CN113686767A - 一种液态环境下多流速动态腐蚀实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液态环境下多流速动态腐蚀实验装置及实验方法，涉及核科学与工程技术领域，通过对称旋转桨片与腐蚀釜内的固定轴转动连接；电磁驱动系统设置在腐蚀釜的周向外围，并形成交变磁场；电磁驱动系统与对称旋转桨片电磁耦合；待测试样定位设在腐蚀釜周向侧壁上；腐蚀釜和电磁驱动系统定位设在隔离箱内。本发明通过电磁驱动系统与对称旋转桨片电磁耦合，以实现驱动对称旋转桨片在腐蚀釜转动；通过对腐蚀釜内对称旋转桨片的非接触式驱动，可有效提高腐蚀釜的安装密封性，大大减少出现腐蚀腔室出现漏气情况。本发明设计巧妙，结构更加可靠，经济实用，可助力材料的腐蚀性能研究，具有很好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及核科学与工程技术领域，具体涉及一种液态环境下多流速动态腐蚀实验装置及实验方法。
背景技术
目前，核材料在液态腐蚀研究中，因实验堆数量有限、实验预约困难、经济代价高等因素，导致大量相关实验都只能止步于简单的液态静态腐蚀研究，导致材料在动态腐蚀工况下的实验数据不足，不利于反应堆用核材料的研发，这在一定程度上延缓了第四代先进核能的发展。
在堆外模拟材料在液态腐蚀剂环境中的腐蚀行为可以很大程度上减小经济成本，现有液态腐蚀实验装置大多采用电机作为动力方式，通过电机的转动轴带动旋转桨片转动来驱动液态腐蚀剂达到动态腐蚀的效果，但该驱动方式单一，并含有许多弊端：如高温环境下的液态腐蚀剂有少量会变成气态往进气管道上飘，当电机驱动时导致密封性难以得到有效控制，长期依靠转轴驱动桨片的方式无法保证良好的密闭性。因此，亟需一款高效、实用、能够很好模拟堆内工况的液态腐蚀装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种液态环境下多流速动态腐蚀实验装置及实验方法，旨在解决现阶段液态腐蚀装置采用电机带动桨片旋转搅动，实验中电机转轴与腐蚀腔室容易出现漏气情况，密闭性不高的技术问题。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种液态环境下多流速动态腐蚀实验装置，包括腐蚀釜、对称旋转桨片和电磁驱动系统；
所述对称旋转桨片与所述腐蚀釜内的固定轴转动连接；
所述电磁驱动系统设在所述腐蚀釜的周向外围，并形成交变磁场；所述电磁驱动系统与所述对称旋转桨片电磁耦合，以实现所述对称旋转桨片对所述腐蚀釜内的腐蚀液的旋转驱动；
待测试样定位设在所述腐蚀釜周向侧壁上；所述腐蚀釜和电磁驱动系统定位设在隔离箱内。
本发明所述腐蚀釜为柱状中空箱体结构，且其底部设有进液孔及上表面设有内嵌式便携提钩；所述固定轴固定设在所述腐蚀釜的中心轴向位置处。
本发明所述腐蚀釜中设有多层同心圆隔板；所述同心圆隔板设在两相邻的所述对称旋转桨片之间，用于实现相邻的所述对称旋转桨片的隔离。
本发明所述对称旋转桨片为磁性材料制成；所述对称旋转桨片对称设置在所述固定轴两侧。
本发明还包括气体浓度测量与控制系统、进气系统、出气系统和多级恒温系统；所述进气系统和出气系统分别通过气体浓度测量与控制系统和多级恒温系统和与所述腐蚀釜连接，用于实现对气体浓度和温度的控制。
本发明还设有热电偶、温控表、换热器和加热电阻丝；所述热电偶设在所述腐蚀釜内，并通过所述温控表与所述多级恒温系统连接，用于所述腐蚀釜内的腐蚀液的温控；所述换热器设在所述电磁驱动系统的绝磁隔热材料上，并与所述多级恒温系统连接，用于实现对电磁驱动系统周围环境的热交换；所述加热电阻丝设在隔离壁中，并与所述多级恒温系统连接，用于实现控制腐蚀釜外的温度。
本发明所述电磁驱动系统沿腐蚀釜轴向层叠设置多个，并分别与所述对称旋转桨片一一对应设置。
