CN105424497A - 一种管件蠕变性能测试用近服役环境模拟装置 - Google Patents

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Abstract

一种管件蠕变性能测试用近服役环境模拟装置，包括：加热炉、水蒸气环境组件、烟气环境组件、蠕变加载组件和蠕变变形测量组件，所述烟气环境组件部分设置于所述加热炉内，所述水蒸气环境组件部分设置于所述烟气环境组件内，所述蠕变加载组件与所述水蒸气环境组件连接，所述蠕变变形测量组件与所述水蒸气环境组件连接。管件蠕变性能测试用近服役环境模拟装置，可根据火电、核电等领域用关键高温管件的实际服役状态，调节管件试样内、外环境的温度以及水蒸气内环境和烟气外环境的成分配比等，模拟管件试样的近服役环境，并与蠕变加载主机配合，进行管件试样环境-载荷耦合条件下的蠕变持久、蠕变-疲劳以及氧化腐蚀等性能的测试分析。

Description

一种管件蠕变性能测试用近服役环境模拟装置
技术领域
本发明涉及一种管件蠕变性能测试用近服役环境模拟装置，属管件尤其是火电管件力学性能、腐蚀氧化性能等测试分析领域。
背景技术
固体材料在一定温度下，保持应力不变时，应变随时间延长而增加的现象称为蠕变。材料的蠕变行为是时间、应力、温度共同作用的结果，只要作用的时间足够长，蠕变在应力远小于弹性极限时也能出现。同样，材料的蠕变行为在低温下也会发生，但只有达到一定的温度才能变得显著，该温度称为材料的蠕变温度。火电、核电等领域长时高温受载条件下工作的构件，蠕变损伤是其主要的失效形式，材料的蠕变寿命是材料研发、构件设计、寿命预测和可靠性评估必须参考的基本高温力学性能之一。
除温度应力作用下的正常的长时蠕变损伤外，对于火电、核电领域的高温管道而言，在其蠕变寿命内，还面临着管道内的蒸气氧化，管道外的烟气腐蚀以及管道焊接接头的开裂的等严重的失效问题。管道的腐蚀、氧化以及焊接接头的弱化会影响管道的蠕变寿命，同时管道的蠕变变形也会加速管道的氧化、腐蚀以及焊接接头的弱化，因此，利用常规简单高温条件下的材料蠕变寿命还不能准确的反映管件的真实寿命极限。根据管道的实际服役环境，设计开发能够模拟其内部高温水蒸气、外部高温烟气环境的缩比或实际尺寸管道蠕变加载设备，进行其近服役环境下的蠕变持久性能测试分析，对火电、核电等管件的寿命预测和可靠性评估有着非常重要的意义。
发明内容
本发明提出一种管件蠕变性能测试用近服役环境模拟装置，环境模拟装置利用管件试样本身作为其内部水蒸气环境炉管，管道试样外配置烟气环境箱和高温加热炉，通过温度、水蒸气、烟气控制系统共同作用模拟火电、核电等领域用关键高温管道的真实服役环境，并与蠕变试验主机连接，进行管件试样近服役环境下的蠕变、疲劳以及氧化腐蚀等性能测试分析。
一种管件蠕变性能测试用近服役环境模拟装置，所述管件近服役环境模拟装置包括：加热炉、水蒸气环境组件、烟气环境组件、蠕变加载组件和蠕变变形测量组件，所述烟气环境组件部分设置于所述加热炉内，所述水蒸气环境组件部分设置于所述烟气环境组件内，所述蠕变加载组件与所述水蒸气环境组件连接，所述蠕变测量组件与所述水蒸气环境组件连接。
进一步的，所述水蒸气环境组件包括：水蒸气环境炉管、水蒸气发生器、水蒸气预加热装置、水蒸气进气管、水蒸气出气管和水蒸气出水管，所述水蒸气发生器、水蒸气进气管、水蒸气环境炉管顺次连接，所述水蒸气预加热装置贴设于水蒸气进气管外侧，所述水蒸气出气管一端与所述水蒸气环境炉管上端连接，所述水蒸气出气管另一端延伸至外部大气环境中，所述水蒸气出水管一端与所述水蒸气环境炉管下端连接，所述水蒸气出水管另一端延伸至外部大气环境中。
进一步的，所述烟气环境组件包括：烟气环境箱、烟气混合装置、烟气进气管与烟气出气管，所述烟气混合装置、烟气进气管、烟气环境箱顺次连接，所述烟气出气管一端与所述烟气环境箱上端连接，所述烟气出气管另一端延伸至外部大气环境中。
进一步的，所述烟气环境箱两端采用法兰密封，所述上法兰采用双法兰设计，两套法兰中间以波纹管连接，所述上下法兰中心设有管道夹具出口孔，所述烟气环境箱外侧设有所述加热炉，所述水蒸气环境炉管设置于所述烟气环境箱内。
进一步的，所述水蒸气环境炉管为管件试样。
进一步的，所述蠕变加载组件包括：管道夹具上接头与管道夹具下接头、蠕变试验主机上拉杆和蠕变试验主机下拉杆，所述管道夹具上接头与管道夹具下接头分别设置于所述水蒸气环境炉管的两端，所述管道夹具穿过烟气管道法兰与蠕变试验主机上下拉杆连接。
进一步的，所述蠕变变形测量组件包括：高温引伸杆、波纹管和位移计，所述高温引伸杆一端设置于所述烟气环境箱内与所述水蒸气环境炉管外壁连接，所述高温引伸杆另一端通过波纹管延伸至烟气环境箱外与位移计连接。
与常规蠕变持久试验机相比，本发明的特点在于：通过大气加热炉、水蒸气以及烟气环境发生和控制系统地有效配合，管件蠕变性能测试用近服役环境模拟装置可实现火电、核电等领域用关键管道高温水蒸气氧化和烟气腐蚀等服役环境的模拟，并与蠕变持久试验机加载主机连接，完成管件试样近服役环境下的蠕变持久性能测试以及受力情况下高温氧化、烟气腐蚀以及管件结构失效等性能分析。
