CN112964544A - 一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置 - Google Patents

一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于核工程材料力学性能测试技术领域，公开了一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，其试验机构造了安全可靠的高温铅铋腔体，使用了内外两层的密封方法，适用于高温液态铅铋等严苛环境，配合试验机附带的气液路控制，保证了安全并防止气体泄露对试验结果造成影响，填补了国内市场上用于高温铅铋环境下原位双轴力学试验机的空缺，对我国新型核工业发展具有重大意义；进一步还设置有控氧系统，可以对铅铋合金中的氧浓度进行实时监控，并进行严格控制，可以用于模拟不同情况下的实际工况，研究不同氧浓度下铅铋合金对结构材料的腐蚀性。

Description

一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置
技术领域
本发明属于核工程材料力学性能测试技术领域，具体的说，是涉及一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置。
背景技术
核能源作为一种成熟的、安全可靠的清洁能源，在世界范围内得到了广泛的重视。2019年我国能源结构中，火力发电仍以69％的使用比例为主要能源来源，而核能的使用总占比远远落后于欧美等发达国家，为了长期绿色发展，我国需要大力发展核能。
在核工业中，反应堆堆芯需要冷却剂带走产生的热量从而对其进行冷却，由于铅铋合金的熔点低，沸点高，导热性能较好，使用铅铋合金代替水作为冷却剂可以大大提高反应堆的安全性。同时，由于铅铋合金拥有较好的中子学性能，将其用作ADS系统的散裂靶也有良好的性能表现。但是，铅铋合金对于结构材料有一定的腐蚀性，为了保证反应堆的安全性，需要对其腐蚀性能进行进一步的测试。
通过现有研究可知，铅铋合金的氧浓度会对其腐蚀性能有较大影响，需要将其控制在合适的范围内，才能使得反应堆安全稳定运行。为了进一步发展核工业，需要开发能够提供控氧的高温液态铅铋环境的力学试验机。
发明内容
本发明提供了一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，解决铅铋环境中结构材料力学测试的技术问题，可用于拉伸、压缩以及疲劳试验，设计了密封性能良好的高温铅铋环境箱以及完备的气液路控制，搭配可以控制铅铋熔体内氧浓度的控氧系统，为材料的力学试验提供安全可靠的定量氧浓度的高温液态铅铋环境。
为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：
一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，其特征在于，包括双轴力学试验机；所述双轴力学试验机包括外腔体，内腔体，直线作动装置；
所述外腔体由外腔体上盖、底板和四块强度挡板围成，所述外腔体上盖、所述底板和四块所述强度挡板的连接处均进行密封；所述外腔体上盖中部设置有用于安装内腔体上盖的开口，所述外腔体上盖四角处均设置有第一氧传感器；内腔体抽真空管路、外腔体抽真空管路、内腔体氩气管路、外腔体氩气管路穿过所述强度挡板并与所述强度挡板密封连接；
所述内腔体由内腔体上盖和内腔体箱构成；所述内腔体上盖与所述内腔体箱和所述外腔体上盖均连接并进行密封；所述内腔体上盖密封连接有第一热电偶、液位计和机械引伸计；所述内腔体箱底部和所述底板之间设置有底部加热器；所述内腔体箱底部一体连接有开孔管路，所述开孔管路与所述所述内腔体连通；所述内腔体抽真空管路和所述内腔体氩气管路穿过所述内腔体箱并与所述内腔体箱密封连接；
