CN111707434A - 一种传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置及其实施方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置及其实施方法，包括环境模拟装置、冲击加载装置和试样更换安装工位；环境模拟装置包括压力容器；压力容器内置试样安装支架，试样安装支架包括压力容器封头、支撑盘和冲击载荷传感器；压力容器封头上固定安装传热管试样和加热管，传热管试样依次贯穿支撑盘和冲击载荷传感器；冲击载荷传感器内部安装支撑板试样；试样安装支架固定安装于试样更换安装工位的移动底座上；冲击加载装置包括音圈电机，连接板之间设置弹簧导柱，音圈电机通过加载杆与传热管试样加载连接，音圈电机下方的连接板与螺旋升降机连接，音圈电机上方的连接板上安装光栅传感器；螺旋升降机与压力传感器信号连接。

Description

一种传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置及其实施方法
技术领域
本发明属于微动损伤检测的技术领域，具体涉及一种传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置及其实施方法。
背景技术
在核电一二回路中，由于高温高压水环境的存在和构件结构安装特征，导致了在核电装置中常常发生由于微动损伤而引发的构件失效，尤其以蒸汽发生器中传热管与三叶梅花孔支撑板、抗振条的微动冲击和磨损最为严重，严重情况下，蒸汽发生器传热管的微动损伤会导致传热管的失效甚至破裂，影响核电站的运行安全。
目前国际国内对于传热管和支撑板、抗振条的微动损伤已经进行了大量的研究，但是从国内外研究来看，缺乏模拟真实环境下传热管和支撑板、抗振条微动损伤的试验装置，并缺乏对于不同跨距和传热管管径对于微动损伤的影响，而这恰恰是制约传热管寿命评估的关键所在。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置及其实施方法，以解决或改善上述的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置，其包括环境模拟装置、正交分布的两套冲击加载装置和试样更换安装工位；
环境模拟装置包括压力容器；压力容器内置试样安装支架，试样安装支架包括通过若干根支撑滑动导杆依次连接的压力容器封头、支撑盘和冲击载荷传感器；压力容器封头上固定安装传热管试样和加热管，传热管试样依次贯穿支撑盘和冲击载荷传感器；冲击载荷传感器内部安装支撑板试样；试样安装支架固定安装于试样更换安装工位的移动底座上；
冲击加载装置包括位于连接板之间的音圈电机，音圈电机四周的连接板之间设置若干根套设弹簧的弹簧导柱，音圈电机通过加载杆与传热管试样加载连接，音圈电机下方的连接板与螺旋升降机连接，音圈电机上方的连接板上安装光栅传感器；螺旋升降机与安装于压力容器内的压力传感器信号连接。
本发明在环境模拟装置中实现与传热管真实服役条件下相同的试验环境，并将传热管试样和梅花孔支撑板试样安装在试验环境中，通过冲击加载装置对传热管试验进行加载，使传热管试样与支撑板试样之间发生微动损伤，并可实现对传热管管径和跨距进行调整，从而模拟真实工程服役条件下传热管和梅花孔支撑板的微动损伤和跨距、管径对于微动损伤的影响。
优选地，压力容器通过卧式鞍座固定于立柱上，立柱设置于安装平台上。
压力容器采用的卧式鞍座安装更便于加载连接。
优选地，压力容器采用变内径分段设计，法兰连接。
优选地，传热管试样通过管夹持机构固定于压力容器封头上。
优选地，管夹持机构包括十字燕尾导轨、螺旋调整器和弹性夹头。
可根据不同管径传热管进行调整的弹性夹头，十字燕尾导轨和螺旋调整器，可以实现不同管径传热管的夹持，并通过十字燕尾导轨调整对中和锁紧。
优选地，支撑盘和管夹持机构可沿支撑滑动导杆移动。
以实现不同跨距传热管试样的装夹。
优选地，安装支架包括三根支撑滑动导杆。
进行三点定位，为支架提供足够的刚度同时减轻重量。
优选地，试样安装更换工位包括移动底座；移动底座通过丝杆螺母、滑块与移动支架上的滚珠丝杆和导轨啮合连接；位于移动支架上的调速电机与驱动滚珠丝杆的同步带轮连接。
一种传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置的实施方法，包括：
S1、将试样更换安装工位调整到试样更换工位，进行传热管试样和支撑板试样的更换，通过弹性夹头将传热管管试样夹紧，再通过十字燕尾导轨和螺旋调整器进行传热管的位置调整和对中，调整到位后进行锁定；