附图说明
图1本发明近服役环境模拟装置剖视结构示意图；
图2本发明近服役环境模拟装置左视结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
如图1-2所示，一种管件蠕变性能测试用近服役环境模拟装置，所述管件蠕变性能测试用近服役环境模拟装置主要针对火电、核电等领域用关键高温管道近服役环境下的蠕变持久及氧化腐蚀等性能测试，所述管件近服役环境模拟装置包括：加热炉1、水蒸气环境组件2、烟气环境组件3、蠕变加载组件4和蠕变变形测量组件5，所述烟气环境组件3部分设置于所述加热炉1内，所述水蒸气环境组件2部分设置于所述烟气环境组件3内，所述蠕变加载组件4与所述水蒸气环境组件2连接，所述蠕变变形测量组件5与所述水蒸气环境组件2连接。
所述水蒸气环境组件2包括：水蒸气环境炉管21、水蒸气发生器22、水蒸气预加热装置23、水蒸气进气管24、水蒸气出气管25和水蒸气出水管26，所述水蒸气发生器22、水蒸气进气管24、水蒸气环境炉管21顺次连接，所述水蒸气预加热装置23贴设于水蒸气进气管24外侧，所述水蒸气出气管25一端与所述水蒸气环境炉管21上端连接，所述水蒸气出气管25另一端延伸至外部大气环境中，所述水蒸气出水管26一端与所述水蒸气环境炉管21下端连接，所述水蒸气出水管26另一端延伸至外部大气环境中，所述水蒸气环境炉管21为管件试样，水蒸气发生器22出来的过热水蒸气经水蒸气预加热装置23加热到试验温度后通过水蒸气进气管24送入水蒸气环境炉管21中，形成管件试样内水蒸气环境，当需要放出水蒸气时，打开水蒸气出气管25即可。所述烟气环境组件3包括：烟气环境箱31、烟气混合装置32、烟气进气管33与烟气出气管34，所述烟气混合装置32、烟气进气管33、烟气环境箱31顺次连接，所述烟气出气管34一端与所述烟气环境箱上端连接，所述烟气出气管34另一端延伸至外部大气环境中，N2、CO2、O2、SO2等气体按一定比例在烟气混合装置32混合后，通过烟气进气管33通入高温烟气环境箱31内，当需要放出烟气时，打开烟气出气管34即可。所述烟气环境箱31两端采用法兰密封，所述法兰中心设有管道夹具出口孔可使蠕变加载组件4穿过，所述烟气管道上法兰采用双法兰设计，两套法兰之间以波纹管连接，形成一个可供蠕变持久加载主机上拉杆移动的柔性空间。所述烟气环境箱31外侧设有所述加热炉1，所述水蒸气环境炉管21设置于所述烟气环境箱31内，所述加热炉1对烟气环境箱31与水蒸气环境炉管21加热，所述加热炉1、水蒸气环境组件2和烟气环境组件3协调配合，共同作用，实现管道近服役条件下的高温水蒸气内环境和高温烟气外环境模拟。所述蠕变加载组件4包括：管道夹具上接头41与管道夹具下接头42、蠕变试验主机上拉杆43和蠕变试验主机下拉杆44，所述管道夹具上接头41与管道夹具下接头42分别设置于所述水蒸气环境炉管21的两端，以螺纹形式与所述水蒸气环境炉管21连接，所述蠕变试验主机上拉杆43、下拉杆44分别与所述管道夹具上接头41、管道夹具下接头42以螺纹形式连接，对试样进行加载，所述烟气管道上法兰与管道夹具上接头41采用轴密封，所述烟气管道下法兰与管道夹具下接头42以焊接形式连接。所述蠕变变形测量组件5包括：高温引伸杆51、波纹管52和位移计53，所述高温引伸杆51一端设置于所述烟气环境箱31内与所述水蒸气环境炉管21外壁连接，所述高温引伸杆51另一端通过波纹管52延伸至烟气环境箱31外与位移计53连接，所述高温引伸杆51通过波纹管52将管道变形量引出，利用环境箱外的位移计53完成管道的蠕变变形测量，所述位移计53可使用差动变压器式位移计53。
使用时，管道夹具下接头与烟气管道下法兰焊接后，与蠕变试验主机下拉杆、水蒸气、烟气进气管连接，连接完成后，依次安装水蒸气环境炉管、蠕变变形测量组件、管道夹具上接头、烟气管道上法兰以及蠕变加载主机上拉杆等，最后安装加热炉并连接烟气汇合装置和水蒸气发生器。设备安装完成后，通过烟气汇合装置向烟气环境炉管中通入烟气，并同时启动水蒸气发生发生器、加热炉，待二者温度到达目标温度后，向管件试样内通入高温水蒸气，并通过加热炉温度控制系统调整试验管道外壁的温度，当温度达到目标值并稳定后，启动蠕变持久试验机加载主机开始试验管道的蠕变-疲劳等性能测试。
本发明的有益效果在于，在常规蠕变持久试验机加载主机上配置可用于模拟火电、核电等领域高温管道水蒸气内环境和烟气外环境的环境箱，试验过程中，根据管件试样的实际服役状态，通过控制系统调节管件内、外环境的温度以及内环境水蒸气和外环境烟气的成分配比等，模拟管件的服役环境，进行管件环境-载荷耦合条件下的蠕变持久、蠕变-疲劳以及氧化腐蚀等性能的测试分析。该试验机设计原理简单，方法简便易行，在火电管道及其他管件蠕变持久等性能测试中容易实现，可以实现工业化生产。

