一种带高温高压循环水的微动疲劳试验装置及其应用
技术领域
本发明属于材料性能测试试验技术领域,准确地说,涉及到一种带高温高压循环水的微动疲劳试验装置及其应用。
背景技术
微动疲劳是压水堆(PWR)核电站部分关键构件发生服役损伤失效的主要原因之一,常发生于连接PWR核电站一、二回路的压力边界—蒸汽发生器(SG)传热管。SG传热管为薄壁结构,刚度较低,且传热管与支承板、抗振条间存在微小的间隙,电站运行时在流致振动激励下传热管与支承板、抗振条间会发生高频低幅相对滑动;同时,由于停堆/启堆、流致振动、热分层等,SG传热管将遭受腐蚀疲劳损伤,上述两种因素的共同作用将导致SG传热管遭受微动疲劳损伤,可能造成传热管破裂,危及反应堆安全。
目前,在高温高压循环水腐蚀疲劳试验技术领域,发明专利《一种带高温高压循环水的腐蚀疲劳试验装置,公开号:CN102346114A》只能实现高温高压循环水环境中圆棒状试样的常规拉压应变疲劳试验,不能满足高温高压循环水中微动疲劳损伤模拟试验的要求。由于高温高压循环水环境中原位对疲劳试样施加正压力且精确控制试样与磨头之间正压力非常困难,相关试验技术缺乏,国内外还没有高温高压循环水环境中材料微动疲劳性能的试验研究报道。因此,开发一种高温高压循环水环境中微动疲劳试验装置,应用于核电结构材料(如:SG传热管材料)的微动疲劳性能研究,对我国核电结构材料国产化以及核电站安全运行意义重大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能在高温高压循环水环境下测试材料微动疲劳试验装置及其应用,应用于核电结构材料高温高压循环水环境中微动疲劳性能研究,积累核电结构材料基础数据,为核电站关键设备疲劳设计、安全评估、寿命预测和老化管理奠定理论和技术基础。
本发明的技术方案是:
一种带高温高压循环水的微动疲劳试验装置,该装置包括高温高压循环水系统、高压釜、疲劳机、法向正压力施加系统和控制系统,高温高压循环水系统为高压釜内提供试验所需的高温高压循环水,疲劳机对高压釜内的微动疲劳试样进行疲劳加载,施加交变载荷,法向正压力施加系统对高压釜内疲劳试样标距段表面,通过磨损压头精确施加微动疲劳所需的正压力,控制系统控制整个高温高压循环水系统和疲劳机,从而实现高温高压循环水中的微动疲劳试验。
所述的带高温高压循环水的微动疲劳试验装置,高温高压循环水系统设有储水罐、循环泵、高压泵、热交换器、预热器、冷凝器、背压阀、溶解氧探头,储水罐的水出口经过循环泵后分为两个回路:一回路用于水质监测,经溶解氧探头、离子交换树脂直接连回储水罐;二回路经过高压泵、热交换器、预热器后,连至高压釜,高压釜通过管路连回热交换器,经过冷凝器、背压阀、离子交换树脂,连至储水罐,形成回路。
所述的带高温高压循环水的微动疲劳试验装置,在疲劳机的两个立柱之间安装托台,高压釜倒置在疲劳机托台上,釜体在上,釜盖在下,高压釜的上端悬挂在疲劳机横梁上,高压釜的釜盖在高压釜的下端,釜盖的底部连接水冷装置,高压釜内设微动疲劳试样夹具及正压力施加系统;釜盖上设置进水口与出水口,所述出水口上密封连接不锈钢管,不锈钢管伸入高压釜的釜体底部。
所述的带高温高压循环水的微动疲劳试验装置,高压釜内有试样台,试样台通过四个立柱固定于釜盖上,所述的试样台上设有微动疲劳试样夹具,微动疲劳试样通过所述微动疲劳试样夹具的试样夹具底座和欧姆夹与试样台相连,试样夹具底座和欧姆夹对中并固定于试样台的上下面。
所述的带高温高压循环水的微动疲劳试验装置,水冷装置内穿设拉伸轴,拉伸轴的一端连接微动疲劳试样夹具上的微动疲劳试样,拉伸轴的另一端连接疲劳机的传动装置。