S2、调速电机作业将试样更换安装工位调整到试验工位，并在压力容器前端将试样安装支架锁定；
S3、对压力容器内部注入去离子水并进行增压，并通过布置在压力容器上的压力传感器采集增压过程，将采集的压力转换成电信号反馈到螺旋升降机，控制螺旋升降机压缩弹簧，平衡掉由于内部压力增高对冲击加载装置带来的作用力；
S4、对压力容器内部的高压水进行加热，实现与核电蒸汽发生器服役环境相同的试验环境；
S5、通过音圈电机驱动交叉滚子导轨，带动加载杆，使传热管试样发生振动，并通过两个正交方向布置的冲击加载装置的不同相位角配合，实现传热管试样的随机振动，实现传热管与支撑板试样的微动损伤模拟。
本发明提供的传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置及其实施方法，具有以下有益效果：
本发明模拟实际核电蒸汽发生器工程服役工况的环境模拟装置，实现了可进行传热管变跨距和变管径的试验装置，并以传热管试样为研究对象，建立了基于实际工程服役条件下传热管和梅花孔支撑板不同管径和不同跨距的微动损伤工程验证试验装置，完善了SG传热管微动损伤评估。
附图说明
图1为传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置轴侧图概况结构示意图。
图2为传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置轴侧局部剖视结构示意图。
图3为传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置冲击加载装置结构示意图。
图4为传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置试样安装支架结构示意图。
图5为传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置管夹持结构结构示意图。
图6为传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置弹簧伺服压缩内外载荷平衡示意图。
其中，1、环境模拟装置；2、冲击加载装置；3、安装平台；4、试样更换安装工位；5、安全泄放装置；6、卧式鞍座；7、压力容器；8、立柱；9、压力容器封头；10、支撑盘；11、冲击载荷传感器；12、支撑板试样；13、管夹持机构；13-1、夹持机构安装板；13-2、十字燕尾导轨；13-3、弹性夹头；13-4、螺旋调整器；14，光纤孔；15、加热管；16、传热管试样；17、冲击加载夹具；18、支撑滑动导杆；19、移动底座；20、导轨；21、调速电机；22、同步带轮；23、滚珠丝杆；24、可调支撑；25、音圈电机；26、弹簧导柱；27、力传感器；28、音圈电机座；29、螺旋升降机；30、铜滑套；31、压力传感器；32、连接板；33、光栅传感器；34、交叉滚子导轨；35、伺服电机；36、安装底座；37、加载杆。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例，参考图1-图6，本方案的传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置及其实施方法，包括环境模拟装置1、正交分布的两套冲击加载装置2和试样更换安装工位4。
以下将对上述装置和工位进行详细描述
环境模拟装置1主要包括安全泄放装置、卧式鞍座6、压力容器7和立柱8。其中，压力容器7内置试样安装支架，试样安装支架包括通过若干根支撑滑动导杆18依次连接的压力容器封头9、支撑盘10和冲击载荷传感器11；压力容器封头9上固定安装传热管试样16和加热管15，传热管试样16依次贯穿支撑盘10和冲击载荷传感器11；冲击载荷传感器11内部安装支撑板试样12。
压力容器7采用变内径分段设计，法兰连接，压力容器7通过卧式鞍座6固定于立柱8上，立柱8设置于安装平台3上。压力容器7采用的卧式鞍座6安装更便于加载连接。
传热管试样16通过管夹持机构13固定于压力容器封头9上。管夹持机构13包括十字燕尾导轨13-2、螺旋调整器13-4和弹性夹头13-3。
可根据不同管径传热管进行调整的弹性夹头13-3，十字燕尾导轨13-2和螺旋调整器13-4，可以实现不同管径传热管的夹持，并通过十字燕尾导轨13-2调整对中和锁紧。
十字燕尾导轨13-2具有很好的抗侧向力的特点，可以为夹持机构提供高刚度，螺旋调整器13-4可以通过螺旋微调，保持管夹持机构13的对中，弹性夹头13-3可以满足不同管径的装夹。
支撑盘10和管夹持机构13可以实现在支撑滑动导杆18上的移动和锁定，实现不同跨距传热管试样16的装夹。
