CN109490109B - 一种管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及疲劳试验领域，具体是一种管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置。该装置管状试样的两端与密封堵头连接，通过疲劳夹具、转接头安装于疲劳试验机上；上、下转接头的中心分别设置通孔，上、下转接头的侧面分别设置凹槽，下密封堵头通过通孔以及凹槽从下转接头穿出，上密封堵头通过通孔以及凹槽从上转接头穿出；下密封堵头通过卡套与高温高压循环水系统的进水口密封连接，上密封堵头通过卡套与高温高压循环水系统的出水口密封连接；管状试样外表面粘贴热电偶；引伸计安装于管状试样上。本发明能够精确控制温度、压力、溶解氧等水化学参数，实现管状试样高温高压水应变控制疲劳试验，评价结构材料在高温高压水环境中的腐蚀疲劳性能。

Description

一种管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置
技术领域
本发明涉及疲劳试验领域，具体是一种管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，用于管状试样高温高压水应变控制低周疲劳试验，评价结构材料在高温高压水环境中的腐蚀疲劳性能。
背景技术
结构材料在高温高压水溶液环境下的腐蚀疲劳损伤是核电工业领域面临的重要问题之一。轻水堆核电站在运行过程中，由于停堆/启堆、热分层等，压力边界(如：蒸汽发生器、压力容器、主管道)可能遭受腐蚀疲劳损伤。研究以及运行经验表明高温高压水环境会显著降低结构材料疲劳强度。核电站中很多部位可能发生疲劳失效，其中管道系统、阀门、小孔径管道是疲劳损伤最敏感部分。一旦腐蚀疲劳裂纹穿透服役构件壁厚发生泄漏或瞬断，后果不堪设想，严重影响核电站运行的经济性和安全性。
目前，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)”主要针对标准疲劳试样高温高压水腐蚀疲劳行为研究。然而，核电站中实际服役小孔径管道系统内部为高温高压水环境，外部与空气接触。通过标准疲劳试样获得的基础数据是否能够准确预测小孔径管道系统的环境疲劳损伤行为有待进一步证实。针对上述问题，本发明研制一种管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，研究结构材料在高温高压水环境中(内部通高温高压水，外部与空气接触)的腐蚀疲劳行为。
发明内容
本发明的目的在于提供一种管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，实现管状试样在高温高压水环境中的低周疲劳试验。
本发明的技术方案是：
一种管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，该装置包括：管状试样、疲劳夹具、密封堵头、压紧螺栓、转接头、高温高压循环水系统、疲劳试验机，具体结构如下：
管状试样的两端通过配套的压紧螺栓与密封堵头密封连接，管状试样通过疲劳夹具、转接头安装于疲劳试验机上；转接头为上下两个，上、下转接头的中心均设置通孔，上、下转接头的侧面均设置凹槽，密封堵头为上下两个，下密封堵头通过下转接头的通孔以及凹槽从下转接头穿出，上密封堵头通过上转接头的通孔以及凹槽从上转接头穿出；下密封堵头通过卡套与高温高压循环水系统的进水口密封连接，上密封堵头通过卡套与高温高压循环水系统的出水口密封连接；
管状试样的内部为通孔，中部为平行段，两端部设置夹持台阶；在所述通孔两端部处分别设置V型密封面以及螺纹孔，所述通孔位于中间的部分通过V型密封面与位于外侧的螺纹孔过渡连接。
所述的管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，管状试样标距段外部形状尺寸依据标准棒状疲劳试样设计，管状试样的壁厚为1～5mm。
