CN117250144B - 气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气氛可控的高温熔盐腐蚀‑热‑机械疲劳试验装置及方法，该装置包括装夹组件、温控组件、环境腔组件、应变控组件、气氛控制组件。装夹组件用于紧固试样和拉压加载，温控组件用于快速加热和冷却熔盐、试样，环境腔组件用于承装熔盐，应变控组件用于控制试样的加载，气氛控制组件用于控制环境腔中的气氛。该方法将试样紧固在装夹组件上，并浸没在特定气氛的熔盐里，通过温控组件和应变控组件控制试样的温度和机械应变，通过试验机设置温度和机械应变波形实现熔盐腐蚀‑热‑机械疲劳试验。本发明解决了高温熔盐环境中对试样应变的精准测量和拉压双向加载的难题，并实现了特定气氛下同相、异相的熔盐腐蚀‑热‑机械疲劳试验。
Description
技术领域
本发明属于绿色能源领域，具体涉及气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验装置及方法。
背景技术
“双碳”背景下，构建以绿色能源为主体的新型电力系统显得越发迫切，但绿色能源发电普遍存在波动性和间歇性的问题，需要通过储能技术来调峰调频。熔盐储能技术被认为是最具有前景的长时储能技术，可在多能互补一体化电力系统的建设中发挥关键作用。然而，高温熔盐具有较强的腐蚀性，熔盐储罐在日常运行时会频繁充放电，这会在储罐中产生很大的温度波动，同时熔盐液面的周期性降低和升高也会改变储罐的应力状态。在如此严苛的服役环境下，熔盐储罐极易发生提前失效，带来巨大经济损失和人员伤亡。因此，要实现熔盐储罐的高可靠和长寿命设计，必须掌握熔盐腐蚀-热-机械疲劳交互损伤机制，发展熔盐腐蚀-热-机械疲劳寿命预测方法。
基于实验室中测量的高温熔盐腐蚀与-热-机械疲劳交互作用的试验结果进行材料的腐蚀力学损伤和寿命分析，是最重要也是最基础的研究方式。然而，由于高温环境和熔盐的腐蚀性，以及一些熔盐需要保持在特定气氛中，在熔盐环境中开展热-机械疲劳测试尤为困难，主要难点在于特定气氛的保持、高温熔盐的密封、对试样进行拉压双向循环加载、试样标距段应变的精确测量与控制、熔盐和试样温度的周期性快速提升和降低等。目前为止，关于材料的热-机械疲劳性能测试仅限于在空气环境中进行，在特定气氛的高温熔盐环境中开展热-机械疲劳试验几乎没有。
发明内容
本发明提供了气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验装置及方法，解决了在特定气氛的高温熔盐腐蚀环境中，材料的热-机械疲劳性能测试困难的问题，并有效地解决了高温熔盐环境中对试样应变的精准测量和拉压双向加载的难题，实现了特定气氛下同相、异相的熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验，可对材料在熔盐腐蚀环境中进行长时的热-机械疲劳测试。
实现本发明目的的技术解决方案为：气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验装置，包括，
装夹组件，包括夹持装置和管状试样，夹持装置用于紧固管状试样的夹持段，从而对管状试样施加拉压循环载荷。所述夹持装置包括上夹持装置和下夹持装置，管状试样两端分别被上夹持装置和下夹持装置夹持并挤压固定。所述上夹持装置包括上夹头、上法兰盖、上顶杆、上气路接管。所述下夹持装置包括下夹头、下顶杆、下气路接管、下法兰盖。所述上气路接管和下气路接管的一端分别设有第一外螺纹和第二外螺纹。所述上夹头为筒状，包括第一内螺纹段和第一通孔段，其侧面开有第一径向通孔，用于插入上气路接管，上法兰盖位于第一径向通孔下方，上法兰盖与上夹头焊接成为一体，上顶杆的下端面开有第一环形凹槽，用于填充橡胶垫圈，通过上顶杆上的橡胶垫圈挤压管状试样上端面形成密封，上顶杆沿中轴线开有第一中心盲孔，侧面开设径向延伸的第一螺纹孔，第一中心盲孔与第一螺纹孔连通。上气路接管与第一螺纹孔通过螺纹连接，用于通入压缩空气。所述下夹头为筒状，包括第二内螺纹段和第二通孔段，侧面开有第二径向通孔，用于插入下气路接管，下法兰盖上开有两个第一垂直通孔，第一垂直通孔位于第二径向通孔上方，下法兰盖与下夹头焊接成为一体，下顶杆的上端面开有第二环形凹槽，用于填充橡胶垫圈，通过下顶杆的橡胶垫圈挤压管状试样下端面形成密封，下顶杆沿中轴线开有第二中心盲孔，下顶杆侧面开设径向延伸的第二螺纹孔，第二螺纹孔与下气路接管通过螺纹连接，用于排出压缩空气。
温控组件，包括快速加热装置、快速冷却装置、温度控制与监测装置。所述快速加热装置，包括感应加热电源、开口式感应线圈、空心螺旋管。管状试样、空心螺旋管和开口式感应线圈自内向外嵌套设置，三者中心轴线重合。感应加热电源上自带控温仪。感应加热电源与开口式感应线圈连接，通过开口式感应线圈产生磁场，在空心螺旋管和管状试样上产生感应电流，从而加热空心螺旋管和管状试样，被加热的空心螺纹管通过热传导和热辐射均匀加热环境腔组件内的熔盐，使其达到目标温度。所述快速冷却装置，包括空气压缩机、中央控制器、电磁流量阀、螺旋盘管、螺旋管进气管、螺旋管出气管。空气压缩机与电磁流量阀通过管路连接，电磁流量阀的信号反馈到中央控制器。螺旋盘管的进口连接螺旋管进气管，出口连接螺旋管出气管。电磁流量阀连接两条管路，一条与螺旋管进气管连接，另一条与下气路接管连接。电磁流量阀控制压缩空气流量，将压缩空气分别通入空心螺旋管和管状试样中，通过双路气冷的方式同时地快速冷却环境腔组件内的熔盐和管状试样。所述温度控制与监测组件，包括上导向管、中间导向管、下导向管、上热电偶、中间热电偶、下热电偶、测温仪。上热电偶和下热电偶的温度信号反馈到到测温仪，中间热电偶将温度信号反馈到感应加热电源自带的控温仪，控温仪进一步将温度信号反馈到中央控制器，实现对感应加热电源输出功率的控制，从而控制熔盐和管状试样的加热。将上热电偶、中间热电偶和下热电偶分别对应插入上导向管、中间导向管和下导向管，使上热电偶、中间热电偶和下热电偶分别对应紧密接触管状试样标距段的上端、中间和下端，实现管状试样温度的实时监测和和控制。