本发明所述电磁驱动系统包括隔离壁、绝磁隔热壁和线圈组；所述隔离壁定位设在所述腐蚀釜周向外侧；所述绝磁隔热壁定位套设在所述隔离壁外侧；所述线圈组设在所述绝磁隔热壁上，并与所述对称旋转桨片对应设置。
本发明还包括减震台；所述隔离箱和腐蚀釜设在所述减震台上。
一种液态环境下多流速动态腐蚀的实验方法，包括以下步骤：
步骤1：利用内嵌式便携提钩将腐蚀釜取出，并在腐蚀釜的试样槽孔上定位放入待测试样；
步骤2：将液态腐蚀液放入隔离壁的腔体内；将腐蚀釜缓慢装入隔离壁的腔体内，液态腐蚀液将通过腐蚀釜底部的进液孔由下而上进入腐蚀釜中，并将腐蚀釜中的对称旋转桨片完全淹没；且腐蚀釜底端的固定凹槽与隔离壁底部的固定凹槽一一对应，并通过上部密封盖板将腐蚀釜牢牢固定在隔离壁的腔体中；再在腐蚀釜上的气路通道连接进气系统和出气系统，检查各部件的稳固性和气密性；
步骤3：打开气体控制室的进气阀门和出气阀门，从进气口一端持续通气，并使之与液态腐蚀液中的活性保护气体进行反应；
步骤4：开启多级恒温系统，通过多级恒温系统以实现腐蚀釜内外温度的调节；
步骤5：启动电磁驱动系统来控制腐蚀釜腔体中对称旋转桨片的转动，模拟不同流速时腐蚀液的流动工况；
步骤6：将经过步骤3的液态腐蚀液流向腐蚀釜以开展特定气体含量、温度、流速和设定时间范围内的材料腐蚀实验。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明通过对称旋转桨片与腐蚀釜内的固定轴转动连接，且电磁驱动系统与对称旋转桨片电磁耦合，以实现驱动对称旋转桨片在腐蚀釜转动；通过对腐蚀釜内对称旋转桨片的非接触式的驱动，可使腐蚀釜的安装密封性更好，大大减少出现腐蚀腔室出现漏气情况。本发明设计巧妙，结构更加可靠，经济实用，助力相关材料在腐蚀性能研究。
2、本发明采用多层各自独立的电磁驱动系统以驱动对应的对称旋转桨片，可实现多组流速下的动态腐蚀实验的同时开展，提高液态环境下动态腐蚀实验的效率。
3、本发明的腐蚀釜上部盖板中内嵌了提勾，可以方便腐蚀釜的自由取用；同时也可使空位、腐蚀釜的清洗更加便捷。
附图说明
为了更加清楚地阐述本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍。下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的腐蚀釜内部结构示意图；
图3为本发明的腐蚀釜轴测图；
图4为本发明的电磁驱动系统结构示意图；
图5为本发明实施例2的结构示意图；
图6为本发明实施例3中液态铅铋驱动原理示意图；
图中标号说明：
1、腐蚀釜；101、固定轴；102、内嵌式便携提钩；103、同心圆隔板；104、进液孔；105、定位凹槽；2、对称旋转桨片；3、电磁驱动系统；301、隔离壁；302、绝磁隔热壁；303、线圈组；4、隔离箱；401、箱体；402、密封法兰；403、密封盖板；5、腐蚀液；6、待测试样；7、热电偶；8、温控表；9、气体浓度测量与控制系统；10、Ar/H2/O2进气系统；11、出气系统；12、多级恒温系统；13、换热器；14、减震台；15、加热电阻丝。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行完整阐述。所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
结合附图1至图4，本发明提供了一种液态环境下多流速动态腐蚀实验装置及实验方法，旨在解决现阶段液态腐蚀装置采用电机带动桨片旋转搅动，实验中电机转轴与腐蚀腔室容易出现漏气情况，密闭性不高的技术问题。
实施例1：
具体地，一种液态环境下多流速动态腐蚀装置，包括腐蚀釜1、对称旋转桨片2和电磁驱动系统3；
所述对称旋转桨片2与所述腐蚀釜1内的固定轴101转动连接；
