CN114062175B - 一种动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统，包括气体泵、熔融储罐、循环泵、加热器、应力腐蚀装置、氧控箱、空冷器，循环泵、加热器、应力腐蚀装置、氧控箱、空冷器、循环泵之间通过管路依次相连形成试验系统回路，熔融储罐的上端通过气体管路与气体泵连接，熔融储罐的底部通过压液管路与试验系统回路连接，熔融储罐内设有用于融化固态金属的加热装置。本发明的试验系统能够模拟核电站实际服役工况，为试验材料提供高流速及应力的加载液态金属环境。

Description

一种动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统

技术领域

本发明涉及材料腐蚀试验技术领域，具体而言，涉及一种动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统。

背景技术

第四代核反应堆是安全性更高、经济性更好、运行寿命更长的新型反应堆。实现它的成功开发、建造以及安全运行，必须考虑反应堆结构材料在实际工况条件下长期服役的可靠性。液态金属冷却堆作为研发的六个概念堆之一，冷却剂为高温、高密度和高流速的液态金属，而液态金属对传统材料具有极强的腐蚀性。

核电站主容器、蒸汽发生器、主管道、主泵和阀门等均承受一定的服役应力(热应力或机械应力等)，这些设备与材料存在腐蚀、应力腐蚀等环境损伤问题，而环境损伤问题很大一部分源自于与应力有关的腐蚀开裂。

目前相关的试验系统主要聚焦在静态液态金属环境，无法实现液态金属的流动和应力的加载，导致难以研究核电站实际服役工况下材料的环境损伤问题。因此，模拟核电站服役工况，研究应力作用下材料的环境损伤行为对支撑反应堆系统设计、建设和运行显得极为重要

有鉴于此，特提出本申请。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有试验系统主要聚焦在静态液态金属环境，不能实现液态金属的流动和应力的加载，目的在于提供一种新的动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统，能够模拟核电站实际服役工况，为试验材料提供高流速及应力的加载液态金属环境。

本发明通过下述技术方案实现：

一种动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统，包括气体泵、熔融储罐、循环泵、加热器、应力腐蚀装置、氧控箱、空冷器，循环泵、加热器、应力腐蚀装置、氧控箱、空冷器、循环泵之间通过管路依次相连形成试验系统回路，熔融储罐的上端通过气体管路与气体泵连接，熔融储罐的底部通过压液管路与试验系统回路连接，熔融储罐内设有用于融化固态金属的加热装置。

本发明的试验系统，首先利用加热装置将熔融储罐内的固态金属融化形成液态金属，然后气体泵熔融储罐内通过气体将液态金属从压液管路压入到试验系统回路中，启动循环泵，为液态金属在试验系统回路中提供循环的动力，液态金属在循环泵的作用下，依次流经加热器、应力腐蚀装置、氧控箱、空冷器，最后回到循环泵完成闭式循环；加热器将流经的液态金属加热至试验目标温度，然后加热后的液态金属进入到应力腐蚀装置中对试验材料进行液态金属环境材料腐蚀和应力腐蚀，氧控箱用于对回路系统液态金属中溶解氧的含量进行控制，氧控箱中液态金属经空冷器冷却后，最后回到循环泵完成整个循环。其中空冷器用于冷却液态金属，防止流回循环泵的液态金属温度过高，损伤循环泵。

应力腐蚀装置包括高压釜，高压釜的上方设有伺服机，伺服机上连有拉伸轴，拉伸轴伸入高压釜内与试样夹具连接，伺服机能够带动拉伸轴向上运动对试样夹具中夹持的试样施加应力；试样的两端夹持在试样夹具之间，通过拉伸轴给试样夹具提供向上的作用力，试样端部受到拉应力，结合流动的液态金属，模拟了试验材料在核电站实际服役工况，能够在液态金属流动及应力的环境下对材料进行腐蚀研究。

