CN117250101A - 一种串联式内压波纹管高温高压疲劳试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

一种串联式内压波纹管高温高压疲劳试验装置，包括液压伺服试验机、加热系统、压力系统、试验组件，其技术要点是：试验组件夹于液压伺服试验机上，该试验组件包括由下至上依次设置的下法兰、第二波纹管、中间法兰、第一波纹管以及密封法兰；在下法兰的上部设有穿过中间法兰并与密封法兰连接的管柱；管柱与中间法兰之间留有缝隙；在中间法兰的中部周向设有环形凸台；在环形凸台的上部边缘依次设置有驱动外筒以及上法兰；环形凸台上还设有中间法兰通气孔；在下法兰的内部设有与压力系统连接的下法兰加压通道；加热系统将试验组件置于其内部；本发明能提供最高温度1000℃，最高压力75MPa的试验条件。同时，单次试验可完成两件内压波纹管的疲劳测试。

Description

一种串联式内压波纹管高温高压疲劳试验装置及其试验方法

技术领域

本发明属于波纹管成疲劳试验技术领域，具体涉及一种串联式内压波纹管高温高压疲劳试验装置及其试验方法。

背景技术

金属波纹管广泛应用在航天、核电及化工领域，金属波纹管的技术性能指标主要有刚度、强度以及疲劳寿命等。疲劳寿命直接影响产品的可靠性及使用周期，对波纹管的性能起着至关重要的作用。在航天及核电领域波纹管工作环境多为高温高压工况，某些核电阀门用波纹管的使用温度甚至已经达到650℃以上，波纹管的材料也由常规不锈钢改为高温合金材料。尽管原材料的使用温度能够满足特殊使用工况的要求，但由于高温高压波纹管使用场所的特殊性，波纹管出厂前需要抽取一定比例的样件进行高温高压疲劳寿命测试。

目前国内公开的高温高压波纹管疲劳测试装置能够解决不锈钢等常规产品的试验需求，如：专利号：CN201320809811.7，专利名称《金属波纹管高温高压疲劳寿命试验装置》公开的试验装置，实现极限压力42MPa(常温)、极限温度400℃的金属波纹管疲劳寿命试验。专利号：CN202021557950.1,专利名称《一种金属波纹管外压高温高压试验装置》公开的试验装置，能够实现设计压力35MPa、设计温度600℃以内的金属波纹管疲劳试验。然而，对于使用温度超过600℃的高温合金波纹管，国内还没有公开相应的试验装置。

由于高温高压疲劳试验单次试验时间长，设备使用费用及人工成本较高，目前国内公开的波纹管疲劳试验装置单次试验只能完成一只波纹管试验需求，如：专利号：CN201910280580.7,专利名称《一种真空灭弧室用金属波纹管疲劳寿命试验装置》。尽管专利号：CN201720535935.9，专利名称《一种波纹管疲劳试验机》公开的试验装置单次能够完成2件波纹管的疲劳试验，但该装置不涉及高温高压技术条件。专利号：CN115201020A，专利名称《串联式内压波纹管高温高压疲劳试验装置》公开的试验装置只能完成波纹管外压的高温高压疲劳试验，但该装置不涉及内压波纹管。

针对上述问题，需要一种能实现温度超过600℃以上、压力超过42MPa以上，并且单个试验组件一次可完成两件内压波纹管的疲劳测试的装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种串联式内压波纹管高温高压疲劳试验装置及其试验方法，该装置能提供最高温度1000℃，最高压力75MPa的试验条件。同时，能够在单次试验中完成两件内压波纹管的疲劳测试，并且不会产生压力波动现象，省去了防止试验压力波动的稳压系统。