所述电磁驱动系统3设在所述腐蚀釜1的周向外围，并形成交变磁场；所述电磁驱动系统3与所述对称旋转桨片2电磁耦合，以实现所述对称旋转桨片2对所述腐蚀釜1内的腐蚀液5的旋转驱动；
待测试样6定位设在所述腐蚀釜1周向侧壁上；所述腐蚀釜1和电磁驱动系统3定位设在隔离箱4内；
本申请通过对称旋转桨片与腐蚀釜内的固定轴转动连接，且电磁驱动系统与对称旋转桨片电磁耦合，以实现驱动对称旋转桨片在腐蚀釜转动；通过对腐蚀釜内对称旋转桨片的非接触式的驱动，可使腐蚀釜的安装密封性更好，大大减少出现腐蚀腔室出现漏气情况，助力相关材料在腐蚀性能研究，设计巧妙，结构更加可靠；
进一步地，所述腐蚀釜1上还设有内嵌式便携提钩102；内嵌式便携提钩102通过转轴内嵌在上密封盖中，平时不用与上密封盖融为一体，使用时即可翻转出来；
本申请的腐蚀釜1上部盖板中内嵌了提勾，可以方便腐蚀釜1的自由取用。这种设计不仅可使腐蚀釜1的取用更加方便，同时可使空位、腐蚀釜1的清洗更加便捷。
进一步地，所述腐蚀釜1中设有多层同心圆隔板103；所述同心圆隔板103设在两相邻的所述对称旋转桨片2之间，用于实现相邻的所述对称旋转桨片2的隔离。
进一步地，所述同心圆隔板103为圆环状板体结构。
进一步地，所述同心圆隔板103由奥氏体钢构成，可采用316L奥氏体钢。
在实施例1中，所述腐蚀釜1为柱状中空箱体结构；所述固定轴101固定设在所述腐蚀釜1的中心轴向位置处。
进一步地，所述腐蚀釜1底部设有进液孔104；底部设计了四个进液孔104，用于腐蚀液5的进入。在腐蚀釜1未放入装置之前，空位可以就已经注入或者装满了腐蚀液5。如果腐蚀液5是液态金属，可将重金属块置入装置孔位中，利用电阻丝加热系统将其融化，然后再将腐蚀釜1缓缓放入空位，直至完全置入空位中。在此操作进行的同时，空位中的腐蚀液5则会通过底部进液孔104进入腐蚀釜1。
进一步地，所述对称旋转桨片2为磁性材料制成；所述固定轴101穿过所述对称旋转桨片2的中心位置处，以实现所述对称旋转桨片2的桨叶对称设在所述固定轴101两侧。
在实施例1中，所述对称旋转桨片2采用具有高温强磁性的铁素体钢，如铝镍钴，其能在500℃的高温下保持较稳定的磁性。对称旋转桨片2通过轴承连接在固固定轴101上。对称旋转桨片2在电磁驱动系统3的驱动下旋转。
进一步地，所述对称旋转桨片2为一字型片状结构。
在实施例1中，所述对称旋转桨片2为十字型片状结构。
进一步地，多个所述电磁驱动系统3沿所述腐蚀釜1轴向层叠设置，并分别与所述对称旋转桨片2一一对应设置。
具体地，在所述腐蚀釜1周向内侧壁上设置有试样槽孔，以方便待测试样6的定位与安装；试样槽孔的高度与所对应的对称旋转桨片2所处水平高度保持一致。
本申请采用多层各自独立的电磁驱动系统3以驱动对应的对称旋转桨片2，实现多组流速下的动态腐蚀实验同时进行，提高了液态环境下动态腐蚀实验的效率。该发明主要模拟的实际工况为腐蚀液5在工件表面的腐蚀。
在实施例1中，所述电磁驱动系统3包括隔离壁301、绝磁隔热壁302和线圈组303；所述隔离壁301定位设在所述腐蚀釜1周向外侧；所述绝磁隔热壁302定位套设在所述隔离壁301外侧；所述线圈组303设在所述绝磁隔热壁302上，并与所述对称旋转桨片2对应设置。
进一步地，所述线圈组303设在所述绝磁隔热壁302的周向外侧壁内套板上，并分别相对设在所述绝磁隔热壁302的径向两端，并通过电磁感应在径向两端形成相对的磁极。
需要说明的是，所述绝磁隔热壁302充满隔离壁301和腐蚀釜1所围成的密闭环形空间中，以保证电磁驱动系统3不受腐蚀釜1外壁高温的影响而无法正常工作；同时隔绝外部空气。
进一步地，所述电磁驱动系统3自上向下依序分为三层，每层之间由绝磁隔板隔离。在位于对称旋转桨片2的水平圆周侧的电磁线圈里通有流动的交流电，能将线圈变为电磁体，对称旋转桨片2在交变电磁体的作用下，使得桨片转动起来。