所述高压釜包括釜盖和釜体，釜体内设置有液位计和温度监测器，能够实时监测控制高压釜内液态金属的温度和液位，釜体下方设置有用于上下移动釜体的升降装置，方便装取试样。

拉伸轴上安装有位移传感器和力传感器，能够实时监测控制伺服机提供给试样的作用力。

空冷器与循环泵之间设置有流量计，能够实时监测试验系统液态金属介质的流速。

压液管路上安装有阀门。

氧控箱一端与气瓶组连接，另一端与试验系统回路连接；氧控箱内设置有氧传感器。

循环泵采用磁力泵，通过电磁力实现对液态金属作用，能够避免泵腔与液态金属直接接触。

试验系统回路中还设置有除杂器，能够净化清除回路内液态金属中的杂质物质。

试验系统回路的管路内设置有用于给管路预热的伴热装置，能够在试验开始之前提前给管路进行预热。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明实施例提供的一种动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统，能够在材料腐蚀试验中，实现液态金属的高速流动；

2、本发明实施例提供的一种动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统，能够精确控制回路系统的溶解氧，并净化杂质含量，可完成高流速液态金属环境应力腐蚀试验；通过在线仪器的使用，可以稳定监测控制温度、流速、溶解氧等试验参数。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例提供的腐蚀试验系统图。

附图标记及对应零部件名称：

1-气体泵，2-熔融储罐，3-循环泵，4-加热器，5-应力腐蚀装置，6-氧控箱，7-空冷器，8-流量计，9-伺服机，10-釜体升降装置，11-高压釜釜盖，12-高压釜釜体，13-拉伸轴，14-试样夹具，15-位移传感器，16-力传感器，17-液位计，18-温度监测器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

在以下描述中，为了提供对本发明的透彻理解阐述了大量特定细节。然而，对于本领域普通技术人员显而易见的是：不必采用这些特定细节来实行本本发明。在其他实施例中，为了避免混淆本本发明，未具体描述公知的结构、电路、材料或方法。

在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和、或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的示图都是为了说明的目的，并且示图不一定是按比例绘制的。这里使用的术语“和/或”包括一个或多个相关列出的项目的任何和所有组合。

在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“高”、“低”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供的一种动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统，该系统主要由气体泵1、熔融储罐2、循环泵3、加热器4、应力腐蚀装置5、氧控箱6、空冷器7、流量计8和若干管路及阀门组成。

其中，熔融储罐2用于加热融化固态金属并储存和回收试验系统中的液态金属；熔融储罐上端通过气体管路与气体泵1连接，底端通过管路与试验系统回路连接；熔融储罐2内设置有加热装置、液位测量装置和气体接口；加热装置用于融化固态金属，液位测量装置用于测量熔融储罐中金属液面，气体接口通过管路连接气体泵1，能够实现液态金属在熔融储罐1和试验系统回路中的来回输送。

循环泵3用于提供液态金属在试验系统中循环的动力；液态金属在循环泵3的作用下，依次流经加热器4、应力腐蚀装置5、氧控箱6、空冷器7、流量计8，最后回到循环泵3完成闭式循环。

加热器4用于加热液态金属至试验目标温度。

应力腐蚀装置5用于开展液态金属环境材料腐蚀和应力腐蚀研究；应力腐蚀装置5由高压釜、伺服机9、位移传感器15、力传感器16、拉伸轴13、试样夹具14组成；高压釜由釜盖11和釜体12组成，釜盖11在上，釜体12在下且设置有升降装置10，实现釜体12的上下移动，以便装取试样，高压釜还设有液位计17和温度监测器18，实时监测控制高压釜釜体12内液态金属的温度和液位，釜体12在下，伺服机9设置在高压釜的上方，伺服机9与拉伸轴13配合提供应力腐蚀试验的应力，具体为：拉伸轴13一端与伺服机9连接，并在拉伸轴13上设置位移传感器15、力传感器16，拉伸轴13穿过高压釜釜盖11伸入釜体12内后与试样夹具14连接，最后将伺服机9作用力传递到试验试样上。

