CN110940605A - 一种传热管磨损、应力、腐蚀耦合作用试验装置及传热管服役行为评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传热管磨损、应力、腐蚀耦合作用试验装置及传热管服役行为评价方法，试验装置包括装夹传热管的第一装夹机构、装夹对磨件的第二装夹机构、带动第二装夹机构运动进而使对磨件运动并与第一装夹机构上的传热管接触摩擦的作动装置，试验装置还包括用于对第一装夹机构上的传热管进行应力加载的加载机构，本发明的传热管磨损、应力、腐蚀耦合作用试验装置，能够建立磨损‑应力‑腐蚀耦合作用试验过程，可在更接近实际服役工况下研究传热管的服役行为，获得多因素耦合作用下的关键行为数据，揭示磨损‑应力‑腐蚀耦合作用下传热管的失效机制，为构建传热管服役行为评价方法提供基础。

Description

一种传热管磨损、应力、腐蚀耦合作用试验装置及传热管服役 行为评价方法

技术领域

本发明涉及传热管磨损、应力、腐蚀耦合作用试验装置及传热管服役行为评价方法。

背景技术

薄壁传热管由于具有较高的换热效率，广泛应用于核电厂、火电厂等。由于流致振动等因素影响，在传热管服役过程中不可避免的与其支撑结构发生微动磨损，同时由于传热管一般服役在高温高压水介质环境中，受到腐蚀作用影响明显，在管内外压差作用下承受一定的服役载荷，因此其服役失效往往是一种磨损-应力-腐蚀耦合作用的结果。目前关于传热管的研究往往仅关注磨损、腐蚀、疲劳、应力腐蚀开裂等单一机理作用，试验手段包括单轴或多轴磨损试验、腐蚀试验、疲劳试验、应力腐蚀C形环试验或慢拉伸试验等，部分评价手段已形成国家标准，但目前缺乏磨损-应力-腐蚀耦合作用下导致的失效行为研究，且没有切实可行的试验研究评价方法，导致传热管服役寿命预测不准确。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种传热管磨损、应力、腐蚀耦合作用试验装置。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种传热管磨损、应力、腐蚀耦合作用试验装置，试验装置包括装夹传热管的第一装夹机构、装夹对磨件的第二装夹机构、带动第二装夹机构运动进而使对磨件运动并与第一装夹机构上的传热管接触摩擦的作动装置，试验装置还包括用于对第一装夹机构上的传热管进行应力加载的加载机构。

优选地，加载机构包括沿传热管的径向贯穿传热管的加载螺栓、与加载螺栓螺纹配合设置的加载螺母。

优选地，第一装夹机构包括第一支撑座、从传热管的长度方向上的至少两处将其紧固在第一支撑座上的紧固组件。

优选地，紧固组件包括位于两侧的固定螺栓组件，固定螺栓组件包括一端部穿过传热管的一侧壁并与第一支撑座螺纹固定连接的栓柱体、固定连接在栓柱体的另一端部上且位于传热管内的塞体；塞体的靠近传热管内壁的一侧面呈弧形，塞体的弧形一侧面的弧度与传热管内壁的弧度仿形设置。

优选地，第一支撑座的靠近传热管的一侧面开设有与传热管的外周面相仿形设置的仿形槽。

本发明还涉及一种传热管服役行为评价方法，评价方法基于采用本发明所叙述的试验装置构建的磨损、应力、腐蚀耦合作用试验，评价方法包括以应力腐蚀裂纹萌生模型与磨损模型为基础推导临界应力的计算方法。

优选地，计算方法包括如下步骤：①、采用SCC裂纹萌生模型确定裂纹萌生时间t_SCC；②、根据Archard磨损模型确定磨损时间t_w；③求出外加载荷的临界应力σ_c并根据外加载荷的临界应力σ_c求出传热管整体受力的临界应力。

优选地，步骤①中的裂纹萌生时间t_SCC的计算采用如下公式：

式中，I_m——材料影响因子，I_σ——应力影响因子，I_e——环境影响因子；

式中，σ为传热管实际所受应力，该值可分为两部分，一部分为磨损引起的应力σ_f，另一部分为加载引起的应力σ_s，σ_ref为标准服役条件下传热管所受的应力，β为指数；

