盘11B相连；再通过连接螺杆53A底部的手轮53B、可折叠炉架42与蒸汽发生箱50上的移动脚轮54的彼此调解和配合，使得加热炉40的加热炉筒体41包覆在所述密封筒体33的外侧，也即密封筒体33自加热炉筒体41的中心穿过；随后连接第一蒸汽管道52A和蒸汽出口31A、第二蒸汽管道52B和蒸汽入口31B，再连接第一冷却水管51A、第二冷却水管51B和第三冷却水管51C为疲劳加载夹具20提供循环冷却水，连接冷凝水管52C和第一冷却水管51A回收冷凝水，组成蒸汽腐蚀疲劳试验系统。
2、向蓄水箱56中注入蒸馏水，打开单向阀57向蒸汽发生器中注水；向冷却水箱58中注入循环冷却水。
3、接通蒸汽腐蚀疲劳试验系统电源，设置蒸汽发生箱50输出的蒸汽温度，通过加热炉40设置疲劳腐蚀试验所需温度，开启冷却水泵59为蒸汽腐蚀疲劳试验系统提供循环冷却水。
4、通过疲劳试验机10设定蒸汽腐蚀疲劳试验所需的平均应力、应力幅值、试验频率、波形、最大循环周次，等到蒸汽发生箱50内的蒸汽温度稳定到设定的目标值后，开始进行蒸汽腐蚀疲劳试验，获得石油、化工、电力等工业设备选材设计和寿命评价所需的腐蚀疲劳性能数据。
Claims (10)
1.一种蒸汽腐蚀疲劳试验系统，包括疲劳试验机(10)以及设置在疲劳试验机(10)上的疲劳加载夹具(20)，其特征在于：本系统还包括蒸汽环境密封筒(30)、加热炉(40)和蒸汽发生箱(50)，
所述疲劳试验机(10)用于提供疲劳载荷，并通过所述疲劳加载夹具(20)将疲劳载荷施加到疲劳试样(23)上进行试验；
所述蒸汽环境密封筒(30)包覆在所述疲劳试样(23)的外侧，用于向疲劳试样(23)提供密封的蒸汽环境；
所述加热炉(40)用于对蒸汽环境密封筒(30)中的蒸汽进行二次加热；
所述蒸汽发生箱(50)用于向蒸汽环境密封筒(30)中提供蒸汽。
2.根据权利要求1所述的蒸汽腐蚀疲劳试验系统，其特征在于：
所述疲劳加载夹具(20)包括分别夹持在疲劳试样(23)两端的上夹持部和下夹持部，所述上夹持部自上而下依次设置有上连接法兰(21A)和上密封法兰(22A)，所述下夹持部自下而上依次设置有下连接法兰(21B)和下密封法兰(22B)；
所述蒸汽环境密封筒(30)包括彼此固接且连通的密封筒体(33)和波纹管(32)，蒸汽环境密封筒(30)的上下两端分别与疲劳加载夹具(20)中的上密封法兰(22A)和下密封法兰(22B)固接并密封，且蒸汽环境密封筒(30)上还设置有与所述蒸汽发生箱(50)的第一蒸汽管道(52A)相连的蒸汽入口(31B)以及与所述蒸汽发生箱(50)的第二蒸汽管道(52B)相连的蒸汽出口(31A)。
3.根据权利要求2所述的蒸汽腐蚀疲劳试验系统，其特征在于：所述密封筒体(33)的筒长大于波纹管(32)的管长，且所述密封筒体(33)包覆在所述疲劳试样(23)的周侧，所述加热炉(40)包覆在密封筒体(33)的外侧；所述蒸汽入口(31B)设置在所述密封筒体(33)上，所述蒸汽出口(31A)设置在波纹管(32)与疲劳加载夹具(20)相固接的法兰盘上。
4.根据权利要求2所述的蒸汽腐蚀疲劳试验系统，其特征在于：所述蒸汽发生箱(50)中设置有蒸汽发生器(55)和蓄水箱(56)，所述蒸汽发生器(55)与所述蓄水箱(56)之间通过单向阀(57)相连，所述蒸汽发生器(55)与所述蒸汽环境密封筒(30)之间分别连接有第一蒸汽管道(52A)和第二蒸汽管道(52B)。
5.根据权利要求4所述的蒸汽腐蚀疲劳试验系统，其特征在于：所述蒸汽发生箱(50)中还设置有冷却水箱(58)和冷却水泵(59)，所述冷却水箱(58)与所述冷却水泵(59)的入口之间设置有第四冷却水管(51D)，所述冷却水泵(59)的出口设置有通向所述疲劳加载夹具(20)并对疲劳加载夹具(20)进行冷却的、依次连接的第三冷却水管(51C)、第二冷却水管(51B)和第一冷却水管(51A)，所述第一冷却水管(51A)的出水口插设在所述冷却水箱(58)中。
6.根据权利要求4所述的蒸汽腐蚀疲劳试验系统，其特征在于：所述蒸汽发生箱(50)的箱体外侧设置有连接螺杆(53A)，所述加热炉(40)通过可折叠炉架(42)与所述连接螺杆(53A)可转动地连接在一起。
7.根据权利要求5所述的蒸汽腐蚀疲劳试验系统，其特征在于：所述蒸汽环境密封筒(30)的下侧设置有便于冷凝水自流通向第一冷却水管(51A)的冷凝水管。
8.根据权利要求6所述的蒸汽腐蚀疲劳试验系统，其特征在于：所述连接螺杆(53A)与蒸汽发生箱(50)的箱体之间构成螺纹连接，所述连接螺杆(53A)上设置有便于调节器连接螺杆(53A)高度的手轮(53B)。
9.根据权利要求1～8任一项所述的蒸汽腐蚀疲劳试验系统，其特征在于：所述疲劳加载夹具(20)的包覆在蒸汽环境密封筒(30)内部的部分上安装有可对疲劳试样(23)的温度进行实时监测的热电偶(24)。
10.根据权利要求1～8任一项所述的蒸汽腐蚀疲劳试验系统，其特征在于：所述蒸汽发生箱(50)的底部安装有移动脚轮(54)。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 230031 No. 888 Changjiang West Road, Shushan District, Hefei, Anhui. Applicant after: HEFEI GENERAL MACHINERY RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Applicant after: CHANGCHUN RESEARCH INSTITUTE FOR MECHANISM SCIENCE Co.,Ltd. Address before: 230031 No. 888 Changjiang West Road, Shushan District, Hefei, Anhui. Applicant before: HEFEI GENERAL MACHINERY Research Institute Applicant before: CHANGCHUN RESEARCH INSTITUTE FOR MECHANISM SCIENCE Co.,Ltd. |
|
| GR01 | Patent grant | ||
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder | ||
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Address after: 230031 No. 888 Changjiang West Road, Shushan District, Anhui, Hefei Patentee after: HEFEI GENERAL MACHINERY RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Patentee after: SINOTEST EQUIPMENT CO.,LTD. Address before: 230031 No. 888 Changjiang West Road, Shushan District, Anhui, Hefei Patentee before: HEFEI GENERAL MACHINERY RESEARCH INSTITUTE Co.,Ltd. Patentee before: CHANGCHUN RESEARCH INSTITUTE FOR MECHANISM SCIENCE Co.,Ltd. |