四套所述直线作动装置分别穿过四块所述强度挡板，并分别与设置在所述内腔体的四个夹具连接，实现四个所述夹具同水平面上四个方向的拉伸或压缩作动。
进一步地，还包括控氧系统；
所述控氧系统包括外壳和设置在所述外壳内部的熔炉，所述熔炉外面设置有加热器；所述熔炉顶部连接有熔炉顶盖，且所述熔炉顶盖与所述熔炉之间连接处进行密封；所述熔炉顶盖连接有波纹管，所述波纹管与所述熔炉内部相连通；所述波纹管顶部封闭且密封连接有第二氧传感器，通过所述波纹管的伸缩能够调节所述第二氧传感器在所述熔炉内部的高度；所述熔炉顶盖还密封连接有氩气进气管路、抽真空管路、第二热电偶、控氧管路；所述熔炉底部密封连接有进出料管路，所述进出料管路与所述开孔管路通过法兰连接。
更进一步地，所述熔炉与所述外壳之间填充隔热材料。
进一步地，其特征在于，所述双轴力学试验机固定于十字形光学平台。
进一步地，所述内腔体上盖由内腔体上盖第一组件和内腔体上盖第二组件拼合构成，所述内腔体上盖第一组件的面积大于所述内腔体上盖第二组件的面积；所述内腔体上盖第一组件安装有顶部视窗，所述顶部视窗位于所述内腔体上盖的中部；所述热电偶和液位计通过螺纹与所述内腔体上盖第二组件连接并密封，所述机械引伸计安装在所述引伸计架上，所述引伸计架连接于所述内腔体上盖第二组件底部。
进一步地，所述内腔体箱侧壁外部设置有加热片；所述底部加热器和所述底板之间设置有隔热材料。
进一步地，所述内腔体箱四周分别设置有回流收集容器，每个回流收集容器设置于所述直线作动装置下方。
进一步地，所述直线作动装置包括电动缸，所述电动缸与电机连接；所述电动缸与所述强度挡板固定连接，并且所述电动缸的作动轴前端穿过所述强度挡板并通过拉杆与所述夹具连接。
更进一步地，所述电动缸的作动轴前端与所述拉杆之间连接有轮辐式载荷传感器，所述轮辐式载荷传感器设置在所述外环境箱内部；所述电机设置有位移传感器。
更进一步地，所述拉杆设置有水冷装置。
本发明的有益效果是：
(一)本发明提供的一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，使用多层密封的方式，使得试样可以在高温液态铅铋环境中进行力学试验，填补了国内市场上高温铅铋环境原位双轴力学试验机的空白。
(二)本发明提供的一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，能够根据试验要求实时调节安全高效的真空及氩气环境；可通过氩气改变压强来实现高温液态铅铋合金的液位控制，避免了高温屏蔽泵的使用，具有良好的经济性。
(三)本发明提供的一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，进一步配合控氧系统，能够严格控制铅铋合金中的氧浓度，搭配所设计的加热系统及管路，可以在保证安全高效的前提下，为双轴力学试验机提供各种氧含量的液态铅铋合金，用于研究不同氧浓度下铅铋合金对结构材料腐蚀性的区别。
附图说明
图1是实施例所提供的原位双轴力学试验装置的结构示意图；
图2是实施例所提供的原位双轴力学试验装置中试验机的结构示意图；
图3是实施例所提供的原位双轴力学试验装置中内外腔体的整体结构示意图；
图4是实施例所提供的原位双轴力学试验装置中内外腔体的顶部结构示意图；
图5是实施例所提供的原位双轴力学试验装置中内腔体的底部结构示意图；
图6是实施例所提供的原位双轴力学试验装置中控氧系统的剖视结构示意图；
图7是实施例所提供的原位双轴力学试验装置中控氧系统的整体结构示意图。
上述图中：A-双轴力学试验机；B-控氧系统；C-气罐；D-机柜；E-计算机；