本发明是通过如下技术方案实现的：一种串联式内压波纹管高温高压疲劳试验装置，包括液压伺服试验机及其控制系统、加热系统、压力系统、试验组件，其技术要点是：

所述液压伺服试验机包括试验机底座，导向柱以及试验机升降平台；在试验机底座的上部设有下固定台；在试验机升降平台的下部设有上固定台；

所述试验组件设置在下固定台与上固定台之间，该试验组件包括由下至上依次设置的下法兰、第二波纹管、中间法兰、第一波纹管以及密封法兰；在下法兰的上部设有穿过中间法兰并与密封法兰连接的管柱；管柱与中间法兰之间留有缝隙；在中间法兰的中部周向设有环形凸台；在环形凸台的上部边缘依次设置有驱动外筒以及上法兰；环形凸台上还设有中间法兰通气孔；在下法兰的内部设有与压力系统连接的下法兰加压通道；

所述加热系统包括电阻丝加热炉，该电阻丝加热炉为对称的分半结构；所述下法兰的上部、第二波纹管、中间法兰、第一波纹管、密封法兰、驱动外筒以及上法兰的下部置于大气炉内部；电阻丝加热炉与试验组件接触缝隙处设置有可塑性填料。

进一步的，所述压力系统包括加压设备，连接于下法兰加压通道与加压设备之间的打压管；在加压设备的管路上依次设置有压力表、放气阀、截止阀、减压阀；打压管通过管接头与加压设备的管路连接。

进一步的，在下法兰、驱动外筒以及上法兰上设置有温度控制传感器。

进一步的，串联式内压波纹管高温高压疲劳试验装置，其试验方法包括：

步骤一，根据试验条件，通过压力系统对试验组件加压，运用气体状态方程修正初始压力，初始压力易为修正试验压力的1.2倍后，停止加压；

步骤二，通过对试验组件进行加热，同时将压力控制在12MPa-12.5MPa，温度控制在950℃-1000℃；

步骤三，通过液压伺服试验机带动试验组件进行竖直方向±4mm的往复运动，直到第一波纹管、第二波纹管失效或达到试验次数要求时为试验终止条件，记录波纹管疲劳试验的寿命。

本发明的有益效果以及特点：

本发明通过加热系统和压力系统的配合能够提供最高温度1000℃、最高压力75MPa的试验条件；同时试验组件配合液压伺服试验机能够在单次试验中完成两件内压波纹管的拉伸和压缩的疲劳测试，并且不会产生压力波动现象。相比现有技术，新型装置及组件能够提升试验效率、降低试验成本，并且具备更广泛的适用性，特别适用于高温合金波纹管的疲劳试验需求。

附图说明

图1为本发明整体结构的示意图；

图2为本发明中的结构示意图。

图中主件序号说明：1、试验组件；11、上法兰；12、驱动外筒；13、密封法兰；14、第一波纹管；15、中间法兰；151、中间法兰通气孔；152、环形凸台；16、第二波纹管；17、下法兰；171、下法兰加压通道；172、管柱；2、加热系统；21、电阻丝加热炉；211、可塑性填料；3、液压伺服试验机；31、试验机底座；311、下固定台；32、导向柱；33、试验机升降平台；331、上固定台；4、压力系统；41、加压设备；42、减压阀；43截止阀；44、放气阀；45、压力表；46、管接头；47、打压管。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明的实施例，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，还可根据这些附图获得其他的附图。

实施方式

以下结合图1-2，通过具体实施例详细说明本发明的内容。

实施例

该串联式内压波纹管高温高压疲劳试验装置，包括液压伺服试验机3及其控制系统、加热系统2、压力系统4、试验组件1，其中：液压伺服试验机包括试验机底座31，导向柱32以及试验机升降平台33；在试验机底座的上部设有下固定台311；在试验机升降平台的下部设有上固定台331；液压伺服试验机提供轴向力保证波纹管的位移载荷，加热系统保证波纹管的温度载荷，压力系统保证波纹管的压力载荷。