环境腔组件，包括上法兰、膨胀节、石英腔体、上筒体、上隔热板、下隔热板、上冷却回路、下冷却回路、下筒体、下法兰。上法兰、膨胀节、上筒体自上而下依次焊接为一体，下法兰和下筒体焊接为一体。石英腔体包括上圆筒段、下圆筒段和直边椭圆筒，上冷却回路和下冷却回路分别套在上圆筒段和下圆筒段外侧，且上筒体的上端面超出上冷却回路，超出的部分与上筒体连接，下筒体的下端面超出下冷却回路，超出的部分与下筒体连接。上隔热板位于石英腔体内的上圆筒段与直边椭圆筒的过渡处，下隔热板位于石英腔体内的下圆筒段与直边椭圆筒的过渡处；上冷却回路、石英腔体、下冷却回路为石英一体制造。膨胀节用于在管状试样变形时提供变形补偿。石英腔体用于承装熔盐，并利用其透明的特性将腔内的物体在腔体外部成像。上冷却回路和下冷却回路中通入冷却水，用于冷却石英腔体的上下端，从而降低上法兰盖和下法兰盖处的温度。
应变控组件，包括变形引伸装置、视频引伸计，变形引伸装置安装固定在管状试样的标距段，视频引伸计放置于石英腔体外，用于测量管状试样的应变并反馈到中央控制器，实现管状试样机械应变的闭环控制。
气氛控制组件，包括惰气瓶、惰气进气管、流量阀、真空泵、空气出气管、真空阀，用于环境腔组件内的排空和充入特定气氛。惰气瓶、流量阀和惰气进气管依次通过管路连接，空气出气管、真空阀和真空泵依次通过管路连接。
一种基于气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验装置的试验方法，步骤如下：
步骤1、安装试样：
将下气路接管插入下夹头的第二径向通孔，并与下顶杆的第二螺纹孔通过螺纹连接，连接处采用螺纹密封胶进行密封。管状试样的下夹持段通过第二中心通孔穿过下隔热板，并与下夹头通过螺纹连接固定，确保管状试样的下端面超出下夹头的第二内螺纹段两个螺距，将橡胶垫圈放入下顶杆的第二环形凹槽中，下顶杆插入下夹头中，直至顶到管状试样为止。
将下隔热板通过第二中心通孔穿过管状试样，直到下隔热板支撑在下夹头上。
将空心螺纹管的螺纹管进气管和螺纹管出气管朝下，垂直套住管状试样，螺纹管进气管和螺纹管出气管分别穿过下下法兰盖的两个第一垂直通孔，螺纹管进气管和螺纹管出气管与两个第一垂直通孔之间的缝隙采用螺纹密封胶进行密封。
将变形引伸装置通过空心螺纹管的匝线间隙安装在管状试样的标距段上，调整变形引伸装置，使其在垂直方向有足够的位移空间。
石英腔体的下圆筒段外侧设有两个密封垫圈，再将下筒体套住石英腔体的下圆筒段，通过挤压两个密封圈实现密封，再将下法兰和下法兰盖通过下真空卡盘进行连接固定和密封。
将配制好的熔盐颗粒倒入石英腔体中，直至熔盐的堆积高度达到石英腔体的上圆筒段与直边椭圆筒的连接处为止。
石英腔体的上圆筒段设有两个密封垫圈，再将上筒体套住石英腔体的上段圆筒，通过挤压两个密封圈实现密封。
将上气路接管通过第一螺纹孔从侧面插入上夹头，并与上顶杆通过螺纹连接，连接处采用螺纹密封胶密封，上夹头与管状试样的上夹持段通过螺纹连接，管状试样的上端面超出上夹头的第一内螺纹段两个螺距。将橡胶垫圈放入上顶杆的第一环形凹槽中，将上顶杆伸入上夹头中，直至顶到管状试样为止。将上法兰和上法兰盖通过上真空卡盘固定和密封。
将上夹持装置和下夹持装置安装在动疲劳试验机上，将上热电偶、中间热电偶和下热电偶分别插入上导向管、中间导向管和下导向管，三个热电偶与三个导向管之间的缝隙采用橡胶圈进行挤压密封。
步骤2、控制气氛：
将惰性气瓶与惰气进气管进行管路连接，管路中设有流量阀，空气出气管与真空泵进行管路连接，管路中设有真空阀。
打开真空阀，开启真空泵，抽取石英腔体中的空气，直到石英腔体内的真空度低于Pa为止。
关闭真空阀，开启惰性气体管路的流量阀，向石英腔体中充入惰性气体，直到石英腔体内呈微正压为止，关闭惰性气体回路的流量阀。
步骤3、线路连接：
将上热电偶和下热电偶连接到测温仪，用于温度监测。
将中间热电偶连接到感应加热电源自带的控温仪。
将空气压缩机与电磁流量阀通过管路连接，一个支路与螺旋管进气管相连，另一支路与下气路管连接。
利用中央控制器控制感应加热电源自带的控温仪和电磁流量阀，从而对管状试样的升温和降温实现闭环控制。
利用视频引伸计对变形引伸装置进行系统标定，从而在试验过程中记录管状试样的变形，并将变形数据输入到中央控制器，中央控制器控制动疲劳机试验加载，从而对管状试样的变形实现闭环控制。
步骤4、开始试验：
分别在上冷却回路和下冷却回路通入冷却水。
将开口式感应线圈包住石英腔体的直边椭圆筒。