1-十字形光学平台；2-电机；3-电动缸；4-强度挡板；5-轮辐式载荷传感器；6-拉杆；7-夹具；8-外腔体上盖；9-底板；10-内腔体抽真空管路；11-外腔体抽真空管路；12-内腔体氩气管路；13-外腔体氩气管路14-内腔体箱；15-内腔体上盖第一组件；16-内腔体上盖第二组件；17-顶部视窗；18-第一热电偶；19-液位计；20-机械引伸计；21-引伸计架；22-回流收集容器；23-加热片；24-水冷装置；25-第一氧传感器；26-底部加热器；27-第一隔热材料；28-桌子；29-外壳；30-第二隔热材料；31-加热器；32-熔炉；33-熔炉顶盖；34-波纹管；35-第二氧传感器；36-氩气进气管路；37-抽真空管路；38-第二热电偶；39-控氧管路；40-进出料管路。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
本发明的一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，可以为结构材料在高温铅铋环境及较大载荷作用下的力学性能参数测定提供支撑，对我国核工业的发展、填补我国相关领域的技术空白具有重要意义。
如图1所示，本实施例提供了一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，主要包括双轴力学试验机A、控氧系统B、气罐C、机柜D、计算机E几个部分。双轴力学试验机A为卧式结构，主要包括作动装置，内腔体，外腔体。控氧系统B设置于双轴力学试验机A旁，主要包括熔炉32及其附件。气罐C设置于双轴力学试验机A和控氧系统B旁，机柜D和计算机E也设置于双轴力学试验机A旁。
结合图2至图5所示，试验机主要包括直线作动装置，外腔体，内腔体。
四套直线作动装置同水平面设置，相邻两套直线作动装置的夹角均为90度，可以实现同水平面上四个方向的拉伸或压缩作动，实现复杂应力加载模拟。
每套直线作动装置主要包括电机2和电动缸5，电机2连接在电动缸5上，电机2控制电动缸5的作动轴进行直线运动。电机2还设置编码器作为位移传感器，位移传感器还可以替换为光栅尺等其他设备。
四台电动缸6的前端带盖法兰分别通过螺栓固定于四块强度挡板4，四台电动缸6的作动轴前端分别穿过四块强度挡板4，并分别在穿过的强度挡板4内部连接有轮辐式载荷传感器5。
每个轮辐式载荷传感器5与拉杆6螺纹连接，拉杆6与夹具7螺纹连接，电机2的转动便可转化为电动缸6作动轴的直线运动，从而带动夹具7直线移动，从而实现同水平面上四个方向的双轴加载。
每个拉杆6上设有水冷装置24，防止拉杆6过热对轮辐式载荷传感器5的示数造成影响。
外腔体由四块强度挡板4以及外腔体上盖8、底板9通过螺栓连接围成正方体结构形成，连接缝隙处均使用密封垫密封，可以保证外腔体的密封性。其中，强度挡板4作为外腔体的主要支撑结构，通过壁面加厚为直线作动装置提供高强度的力支撑。
螺栓依次穿过外腔体上盖8、强度挡板4及底板9，将外腔体整体固定在十字形光学平台1的螺纹孔上。十字形光学平台1具有十字形平面，用于更为方便地安装试样。
外腔体上盖8中部设置有与内腔体上盖相匹配的开口，用于与内腔体上盖相连接。外腔体上盖8的四角设置有四个第一氧传感器25，第一氧传感器25通过螺纹与外腔体上盖8连接，用于实时观测外腔体中的氧浓度，防止泄露。
强度挡板4上设置有内腔体抽真空管路10、外腔体抽真空管路11、内腔体氩气管路12、外腔体氩气管路13，以上管路均穿过强度挡板7并与强度挡板7密封连接，其中内腔体抽真空管路10和内腔体氩气管路12还穿过内腔体箱14并与内腔体箱14密封连接。内腔体抽真空管路10连通至内腔体，用于对内腔体排气以及抽真空。外腔体抽真空管路11连通至外腔体，用于对外腔体排气以及抽真空。内腔体氩气管路12连通至内腔体，用于对内腔体通入氩气，以改变内腔体压强及排除空气。外腔体氩气管路13连通至外腔体，用于对外腔体通入氩气，以改变外腔体压强。