试验组件夹在下固定台与上固定台之间，该试验组件包括由下至上依次焊接的下法兰17、第二波纹管16、中间法兰15、第一波纹管14以及密封法兰13；在下法兰的上部设有穿过中间法兰并与密封法兰焊接的管柱172；管柱与中间法兰之间留有缝隙，该缝隙用于将第一波纹管和第二波纹管内部连通；在中间法兰的中部周向设有环形凸台152；在环形凸台的上部边缘依次焊接有驱动外筒12以及上法兰11；环形凸台上还设有中间法兰通气孔，该中间法兰通气孔用于使第一波纹管外部与第二波纹管外部状态一致，且与大气相通，保压力表示数极为证试验压力，如不设置中间法兰通气孔，则第一波纹管外部压力随温度变化而变化，使得第一波纹管试验压力小于压力表显示值，造成试验结果不满足实验条件的问题。在下法兰的内部设有与压力系统连接的下法兰加压通道，该下法兰加压通道两个端口分别设于管柱的侧壁和下法兰的下部；试验组件易采用焊接结构。采用焊接结构的试验组件连接简单，耐压耐高温效果好，较采用螺纹结构优势在于不受压力限制，只需依据相应的压力选择对应的材料及材料厚度即可达到满足压力和温度条件的试验组件。而螺纹连接受组件规格尺寸、试验压力、试验温度限制，尤其是在高温高压环境下略势更加明显。

加热系统包括电阻丝加热炉，该电阻丝加热炉为对称的分半结构，便于装卸；下法兰的上部、第二波纹管、中间法兰、第一波纹管、密封法兰、驱动外筒以及上法兰的下部置于大气炉内部；电阻丝加热炉与试验组件接触缝隙处设置有可塑性填料，可塑性填料采用陶瓷纤维盘根进行密封保温，降低加热炉内热量散失速度，提高试验组件加热效率。为了方便电阻丝加热炉固定，在上法兰上设置有配合凸台。

优选的，压力系统包括加压设备，连接于下法兰加压通道与加压设备之间的打压管；在加压设备的管路上依次设置有压力表、放气阀、截止阀、减压阀，用于配合调整压力；目前增压设备支持常温最大75MPa的压力输出（结合理想气体方程，如采用试验前通入75MPa的气体，当温度达到1000℃时，压力可达325MPa）；

打压管通过管接头与加压设备的管路连接。

优选的，在下法兰、驱动外筒以及上法兰上设置有温度控制传感器，温度控制传感器为热电偶。

试验用的第一波纹管和第二波纹管采用GH4169材料生产制造，该波纹管内径14mm，外径20mm，波数12个，疲劳试验目的为需要在温度950℃时承受内压12MPa，有效行程±4mm，寿命10000次。试验组件的各部分零件采用与波纹管同材料的GH4169，按图2示意图完成各零部件的机械加工及试验组件的焊接。焊接顺序为：首先依次完成下法兰与第二波纹管、第二波纹管与中间法兰、中间法兰与第一波纹管、第一波纹管与密封法兰、下法兰的管柱与密封法兰的焊接；其次再依次完成中间法兰的环形凸台与驱动外筒、驱动外筒与上法兰的焊接，其整体为试验组件，最后完成下法兰的下法兰加压通道口与打压管的焊接。

将试验组件下固定台与上固定台之间，然后驱动上固定台下降至合适位置将试验组件加紧固定，随后将分半结构的电阻丝加热炉组合并包裹于试验组件外，电阻丝加热炉与试验组件接触缝隙处填充可塑性填料进行密封保温，运用管接头完成打压管17与压力系统的连接。