式中，Q为传热管萌生的活化能,R为气体常量,θ为介质温度,θref为标准参考温度。

因此，将应力作用代入裂纹萌生时间公式，则其表达式如下：

优选地，步骤③中的磨损时间t_w的计算采用如下公式：

V＝KFs

式中，V为磨损体积，K为Archard磨损系数，F为正压力，s为滑移距离,

式中，f为摩擦力，μ为摩擦系数,

式中，σ_f为磨损表面受到摩擦应力，S为接触面积,

式中A为振幅，t_w为磨损时间，T为周期,

将上述表达式代入Archard磨损模型中可得：

变形得

优选地，步骤③中的传热管整体受力的临界应力的计算采用如下公式：

求得，

则传热管整体受力的临界应力为σ_f+σ_c，即

由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：

本发明的传热管磨损、应力、腐蚀耦合作用试验装置，能够建立磨损、应力、腐蚀耦合作用试验过程，可在更接近实际服役工况下研究传热管的服役行为，获得多因素耦合作用下的关键行为数据，揭示磨损、应力、腐蚀耦合作用下传热管的失效机制，为构建传热管服役行为评价方法提供基础。

附图说明

图1为本发明的试验装置的布局结构示意图；

图2为磨损、应力、腐蚀耦合作用失效评价图；

其中：1、传热管；21、加载螺栓；22、加载螺母；31、座体；32、对接板；41、栓柱体；42、塞体；5、对磨件；6、第二支撑座。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，一种传热管1磨损、应力、腐蚀耦合作用试验装置，试验装置包括装夹传热管1的第一装夹机构、装夹对磨件5的第二装夹机构、带动第二装夹机构运动进而使对磨件5运动并与第一装夹机构上的传热管1接触摩擦的作动装置(为现有技术)，试验装置还包括用于对第一装夹机构上的传热管1进行应力加载的加载机构；

具体地，该加载机构包括沿传热管1的径向贯穿传热管1的加载螺栓21、与加载螺栓21螺纹配合设置的加载螺母22。加载螺栓21由传热管1上两对应的象限点处贯穿传热管1，提供最佳的应力加载。

进一步地，第一装夹机构包括第一支撑座、从传热管1的长度方向上的至少两处将其紧固在第一支撑座上的紧固组件，加大对传热管1的稳定支撑。紧固组件包括位于两侧的固定螺栓组件，固定螺栓组件包括一端部穿过传热管1的一侧壁并与第一支撑座螺纹固定连接的栓柱体41、固定连接在栓柱体41的另一端部上且位于传热管1内的塞体42。本例中，塞体42的靠近传热管1内壁的一侧面呈弧形，塞体42的弧形一侧面的弧度与传热管1内壁的弧度仿形设置，而且第一支撑座的靠近传热管1的一侧面开设有与传热管1的外周面相仿形设置的仿形槽。塞体42的弧形一侧面及仿形槽的仿形设置，传热管1与第一装夹机构对接的内外两侧面均能够实心接触，在第一装夹机构装夹传热管1之后，除对传热管1施加稳定的支撑力以外不会对传热管1产生任何其他的应力，保证实验工作的准确性。

本例中，第一支撑座包括座体31、可拆卸连接在座体31上的对接板32，对接板32上开设有仿形槽，开设的仿形槽只能与对应规格尺寸的传热管1对接，因此将对接板32与座体31可拆卸连接，便于将对接板32进行更换，以适应管径不同的换热管。第二装夹机构包括与作动装置对接的第二支撑座6。

本发明试验装置的实验过程情况：先将加载螺栓21和加载螺母22按照预定变形量或预紧力加载至传热管1上，再将带加载螺栓21的传热管1固定在固定第一装夹机构上，对磨件5固定在固定在第二装夹机构上在，再将第一装夹机构和第二装夹机构放入腐蚀环境中(如果采用高温高压釜，需要有升温升压过程)，启动作动装置，实现对磨件5与传热管1的磨损运动，运动方向可以为轴向和环向，磨损形式可以为冲击磨损或滑移磨损，这样在传热管1与对磨件5接触处，同时承受加载螺栓21引起的应力作用、对磨件5冲击或滑移引起的磨损作用、环境介质引起的腐蚀作用，在三者共同作用下产生损伤；在试验结束后，将各部件撤出腐蚀环境，将传热管1取下；分析传热管1表面磨损情况、轴向截面和环向截面开裂情况；整理试验结果，为后续磨损-应力-腐蚀耦合作用失效评价提供基础。