所述的管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，密封堵头的内部带有通孔，密封堵头的头部设置半径为R的弧面，密封堵头的尾部为细长圆管；压紧螺栓内部带有通孔，密封堵头的尾部穿过压紧螺栓内部的通孔，压紧螺栓端部与密封堵头的头部台阶接触，密封堵头与压紧螺栓配套后，压紧螺栓通过外螺纹与管状试样端部的螺纹孔连接；将配合后的密封堵头与压紧螺栓安装于管状试样端部螺纹孔，通过拧紧压紧螺栓，垂直挤压密封堵头，使密封堵头的头部半径为R的弧面与管状试样端部V型密封面线接触形成硬密封。
所述的管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，疲劳夹具为沿圆周均布通孔的底座以及对半分开的垫片构成，底座中心处有通孔、并设置台阶；垫片为中间开孔的圆柱对半切开，垫片外侧带有与底座中心配合的台阶，垫片与底座配合后内径大于管状试样的平行段外径。
所述的管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，转接头端面的通孔半径大于管状试样端面半径，疲劳夹具垫片内径大于管状试样平行段半径，通过疲劳夹具、转接头压紧管状试样端部台阶，安装管状试样，在疲劳试验过程中，通过管状试样端部台阶传递疲劳载荷。
所述的管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，转接头的一端面均布螺纹孔，转接头通过螺纹连接方式与疲劳试验机连接；管状试样通过端部台阶，利用疲劳夹具安装于转接头上，与疲劳试验机连接。
所述的管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，管状试样安装于疲劳试验机上后，在管状试样标距段安装应变引伸计，应变引伸计与疲劳试验机连接，实时监测/控制管状试样标距段在疲劳试验过程中的应变。
所述的管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，在管状试样标距段表面贴上粘贴式热电偶，实时监测/控制流经管状试样的高温高压水温度。
本发明的优点及有益效果是：
1、本发明提供一种管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，能够开展管状试样高温高压水环境应变控制低周疲劳试验。
2、本发明装置的管状试样通过端部台阶，利用疲劳夹具安装于转接头上，与疲劳试验机连接，管状试样密封堵头通过转接头通孔、凹槽穿出；下密封堵头通过卡套与进水口密封连接，上密封堵头通过卡套与出水口密封连接，通过管状试样端部台阶施加疲劳载荷，V型密封面与密封堵头接触处不遭受疲劳载荷，能够长期保持高温高压水环境的密封稳定性；应变引伸计安装于管状试样标距段，在高温空气环境中工作，巧妙实现管状试样高温高压水环境中原位应变测量与控制。
附图说明
图1为本发明的装置结构图。图中：1管状试样；2转接头；3应变引伸计；4粘贴式热电偶；5进水口；6出水口；7疲劳试验机。
图2为管状试样示意图。图中：8V型密封面；9螺纹孔；10台阶。
图3为管状试样安装示意图。图中：10台阶；11密封堵头；12压紧螺栓；13底座；14垫片。
图4(a)-图4(b)为转接头示意图；其中，图4(a)为主视图，图4(b)为俯视图。图中：15通孔；16凹槽；17台阶；18螺纹孔。
图5为实施例中管状试样高温高压水疲劳试验后表面裂纹形貌。
具体实施方式
如图1～图4所示，本发明管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，主要包括：管状试样1、转接头2、应变引伸计3、粘贴式热电偶4、进水口5、出水口6、疲劳试验机7、V型密封面8、螺纹孔9、台阶10、密封堵头11、压紧螺栓12、底座13、垫片14、通孔15、凹槽16、台阶17、螺纹孔18等，具体结构如下：
管状试样1的两端通过配套的压紧螺栓12与密封堵头11密封连接，管状试样通过疲劳夹具、转接头2安装于疲劳试验机上；转接头2为上下两个，上、下转接头的中心分别设置通孔15，上、下转接头的侧面分别设置凹槽16，方便高温高压循环水进、出水口与下、上密封堵头连接；台阶17与管状疲劳试样端面接触，在疲劳试验过程中对疲劳试样施加压应力时，提供支撑。