需要说明的是，由于对称旋转桨片2为磁体，当电流流过线圈组303时，线圈组303产生矢量磁场。该磁场会带动对称旋转桨片2转动。当绝磁隔热壁302的矢量磁场旋转一个角度。对称旋转桨片2也随着该磁场转一个角度，桨片一面电磁体(N极)被放置在靠前一点的轨道上的电磁体(S极)所吸引，并且同时又被安装在轨道上稍后一点的电磁体(N极)所排斥。当对称旋转桨片2旋转时，在线圈里流动的电流流向就反转过来。其结果就是原来那个S极线圈，变为N极线圈，这样，桨片由于电磁极性的转换而得以持续转动。通过电能转换器调整在线圈里流动的交流电的频率和电压就能控制桨片的转速，依靠的基本物理原理是法拉第电磁感应定律。
电磁驱动系统3将线圈铺设在桨片水平圆周外侧上，并通入一个三相交流电，使电磁极与对称旋转桨片2之间的空隙中产生变化的磁场，使安装在电磁极的导体由于电磁感应定律产生电流，从而产生一个与原有磁场相反的磁场，反复如此，与桨片之间便产生了动力。桨片旋转时，一端的N级磁场被轨道上车头前端的S级吸引，同时被S级后端的N级排斥，从而产生了推力，另一端同理；然后轨道断电磁场消失，桨片可以以惯性前进；而后轨道通入与之前相反的电流，产生与刚才相反的磁场，使桨片前段N级受到排斥，后端的S级受到吸引，从而实现了对称旋转桨片2的连续驱动与制动。
本申请中的所述腐蚀釜1置于交变电磁驱动系统中，通过控制电磁驱动系统3中的交变电流，在磁力的驱动下，即可控制内部对称旋转桨片2的非接触旋转，从而带动液态腐蚀液的转动。通过控制电流的大小及方向，即可控制桨片的旋转速度，即控制待测试样6表面的液态腐蚀液流速，完成对试样的动态腐蚀。
所述隔离箱4包括箱体401、密封法兰402和密封盖板403；所述密封法兰402和密封盖板403定位盖设在所述箱体401的上部开口，用于实现对所述腐蚀釜1和隔离壁301和绝磁隔热壁302的定位盖设。
进一步地，还包括气体浓度测量与控制系统9、进气系统10、出气系统11和多级恒温系统12；所述进气系统10和出气系统11分别通过气体浓度测量与控制系统9和多级恒温系统12和与所述腐蚀釜1连接，用于实现对气体浓度和温度的控制。
所述出气系统11包括第一阀门，第一阀门连接第二阀门，第二阀门连接真空计，真空计连接抽真空机，抽真空机连接尾气处理系统。
所述多级恒温系统12实测监测液态铅铋腐蚀腔体内的温度，根据液态铅铋腐蚀腔体内的温度实时调控铅铋熔融加热电阻丝15，以此对腐蚀釜外的温度控制；借助在不同箱体内提供并保持不同的恒温条件的恒温空间，该多级恒温箱能够提供多个不同温度以满足实验要求，因此达到节能、提高能量利用率的目的。
具体地，还设有热电偶7、温控表8、换热器13和加热电阻丝15；所述热电偶7设在所述腐蚀釜1内，并通过所述温控表8与所述多级恒温系统12连接，用于所述腐蚀釜1内的腐蚀液的温控；所述换热器13设在所述电磁驱动系统3的绝磁隔热材料上，并与所述多级恒温系统12连接，用于实现对电磁驱动系统3周围环境的热交换，进一步保证电磁驱动系统3的正常运行温度恒定；所述加热电阻丝15设在隔离壁301中，并与所述多级恒温系统12连接，用于实现控制腐蚀釜1外的温度。
需要说明的是，热电偶7设置于腐蚀釜1内部上端，直接与温控表8相连；气体浓度控制器实时监测液态腐蚀腔体内的气体浓度，根据液态腐蚀腔体内的气体浓度实时调控混合气体控制面板，控制气体的流速，以此恒定液态腐蚀腔体内的气体浓度；气体浓度测试仪和控制系统所述浓度测试仪在被测量气体浓度值趋于稳定后，会自动记录该数值并发出提示，以保证在最短时间内提示气体的浓度值已趋于稳定，大大提高了效率，节省了时间；且所述换热器13设在所述电磁驱动系统3的绝磁隔热材料所包围的密闭空间内，以保证电磁驱动系统3的长时稳定运行。
进一步地，还包括减震台14；所述隔离箱4和腐蚀釜1设在所述减震台14上。