设定温度波形、应变控制波形、试验参数，根据热机疲劳试验测试标准，即可进行可控气氛下高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：
(1)为测试试样提供特定气氛的高温熔盐腐蚀环境，并配合使用现有的动疲劳试验机，可进行特定气氛下熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验。
(2)通过装夹组件紧固试样两端，从而可在熔盐环境中对试样施加拉压双向载荷。
(3)通过在环境腔组件中设置空心螺纹管，在试验过程中需要降温时，同时向空心螺纹管和管状试样中通入压缩空气，即可实现熔盐和试样的快速冷却；在试验过程中需要升温时，可利用感应线圈在空心螺纹管上产生感应电流，使空心螺纹管发热，从而快速加热环境腔中的熔盐。
(4)通过应变控组件，利用石英腔体的透明特性，可精确测量浸泡在熔盐环境中试样标距段的应变，并对试样进行精准的应变控制。
附图说明
图1为本发明组装完成后的示意图。
图2为本发明的上夹持装置示意图。
图3为本发明的下夹持装置示意图。
图4为本发明的上夹头示意图。
图5为本发明的下夹头示意图。
图6为本发明的上顶杆示意图。
图7为本发明的下顶杆示意图。
图8为本发明的上气路接管示意图。
图9为本发明的下气路接管示意图。
图10为本发明的空心螺旋管示意图。
图11为本发明的石英腔体示意图。
图12为本发明的上隔热板示意图。
图13为本发明的下隔热板示意图。
图14为本发明的管状试样示意图。
图15为利用本发明实现同相的温度和应变三角波。
图16为利用本发明测得的熔盐腐蚀-热-机械疲劳滞回曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1～图14，本发明所述的气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验装置，包括：
装夹组件，包括夹持装置和管状试样15，夹持装置用于紧固管状试样15的夹持段，从而对管状试样15施加拉压循环载荷；所述夹持装置包括上夹持装置和下夹持装置，管状试样1两端分别被上夹持装置和下夹持装置夹持并挤压固定；所述上夹持装置包括上夹头32、上法兰盖35、上顶杆31、上气路接管39；所述下夹持装置包括下夹头42、下顶杆43、下气路接管44、下法兰盖41；管状试样15与上夹头32和下夹头42的螺纹连接处存在间隙，无法进行应变控拉压双向加载，采用上顶杆31和下顶杆43分别顶住管状试样15的上端面和下端面，使管状试样15在加载过程中不会因为螺纹间隙产生松动；所述上夹头32为筒状，包括第一内螺纹段46和第一通孔段45，分别用于连接管状试样15的夹持段和插入上顶杆31；上夹头32侧面开有第一径向通孔47，用于插入上气路接管39，上法兰盖35位于第一径向通孔47下方，上法兰盖35与上夹头32焊接成为一体，上顶杆31的下端面开有第一环形凹槽51，用于填充橡胶垫圈，通过上顶杆31上的橡胶垫圈挤压管状试样15上端面形成密封，上顶杆31沿中轴线开有第一中心盲孔52，侧面开设径向延伸的第一螺纹孔53，第一中心盲孔52与第一螺纹孔53连通；上气路接管39与第一螺纹孔47通过螺纹连接，用于通入压缩空气；所述下夹头42为筒状，包括第二内螺纹段48和第二通孔段49，侧面开有第二径向通孔50，用于插入下气路接管44，下法兰盖41上开有两个第一垂直通孔40，第一垂直通孔40位于第二径向通孔50上方，下法兰盖41与下夹头42焊接成为一体，下顶杆43的上端面开有第二环形凹槽54，用于填充橡胶垫圈，通过下顶杆43的橡胶垫圈挤压管状试样15下端面形成密封，下顶杆43沿中轴线开有第二中心盲孔55，下顶杆43侧面开设径向延伸的第二螺纹孔56，第二螺纹孔56与下气路接管58通过螺纹连接，用于排出压缩空气；通过上气路接管39、上顶杆31、管状试样15、下顶杆43、下气路接管44的连接，形成快速冷却管状试样15的气体回路。
温控组件，包括快速加热装置、快速冷却装置、温度控制与监测装置；所述快速加热装置，包括感应加热电源22、开口式感应线圈10、空心螺旋管13；管状试样15、空心螺旋管13和开口式感应线圈10自内向外嵌套设置，三者中心轴线重合；感应加热电源22上自带控温仪；感应加热电源22与开口式感应线圈10连接，通过开口式感应线圈10产生磁场，在空心螺旋管13和管状试样15上产生感应电流，从而加热空心螺旋管13和管状试样15，被加热的空心螺纹管13，空心螺纹管13具有较大的表面积且均匀接触了环境腔组件中的熔盐9，可通过热传导和热辐射均匀加热环境腔组件内的熔盐9，使其达到目标温度；所述快速冷却装置，包括空气压缩机19、中央控制器27、电磁流量阀18、螺旋盘管59、螺旋管进气管61、螺旋管出气管60；空气压缩机19与电磁流量阀18通过管路连接，电磁流量阀18的信号反馈到中央控制器27；螺旋盘管59的进口连接螺旋管进气管61，出口连接螺旋管出气管60；电磁流量阀18连接两条管路，一条与螺旋管进气管61连接，另一条与下气路接管44连接；电磁流量阀18控制压缩空气流量，将压缩空气分别通入空心螺旋管13和管状试样15中，在试验过程中需要快速降低试样温度时，中央控制器27控制电磁流量阀22中的气体流量，通过双路气冷的方式同时地快速冷却环境腔组件内的熔盐9和管状试样15；所述温度控制与监测组件，包括上导向管34、中间导向管36、下导向管37、上热电偶4、中间热电偶24、下热电偶25、测温仪30；上热电偶4和下热电偶25的温度信号反馈到测温仪30，中间热电偶24将温度信号反馈到感应加热电源22自带的控温仪，控温仪进一步将温度信号反馈到中央控制器27，实现对感应加热电源22输出功率的控制，从而控制熔盐9和管状试样15的加热；将上热电偶4、中间热电偶24和下热电偶25分别对应插入上导向管34、中间导向管36和下导向管37，使上热电偶4、中间热电偶24和下热电偶25分别准确地对应紧密接触管状试样15标距段的上端、中间和下端，实现管状试样15温度的实时监测和控制。
