CN109323662A - 高温环境下环形包壳内外表面温度控制及变形测量装置 - Google Patents

高温环境下环形包壳内外表面温度控制及变形测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高温环境下环形包壳内外表面温度控制及变形测量装置，包括含高压惰性气体的环形包壳，安置环形包壳的热室，环形包壳上侧的隔板，连接环形包壳顶部和隔板的密封波纹管，固定环形包壳底部的密封底座，环形包壳内外表面的热电偶，隔板上侧的圆柱形腔室，连接密封底座的气体出口管及气体出口阀，连接圆柱形腔室的气体进口管和气体进口阀，还包括热室两侧及上侧可视化玻璃外的DIC测量仪和光源；该装置能够可靠有效地实现环形包壳内外表面的温度控制和变形测量：利用热室加热和低温空气快速流经环形包壳内表面，实现环形包壳内外表面的温度控制；利用热室两侧及上侧的可视化玻璃，通过DIC测量仪实现环形包壳内外表面及上表面焊缝的三维变形测量。

Description

高温环境下环形包壳内外表面温度控制及变形测量装置
技术领域
本发明属于核燃料及材料力学性能测试技术领域，具体涉及一种高温环境下环形包壳内外表面温度控制及变形测量装置。
背景技术
双面冷却环形燃料元件相比于棒状燃料元件具有降低堆芯最高温度、大幅提高堆芯功率水平等优点，被认为是高性能轻水堆核燃料的主要发展趋势之一。由于环形燃料元件双面冷却及结构的特殊性，在投入商业使用前必须了解环形燃料元件的各项性能，如热工水力、辐照性能、力学性能等等。其中，环形燃料元件包壳在高温环境下的力学性能测试是重要环节之一。
随着国内外核材料领域对核燃料及材料力学性能的研究提出越来越高的要求，搭建针对环形燃料元件的、不同环形包壳内外表面温度的、高精度的全场变形测量及破裂观测实验装置必不可少。因此，需要解决环形包壳内外表面温度控制问题、环形包壳全场变形测量问题。
然而环形包壳直径小，刚度差，并且环形包壳内外表面变形不同，两端面焊缝对环形包壳破裂影响巨大。环形包壳内外表面温度控制、环形包壳内表面变形实时测量、两端面焊缝变形实时测量是环形包壳力学性能测试中的技术难点。
目前在核燃料及材料力学性能测试技术领域，国内外缺少实验装置来实现对环形燃料元件包壳力学性能的测试。仅针对传统燃料棒包壳管力学性能测试设计了大量实验装置。
例如文献《Grosjean C,Dominique P,Salabura J C,et al.Cladding TubeTesting in Creep Conditions under Multiaxial Loading:A New Device and SomeExperimental Results[C].Transactions,SMiRT 19.Toronto,August 2007.》详细介绍了高温环境下包壳管的蠕变测试多轴加载实验系统。该实验系统使用激光引伸计对包壳管蠕变进行测量与分析，使用电子拉伸机和包壳内压力调节系统实现包壳管的多轴加载，从而模拟包壳管蠕变各向异性行为并获得蠕变数据。此系统测量原理简单，但精度较低，也无法运用于环形包壳的全场变形测量。
又如文献《Martin Dostal,Jan Klouzal,et al.FEM MODELLING OF THEEXPANDING MANDREL TEST SIMULATING OUT-OF-PILE PCI SCC OF FUEL CLADDING[C].Transactions,SMiRT 23.UK,August 2015.》介绍了高温碘蒸汽环境下包壳管径向变形测试实验装置，该实验装置使用电子拉伸机实现包壳管轴向压缩、径向膨胀，使用激光扫描测微仪对包壳管径向变形进行测量，使用各种密封技术实现包壳管内表面碘蒸汽环境。此实验装置可使包壳内外表面隔离，但无法实现环形包壳内外表面的双向变形以及两端面的轴向变形。
再如文献《温敦古,谭军,陈刘涛,邹红,徐杨,高长源.核用锆合金包壳管内压爆破试验及性能研究[J].材料研究与应用,2016,10(01):48-52.》详细介绍了高温环境下包壳管内压爆破实验系统，该实验系统通过控制升压速率，使用压力在线检测仪器实现不同包壳试样的爆破压力，从而获得包壳管的承压能力。此实验系统可实现包壳管破裂的研究，但无法实现环形包壳内外表面及焊缝的三维变形测量。