密封堵头11为上下两个，下密封堵头通过下转接头的通孔15以及凹槽16从下转接头穿出，上密封堵头通过上转接头的通孔15以及凹槽16从上转接头穿出；下密封堵头通过卡套与高温高压循环水系统的进水口5密封连接，上密封堵头通过卡套与高温高压循环水系统的出水口6密封连接；
高温高压循环水系统参见中国发明专利申请(公开号CN102401780A)，主要由储水罐、溶解氧探头、循环泵、高压泵、热交换器、预热器、冷凝器、背压阀以及离子交换树脂等组成，储水罐中的水经高压泵加压、热交换器和预热器加热后，经下密封堵头流入管状试样，水从管状试样上密封堵头流出后经热交换器、冷凝器冷却后流回储水罐，形成回路。
管状试样1标距段外部形状尺寸依据标准棒状疲劳试样设计，管状试样的内部为通孔，壁厚一般为1～5mm；管状试样1的中部为平行段，管状试样的两端部设置夹持台阶10，方便装卸；在所述通孔两端部处分别设置V型密封面8以及螺纹孔9，所述通孔位于中间的部分通过V型密封面8与位于外侧的螺纹孔9过渡连接。
密封堵头11的内部带有通孔，密封堵头11的头部设置半径为R的弧面，密封堵头11的尾部为有一定壁厚的细长圆管；压紧螺栓12内部带有通孔，密封堵头11的尾部穿过压紧螺栓12内部的通孔，压紧螺栓12端部与密封堵头11的头部台阶接触，密封堵头11与压紧螺栓12配套后，压紧螺栓12通过外螺纹与管状试样1端部的螺纹孔9连接。
将配合后的密封堵头11与压紧螺栓12安装于管状试样1端部螺纹孔9，通过拧紧压紧螺栓12，垂直挤压密封堵头11，使密封堵头11的头部半径为R的弧面与管状试样1端部V型密封面8线接触形成硬密封，拧紧后达到密封效果；密封安装后，能够在400℃/25MPa以下高温高压水环境中保持长期稳定密封。
疲劳夹具为沿圆周均布六个通孔的底座13以及对半分开的垫片14构成，底座13中心处有通孔、并设置台阶；垫片14为中间开孔的圆柱对半切开，垫片14外侧带有与底座13中心配合的台阶，垫片14与底座13配合后内径略大于管状试样1的平行段外径；转接头2的一端面均布六个螺纹孔18，转接头2通过螺纹连接方式与疲劳试验机7连接；管状试样1通过端部台阶10，利用疲劳夹具安装于转接头2上，与疲劳试验机7连接。
转接头2端面的通孔15半径稍大于管状试样1端面半径，疲劳夹具垫片14内径(对半切开后的垫片配合后的内径)稍大于管状试样1平行段半径，在管状试样1安装过程中利于对中性调节；从而，通过疲劳夹具、转接头2压紧管状试样1端部的台阶10，安装管状试样1，在疲劳试验过程中，通过管状试样1端部台阶10传递疲劳载荷，管状试样1端部V型密封面8与密封堵头11接触处不遭受额外疲劳载荷，能够长期保持密封稳定性。
在管状试样1标距段表面贴上粘贴式热电偶4，实时监测/控制流经管状试样的高温高压水温度，管状试样内部的高温高压水由预热器进行加热并控制温度。管状试样1安装于疲劳试验机上后，在管状试样标距段安装应变引伸计3，应变引伸计3与疲劳试验机7连接，实时监测/控制管状试样1标距段在疲劳试验过程中的应变，应变引伸计3能够在高温空气环境中长期稳定工作，在疲劳试验过程中精确测量/控制管状试样标距段应变。从而，实现管状试样在高温高压水环境中的应变控制低周疲劳试验。
本发明的安装步骤如下：
(1)将密封堵头11穿过压紧螺栓12，配合后安装于管状试样1端部螺纹孔9处，拧紧压紧螺栓12，使密封堵头11的头部弧面与管状试样1端部V型密封面8形成硬密封。
(2)利用疲劳夹具夹持管状试样1，通过螺纹连接方式与转接头2连接，安装于疲劳试验机7上。
(3)利用卡套将高温高压循环水系统中的进水口5与下密封堵头连接，利用卡套将高温高压循环水系统中的出水口6与上密封堵头连接，形成高温高压循环水回路。
(4)将粘贴式热电偶4安装于管状试样1标距段。
(5)将应变引伸计3安装于管状试样1标距段。
(6)开启高温高压循环水回路，设置管状试样1内部高温高压水目标温度值，设置疲劳试验目标应变幅值以及频率。
(7)当水化学条件达到目标值并保持稳定一段时间后，开启管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验。
实施例