环境腔组件，包括上法兰26、膨胀节6、石英腔体23、上筒体7、上隔热板8、下隔热板14、上冷却回路63、下冷却回路65、下筒体16、下法兰21；上法兰26、膨胀节6、上筒体7自上而下依次焊接为一体，下法兰21和下筒体16焊接为一体；石英腔体23包括上圆筒段62、下圆筒段66和直边椭圆筒64，上冷却回路63和下冷却回路65分别套在上圆筒段62和下圆筒段66外侧，且上筒体7的上端面超出上冷却回路63，超出的部分与上筒体7连接，下筒体16的下端面超出下冷却回路65，超出的部分与下筒体16连接；上隔热板8位于石英腔体23内的上圆筒段62与直边椭圆筒64的过渡处，下隔热板14位于石英腔体23内的下圆筒段66与直边椭圆筒64的过渡处；上冷却回路63、石英腔体23、下冷却回路65为石英一体制造；膨胀节6的设置可实现环境腔组件密封的同时，在管状试样15变形时为环境腔组件提供轴向的变形补偿；石英腔体23用于承装熔盐9，通过设置直边椭圆筒64，并利用其透明的特性使腔内的物体在腔体外部成像而不发生畸变；上冷却回路63和下冷却回路65中通入冷却水，用于冷却石英腔体23的上下端，从而降低上法兰盖35和下法兰盖41处的温度。
应变控组件，包括变形引伸装置11、视频引伸计12，变形引伸装置11安装固定在管状试样15的标距段，视频引伸计12放置于石英腔体23外，利用光学原理并结合变形引伸装置11捕捉熔盐9中管状试样15标距段的应变，并将管状试样15的应变反馈到中央控制器27，实现管状试样15机械应变的闭环控制。
气氛控制组件，包括惰气瓶29、惰气进气管38、流量阀28、真空泵3、空气出气管33、真空阀2，用于环境腔组件内的排空和充入特定气氛；惰气瓶29、流量阀28和惰气进气管38依次通过管路连接，空气出气管33、真空阀2和真空泵3依次通过管路连接。
上顶杆31的第一环形凹槽51和下顶杆43第二环形凹槽54的外径D1、D2、内径d1、d2，与管状试样15夹持段的外径D3、内径d3同时具有如下关系：D1<D3、D2<D3、d1>D3、d2>D3，上顶杆31的长度h1大于等于第一通孔段45长度h11，下顶杆43的长度h2大于等于第二通孔段49长度h22，在加载时，上顶杆31和下顶杆43可紧密接触管状试样的两个夹持段端面，并结合螺纹连接使试样在变方向加载时不会发生松动，从而获得准确可靠的数据。
管状试样15的上夹持段与上夹头通过螺纹连接，上夹持段的上端面超出第一内螺纹段46两个螺距以上，管状试样15的下夹持段与下夹头通过螺纹连接，下夹持段的下端面超出第一内螺纹段48两个螺距以上，从而使得上顶杆31和下顶杆43能紧密顶住管状试样15的夹持段。
上气路接管39和下气路接管44分别与上顶杆31和下顶杆43的螺纹连接处采用螺纹密封胶进行密封，从而形成上气路接管39、管状试样15和下气路接管44的气体通路。
上法兰26与上法兰盖35之间设有垫圈，通过上真空卡盘5进行密封；上筒体7与石英腔体23的上圆筒段62通过挤压密封垫片进行密封和连接，石英腔体23的下圆筒段66与下筒体16通过挤压密封垫片进行密封和连接，下法兰21与下法兰盖41之间设有垫圈，通过下真空卡盘20进行密封。
上隔热板8的中心设有第一中心通孔68，上隔热板8上还均匀分布三个导向斜插通孔69，第一中心通孔68与管状试样15的夹持段采用间隙配合，三个导向斜插通孔69位于直径相同的同心圆上，同心圆的圆心为上隔热板67的中心，三个导向斜插通孔69用于插入上热电偶4、中间热电偶24和下热电偶25，下隔热板14上设有第二中心通孔71，以及位于同一条直径上的两个第二垂直通孔72，第二中心通孔71与管状试样15的夹持段采用间隙配合，第二垂直通孔72的直径大于空心螺纹管13的外径，两个第二垂直通孔72分别用于穿过螺纹管进气管61和螺纹管出气管60，螺纹管进气管61和螺纹管出气管60与两个第二垂直通孔72之间的间隙处采用螺纹密封胶进行密封。上隔热板8和下隔热板14的设置可有效隔绝环境腔组件中熔盐9的温度向上圆筒段62和下圆筒段66的热辐射。
变形引伸装置11与管状试样15的固定处与管状试样15之间均不产生相对位移，使得变形引伸装置能准确地反映管状试样15标距段的应变，并进一步利用视频引伸计进行记录和反馈。
上导向管34、中间导向管36、下导向管37均穿过上法兰盖35，与上法兰盖35的相交处采用焊接进行固定与密封；上述三个相交点位于直径相同的同心圆上，同心圆的圆心为上法兰盖35的中心，且相邻相交点与圆心的连线夹角为60度；所述上导向管34的延长线与管状试样15标距段的上端相交，中间导向管36的延长线与管状试样15标距段的中心相交，下导向管37与管状试样15标距段的下端相交，通过三个特定角度的上导向管34、中间导向管36和下导向管37，上热电偶4、中间热电偶24和下热电偶25可分别准确地接触管状试样15标距段的上、中、下位置，实现管状试样1标距段的全面精准测温，从而确保试验数据的可靠性。