发明内容
为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的是提供一种高温环境下环形包壳内外表面温度控制及变形测量装置，该装置通过控制环形包壳内外表面温度，并利用DIC测量仪，可靠有效地实现高温环境下环形包壳内外表面及上端面焊缝的三维变形测量：利用热室和流经环形包壳内通道的低温气体控制环形包壳内外表面温度；利用环形包壳内惰性气体的受热膨胀控制环形包壳内外表面变形；利用DIC测量仪，透过热室两侧及上侧的可视化玻璃，实现对环形包壳内外表面及上端面焊缝的三维变形测量。
本发明的目的是通过以下技术方案实现：
一种高温环境下环形包壳内外表面温度控制及变形测量装置，包括底座Q，安装在底座Q上的热室A，位于热室A内且内含高压惰性气体的环形包壳P，连接环形包壳P顶部和隔板H的柔性波纹管G，位于环形包壳P底部并安装在热室A底部中心的密封底座O，环形包壳P外表面的外热电偶E，环形包壳P内表面入口处的入口热电偶D、出口处的出口热电偶L，位于隔板H上侧并安装在热室A顶部中心的圆柱形腔室F，连接圆柱形腔室F的气体进口管C，连接密封底座O底部中心的气体出口管N，气体进口管C和气体出口管N上分别设置有气体进口阀B和气体出口阀M，还包括位于热室A两侧及上侧的可视化玻璃I，并安装在可视化玻璃I外侧的DIC测量仪K和光源J；低温空气流经圆柱形腔室F和环形包壳P内通道，通过热室A加热，实现环形包壳P内外表面温度的控制及环形包壳P内高压惰性气体的膨胀，利用DIC测量仪K和光源J进行环形包壳P内外表面及上表面焊缝的三维变形测量；
当需要在预设的环形包壳P内外表面温度下测量其内外表面轴向变形和焊缝变形时，启动热室A，打开气体进口阀B和气体出口阀M，并将低温空气以预设的流速通过气体进口管C注入，再从气体出口管N流出，待内入口电偶D、外热电偶E和出口热电偶L所测温度稳定在预设温度后，通过使用热室A上侧DIC测量仪K和光源J透过可视化玻璃I实时观测环形包壳P内外表面的轴向变形及焊缝的变形；
当需要在预设的环形包壳P内惰性气体的膨胀速率下测量其内外表面的三维变形及破裂情况时，启动热室A，将入口热电偶D、外热电偶E和出口热电偶L所测温度稳定在预设温度后，通过使用DIC测量仪K和光源J透过可视化玻璃I在线实时观测环形包壳P内外表面及上表面的三维变形及破裂情况。
所述环形包壳P顶部和底部分别使用柔性波纹管G和密封底座O进行密封，圆柱形腔室F与隔板H、热室A顶部进行密封；圆柱形腔室F和环形包壳P形成密闭空腔，根据需要通入低温空气，使之成为特定环形包壳P内外表面温度。
所述环形包壳P顶部与隔板H通过波纹管G柔性连接。
所述气体进口管C和气体出口管N分别焊接安装于圆柱形腔室F上和底座Q上。
本发明具有以下优点和有益效果：
1.本发明安装简单、精度较高，并且操作简单、可靠性高。
2.本发明使用波纹管和密封底座，除了控制环形包壳内外温度，还能够实现环形包壳内外表面的轴向自由变形。
3.本发明能够实时测量环形包壳内外表面及上端面焊缝的三维变形。
4.本发明能够控制环形包壳内惰性气体膨胀速率，实现环形包壳破裂性能研究。
附图说明
图1为本发明装置结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明是一种高温环境下环形包壳内外表面温度控制及变形测量装置，包括含高压惰性气体的环形包壳P，底座Q，安装在底座Q上的热室A，连接环形包壳P顶部和隔板H的柔性波纹管G，位于环形包壳P底部并安装在热室A底部中心的密封底座O，环形包壳P外表面的外热电偶E，环形包壳P内表面入口处的入口热电偶D、出口处的出口热电偶L，位于隔板H上侧并安装在热室A顶部中心的圆柱形腔室F，连接圆柱形腔室F的气体进口管C，连接密封底座O底部中心的气体出口管N，气体进口管C和气体出口管N上分别设置有气体进口阀B和气体出口阀M，还包括位于热室A两侧及上侧的可视化玻璃I，并安装在可视化玻璃I外侧的DIC测量仪K和光源J；低温空气流经圆柱形腔室F和环形包壳P内通道，通过热室A加热，实现环形包壳P内外表面温度的控制及环形包壳P内高压惰性气体的膨胀，利用DIC测量仪K和光源J进行环形包壳P内外表面及上表面焊缝的三维变形测量。