国产锻造316LN不锈钢，在280℃、9MPa、溶解氧浓度(DO)50ppb的高温高压循环水中的腐蚀疲劳实验，应变幅值为0.4％，应变速率为0.4％s-1。管状试样形状尺寸为：标距段外径10mm，内径5mm，长20mm。按照本发明装置的安装步骤安装管状试样。
疲劳寿命为4921周(疲劳寿命定义为管状试样标距段裂纹从内部穿透壁厚，发生高温高压水泄漏时的循环周次)。如图5所示，管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验后表面裂纹形貌，图中所示样品表面有一条与疲劳加载方向垂直的疲劳裂纹，标距段外部保持金属光泽，疲劳裂纹穿透处有腐蚀痕迹。
实施例结果表明，本发明管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，能够精确控制温度、压力、溶解氧等水化学参数，实现管状试样高温高压水应变控制疲劳试验。

Claims (5)

1.一种管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，其特征在于，该装置包括：管状试样、疲劳夹具、密封堵头、压紧螺栓、转接头、高温高压循环水系统、疲劳试验机，具体结构如下：
管状试样的两端通过配套的压紧螺栓与密封堵头密封连接，管状试样通过疲劳夹具、转接头安装于疲劳试验机上；转接头为上下两个，上、下转接头的中心均设置通孔，上、下转接头的侧面均设置凹槽，密封堵头为上下两个，下密封堵头通过下转接头的通孔以及凹槽从下转接头穿出，上密封堵头通过上转接头的通孔以及凹槽从上转接头穿出；下密封堵头通过卡套与高温高压循环水系统的进水口密封连接，上密封堵头通过卡套与高温高压循环水系统的出水口密封连接；
管状试样的内部为通孔，中部为平行段，两端部设置夹持台阶；在管状试样的内部通孔两端部处分别设置V型密封面以及螺纹孔，管状试样的内部通孔位于中间的部分通过V型密封面与位于外侧的螺纹孔过渡连接；
密封堵头的内部带有通孔，密封堵头的头部设置半径为R的弧面，密封堵头的尾部为细长圆管；压紧螺栓内部带有通孔，密封堵头的尾部穿过压紧螺栓内部的通孔，压紧螺栓端部与密封堵头的头部台阶接触，密封堵头与压紧螺栓配套后，压紧螺栓通过外螺纹与管状试样端部的螺纹孔连接；将配合后的密封堵头与压紧螺栓安装于管状试样端部螺纹孔，通过拧紧压紧螺栓，垂直挤压密封堵头，使密封堵头的头部半径为R的弧面与管状试样端部V型密封面线接触形成硬密封；
管状试样安装于疲劳试验机上后，在管状试样标距段安装应变引伸计，应变引伸计与疲劳试验机连接，实时监测/控制管状试样标距段在疲劳试验过程中的应变；
在管状试样标距段表面贴上粘贴式热电偶，实时监测/控制流经管状试样的高温高压水温度。
2.按照权利要求1所述的管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，其特征在于，管状试样标距段外部形状尺寸依据标准棒状疲劳试样设计，管状试样的壁厚为1~5 mm。
3.按照权利要求1所述的管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，其特征在于，疲劳夹具为沿圆周均布通孔的底座以及对半分开的垫片构成，底座中心处有通孔、并设置台阶；垫片为中间开孔的圆柱对半切开，垫片外侧带有与底座中心配合的台阶，垫片与底座配合后内径大于管状试样的平行段外径。
4.按照权利要求3所述的管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，其特征在于，转接头端面的通孔半径大于管状试样端面半径，疲劳夹具垫片内径大于管状试样平行段半径，通过疲劳夹具、转接头压紧管状试样端部台阶，安装管状试样，在疲劳试验过程中，通过管状试样端部台阶传递疲劳载荷。
5.按照权利要求1所述的管状试样高温高压水腐蚀疲劳试验装置，其特征在于，转接头的一端面均布螺纹孔，转接头通过螺纹连接方式与疲劳试验机连接；管状试样通过端部台阶，利用疲劳夹具安装于转接头上，与疲劳试验机连接。
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