Claims (7)

1.一种管件蠕变性能测试用近服役环境模拟装置，其特征在于，所述环境模拟装置包括：加热炉、水蒸气环境组件、烟气环境组件、蠕变加载组件和蠕变变形测量组件，所述烟气环境组件部分设置于所述加热炉内，所述水蒸气环境组件部分设置于所述烟气环境组件内，所述蠕变加载组件与所述水蒸气环境组件连接，所述蠕变变形测量组件与所述水蒸气环境组件连接。
2.根据权利要求所述的管件蠕变性能测试用近服役环境模拟装置，其特征在于，所述水蒸气环境组件包括：水蒸气环境炉管、水蒸气发生器、水蒸气预加热装置、水蒸气进气管、水蒸气出气管和水蒸气出水管，所述水蒸气发生器、水蒸气进气管、水蒸气环境炉管顺次连接，所述水蒸气预加热装置贴设于水蒸气进气管外侧，所述水蒸气出气管一端与所述水蒸气环境炉管上端连接，所述水蒸气出气管另一端延伸至外部大气环境中，所述水蒸气出水管一端与所述水蒸气环境炉管下端连接，所述水蒸气出水管另一端延伸至外部大气环境中。
3.根据权利要求所述的管件蠕变性能测试用近服役环境模拟装置，其特征在于，所述烟气环境组件包括：烟气环境箱、烟气混合装置、烟气进气管与烟气出气管，所述烟气混合装置、烟气进气管、烟气环境箱顺次连接，所述烟气出气管一端与所述烟气环境箱上端连接，所述烟气出气管另一端延伸至外部大气环境中。
4.根据权利要求所述的管件蠕变性能测试用近服役模拟装置，其特征在于，所述烟气环境箱两端采用法兰密封，所述上法兰采用双法兰设计，两套法兰中间以波纹管连接，所述上下法兰中心设有管道夹具出口孔，所述烟气环境箱外侧设有所述加热炉，所述水蒸气环境炉管设置于所述烟气环境箱内。
5.根据权利要求所述的管件蠕变性能测试用近服役环境模拟装置，其特征在于，所述水蒸气环境炉管为管件试样。
6.根据权利要求所述的管件蠕变性能测试用近服役环境模拟装置，其特征在于，所述蠕变加载组件包括：管道夹具上接头与管道夹具下接头、蠕变试验主机上拉杆和蠕变试验主机下拉杆，所述管道夹具上接头与管道夹具下接头分别设置于所述水蒸气环境炉管的两端，所述管道夹具穿过烟气管道法兰与蠕变试验主机上、下拉杆连接。
7.根据权利要求所述的管件蠕变性能测试用近服役环境模拟装置，其特征在于，所述蠕变变形测量组件包括：高温引伸杆、波纹管和位移计，所述高温引伸杆一端设置于所述烟气环境箱内与所述水蒸气环境炉管外壁连接，所述高温引伸杆另一端通过波纹管延伸至烟气环境箱外与位移计连接。
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