本实施例测量在特定环形包壳P内外表面温度下环形包壳P的内外表面及上端面焊缝的三维变形，试验开始前，在高压室内制得内含惰性气体的环形包壳。
本实施例的工作原理如下：启动热室A，打开气体进口阀B和气体出口阀M，并将低温空气以预设的流速通过气体进口管C注入，再从气体出口管N流出，待入口热电偶D、外热电偶E和出口热电偶L所测温度稳定在预设温度后，通过使用热室A上侧DIC测量仪K和光源J透过可视化玻璃I实时测量环形包壳P内外表面的轴向变形及焊缝的变形。
作为本发明的优选实施方式，所述环形包壳P顶部和底部分别使用柔性波纹管G和密封底座O进行密封，圆柱形腔室F与隔板H、热室A顶部进行密封；圆柱形腔室F和环形包壳P形成密闭空腔，根据需要通入低温空气，使之成为特定环形包壳P内外表面温度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (4)

1.一种高温环境下环形包壳内外表面温度控制及变形测量装置，其特征在于：包括底座(Q)，安装在底座(Q)上的热室(A)，位于热室(A)内且内含高压惰性气体的环形包壳(P)，连接环形包壳(P)顶部和隔板(H)的柔性波纹管(G)，位于环形包壳(P)底部并安装在热室(A)底部中心的密封底座(O)，环形包壳(P)外表面的外热电偶(E)，环形包壳(P)内表面入口处的入口热电偶(D)、内表面出口处的出口热电偶(L)，位于隔板(H)上侧并安装在热室(A)顶部中心的圆柱形腔室(F)，连接圆柱形腔室(F)的气体进口管(C)，连接密封底座(O)底部中心的气体出口管(N)，气体进口管(C)和气体出口管(N)上分别设置有气体进口阀(B)和气体出口阀(M)，还包括位于热室(A)两侧及上侧的可视化玻璃(I)，并安装在可视化玻璃(I)外侧的DIC测量仪(K)和光源(J)；低温空气流经圆柱形腔室(F)和环形包壳(P)内通道，通过热室(A)加热，实现环形包壳(P)内外表面温度的控制及环形包壳(P)内高压惰性气体的膨胀，利用DIC测量仪(K)和光源(J)进行环形包壳(P)内外表面及上表面焊缝的三维变形测量；
当需要在预设的环形包壳(P)内外表面温度下测量其内外表面轴向变形和焊缝变形时，启动热室(A)，打开气体进口阀(B)和气体出口阀(M)，并将低温空气以预设的流速通过气体进口管(C)注入，再从气体出口管(N)流出，待入口热电偶(D)、外热电偶(E)和出口热电偶(L)所测温度稳定在预设温度后，通过使用热室(A)上侧DIC测量仪(K)和光源(J)透过可视化玻璃(I)实时观测环形包壳(P)内外表面的轴向变形及焊缝的变形；
当需要在预设的环形包壳(P)内惰性气体的膨胀速率下测量其内外表面的三维变形及破裂情况时，启动热室(A)，将入口热电偶(D)、外热电偶(E)和出口热电偶(L)所测温度稳定在预设温度后，通过使用DIC测量仪(K)和光源(J)透过可视化玻璃(I)在线实时观测环形包壳(P)内外表面及上表面的三维变形及破裂情况。
2.如权利要求1所述的一种高温环境下环形包壳内外表面温度控制及变形测量装置，其特征在于：所述环形包壳(P)顶部和底部分别使用柔性波纹管(G)和密封底座(O)进行密封，圆柱形腔室(F)与隔板(H)、热室(A)顶部进行密封；圆柱形腔室(F)和环形包壳(P)形成密闭空腔，根据需要通入低温空气，使之成为特定环形包壳(P)内外表面温度。
3.如权利要求1所述的一种高温环境下环形包壳内外表面温度控制及变形测量装置，其特征在于：所述环形包壳(P)顶部与隔板(H)通过柔性波纹管(G)柔性连接。
4.如权利要求1所述的一种高温环境下环形包壳内外表面温度控制及变形测量装置，其特征在于：所述气体进口管(C)和气体出口管(N)分别焊接安装于圆柱形腔室(F)上和底座(Q)上。
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