所述惰气进气管38和空气出气管33穿过上法兰盖35并伸入石英腔体23内，惰气进气管38和空气出气管33与上法兰盖35的之间采用焊接的方式进行固定与密封。
基于所述气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验装置的试验方法，步骤如下：
步骤1、安装试样：
将下气路接管44插入下夹头42的第二径向通孔50，并与下顶杆43的第二螺纹孔56通过螺纹连接，连接处采用螺纹密封胶进行密封；管状试样15的下夹持段通过第二中心通孔71穿过下隔热板，并与下夹头17通过螺纹连接固定，确保管状试样15的下端面超出下夹头19的第二内螺纹段48两个螺距，将橡胶垫圈放入下顶杆43的第二环形凹槽54中，下顶杆43插入下夹头17中，直至顶到管状试样15为止。
将下隔热板14通过第二中心通孔68穿过管状试样15，直到下隔热板14支撑在下夹头17上。
将空心螺纹管13的螺纹管进气管61和螺纹管出气管60朝下，垂直套住管状试样15，螺纹管进气管61和螺纹管出气管60分别穿过下下法兰盖41的两个第一垂直通孔40，螺纹管进气管61和螺纹管出气管60与两个第一垂直通孔40之间的缝隙采用螺纹密封胶进行密封。
将变形引伸装置11通过空心螺纹管13的匝线间隙安装在管状试样15的标距段上，调整变形引伸装置11，使其在垂直方向有足够的位移空间。
石英腔体23的下圆筒段66外侧设有两个密封垫圈，再将下筒体16套住石英腔体23的下圆筒段16，通过挤压两个密封圈实现密封，再将下法兰21和下法兰盖41通过下真空卡盘20进行连接固定和密封。
将配制好的熔盐9颗粒倒入石英腔体23中，直至熔盐9的堆积高度达到石英腔体23的上圆筒段62与直边椭圆筒64的连接处为止。
石英腔体23的上圆筒段62设有两个密封垫圈，再将上筒体7套住石英腔体23的上段圆筒62，通过挤压两个密封圈实现密封。
将上气路接管39通过第一螺纹孔47从侧面插入上夹头32，并与上顶杆31通过螺纹连接，连接处采用螺纹密封胶密封，上夹头32与管状试样15的上夹持段通过螺纹连接，管状试样15的上端面超出上夹头32的第一内螺纹段46两个螺距；将橡胶垫圈放入上顶杆31的第一环形凹槽51中，将上顶杆31伸入上夹头32中，直至顶到管状试样15为止；将上法兰26和上法兰盖35通过上真空卡盘5固定和密封。
将上夹持装置和下夹持装置安装在动疲劳试验机上，将上热电偶4、中间热电偶24和下热电偶25分别插入上导向管34、中间导向管36和下导向管37，三个热电偶与三个导向管之间的缝隙采用橡胶圈进行挤压密封。
步骤2、控制气氛：
将惰性气瓶29与惰气进气管38进行管路连接，管路中设有流量阀28，空气出气管33与真空泵3进行管路连接，管路中设有真空阀2。
打开真空阀2，开启真空泵3，抽取石英腔体23中的空气，直到石英腔体23内的真空度低于50Pa为止。
关闭真空阀2，开启惰性气体管路的流量阀28，向石英腔体23中充入惰性气体，直到石英腔体23内呈微正压为止，关闭惰性气体回路的流量阀28。
步骤3、线路连接：
将上热电偶4和下热电偶25连接到测温仪30，用于温度监测。
将中间热电偶24连接到感应加热电源22自带的控温仪。
将空气压缩机19与电磁流量阀18通过管路连接，一个支路与螺旋管进气管61相连，另一支路与下气路管44连接。
利用中央控制器27控制感应加热电源22自带的控温仪和电磁流量阀18，从而对管状试样15的升温和降温实现闭环控制。
利用视频引伸计12对变形引伸装置11进行系统标定，从而在试验过程中记录管状试样15的变形，并将变形数据输入到中央控制器27，中央控制器27控制动疲劳机试验加载，从而对管状试样15的变形实现闭环控制。
步骤4、开始试验：
分别在上冷却回路63和下冷却回路65通入冷却水。
将开口式感应线圈10包住石英腔体23的直边椭圆筒64。
设定温度波形、应变控制波形、试验参数，根据热机疲劳试验测试标准，即可进行可控气氛下高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验。
实施例1：
气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验，熔盐为60wt.％NaNO3+40wt.％KNO3混合盐，试验温度为450～600℃，应变速率为2×10-6/s，气氛环境为氮气，管状试样材料为316L不锈钢。
步骤1、安装试样：
将下气路接管44插入下夹头42的第二径向通孔50，并与下顶杆43的第二螺纹孔56通过螺纹连接，连接处采用螺纹密封胶进行密封；管状试样15的下夹持段通过第二中心通孔71穿过下隔热板，并与下夹头17通过螺纹连接固定，确保管状试样15的下端面超出下夹头19的第二内螺纹段48两个螺距，将橡胶垫圈放入下顶杆43的第二环形凹槽54中，下顶杆43插入下夹头17中，直至顶到管状试样15为止。
将下隔热板14通过第二中心通孔68穿过管状试样15，直到下隔热板14支撑在下夹头17上。