所述的带高温高压循环水的微动疲劳试验装置,施加微动疲劳试样的两端分别安装于试样夹具底座,法向正压力施加系统固定于上欧姆夹上,磨损压头与施加微动疲劳试样垂直,磨损压头的两端设置于法向正压力施加系统的磨损压头固定装置上,磨损压头的两端与法向正压力施加系统的法向正压力施加单元相对应,通过法向正压力施加单元施加微动疲劳试样的标距段表面与磨损压头之间的正压力,通过对法向正压力施加单元的调节,实现不同正压力的精确施加。
所述的带高温高压循环水的微动疲劳试验装置,控制系统的控制柜连接循环泵、高压泵、预热器、高压釜,在控制柜上控制循环泵、高压泵,并对预热器、高压釜进行控温,显示高压釜内的温度和压力,自动控制整个高温高压循环水回路。
所述的带高温高压循环水的微动疲劳试验装置,疲劳机与控制柜连接,通过控制柜对疲劳机进行操作,在控制柜上设置控制模式、载荷、位移、频率、波形微动疲劳试验参数,实现对疲劳机的自动控制,采集并记录试验数据。
所述的带高温高压循环水的微动疲劳试验装置的应用,包括如下步骤:
(1)打开储水罐的注水阀门开始注水;
(2)安装微动疲劳试样;打开控制柜上的开关,启动油压泵,使疲劳机的上横梁带动高压釜的釜体向上移动,分开釜体和釜盖后,将微动疲劳试样通过欧姆夹连接试样底座并固定于试样台上,试样下底座与疲劳机拉伸轴相连;
(3)微动疲劳试样表面法向正压力施加;磨损压头通过磨损压头固定装置固定于欧姆夹上,调节法向正压力施加单元,将疲劳试样标距段表面与磨损压头之间的正压力施加到目标值;
(4)拧紧高压釜;装完微动疲劳试样、施加法向正压力后,操纵控制柜,放下疲劳机上横梁,使釜体和釜盖在重力作用下自吻合接触,然后拧紧高压釜下面的主螺栓,使高压釜完全密封;
(5)通循环水;打开阀门,打通整个循环水回路,使高压釜与循环水系统接通,将水引入高压釜,并灌满高压釜,调节高压釜内循环水的溶解氧含量至目标值;
(6)循环水升压;打开控制柜上的高压泵的开关按钮,手动调节高压泵的行程,保持回路循环水流速稳定,然后向右缓慢拧紧背压阀,压力逐渐上升,直到达到试验目标压力值;
(7)循环水加热;加热前打开冷凝器和水冷装置的冷却水开关,然后开启控制柜上的预热器和高压釜控温按钮,设定试验温度,开启加热,此时高压釜内的温度逐渐上升,当到达设定温度后,控制柜内的控温装置对其温度自行调节,直到温度稳定;
(8)疲劳加载;打开疲劳机的控制软件,设定疲劳试验的参数:控制模式、波形、频率、循环周次、应力、应变、停机条件,然后开启自动加载模式,直至疲劳加载结束;
(9)停止试验;当疲劳试验达到设定的条件后,停止疲劳机控制软件,保存试验数据,然后关闭控制柜上的预热器和高压釜的加热开关,此时高压釜内温度逐渐降低,当到达室温后,调节背压阀使压力降低为零,调节高压泵的行程为零,关闭循环泵和高压泵,使水停止循环,然后关闭冷凝器和水冷装置的冷却水,试验结束。
本发明的优点及有益效果是:
1、本发明的高温高压循环水循环水系统可以在360℃、20MPa以下长期稳定运行,并精确控制温度、压力、溶解氧等水化学参数,实现轻水堆核电站高温高压循环水环境的试验模拟。
2、本发明可以在模拟核电站高温高压循环水环境中,通加载轴连接疲劳试样和疲劳机作动器(传动装置),实现多种波型条件下的疲劳加载,通过法向正压力施加单元可以对疲劳试样标距段施加正压力,并在0~300N范围内精确控制试样表面与磨损压头之间的法向正压力值,误差优于2%;在疲劳试验过程中,磨损压头保持静止,疲劳试样标距段反复拉伸与压缩,磨损压头与疲劳试样接触面反复磨损,实现高温高压循环水环境中的微动疲劳试验。