本发明的传热管1磨损、应力、腐蚀耦合作用试验装置，能够建立磨损-应力-腐蚀耦合作用试验过程，可在更接近实际服役工况下研究传热管1的服役行为，获得多因素耦合作用下的关键行为数据，揭示磨损-应力-腐蚀耦合作用下传热管1的失效机制，为构建传热管1服役行为评价方法提供基础。

此外，本发明还提出一种传热管服役行为评价方法，其包含了磨损-应力、腐蚀-磨损、应力-腐蚀两两耦合作用。首先是磨损-应力二者耦合作用，当应力值超过临界应力时，传热管1失效模式由纯磨损转变为应力作用下的开裂。然后是腐蚀-磨损二者耦合作用，腐蚀会加速传热管1的磨损，也有部分研究认为腐蚀磨损产物形成研磨层后可以缓解磨损，但二者耦合作用结果为体积损伤。应力-腐蚀作用主要包括应力腐蚀、环境疲劳等行为，对于应力腐蚀存在临界应力，大于该值时不产生裂纹，对于环境疲劳也存在一个在达到规定次数下不发生开裂的应力值，当小于该值时主要发生腐蚀行为，是一种体积损伤，大于该值时为裂纹主导。对于磨损-应力-腐蚀三者耦合作用下，应力作用较弱时，腐蚀与磨损因素占主导，传热管1发生体积损伤，当应力作用较强时，开裂是主导失效机制，传热管1发生裂纹损伤。

如图2所示，本发明提出磨损、应力、腐蚀耦合作用失效评价图用来研究传热管1多因素耦合作用下的失效行为。其中X、Y、Z轴分别代表应力、腐蚀、磨损的作用，整个失效评价区域可以分为体积损伤区和裂纹损伤区。

此外，关于临界应力可以采用以应力腐蚀裂纹萌生模型与磨损模型为基础进行推导计算，具体方法如下：

①、采用经典的SCC裂纹萌生模型确定裂纹萌生时间t_SCC：

式中，I_m——材料影响因子；I_σ——应力影响因子；I_e——环境影响因子。

材料影响因子I_m主要与传热管1自身状态有关，一般而言对于冷加工、焊接等传热管1由于其应力腐蚀敏感性高，该值较大。

应力影响因子I_σ主要与应力有关，其计算公式如下：

式中，σ为传热管1实际所受应力，该值可分为两部分，一部分为磨损引起的应力σ_f，另一部分为加载引起的应力σ_s；σ_ref为标准服役条件下传热管1所受的应力；β为指数，根据氧化膜生长理论，理想状态下该值为4。

环境影响因子I_e主要与温度、介质环境有关。当仅考虑温度影响时，其表达式如下：

式中，Q为传热管1萌生的活化能，可根据实验结果拟合得到，如对镍基600合金在高温高压水环境中该值约为180kJ/mol；R为气体常量，大小为8.314J/mol·K；θ为介质温度；θref为标准参考温度。

因此，将应力作用代入裂纹萌生时间公式，则其表达式如下：

②、根据Archard磨损模型，传热管1磨损体积与磨损功存在正比关系，即：

V＝KFs

式中，V为磨损体积，K为Archard磨损系数，F为正压力，s为滑移距离。

正压力与摩擦力存在正比关系，即：

式中，f为摩擦力，μ为摩擦系数。

由于表面受到摩擦力f作用，由此导致的磨损表面受到应力大小为：

式中，σ_f为磨损表面受到摩擦应力，S为接触面积。

在纯滑移磨损条件下，滑移距离s表达式如下：

式中A为振幅，t_w为磨损时间，T为周期。

将上述表达式代入Archard磨损模型中可得：

变形得

③、当裂纹萌生时间t_SCC大于磨损时间t_w时，传热管1失效形式表现为纯磨损，位于体积损伤区；当裂纹萌生时间t_SCC小于磨损时间t_w时，传热管1表面出现裂纹失效，位于裂纹损伤区。由此可以判断，当t_SCC＝t_w时，可求出外加载荷的临界应力σ_c，即