将空心螺纹管13的螺纹管进气管61和螺纹管出气管60朝下，垂直套住管状试样15，螺纹管进气管61和螺纹管出气管60分别穿过下下法兰盖41的两个第一垂直通孔40，螺纹管进气管61和螺纹管出气管60与两个第一垂直通孔40之间的缝隙采用螺纹密封胶进行密封。
将变形引伸装置11通过空心螺纹管13的匝线间隙安装在管状试样15的标距段上，调整变形引伸装置11，使其在垂直方向有足够的位移空间。
石英腔体23的下圆筒段66外侧设有两个密封垫圈，再将下筒体16套住石英腔体23的下圆筒段16，通过挤压两个密封圈实现密封，再将下法兰21和下法兰盖41通过下真空卡盘20进行连接固定和密封。
将配制好的熔盐9颗粒倒入石英腔体23中，直至熔盐9的堆积高度达到石英腔体23的上圆筒段62与直边椭圆筒64的连接处为止。
石英腔体23的上圆筒段62设有两个密封垫圈，再将上筒体7套住石英腔体23的上段圆筒62，通过挤压两个密封圈实现密封。
将上气路接管39通过第一螺纹孔47从侧面插入上夹头32，并与上顶杆31通过螺纹连接，连接处采用螺纹密封胶密封，上夹头32与管状试样15的上夹持段通过螺纹连接，管状试样15的上端面超出上夹头32的第一内螺纹段46两个螺距；将橡胶垫圈放入上顶杆31的第一环形凹槽51中，将上顶杆31伸入上夹头32中，直至顶到管状试样15为止；将上法兰26和上法兰盖35通过上真空卡盘5固定和密封。
将上夹持装置和下夹持装置安装在动疲劳试验机上，将上热电偶4、中间热电偶24和下热电偶25分别插入上导向管34、中间导向管36和下导向管37，三个热电偶与三个导向管之间的缝隙采用橡胶圈进行挤压密封。
步骤2、控制气氛：
将惰性气瓶29与惰气进气管38进行管路连接，管路中设有流量阀28，空气出气管33与真空泵3进行管路连接，管路中设有真空阀2。
打开真空阀2，开启真空泵3，抽取石英腔体23中的空气，直到石英腔体23内的真空度低于50Pa为止。
关闭真空阀2，开启惰性气体管路的流量阀28，向石英腔体23中充入氮气，直到石英腔体23内呈微正压为止，关闭惰性气体回路的流量阀28。
步骤3、线路连接：
将上热电偶4和下热电偶25连接到测温仪30，用于温度监测。
将中间热电偶24连接到感应加热电源22自带的控温仪。
将空气压缩机19与电磁流量阀18通过管路连接，一个支路与螺旋管进气管61相连，另一支路与下气路管44连接。
利用中央控制器27控制感应加热电源22自带的控温仪和电磁流量阀18，从而对管状试样15的升温和降温实现闭环控制。
利用视频引伸计12对变形引伸装置11进行系统标定，从而在试验过程中记录管状试样15的变形，并将变形数据输入到中央控制器27，中央控制器27控制动疲劳机试验加载，从而对管状试样15的变形实现闭环控制。
步骤4、开始试验：
分别在上冷却回路63和下冷却回路65通入冷却水。
将开口式感应线圈10包住石英腔体23的直边椭圆筒64。
设定温度和应变控制波形为同相三角波，根据热机疲劳试验测试标准，进行氮气气氛下高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验。
本次气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验经历了100小时，试样完全浸没在熔盐中，气氛环境始终为氮气环境。图15给出了本次气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验过程中的温度和机械应变波形，可见，温度三角波和机械应变三角波表现出准确的同相特征，即温度和机械应变的峰值和谷值在同一时间达到，说明本发明能够准确检测并控制熔盐和管状试样的温度以及管状试样的应变。图16给出了本次试验采集的滞回曲线，可见，数据稳定，并且在载荷变向处的数据没有异常的波动，说明本发明能够很好地实现熔盐腐蚀环境中的拉压双向加载。实施例1的结果表明，本发明很好地实现了材料在特定气氛的熔盐环境中试样的熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验，通过装夹组件实现了对试样有效的双向加载，通过气氛控制组件和环境腔组件实现了特定气氛和熔盐环境的保持，通过温控组件和应变控组件实现了对试样温度和应变波形的精确控制，从而可进行同相或异相的热-机械疲劳试验。
Claims (10)
1.气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验装置，其特征在于：包括，
装夹组件，包括夹持装置和管状试样(15)，夹持装置用于紧固管状试样(15)的夹持段，从而对管状试样(15)施加拉压循环载荷；所述夹持装置包括上夹持装置和下夹持装置，管状试样(15)两端分别被上夹持装置和下夹持装置夹持并挤压固定；所述上夹持装置包括上夹头(32)、上法兰盖(35)、上顶杆(31)、上气路接管(39)；所述下夹持装置包括下夹头(17)、下顶杆(43)、下气路接管(44)、下法兰盖(41)；所述上气路接管(39)和下气路接管(44)的一端分别设有第一外螺纹和第二外螺纹；所述上夹头(32)为筒状，包括第一内螺纹段(46)和第一通孔段(45)，第一内螺纹段(46)的内径小于第一通孔段(45)的内径，上夹头(32)侧面开有第一径向通孔(47)，用于插入上气路接管(39)，上法兰盖(35)位于第一径向通孔(47)下方，上法兰盖(35)与上夹头(32)焊接成为一体