具体地，所述减震台14的底部设有与所述腐蚀釜1底部定位凹槽105匹配的凸起；通过定位凹槽105设计为锯齿状，在上密封盖及密封法兰402的压力下，配合减震台14保证腐蚀釜1的平稳运行。
实施例2：
与上述实施例不同的是，即所述的电磁驱动系统3不再为交变电磁驱动，而是利用电磁与机械转动相结合的方式驱动腐蚀釜内的对称旋转桨片。
结合附图5和图6，在本实施例中，所述的电磁驱动系统3包括四个正对对称旋转桨片2的电磁极，且该四电磁极置于一个由电机驱动的旋转系统16上。其工作原理为，通电状态下，四个电磁极即可分别吸住临近的对称旋转桨片端，此时，腐蚀釜内的对称旋转桨片2即受电磁系统的固定，可以随电磁系统的旋转而旋转。当外部电机驱动电磁系统时，对称旋转桨片2即可同时被驱动，从而带动内部液态铅铋的旋转，使得样品表面与液态铅铋之间形成一个流速差，该流速差即为样品表面的液态铅铋流动速度。
每层的外部设置一个齿轮啮合传动机构，分别通过控制每层的电磁驱动系统3，以达到非接触控制内部桨片的旋转速度，从而控制样品表面的液态铅铋流速。
其中，Z表示齿轮数，n表示转速，ω表示角速度，V表示线速度；
在本实施例中，每层电磁驱动系统3对应的电机功率可以提前确定，即可以控制电机的转速n1，在齿数Z1、Z2已知的前提下，可以计算得到电磁驱动系统3的转速n2。
又，因为电磁驱动系统3与对称旋转桨片同轴，且通电运动时为一个整体，即角速度相同，所以有：
n2＝n3 (3)
V1＝ω1·R1＝2Π·n·R1 (4)
V1＝V2 (5)
在已知电磁驱动系统3与对称旋转桨片对应的旋转半径R2、R3的情况下，即可推出样品表面处铅铋的流速为V3。
具体地，一种液态环境下多流速动态腐蚀的实验方法，包括以下步骤：
步骤1：利用内嵌式便携提钩102将腐蚀釜1取出，并在腐蚀釜1的试样槽孔上定位放入待测试样6；
步骤2：将液态腐蚀液放入隔离壁301的腔体内；将腐蚀釜1缓慢装入隔离壁301的腔体内，液态腐蚀液将通过腐蚀釜底部的进液孔由下而上进入腐蚀釜中，并将腐蚀釜中的对称旋转桨片完全淹没；且腐蚀釜底端的固定凹槽与隔离壁301底部的固定凹槽一一对应，再通过上部密封盖板403将腐蚀釜1牢牢固定在隔离壁301的腔体中；再在腐蚀釜1上的气路通道连接进气系统10和出气系统11，检查各部件的稳固性和气密性；
步骤3：打开气体控制室的进气阀门和出气阀门，从进气口一端持续通气，并使之与液态腐蚀液中的活性保护气体进行反应；
步骤4：开启多级恒温系统12，通过多级恒温系统12以实现腐蚀釜内外温度的调节；
步骤5：启动电磁驱动系统3来控制腐蚀釜1腔体中对称旋转桨片2的转动，模拟不同流速时腐蚀液的腐蚀工况；
步骤6：将经过步骤3的液态腐蚀液流向腐蚀釜1以开展特定气体含量、温度、流速和设定时间范围内的材料腐蚀实验。
实施例3：
现阶段金属反应堆冷却剂中的液态铅铋合金(LBE)作为第四代先进核能系统中铅基快堆(LFR)的主选冷却剂,因其良好的中子学、物理及化学性能,而具有高安全性和可靠性，是目前公认的铅基堆和加速器驱动次临界系统(ADS)的首选冷却剂材料。由于腐蚀实验中，高温环境下的液态铅铋有少量会变成气态往进气管道上飘，当电机驱动时导致密封性难以得到有效控制，长期依靠转轴驱动桨片的方式无法保证良好的密闭性；当气态铅铋上浮至转轴上方冷凝时变成固态，极易导致转轴卡死，从而使得腐蚀装置无法运行，所以特别是液态铅铋合金的腐蚀实验方法很具有研究意义。
具体实施时，所述进气系统10包括气体过滤器，气体过滤器连接进气系统阀门、进气系统阀门连接进气系统真空计、进气系统真空计连接Ar/H2/O2混合气体控制面板、Ar/H2/O2混合气体控制面板连接Ar储气瓶、H2储气瓶和O2储气瓶三个储气瓶；腐蚀液5中氧浓度的控制是通过将进气系统插入到腐蚀液面以下，同时气体浓度测量与控制系统9控制进气系统进入腐蚀液5中氧气流量(或者含氧的混合气体，各成分的流量比)实现腐蚀釜1中氧浓度的动态平衡。