氧控箱6用于实现回路系统液态金属中溶解氧的控制；氧控箱6的一端通过管路连接气瓶组，另一端通过管路与试验系统连接，氧控箱6中的液态金属介质经空冷器7冷却后，流经流量计8可以获得试验系统液态金属介质的流速；试验介质最后回到循环泵3，完成整个循环。

优选的，试验系统回路中还设置有除杂器，能够净化清除回路内液态金属中的杂质物质。

优选的，试验系统回路的管路内设置有用于给管路预热的伴热装置，能够在试验开始之前提前给管路进行预热。

实施例2

本发明实施例提供的一种动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统的操作方法，包括如下步骤：

(1)试样装配：启动釜体升降装置11，降低釜体12，将应力腐蚀试样安装在试样夹具上，再次开启釜体升降装置10，台升釜体12，并完成釜盖11和釜体12的紧固密封；

(2)管道预热：开启回路管路伴热开关，预热回路管路；

(3)罐装介质：通过气体泵1将熔融储罐2中的试验介质经阀门压入试验系统回路；

(4)回路运行：开启循环泵3，液态金属介质获得推力后，从循环泵3流出后依次流经加热器4、应力腐蚀装置5、氧控箱6、空冷器7、流量计8后，流回循环泵3，完成整个循环流动；

(5)参数调节：开启加热器4设定目标试验温度并通过温度监测器18监测；设定空冷器目标温度值；通过氧控箱6调节溶解氧含量至目标值；

(6)开始试验：温度、溶解氧等参数调节至目标值后，开启伺服机11设定应力加载参数后开始试验；实验过程中通过计算机软件完成位移传感器15和力传感器16上的数据采集；

(7)试验结束：试验完成后，逐步降低循环泵3功率至停止；

(8)介质回收：开启阀门，调节气体泵1将回路中的液态金属介质回收至熔融储罐2中；

(9)降温取样：试验系统回路降温至室温后，启动釜体升降装置10，降低釜体12，取出腐蚀或应力腐蚀试样。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统，其特征在于，包括气体泵(1)、熔融储罐(2)、循环泵(3)、加热器(4)、应力腐蚀装置(5)、氧控箱(6)、空冷器(7)，循环泵(3)、加热器(4)、应力腐蚀装置(5)、氧控箱(6)、空冷器(7)、循环泵(3)之间通过管路依次相连形成试验系统回路，熔融储罐(2)的上端通过气体管路与气体泵(1)连接，熔融储罐(2)的底部通过压液管路与试验系统回路连接，熔融储罐(2)内设有用于融化固态金属的加热装置。

2.根据权利要求1所述的动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统，其特征在于，应力腐蚀装置(5)包括高压釜，高压釜的上方设有伺服机(9)，伺服机(9)上连有拉伸轴(13)，拉伸轴(13)伸入高压釜内与试样夹具连接(14)，伺服机(9)能够带动拉伸轴(13)向上运动对试样夹具中夹持的试样施加应力。

3.根据权利要求2所述的动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统，其特征在于，所述高压釜包括釜盖(11)和釜体(12)，釜体(12)内设置有液位计(17)和温度监测器(18)，釜体(12)下方设置有用于上下移动釜体(12)的升降装置(10)。

4.根据权利要求2所述的动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统，其特征在于，拉伸轴(13)上安装有位移传感器(15)和力传感器(16)。

5.根据权利要求1所述的动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统，其特征在于，空冷器(7)与循环泵(3)之间设置有流量计(8)。

6.根据权利要求1所述的动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统，其特征在于，压液管路上安装有阀门。

7.根据权利要求1所述的动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统，其特征在于，氧控箱(6)一端与气瓶组连接，另一端与试验系统回路连接；氧控箱(6)内设置有氧传感器。

8.根据权利要求1所述的动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统，其特征在于，循环泵(3)采用磁力泵。

9.根据权利要求1所述的动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统，其特征在于，试验系统回路中还设置有除杂器。

10.根据权利要求1所述的动态循环液态金属环境材料腐蚀试验系统，其特征在于，试验系统回路的管路内设置有用于给管路预热的伴热装置。