，上顶杆(31)的下端面开有第一环形凹槽(51)，用于填充橡胶垫圈，通过上顶杆(31)上的橡胶垫圈挤压管状试样(15)上端面形成密封，上顶杆(31)沿中轴线开有第一中心盲孔(52)，侧面开设径向延伸的第一螺纹孔(53)，第一中心盲孔(52)与第一螺纹孔(53)连通；上气路接管(39)与第一螺纹孔(53)通过螺纹连接，用于通入压缩空气；所述下夹头(17)为筒状，包括第二内螺纹段(48)和第二通孔段(49)，第二内螺纹段(48)的内径小于第二通孔段(49)的内径，下夹头(17)的侧面开有第二径向通孔(50)，用于插入下气路接管(44)，下法兰盖(41)上开有两个第一垂直通孔(40)，第一垂直通孔(40)位于第二径向通孔(50)上方，下法兰盖(41)与下夹头(17)焊接成为一体，下顶杆(43)的上端面开有第二环形凹槽(54)，用于填充橡胶垫圈，通过下顶杆(43)的橡胶垫圈挤压管状试样(15)下端面形成密封，下顶杆(43)沿中轴线开有第二中心盲孔(55)，下顶杆(43)侧面开设径向延伸的第二螺纹孔(56)，第二螺纹孔(56)与下气路接管(44)通过螺纹连接，用于排出压缩空气；
温控组件，包括快速加热装置、快速冷却装置、温度控制与监测装置；所述快速加热装置，包括感应加热电源(22)、开口式感应线圈(10)、空心螺旋管(13)；管状试样(15)、空心螺旋管(13)和开口式感应线圈(10)自内向外嵌套设置，三者中心轴线重合；感应加热电源(22)上自带控温仪；感应加热电源(22)与开口式感应线圈(10)连接，通过开口式感应线圈(10)产生磁场，在空心螺旋管(13)和管状试样(15)上产生感应电流，从而加热空心螺旋管(13)和管状试样(15)，被加热的空心螺旋管(13)通过热传导和热辐射均匀加热环境腔组件内的熔盐(9)，使其达到目标温度；所述快速冷却装置，包括空气压缩机(19)、中央控制器(27)、电磁流量阀(18)、螺旋盘管(59)、螺旋管进气管(61)、螺旋管出气管(60)；空气压缩机(19)与电磁流量阀(18)通过管路连接，电磁流量阀(18)的信号反馈到中央控制器(27)；螺旋盘管(59)的进口连接螺旋管进气管(61)，出口连接螺旋管出气管(60)；电磁流量阀(18)连接两条管路，一条与螺旋管进气管(61)连接，另一条与下气路接管(44)连接；电磁流量阀(18)控制压缩空气流量，将压缩空气分别通入空心螺旋管(13)和管状试样(15)中，通过双路气冷的方式同时地快速冷却环境腔组件内的熔盐(9)和管状试样(15)；所述温度控制与监测组件，包括上导向管(34)、中间导向管(36)、下导向管(37)、上热电偶(4)、中间热电偶(24)、下热电偶(25)、测温仪(30)；上热电偶(4)和下热电偶(25)的温度信号反馈到测温仪(30)，中间热电偶(24)将温度信号反馈到感应加热电源(22)自带的控温仪，控温仪进一步将温度信号反馈到中央控制器(27)，实现对感应加热电源(22)输出功率的控制，从而控制熔盐(9)和管状试样(15)的加热；将上热电偶(4)、中间热电偶(24)和下热电偶(25)分别对应插入上导向管(34)、中间导向管(36)和下导向管(37)，使上热电偶(4)、中间热电偶(24)和下热电偶(25)分别对应紧密接触管状试样(15)标距段的上端、中间和下端，实现管状试样(15)温度的实时监测和控制；
环境腔组件，包括上法兰(26)、膨胀节(6)、石英腔体(23)、上筒体(7)、上隔热板(8)、下隔热板(14)、上冷却回路(63)、下冷却回路(65)、下筒体(16)、下法兰(21)；上法兰(26)、膨胀节(6)、上筒体(7)自上而下依次焊接为一体，下法兰(21)和下筒体(16)焊接为一体；石英腔体(23)包括上圆筒段(62)、下圆筒段(66)和直边椭圆筒(64)，上冷却回路(63)和下冷却回路(65)分别套在上圆筒段(62)和下圆筒段(66)外侧，且上圆筒段(62)的上端面超出上冷却回路(63)，超出的部分与上筒体(7)连接，下圆筒段(66)的下端面超出下冷却回路(65)，超出的部分与下筒体(16)连接；上隔热板(8)位于石英腔体(23)内的上圆筒段(62)与直边椭圆筒(64)的过渡处，下隔热板(14)位于石英腔体(23)内的下圆筒段(66)与直边椭圆筒(64)的过渡处；上冷却回路(63)、石英腔体(23)、下冷却回路(65)为石英一体制造；膨胀节(6)用于在管状试样(15)变形时提供变形补偿；石英腔体(23)用于承装熔盐(9)，并利用其透明的特性将腔内的物体在腔体外部成像；上冷却回路(63)和下冷却回路(65)中通入冷却水，用于冷却石英腔体(23)的上下端，从而降低上法兰盖(35)和下法兰盖(41)处的温度；
应变控组件，包括变形引伸装置(11)、视频引伸计(12)，变形引伸装置(11)安装固定在管状试样(15)的标距段，视频引伸计(12)放置于石英腔体(23)外，用于测量管状试样(15)的应变并反馈到中央控制器(27)，实现管状试样(15)机械应变的闭环控制；
气氛控制组件，包括惰气瓶(29)、惰气进气管(38)、流量阀(28)、真空泵(3)、空气出气管(33)、真空阀(2)，用于环境腔组件内的排空和充入特定气氛；惰气瓶(29)、流量阀(28)和惰气进气管(38)依次通过管路连接，空气出气管(33)、真空阀(2)和真空泵(3)依次通过管路连接。