具体使用时，首先利用内嵌式便携提钩102将腐蚀釜1取出，先利用细小钢丝将大小略小于试样盛放孔径的试样圈置对应的试样盛放孔上，并检查固固定轴101、轴承、对称旋转桨片2等部件的稳固性，将腐蚀釜1放置在实验装置中；再从上密封盖中的进/出气系统11管道加入液态铅铋合金，待液态铅铋容量没过三层待测试样6层即可停止液态铅铋合金的加入。
利用CF密封法兰402将上密封盖板403与上密封盖与第二隔离壁301、第一隔离壁301密封固定；将热电偶测温器、氧浓度监测器、氧浓度控制器、进/出气系统11分别连接于进/出气系统11管道，并检查装置气密性。同时将多级恒温系统12装于进/出气系统11连接于进/出气系统11管道附近处；将进气系统阀门、出气系统11第一阀门、出气系统11第二阀门均打开，利用抽真空机将装置内部抽置合理真空范围。
利用热电偶测温器及控温系统控制内嵌在第一隔离壁301中的铅铋熔融加热电阻丝15，将腐蚀釜1内的温度加热到实验所需温度(200-600℃)。利用氧浓度监测器测得腐蚀釜1内的氧浓度，并反馈给氧浓度控制器。氧浓度控制器可以控制Ar/H2/O2混合气体控制面板，根据所测得的氧浓度调整Ar储气瓶、H2储气瓶和O2储气瓶的混合气体出气速率，以保证腐蚀釜1内氧浓度的恒定。氧浓度恒定以后，继续利用热电偶测温器及控温系统控制内嵌在第一隔离壁301中的铅铋熔融加热电阻丝15将腐蚀釜1内的温度加热至相应的温度，以模拟铅基快堆中不同温度下的腐蚀工况。控制电磁驱动系统3中电流的大小及方向即可控制腐蚀釜1中对称旋转桨片2的转动，可以模拟不同流速时腐蚀液的腐蚀工况。
需要说明的是，腐蚀釜1自上向下设有三层腐蚀分腔体，可以通过调整对应电磁驱动系统3的电流大小及方向来控制每层腐蚀分腔体对应的液态铅铋腐蚀流的流速，同时模拟不同流速下的液态铅铋动态腐蚀。当隔热材料中的温度快要影响电磁驱动系统3的运行时，开启换热器-冷却水箱进行散热，以保证电磁驱动系统3的正常运行。
具体地，一种液态铅铋合金多流速动态腐蚀实验方法，包括以下步骤：
步骤1：利用内嵌式便携提钩102将腐蚀釜1取出，并在腐蚀釜1的试样槽孔上定位放入待测试样6；
步骤2：将固态铅铋合金锭放入隔离壁301的腔体内，并通过加热电阻丝15将固态铅铋合金锭融化；将腐蚀釜1缓慢装入隔离壁301的腔体内，液态铅铋合金将通过腐蚀釜底部的进液孔由下而上进入腐蚀釜中，并将腐蚀釜中的对称旋转桨片完全淹没；且腐蚀釜底端的固定凹槽与隔离壁301底部的固定凹槽一一对应，再通过上部密封盖板403将腐蚀釜1牢牢固定在隔离壁301的腔体中；再在腐蚀釜1上的气路通道连接Ar/H2/O2进气系统10和出气系统11，检查各部件的稳固性和气密性；
步骤3：打开氧含量控制室的进气阀门和出气阀门，从进气口一端持续通入流速为100mL-20L/min的Ar-H2-O2混合气体，其中H2的体积比为1％-10％，其余为Ar和O2，使之与液态铅铋合金中的活性氧进行反应，将腐蚀釜内的氧浓度控制在10-4-10-8wt％；
步骤4：开启多级恒温系统12，可将腐蚀釜1内的温度控制在实验所需温度(200℃-600℃范围内任一温度)；
步骤5：启动电磁驱动系统3来控制铅铋动态腐蚀腔体中对称旋转桨片2的转动，模拟不同流速时腐蚀液的腐蚀工况；
步骤6：将经过步骤S3的液态铅铋合金流向腐蚀釜1以开展特定气体含量、温度、流速和设定时间范围内的材料腐蚀实验。
本发明中桨片采用高温磁性材料，可在800℃以下工作，一般的液态铅铋腐蚀实验常涉及的环境温度范围为350-600℃，氧饱和浓度范围在10-4-10-8wt％，需模拟的液态铅铋流速约在2m/s左右。
针对最常见的动态腐蚀工况：温度550℃，氧饱和浓度10-6wt％，液态铅铋流速约在2m/s这一工况，需要说明的是：