试样安装支架包括3根支撑滑动导杆18，可进行三点定位，支撑滑动导杆18为中空结构，为支架提供足够的刚度同时减轻重量。
支撑板试样12直接安装到冲击载荷传感器11内部，实现冲击载荷的实时测量。
正交分布的两套冲击加载装置2，冲击加载装置2呈正交布置，通过正交布置的冲击加载装置2进行不同相位角的耦合，实现任意振动加载工况，从而模拟传热管实际服役工况中的流致振动工况。
冲击加载装置2主要包括音圈电机25、弹簧导柱26、力传感器27、音圈电机座28、螺旋升降机29、铜滑套30、压力传感器31、连接板32、光栅传感器33、交叉滚子导轨34、伺服电机35和安装底座36。
其中，音圈电机25位于两个连接板32之间，音圈电机25四周的连接板32之间设置若干根套设弹簧的弹簧导柱26，音圈电机25通过加载杆37与传热管试样16加载连接，音圈电机25下方的连接板32与螺旋升降机29连接，音圈电机25上方的连接板32上安装光栅传感器33；螺旋升降机29与安装于压力容器7内的压力传感器31信号连接。
为解决高压环境下接触式加载需要克服内外压差所造成的附加载荷的问题，采用弹簧伺服压缩内外载荷平衡下的音圈电机25激振加载设计，其通过压力传感器31采集高压容器内压力值，将压力信号值转换为电信号反馈给螺旋升降机29，控制弹簧压缩，压缩量根据压力容器7内部压力值实时调整，通过弹簧压缩的弹力抵消高压环境造成的附加载荷。即冲击加载模块的设计，可以解决从外界大气压环境下向高压环境进行接触式加载的要求。
试样更换安装工位54包括移动底座19、导轨20、调速电机21、同步带轮22、滚珠丝杆23、可调支撑24。
移动底座19通过丝杆螺母、滑块与移动支架上的滚珠丝杆23和导轨20啮合连接；位于移动支架上的调速电机21与驱动滚珠丝杆23的同步带轮22连接。试样安装支架固定安装于试样更换安装工位54的移动底座19上；
先将试样安装支架安装在移动底座19上，然后通过移动底座19上的丝杆螺母、滑块与移动支架上的滚珠丝杆23、导轨20啮合，通过调速电机21、同步带轮22传动，实现移动底座19前后移动，实现试验工位和试样更换安装工位54的切换。
根据本申请的一个实施例，一种传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置的实施方法，包括：
S1、将试样更换安装工位54调整到试样更换工位，进行传热管试样16和支撑板试样12的更换，通过弹性夹头13-3将传热管管试样夹紧，再通过十字燕尾导轨13-220和螺旋调整器13-4进行传热管的位置调整和对中，调整到位后进行锁定；
通过更换安装于管夹持机构13中的弹性夹头13-3，可以实现不同管径试样的装夹，通过管夹持机构13中十字燕尾导轨13-2和螺旋调整器13-4可以实现完成试样装夹后的对中，从而获得需要的传热管与支撑板间隙。
S2、调速电机21作业将试样更换安装工位54调整到试验工位，并在压力容器7前端将试样安装支架锁定；
通过将试样装夹支架中安装于支撑滑动导杆18上的支撑板盘和管夹持机构13等进行移动可以并锁定，可以实现不同跨距下的传热管和支撑板微动损伤试验。
S3、对压力容器7内部注入去离子水并进行增压，并通过布置在压力容器7上的压力传感器31采集增压过程，将采集的压力转换成电信号反馈到螺旋升降机29，控制螺旋升降机29压缩弹簧，平衡掉由于内部压力增高对冲击加载装置2带来的作用力；
S4、对压力容器7内部的高压水进行加热，实现与核电蒸汽发生器服役环境相同的试验环境；
S5、通过音圈电机25驱动交叉滚子导轨34，带动加载杆37，使传热管试样16发生振动，并通过两个正交方向布置的冲击加载装置2的不同相位角配合，实现传热管试样16的随机振动，实现传热管与支撑板试样12的微动损伤模拟；
通过正交布置的两个弹簧伺服压缩自平衡装置，可以在外部对传热管管施加高频振动，并通过正交布置的加载装置进行不同相位角的拟合，从而模拟实际工程环境下流致振动导致的随机振动工况，模拟传热管与支撑板在蒸汽发生器服役环境下的微动损伤，并模拟不同管径和不同跨距对于传热管和支撑板微动损伤的影响。
本发明在环境模拟装置1中实现与传热管真实服役条件下相同的试验环境，并将传热管试样16和梅花孔支撑板试样12安装在试验环境中，通过冲击加载装置2对传热管试验进行加载，使传热管试样16与支撑板试样12之间发生微动损伤，并可实现对传热管管径和跨距进行调整，从而模拟真实工程服役条件下传热管和梅花孔支撑板的微动损伤和跨距、管径对于微动损伤的影响。