内腔体由内腔体上盖和内腔体箱14构成，内腔体上盖与外腔体上盖8通过螺栓连接，同时与内腔体箱14通过螺栓连接；以上连接缝隙处均使用金属密封垫密封，可以保证外腔体和内腔体的密封性。
内腔体上盖还可以由内腔体上盖第一组件15和内腔体上盖第二组件16拼合构成，内腔体上盖第一组件15和内腔体上盖第二组件16分别与内腔体箱14以及外腔体上盖8进行连接。内腔体上盖第一组件15的面积大于内腔体上盖第二组件16的面积，内腔体上盖第一组件15的安装有顶部视窗17，顶部视窗17位于内腔体上盖的中部，用于观察内腔体的状况。
内腔体上盖第二组件16上安装有第一热电偶18、液位计19以及机械引伸计20。第一热电偶18、液位计19均通过螺纹与内腔体上盖第二组件16连接并密封，第一热电偶18用于测量内腔体的液态铅铋温度，液位计19用于测量内腔体的液态铅铋液位。机械引伸计20通过螺纹连接在内腔体上盖第二组件16底部的引伸计架21保持固定。
内腔体箱14为上部敞口、底部内嵌的箱形结构，并且内腔体箱14底部一体连接有开孔管路，开孔管路与内腔体箱14内部连通。底部加热器26和第一隔热材料27依次设置在内腔体箱14底部与底板9之间，底部加热器26用于向内腔体加热并保持其温度。第一隔热材料27设置在底部加热器26下部，目的是为了减少热量散失，将热量集中于内腔体。
底部加热器26、第一隔热材料27和十字形光学平台1中心均有通孔，使得内腔体箱14底部的开孔管路可以延伸到十字形光学平台1的底部，用于和进出料管路40通过法兰连接。
内腔体箱14的四个侧壁外面还通过螺栓固定有加热片23，用于对内腔体的液态铅铋合金加热和保温。
四个回流收集容器22分别设置于内腔体箱14四周，并位于电动缸6作动轴正下方，用于回收跟随电动缸6作动轴流出的铅铋合金。
外环境箱的强度挡板4设置有出线孔，用于保证密封性的同时引出底部加热器26和加热片23的导线。
在使用时，试样在内腔体被固定在四个夹具7之间，试样一般采用形状对称的十字形试样，以使机械引伸计20易于计量试样产生的位移。试样的具体固定方式可以根据试验目的是拉伸试验还是压缩试验而确定，其它几何外形如正方形的试验件也可以应用于本发明，但对于不同的试样要使用不同的夹具并通过调整强度挡板4的长度改变作动装置的安装位置保证做动的行程。
夹具7可以根据不同的试验需要更换为压缩、圆棒、拉伸CT等夹具。在内腔体中可以设置各种环境附件，在高温环境和铅铋环境的基础上，还可以实现腐蚀环境、高压环境等。
结合图6和图7所示，控氧系统B设置于双轴力学试验机A旁，用于熔融铅铋合金并调节试验中使用铅铋合金的氧浓度。控氧系统B具有双层结构，可以减少热量散失，对熔炉32内液态铅铋集中加热；包括外壳29、第二隔热材料30、加热器31、熔炉32、熔炉顶盖33、波纹管34、第二氧传感器35、氩气进气管路36、抽真空管路37、第二热电偶38、控氧管路39、进出料管路40。
控氧系统B的外壳29固定于桌子28上，熔炉32设置在外壳29内部，加热器31固定在熔炉32外部，用于给熔炉32内的铅铋合金加热。熔炉32(包括固定在其上的加热器31)与外壳29之间填充第二隔热材料30。
熔炉顶盖33设置于熔炉32顶部，熔炉顶盖33与熔炉32通过螺栓连接并对连接处进行密封。熔炉顶盖33开设有中心孔并与波纹管34的一端通过法兰连接，波纹管34另一端封闭并通过螺纹连接第二氧传感器35，波纹管34可以对第二氧传感器35进行升降。第二氧传感器35在波纹管34下降后能够穿过熔炉顶盖33的中心孔并伸入熔炉32内部，用于实时测量铅铋合金的氧浓度。
氩气进气管路36、抽真空管路37、第二热电偶38、控氧管路39均设置在熔炉顶盖33上。氩气进气管路36用于向熔炉32内部加压，实现从熔炉32向双轴力学试验机A的内腔体进料。抽真空管路37用于向熔炉32内部抽真空，用于试验前抽空熔炉32内空气，以及从双轴力学试验机A的内腔体向熔炉32回料。第二热电偶38用于测量熔炉32内铅铋合金的实时温度。控氧管路39用于向熔炉32内加入气体进行控氧。