3、本发明的疲劳机拉伸轴与高压釜体之间采用O型圈进行密封,并辅于水冷装置,保证拉伸轴在往复运动时保持良好的密封性。
4、本发明实现计算机自动控制和数据采集,运行稳定,安全可靠。
附图说明
图1为本发明的装置结构图。
图2为微动疲劳试样装配示意图。
图3为国产SG传热管用690镍基合金材料高温高压循环水微动疲劳试验的应力幅与循环周次曲线,应变幅为0.4%。
图4为本发明高温高压循环水微动疲劳试验装置实施例(Experiment,alloy 690)的结果与文献(NUREG/CR-6909,ally 690&alloy 152)中正常状态疲劳数据的对比图。其中,RT air表示室温空气中的疲劳试验;0.4%s-1,PWR water表示在模拟压水堆核电站高温高压循环水中应变速率为0.4%s-1的疲劳试验;1%s-1,100N,285℃,≤5ppb,water表示在285℃、7.8MPa、溶解氧浓度≤5ppb的高温高压循环水中应变速率为1%s-1、正压力为100N的微动疲劳试验;Best-fit air ANL model表示由美国阿贡国家实验室提出的最优化疲劳寿命-应变幅值模型曲线。
图5为285℃、7.8MPa、溶解氧浓度≤5ppb的高温高压循环水环境中微动疲劳试验后片状试样的表面形貌,应变幅为0.4%,法向正压力为100N,循环周次为6133周。其中,图5a和图5b为试验前疲劳试样的正面图和侧面图,图5c为试验后疲劳试样正面图,图5d为试验后疲劳试样的侧面图。
图1中:1疲劳机;2高压釜;3微动疲劳试样夹具及正压力施加系统;4托台;5水冷装置;6拉伸轴;7控制柜;14储水罐;15离子交换树脂;16溶解氧探头;17循环泵;18冷凝器;19热交换器;20高压泵;21预热器;22背压阀。
图2中:8微动疲劳试样;9磨损压头固定装置;10试样夹具底座;11欧姆夹;12磨损压头;13法向正压力施加单元。
具体实施方式
如图1-图2所示,本发明提供了一种能在高温高压循环水环境下测试材料微动疲劳性能的装置,并应用于国产SG传热管材料高温高压循环水环境中微动疲劳性能研究。该装置主要由高温高压循环水系统、高压釜、疲劳机、法向正压力施加系统、控制系统五部分组成,包括:疲劳机1、高压釜2、微动疲劳试样夹具及正压力施加系统3、托台4、水冷装置5、拉伸轴6、控制柜7、微动疲劳试样8、磨损压头固定装置9、试样夹具底座10、欧姆夹11、磨损压头12、法向正压力施加单元13、储水罐14、离子交换树脂15、溶解氧探头16、循环泵17、冷凝器18、热交换器19、高压泵20、预热器21、背压阀22等。其中,高温高压循环水系统为高压釜内提供试验所需的高温高压循环水,疲劳机对高压釜内的微动疲劳试样进行疲劳加载,施加交变载荷,法向正压力施加系统对高压釜内疲劳试样标距段表面,通过磨损压头精确施加微动疲劳所需的、精确可控的正压力,控制系统控制整个高温高压循环水系统和疲劳机,从而实现高温高压循环水中的微动疲劳试验。
其中,高温高压循环水系统主要由储水罐14、循环泵17、高压泵20、溶解氧探头16、热交换器19、预热器21、冷凝器18、背压阀22等组成,具体结构如下:
储水罐14的水出口经过循环泵17后分为两个回路:一回路用于水质监测,经溶解氧探头16、离子交换树脂15直接连回储水罐14;二回路水经过高压泵20、热交换器19、预热器21预热后,进入高压釜2,水从高压釜2流出再次进入热交换器19,然后经过冷凝器18、背压阀22、离子交换树脂15,流回储水罐14,形成回路。