在步骤2中，利用密封法兰与无氧铜片，将密封盖固定在腐蚀釜上部，起到固定腐蚀釜的作用，同时保证腐蚀釜内的密闭性；通过上部密封盖板预留的进气孔与出气孔，将进气系统、出气系统与腐蚀釜连接完整，检查气路管道的密闭性，将腐蚀釜内的氧浓度控制在10-6wt％。
在步骤4中，加热终点温度设置为135℃，直至腐蚀腔体中的铅铋完全转化为液态铅铋合金。此时，135℃仅略大于液态铅铋熔点温度，不会出现气态铅铋上浮的情况发生。其中，铅铋合金的熔点温度在125℃左右，沸点温度在1000℃以上。
在步骤4中，开启多级恒温系统，并将多级恒温系统的温度设置成前级(135+Δ)℃、中级135℃，后级(135+Δ)℃，其中135℃稍高于液态铅铋合金的熔点，Δ的范围为5-30℃。该系统可以保证当腐蚀釜置于550℃动态运行时可能存在少量的铅铋合金上浮至气路管中沉积而影响气路的通畅，从而影响腐蚀内的氧饱和浓度等情况的发生。如工作温度550℃的少量铅铋上浮，在经过该系统时，首先在前级(135+Δ)℃区，绝大部分的铅铋会快速冷却成液态铅铋，但不会变成固体。由于该系统中的管道垂直连接在腐蚀釜上方，因此，冷凝后的铅铋在重力的作用下，会缓慢下落到腐蚀釜中，后续的两个温度梯度区(中级135℃区，后级(135+Δ)℃区)也是为了防止剩余部分气态铅铋没有及时冷凝完继续上浮，原理同前级(135+Δ)℃区一样。
需要说明的是，在装置正常运行的过程中，开启多级恒温系统12，多级恒温系统12设于进气系统管道、出气系统11管道靠近铅铋动态腐蚀腔体(内部温度为T0)的部分周围，设置了三个温度梯度，其中第一、三梯度的温度T(等于铅铋合金气化温度)；第二梯度的温度略低于铅铋合金气化温度；当气态铅铋合金经过此温度梯度区间时，将会变成液态，利用自然循环原理，在重力的作用下，其会落入到腐蚀转动箱中，从而保证抽真空系统，以及进气系统管道的畅通无阻，不会出现管道堵塞情况。具体分为三级温度T1、T2、T3，且满足T1略低于T0(液态铅铋动态腐蚀装置中的运行温度)，T2等于铅铋合金的熔点温度，T3略高于铅铋合金的熔点温度，防止高温下气态铅铋上浮再冷凝导致进/出气管道堵塞。
具体地，将多级恒温系统12的温度依序分别设置成135+Δ℃、135℃、135+Δ℃等三个温度梯度区。
在步骤5中，铅铋动态腐蚀腔体内设有三层腐蚀分腔体，可以通过调整对应电磁驱动系统3的电流大小及方向来控制每层腐蚀分腔体对应的液态铅铋腐蚀流的流速，同时模拟不同流速下的液态铅铋动态腐蚀；每一层都对应独立的驱动系统，且每层之间由空心隔板隔离，因此各层之间可以同时进行不同流速下的液态铅铋动态腐蚀实验。
在步骤5中，根据实施例中的电磁驱动系统3可以通过调整电流的大小，调整对称旋转桨片的转速，再根据对称旋转桨片的半径，即可控制对称旋转桨片末端的线速度，将其控制在2m/s左右，一因为桨片末端离腐蚀样品表面很近，即样品表面的液态铅铋流速也在2m/s左右。
在步骤6中，根据实施例中的电磁驱动系统3，首先需要通电将电磁系统开启，此时4个电磁极会吸住邻近的对称旋转桨片端，保证二者之间非接触同步。再通过各层的电机，可以控制小齿轮的转速，从而控制内部桨片的转速，将桨片末端的线速度控制在2m/s左右，即可控制样品表面的液态铅铋流速也在2m/s左右。
当腐蚀液为通用腐蚀液时，如化学腐蚀液、液态合金、熔盐等等；当腐蚀液为液态铅铋等常温为固态的合金时，可将多级恒温系统的温度依序分别设置为略高于相应腐蚀液熔点的三个温度，构成温度梯度区。铅基快堆内材料在液态铅铋共晶合金下的服役工况种类复杂，主要差异由液态铅铋合金流速、流体压力、氧含量等因素引起，优化和发展液态铅铋环境静-动态腐蚀试验技术,对推动我国核能的发展具有重要意义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种液态环境下多流速动态腐蚀实验装置，其特征在于：包括腐蚀釜、对称旋转桨片和电磁驱动系统；