进出料管路40设置在熔炉32底部，并穿过外壳29及桌子28，连接到内腔体箱14底部的开孔管路，用于液态铅铋合金的进料与回料。
气罐C包括氢气罐、氩气罐以及真空泵，氢气罐用于控氧，与控氧管路39进行连接；氩气罐用于加压和抽真空时将气体排净，与内腔体氩气管路12、外腔体氩气管路13、氩气进气管路36进行连接。
机柜D用于收纳电源及伺服驱动器等电子元件，计算机E上安装专用软件用于对试验机进行实时控制。
本实施例提供的一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，其具体试验操作流程如下：
1.拆除内腔体上盖第一组件15，通过内腔体上盖第一组件15的空缺口放置并固定试样，通过调节引伸计架21位置，将机械引伸计20调整到正好测量试样应变的位置之后，上紧引伸计架21，再安装好内腔体上盖第一组件15；
2.打开熔炉顶盖33，装入铅铋合金，关闭熔炉顶盖33并密封，使用真空泵对熔炉32内抽真空，再通过氩气进气管路36向其中通入氩气，重复几次后将真空度稳定在目标值，之后启动加热器31对熔炉32进行加热，同时设定氧浓度参数并通过控氧管路39对铅铋合金中的氧浓度进行控制；
3.待熔炉32内的氧浓度达到目标后，使用真空泵通过内腔体抽真空管路10和外腔体抽真空管路11对双轴力学试验机A的内腔体和外腔体抽真空，再通过内腔体氩气管路12和外腔体氩气管路13向内腔体和外腔体通入氩气，重复几次后将真空度稳定在目标值，开启加热片23、底部加热器26以及进出料管路40上的加热器对试验机内腔体以及进出料管路40进行预热，等温度达到目标温度后，打开氩气进气管路36的阀门，再打开进出料管路40，通过控制熔炉32内气压大小调整双轴力学试验机A内腔体的液面高度，使得液位刚好没过内腔体的拉杆6的穿孔；
4.通过外腔体氩气管路13向外腔体通入氩气，提高外腔体的气压，使得内腔体箱内的液态铅铋合金不再泄漏至外腔体，形成气压密封；
5.按设定值开始力学试验，并收集数据，同时保持加热；
6.试验结束后，通过抽真空管路37对熔炉32内抽真空降低熔炉32内气压，通过内腔体氩气管路12和外腔体氩气管路13向内腔体和外腔体充氩气，提高内腔体和外腔体气压，使得液态铅铋合金从内腔体流回熔炉32，当内腔体液体排尽后，关闭进出料管路40阀门，同时升高第二氧传感器35，使其底端离开熔炉32内铅铋合金液面；
7.之后停止加热，待铅铋合金凝固后，通过通入或排出氩气使得熔炉32和内腔体、外腔体恢复正常气压并降至室温，再拆除内腔体上盖第一组件15取出试样。
试验期间一旦外腔体的第一氧传感器25检测到异常气体，应立刻向外腔体中通入大量氩气保证铅铋合金的氧浓度以及试验器材安全，并按照步骤6,7停止试验。
可见，本发明提供的一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，使用熔炉32内压及内腔体内压的压差控制液态铅铋合金进出料，对内腔体内压及外腔体内压进行控制，实现高温密封的液态铅铋试验环境；围绕熔炉32以及内腔体温度及铅铋合金的氧浓度，对各装置上的加热设备以及控氧系统B的各种气路的开闭进行控制，围绕位置传感器和轮辐式载荷传感器5对双轴力学试验机A位置及载荷进行精确控制。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，其特征在于，包括双轴力学试验机；所述双轴力学试验机包括外腔体，内腔体，直线作动装置；
所述外腔体由外腔体上盖、底板和四块强度挡板围成，所述外腔体上盖、所述底板和四块所述强度挡板的连接处均进行密封；所述外腔体上盖中部设置有用于安装内腔体上盖的开口，所述外腔体上盖四角处均设置有第一氧传感器；内腔体抽真空管路、外腔体抽真空管路、内腔体氩气管路、外腔体氩气管路穿过所述强度挡板并与所述强度挡板密封连接；