水介质在所述的储水罐14中进行溶解氧调控,调控方式为通过储水罐14中的开口通入氮气和氧气,水介质中的离子通过离子交换树脂15加以控制。
在疲劳机1的两个立柱之间安装托台4,高压釜2倒置在疲劳机托台4上(釜体在上,釜盖在下),高压釜2的上端悬挂在疲劳机1横梁上,高压釜2的釜盖在高压釜2的下端,釜盖的底部连接水冷装置5,高压釜2内设微动疲劳试样夹具及正压力施加系统3。釜盖上设置进水口与出水口,为了保证在试验过程中水介质能够充满整个高压釜2,所述出水口上密封连接不锈钢管,不锈钢管伸入高压釜2的釜体底部。高压釜2内有试样台,试样台通过四个立柱固定于釜盖上,所述的试样台上设有微动疲劳试样夹具,微动疲劳试样8通过所述微动疲劳试样夹具的试样夹具底座10和欧姆夹11与试样台相连,试样夹具底座10和欧姆夹11对中并固定于试样台的上下面。
水冷装置5内穿设拉伸轴6,拉伸轴6的一端连接微动疲劳试样夹具上的微动疲劳试样8,拉伸轴6的另一端连接疲劳机1的传动装置,拉伸轴6与水冷装置5之间利用O型圈实现动态密封。
施加微动疲劳试样8的两端分别安装于试样夹具底座10,法向正压力施加系统固定于上欧姆夹11上,磨损压头12与施加微动疲劳试样8垂直,磨损压头12的两端设置于法向正压力施加系统的磨损压头固定装置9上,磨损压头12的两端与法向正压力施加系统的法向正压力施加单元13相对应,通过法向正压力施加单元13施加微动疲劳试样8的标距段表面与磨损压头12之间的正压力,通过对法向正压力施加单元13的调节,实现不同正压力的精确施加。
控制系统的控制柜7连接循环泵17、高压泵20、预热器21、高压釜2,在控制柜7上可以控制循环泵17、高压泵20,并对预热器21、高压釜2进行控温,显示高压釜2内的温度和压力,自动控制整个高温高压循环水回路。
疲劳机1与控制柜7连接,可以通过控制柜7对疲劳机1进行操作,在控制柜7上可以设置控制模式、载荷、位移、频率、波形等微动疲劳试验参数,实现对疲劳机的自动控制,采集并记录试验数据。
如图2所示,微动疲劳试样8的夹持方式及法向正压力的施加方法,微动疲劳试样8通过欧姆夹11连接试样底座10并固定于试样台上,法向正压力施加单元13施加疲劳试样标距段表面与磨损压头之间的法向正压力。
如图1-图2所示,本发明装置的具体操作步骤如下:
1、储水罐14注水。打开储水罐14的注水阀门开始注水,当水位到达储水罐14高度约五分之四时,认为注水完毕。
2、安装微动疲劳试样8。打开控制柜7上的开关,启动油压泵,使疲劳机1的上横梁带动高压釜2的釜体向上移动,分开釜体和釜盖后,将微动疲劳试样8通过欧姆夹11连接试样底座10并固定于试样台上,试样下底座10与疲劳机拉伸轴6相连。
3、微动疲劳试样8表面法向正压力施加。磨损压头12通过磨损压头固定装置9固定于欧姆夹11上,调节法向正压力施加单元13,将疲劳试样标距段表面与磨损压头12之间的正压力施加到目标值。
4、拧紧高压釜2。装完微动疲劳试样8、施加法向正压力后,操纵控制柜7,放下疲劳机上横梁,使釜体和釜盖在重力作用下自吻合接触,然后拧紧高压釜2下面的主螺栓,使高压釜完全密封。
5、通循环水。打开阀门,打通整个循环水回路,使高压釜2与循环水系统接通,将水引入高压釜2,并灌满高压釜2,调节高压釜2内循环水的溶解氧含量至目标值。
6、循环水升压。打开控制柜7上的高压泵20的开关按钮,手动调节高压泵20的行程,保持回路循环水流速稳定,然后向右缓慢拧紧背压阀22,压力逐渐上升,直到达到试验目标压力值。