所述对称旋转桨片与所述腐蚀釜内的固定轴转动连接；
所述电磁驱动系统设在所述腐蚀釜的周向外围，并形成交变磁场；所述电磁驱动系统与所述对称旋转桨片电磁耦合，以实现所述对称旋转桨片对所述腐蚀釜内的腐蚀液的旋转驱动；
待测试样定位设在所述腐蚀釜周向侧壁上；所述腐蚀釜和电磁驱动系统定位设在隔离箱内。
2.根据权利要求1所述的液态环境下多流速动态腐蚀实验装置，其特征在于：所述腐蚀釜为柱状中空箱体结构，且其底部设有进液孔及上表面设有内嵌式便携提钩；所述固定轴固定设在所述腐蚀釜的中心轴向位置处。
3.根据权利要求1所述的液态环境下多流速动态腐蚀实验装置，其特征在于：所述腐蚀釜中设有多层同心圆隔板；所述同心圆隔板设在两相邻的所述对称旋转桨片之间，用于实现相邻的所述对称旋转桨片的隔离。
4.根据权利要求1所述的液态环境下多流速动态腐蚀实验装置，其特征在于：所述对称旋转桨片为磁性材料制成；所述对称旋转桨片对称设置在所述固定轴两侧。
5.根据权利要求1所述的液态环境下多流速动态腐蚀实验装置，其特征在于：还包括气体浓度测量与控制系统、进气系统、出气系统和多级恒温系统；所述进气系统和出气系统分别通过气体浓度测量与控制系统和多级恒温系统和与所述腐蚀釜连接，用于实现对气体浓度和温度的控制。
6.根据权利要求5所述的液态环境下多流速动态腐蚀实验装置，其特征在于：还设有热电偶、温控表、换热器和加热电阻丝；所述热电偶设在所述腐蚀釜内，并通过所述温控表与所述多级恒温系统连接，用于所述腐蚀釜内的腐蚀液的温控；所述换热器设在所述电磁驱动系统的绝磁隔热材料上，并与所述多级恒温系统连接，用于实现对电磁驱动系统周围环境的热交换；所述加热电阻丝设在隔离壁中，并与所述多级恒温系统连接，用于实现控制腐蚀釜外的温度。
7.根据权利要求1所述的液态环境下多流速动态腐蚀实验装置，其特征在于：多个所述电磁驱动系统沿所述腐蚀釜轴向层叠设置，并分别与所述对称旋转桨片一一对应设置。
8.根据权利要求1所述的液态环境下多流速动态腐蚀实验装置，其特征在于：所述电磁驱动系统包括隔离壁、绝磁隔热壁和线圈组；所述隔离壁定位设在所述腐蚀釜周向外侧；所述绝磁隔热壁定位套设在所述隔离壁外侧；所述线圈组设在所述绝磁隔热壁上，并与所述对称旋转桨片对应设置。
9.根据权利要求1所述的液态环境下多流速动态腐蚀实验装置，其特征在于：还包括减震台，用于保证本实验装置的稳定运行；所述隔离箱和腐蚀釜设在所述减震台上。
10.一种液态环境下多流速动态腐蚀实验方法，根据权利要求1-9任一项所述的液态环境下多流速动态腐蚀实验装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用内嵌式便携提钩将腐蚀釜取出，并在腐蚀釜的试样槽孔上定位放入待测试样；
步骤2：将液态腐蚀液放入隔离壁的腔体内；将腐蚀釜缓慢装入隔离壁的腔体内，液态腐蚀液将通过腐蚀釜底部的进液孔由下而上进入腐蚀釜中，并将腐蚀釜中的对称旋转桨片完全淹没；且腐蚀釜底端的固定凹槽与隔离壁底部的固定凹槽一一对应，并通过上部密封盖板将腐蚀釜牢牢固定在隔离壁的腔体中；再在腐蚀釜上的气路通道连接进气系统和出气系统，检查各部件的稳固性和气密性；
步骤3：打开气体控制室的进气阀门和出气阀门，从进气口一端持续通气，并使之与液态腐蚀液中的活性保护气体进行反应；
步骤4：开启多级恒温系统，通过多级恒温系统以实现腐蚀釜内外温度的调节；
步骤5：启动电磁驱动系统来控制腐蚀釜腔体中对称旋转桨片的转动，模拟不同流速时腐蚀液的流动工况；
步骤6：将经过步骤3的液态腐蚀液流向腐蚀釜以开展特定气体含量、温度、流速和设定时间范围内的材料腐蚀实验。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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