所述内腔体由内腔体上盖和内腔体箱构成；所述内腔体上盖与所述内腔体箱和所述外腔体上盖均连接并进行密封；所述内腔体上盖密封连接有第一热电偶、液位计和机械引伸计；所述内腔体箱底部和所述底板之间设置有底部加热器；所述内腔体箱底部一体连接有开孔管路，所述开孔管路与所述内腔体连通；所述内腔体抽真空管路和所述内腔体氩气管路穿过所述内腔体箱并与所述内腔体箱密封连接；
四套所述直线作动装置分别穿过四块所述强度挡板，并分别与设置在所述内腔体的四个夹具连接，实现四个所述夹具同水平面上四个方向的拉伸或压缩作动。
2.根据权利要求1所述的一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，其特征在于，还包括控氧系统；
所述控氧系统包括外壳和设置在所述外壳内部的熔炉，所述熔炉外面设置有加热器；所述熔炉顶部连接有熔炉顶盖，且所述熔炉顶盖与所述熔炉之间连接处进行密封；所述熔炉顶盖连接有波纹管，所述波纹管与所述熔炉内部相连通；所述波纹管顶部封闭且密封连接有第二氧传感器，通过所述波纹管的伸缩能够调节所述第二氧传感器在所述熔炉内部的高度；所述熔炉顶盖还密封连接有氩气进气管路、抽真空管路、第二热电偶、控氧管路；所述熔炉底部密封连接有进出料管路，所述进出料管路与所述开孔管路通过法兰连接。
3.根据权利要求2所述的一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，其特征在于，所述熔炉与所述外壳之间填充隔热材料。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，其特征在于，所述双轴力学试验机固定于十字形光学平台。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，其特征在于，所述内腔体上盖由内腔体上盖第一组件和内腔体上盖第二组件拼合构成，所述内腔体上盖第一组件的面积大于所述内腔体上盖第二组件的面积；所述内腔体上盖第一组件安装有顶部视窗，所述顶部视窗位于所述内腔体上盖的中部；所述热电偶和液位计通过螺纹与所述内腔体上盖第二组件连接并密封，所述机械引伸计安装在所述引伸计架上，所述引伸计架连接于所述内腔体上盖第二组件底部。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，其特征在于，所述内腔体箱侧壁外部设置有加热片；所述底部加热器和所述底板之间设置有隔热材料。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，其特征在于，所述内腔体箱四周分别设置有回流收集容器，每个回流收集容器设置于所述直线作动装置下方。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，其特征在于，所述直线作动装置包括电动缸，所述电动缸与电机连接；所述电动缸与所述强度挡板固定连接，并且所述电动缸的作动轴前端穿过所述强度挡板并通过拉杆与所述夹具连接。
9.根据权利要求8中任一项所述的一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，其特征在于，所述电动缸的作动轴前端与所述拉杆之间连接有轮辐式载荷传感器，所述轮辐式载荷传感器设置在所述外环境箱内部；所述电机设置有位移传感器。
10.根据权利要求8中任一项所述的一种用于铅铋环境下的原位双轴力学试验装置，其特征在于，所述拉杆设置有水冷装置。
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