完成上述试验准备后，配合串联式内压波纹管高温高压疲劳试验装置，其试验方法包括：

步骤一，根据试验条件，通过压力系统对试验组件加压，运用气体状态方程修正初始压力，初始压力易为修正试验压力的1.2倍后，关闭截止阀停止加压；

步骤二，通过对试验组件进行加热，同时运用放气阀将压力控制在12MPa-12.5Mpa；将温度控制在950℃-1000℃；

步骤三，通过液压伺服试验机及其控制系统，控制试验机升降平台沿竖直方向放行进行振幅为4mm的正弦波往复运动，频率一般控制在0.5Hz至1Hz之间，即液压伺服系统驱动上固定台带动上法兰、驱动外筒、中间法兰进行竖直方向±4mm的往复运动，第一波纹管、第二波纹管在中间法兰的带动下同样进行竖直方向做振幅为4mm的正弦波往复运动（上固定台自起始点向下运动时，则第一波纹管被拉伸，第二波纹管被压缩，直至达到最大行程4mm；随后上固定台返回原点，则第一波纹管被拉伸，第二波纹管被压缩，直至返回起始位置，第一波纹管、第二波纹管恢复原始长度；上固定台自起始点向上运动时，则第一波纹管被压缩，第二波纹管被拉伸，直至达到最大行程4mm；随后上固定台返回原点，则第一波纹管被压缩，第二波纹管被拉伸，直至返回起始位置，第一波纹管、第二波纹管恢复原始长度；该过程为被系统记录为一次，即为完成1次疲劳试验），达到既定的试验目标。直到第一波纹管、第二波纹管失效后或达到试验次数达到10000次后试验终止，记录波纹管疲劳试验的寿命。

当波纹管疲劳试验终止后，参考试验组件安装过程，对试验组件进行拆除（液压伺服电机停止后，关闭加热系统、保温系统，自然冷却，当温度降至100℃以下时，打开放气阀将气体排入大气中，待试验组件内压力降至与外界压力相等时，松开管接头，断开压力系统与打压管的链接，然后打开电阻丝加热炉，拆除可塑性密封材料，控制液压伺服试验机将试验机升降平台上升松开试验组件并取下），取出试验组件上的第一第二波纹管和第二波纹管为后续检测提供样件，至此疲劳试验结束。

Claims (4)

1.一种串联式内压波纹管高温高压疲劳试验装置，包括液压伺服试验机及其控制系统、加热系统、压力系统、试验组件，其特征在于：

所述液压伺服试验机包括试验机底座，导向柱以及试验机升降平台；在试验机底座的上部设有下固定台；在试验机升降平台的下部设有上固定台；

所述试验组件设置在下固定台与上固定台之间，该试验组件包括由下至上依次设置的下法兰、第二波纹管、中间法兰、第一波纹管以及密封法兰；

在下法兰的上部设有穿过中间法兰并与密封法兰连接的管柱；管柱与中间法兰之间留有缝隙；在中间法兰的中部周向设有环形凸台；在环形凸台的上部边缘依次设置有驱动外筒以及上法兰；环形凸台上还设有中间法兰通气孔；在下法兰的内部设有与压力系统连接的下法兰加压通道；

所述加热系统包括电阻丝加热炉，该电阻丝加热炉为对称的分半结构；所述下法兰的上部、第二波纹管、中间法兰、第一波纹管、密封法兰、驱动外筒以及上法兰的下部置于大气炉内部；电阻丝加热炉与试验组件接触缝隙处设置有可塑性填料。

2.根据权利要求1所述的串联式内压波纹管高温高压疲劳试验装置，其特征在于：所述压力系统包括加压设备，连接于下法兰加压通道与加压设备之间的打压管；在加压设备的管路上依次设置有压力表、放气阀、截止阀、减压阀；打压管通过管接头与加压设备的管路连接。

3.根据权利要求1所述的串联式内压波纹管高温高压疲劳试验装置，其特征在于：在下法兰、驱动外筒以及上法兰上设置有温度控制传感器。

4.根据权利要求1所述的串联式内压波纹管高温高压疲劳试验装置，其试验方法包括：

步骤一，根据试验条件，通过压力系统对试验组件加压，运用气体状态方程修正初始压力，初始压力易为修正试验压力的1.2倍后，停止加压；

步骤二，通过对试验组件进行加热，同时将压力控制在12MPa-12.5MPa，温度控制在950℃-1000℃；

步骤三，通过液压伺服试验机带动试验组件进行竖直方向±4mm的往复运动，直到第一波纹管、第二波纹管失效或达到试验次数要求时为试验终止条件，记录波纹管疲劳试验的寿命。