本发明模拟实际核电蒸汽发生器工程服役工况的环境模拟装置1，实现了可进行传热管变跨距和变管径的试验装置，并以传热管试样16为研究对象，建立了基于实际工程服役条件下传热管和梅花孔支撑板不同管径和不同跨距的微动损伤工程验证试验装置，完善了SG传热管微动损伤评估。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (9)

1.一种传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置，其特征在于：包括环境模拟装置、正交分布的两套冲击加载装置和试样更换安装工位；
所述环境模拟装置包括压力容器；所述压力容器内置试样安装支架，试样安装支架包括通过若干根支撑滑动导杆依次连接的压力容器封头、支撑盘和冲击载荷传感器；所述压力容器封头上固定安装传热管试样和加热管，传热管试样依次贯穿支撑盘和冲击载荷传感器；所述冲击载荷传感器内部安装支撑板试样；所述试样安装支架固定安装于试样更换安装工位的移动底座上；
所述冲击加载装置包括位于连接板之间的音圈电机，音圈电机四周的连接板之间设置若干根套设弹簧的弹簧导柱，音圈电机通过加载杆与传热管试样加载连接，音圈电机下方的连接板与螺旋升降机连接，音圈电机上方的连接板上安装光栅传感器；所述螺旋升降机与安装于压力容器内的压力传感器信号连接。
2.根据权利要求1所述的传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置，其特征在于：所述压力容器通过卧式鞍座固定于立柱上，立柱设置于安装平台上。
3.根据权利要求1所述的传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置，其特征在于：所述压力容器采用变内径分段设计，法兰连接。
4.根据权利要求1所述的传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置，其特征在于：所述传热管试样通过管夹持机构固定于压力容器封头上。
5.根据权利要求4所述的传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置，其特征在于：所述管夹持机构包括十字燕尾导轨、螺旋调整器和弹性夹头。
6.根据权利要求5所述的传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置，其特征在于：所述支撑盘和管夹持机构可沿支撑滑动导杆移动。
7.根据权利要求1所述的传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置，其特征在于：所述安装支架包括三根支撑滑动导杆。
8.根据权利要求1所述的传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置，其特征在于：所述试样安装更换工位包括移动底座；所述移动底座通过丝杆螺母、滑块与移动支架上的滚珠丝杆和导轨啮合连接；位于移动支架上的调速电机与驱动滚珠丝杆的同步带轮连接。
9.根据权利要求1-8任一所述的传热管和梅花孔支撑板微动损伤试验装置的实施方法，其特征在于，包括：
S1、将试样更换安装工位调整到试样更换工位，进行传热管试样和支撑板试样的更换，通过弹性夹头将传热管管试样夹紧，再通过十字燕尾导轨和螺旋调整器进行传热管的位置调整和对中，调整到位后进行锁定；
S2、调速电机作业将试样更换安装工位调整到试验工位，并在压力容器前端将试样安装支架锁定；
S3、对压力容器内部注入去离子水并进行增压，并通过布置在压力容器上的压力传感器采集增压过程，将采集的压力转换成电信号反馈到螺旋升降机，控制螺旋升降机压缩弹簧，平衡掉由于内部压力增高对冲击加载装置带来的作用力；
S4、对压力容器内部的高压水进行加热，实现与核电蒸汽发生器服役环境相同的试验环境；
S5、通过音圈电机驱动交叉滚子导轨，带动加载杆，使传热管试样发生振动，并通过两个正交方向布置的冲击加载装置的不同相位角配合，实现传热管试样的随机振动，实现传热管与支撑板试样的微动损伤模拟。
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米雪: "690合金传热管在不同摩擦副条件下的微动磨损性能研究", 《摩擦学学报》 *

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CN113109185A (zh) * 2021-03-02 2021-07-13 南京航空航天大学 一种用于高速硬物冲击试验的高温服役环境模拟装置

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