7、循环水加热。加热前打开冷凝器18和水冷装置5的冷却水开关,然后开启控制柜7上的预热器21和高压釜2控温按钮,设定试验温度,开启加热,此时高压釜2内的温度逐渐上升,当到达设定温度后,控制柜7内的控温装置对其温度自行调节,直到温度稳定。
8、疲劳加载。打开疲劳机1的控制软件,设定疲劳试验的参数:控制模式、波形、频率、循环周次、应力、应变、停机条件,然后开启自动加载模式,直至疲劳加载结束。
9、停止试验。当疲劳试验达到设定的条件后,停止疲劳机控制软件,保存试验数据,然后关闭控制柜7上的预热器21和高压釜2的加热开关,此时高压釜2内温度逐渐降低,当到达室温后,调节背压阀22使压力降低为零,调节高压泵20的行程为零,关闭循环泵17和高压泵20,使水停止循环,然后关闭冷凝器18和水冷装置5的冷却水,试验结束。
实施例
本实施例中,国产SG传热管用690镍基合金材料,在285℃、7.8MPa、溶解氧浓度≤5ppb的高温高压循环水中的微动疲劳试验,应变幅值为0.4%,应变速率为1%s-1,法向正压力数值为100N。
微动疲劳试样材料为一种国产PWR核电站SG传热管用690镍基合金,加工成片状试样,标距段长10mm,宽6mm,厚3mm,把微动疲劳试样通过欧姆夹固定于试样底座后,安装法向正压力施加单元,正压力值调整为100N,然后拧紧高压釜,将储水罐注满水后,通入氮气进行除氧,使储水罐内保持一定的气压,一定时间后,水中的溶解氧浓度≤5ppb,开动高温高压循环水控制柜和疲劳机控制柜,启动循环泵,使水全部经过离子交换树脂过滤,开启高压泵,调节行程为12mm,对应循环水流量约为12L/h,然后调节背压阀,使压力上升至7.8MPa,预热器温度设定为320℃,高压釜温度设定为285℃,启动加热开关,当釜内温度到达设定温度后,稳定30分钟,然后打开控制柜上的疲劳机控制软件,设定控制模式为位移控制,波形为三角波,应变速率为1%s-1,应变幅值设为0.4%,设定当峰值应力下降到最大峰值应力值的75%时停止试验,其对应的循环次数N25定义为疲劳寿命。
如图3所示,从高温高压循环水微动疲劳试验的应力幅值与循环周次曲线可以看出,本实施例中的疲劳寿命为6133周次。
如图4所示,将本实施例高温高压循环水微动疲劳试验结果与文献(NUREG/CR-6909)中数据进行的对比,根据ASME标准提出的ANL最优化模型曲线预测,在应变幅值为0.4%时,690合金标准棒状疲劳试样室温拉压疲劳的寿命为10870周,且已知高温高压循环水中的疲劳寿命相比与室温空气中未见明显下降。但由图4可知,本实施例高温高压循环水微动疲劳试验结果(6133周)显著低于ANL最优化模型曲线预测值(10870周)。可见,高温高压循环水微动疲劳导致690合金材料疲劳强度降低。
图5a和图5b为试验前疲劳试样的正面图和侧面图,图5c和图5d中所示试样表面有一条与疲劳加载方向垂直的疲劳裂纹,并且裂纹出现于疲劳试样的摩擦副对磨表面。宏观上试样表面失去金属光泽,同时试样的对磨表面有腐蚀产物,体现了高温高压循环水环境对试样微动疲劳失效的促进作用。
实施例结果表明,本发明法向正压力施加系统固定于疲劳试样的夹具上,可精确施加疲劳试样与磨损压头之间的正压力。在疲劳试验过程中,疲劳试样标距段反复变形,磨损压头保持静止,磨损压头与疲劳试样标距段接触区域反复摩擦,实现高温高压循环水环境中的原位微动疲劳试验,通过控制系统能精确控制高温高压循环水回路以及高压釜内的温度、压力、溶解氧等水化学参数以及疲劳试验机。本发明高温高压循环水微动疲劳试验装置,能够控制试验环境中的水化学参数、疲劳试样标距段应变、磨损正压力,已成功应用于核电材料在模拟核电高温高压循环水环境中的微动疲劳试验。