求得，

则整体受力的临界应力为σ_f+σ_c，即

当临界应力小于该值时，传热管1失效形式表现为纯磨损或腐蚀，位于体积损伤区；当临界应力大于该值时，传热管1表面出现裂纹失效，位于裂纹损伤区。

当然，对于其他裂纹失效模型与其他磨损模型之间可以采用相似的方法推导临界应力。

本发明传热管服役行为评价方法，能够建立更准确地传热管服役寿命预测模型，从而为传热管的服役寿命评估提供技术保障。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种传热管磨损、应力、腐蚀耦合作用试验装置，所述试验装置包括装夹传热管的第一装夹机构、装夹对磨件的第二装夹机构、带动所述第二装夹机构运动进而使所述对磨件运动并与第一装夹机构上的传热管接触摩擦的作动装置，其特征在于：所述试验装置还包括用于对所述第一装夹机构上的传热管进行应力加载的加载机构。

2.根据权利要求1所述的传热管磨损、应力、腐蚀耦合作用试验装置，其特征在于：所述加载机构包括沿所述传热管的径向贯穿所述传热管的加载螺栓、与所述加载螺栓螺纹配合设置的加载螺母。

3.根据权利要求1所述的传热管磨损、应力、腐蚀耦合作用试验装置，其特征在于：所述第一装夹机构包括第一支撑座、从所述传热管的长度方向上的至少两处将其紧固在所述第一支撑座上的紧固组件。

4.根据权利要求3所述的传热管磨损、应力、腐蚀耦合作用试验装置，其特征在于：所述紧固组件包括位于两侧的固定螺栓组件，所述固定螺栓组件包括一端部穿过所述传热管的一侧壁并与所述第一支撑座螺纹固定连接的栓柱体、固定连接在所述栓柱体的另一端部上且位于所述传热管内的塞体；所述塞体的靠近所述传热管内壁的一侧面呈弧形，所述塞体的弧形一侧面的弧度与所述传热管内壁的弧度仿形设置。

5.根据权利要求3所述的传热管磨损、应力、腐蚀耦合作用试验装置，其特征在于：所述第一支撑座的靠近所述传热管的一侧面开设有与所述传热管的外周面相仿形设置的仿形槽。

6.一种传热管服役行为评价方法，所述评价方法基于采用权利要求1至5中任一项所叙述的试验装置构建的磨损、应力、腐蚀耦合作用试验，所述评价方法包括以应力腐蚀裂纹萌生模型与磨损模型为基础推导临界应力的计算方法。

7.根据权利要求6所述的传热管服役行为评价方法，其特征在于：所述计算方法包括如下步骤：①、采用SCC裂纹萌生模型确定裂纹萌生时间t_SCC；②、根据Archard磨损模型确定磨损时间t_w；③求出外加载荷的临界应力σ_c并根据外加载荷的临界应力σ_c求出传热管整体受力的临界应力。

8.根据权利要求7所述的传热管服役行为评价方法，其特征在于：步骤①中的裂纹萌生时间t_SCC的计算采用如下公式：

式中，I_m——材料影响因子，I_σ——应力影响因子，I_e——环境影响因子；

式中，σ为传热管实际所受应力，该值可分为两部分，一部分为磨损引起的应力σ_f，另一部分为加载引起的应力σ_s，σ_ref为标准服役条件下传热管所受的应力，β为指数；

式中，Q为传热管萌生的活化能,R为气体常量,θ为介质温度,θref为标准参考温度。

因此，将应力作用代入裂纹萌生时间公式，则其表达式如下：

9.根据权利要求8所述的传热管服役行为评价方法，其特征在于：步骤③中的磨损时间t_w的计算采用如下公式：

V＝KFs

式中，V为磨损体积，K为Archard磨损系数，F为正压力，s为滑移距离,

式中，f为摩擦力，μ为摩擦系数,

式中，σ_f为磨损表面受到摩擦应力，S为接触面积,

式中A为振幅，t_w为磨损时间，T为周期,

将上述表达式代入Archard磨损模型中可得：

变形得

10.根据权利要求9所述的传热管服役行为评价方法，其特征在于：步骤③中的传热管整体受力的临界应力的计算采用如下公式：

求得，

则传热管整体受力的临界应力为σ_f+σ_c，即

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