2.根据权利要求1所述的气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验装置，其特征在于：设上顶杆(31)的第一环形凹槽(51)的外径为D1、内径为d1，下顶杆(43)第二环形凹槽(54)的外径为D2、内径为d2，管状试样(15)夹持段的外径为D3、内径为d3，上顶杆(31)的长度h1大于等于第一通孔段(45)长度h11，下顶杆(43)的长度h2大于等于第二通孔段(49)长度h22。
3.根据权利要求1所述的气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验装置，其特征在于：管状试样(15)的上夹持段与上夹头通过螺纹连接，上夹持段的上端面超出第一内螺纹段(46)两个螺距以上，管状试样(15)的下夹持段与下夹头通过螺纹连接，下夹持段的下端面超出第一内螺纹段(46)两个螺距以上。
4.根据权利要求1所述的气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验装置，其特征在于：上气路接管(39)和下气路接管(44)分别与上顶杆(31)和下顶杆(43)的螺纹连接处采用螺纹密封胶进行密封，从而形成上气路接管(39)、管状试样(15)和下气路接管(44)的气体通路。
5.根据权利要求1所述的气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验装置，其特征在于：上法兰(26)与上法兰盖(35)之间设有垫圈，通过上真空卡盘(5)进行密封；上筒体(7)与石英腔体(23)的上圆筒段(62)通过挤压密封垫片进行密封和连接，石英腔体(23)的下圆筒段(66)与下筒体(16)通过挤压密封垫片进行密封和连接，下法兰(21)与下法兰盖(41)之间设有垫圈，通过下真空卡盘(20)进行密封。
6.根据权利要求1所述的气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验装置，其特征在于：上隔热板(8)的中心设有第一中心通孔(68)，上隔热板(8)上还均匀分布三个导向斜插通孔(69)，第一中心通孔(68)与管状试样(15)的夹持段采用间隙配合，三个导向斜插通孔(69)位于直径相同的同心圆上，同心圆的圆心为上隔热板(8)的中心，三个导向斜插通孔(69)用于插入上热电偶(4)、中间热电偶(24)和下热电偶(25)，所述下隔热板(14)上设有第二中心通孔(71)，以及位于同一条直径上的两个第二垂直通孔(72)，第二中心通孔(71)与管状试样(15)的夹持段采用间隙配合，第二垂直通孔(72)的直径大于空心螺旋管(13)的外径，两个第二垂直通孔(72)分别用于穿过螺旋管进气管(61)和螺旋管出气管(60)，螺旋管进气管(61)和螺旋管出气管(60)与两个第二垂直通孔(72)之间的间隙处采用螺纹密封胶进行密封。
7.根据权利要求1所述的气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验装置，其特征在于：变形引伸装置(11)与管状试样(15)的固定处与管状试样(15)之间均不产生相对位移。
8.根据权利要求1所述的气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验装置，其特征在于：上导向管(34)、中间导向管(36)、下导向管(37)均穿过上法兰盖(35)，与上法兰盖(35)的相交处采用焊接进行固定与密封；上述三个相交点位于直径相同的同心圆上，同心圆的圆心为上法兰盖(35)的中心，且相邻相交点与圆心的连线夹角为60度；所述上导向管(34)的延长线与管状试样(15)标距段的上端相交，中间导向管(36)的延长线与管状试样(15)标距段的中心相交，下导向管(37)与管状试样(15)标距段的下端相交。
9.根据权利要求1所述的气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验装置，其特征在于：所述惰气进气管(38)和空气出气管(33)穿过上法兰盖(35)并伸入石英腔体(23)内，惰气进气管(38)和空气出气管(33)与上法兰盖(35)的之间采用焊接的方式进行固定与密封。
10.一种基于权利要求6所述的气氛可控的高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验装置的试验方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、安装试样：
将下气路接管(44)插入下夹头(17)的第二径向通孔(50)，并与下顶杆(43)的第二螺纹孔(56)通过螺纹连接，连接处采用螺纹密封胶进行密封；管状试样(15)的下夹持段通过第二中心通孔(71)穿过下隔热板，并与下夹头(17)通过螺纹连接固定，确保管状试样(15)的下端面超出下夹头(17)的第二内螺纹段(48)两个螺距，将橡胶垫圈放入下顶杆(43)的第二环形凹槽(54)中，下顶杆(43)插入下夹头(17)中，直至顶到管状试样(15)为止；
将下隔热板(14)通过第二中心通孔(71)穿过管状试样(15)，直到下隔热板(14)支撑在下夹头(17)上；
将空心螺旋管(13)的螺旋管进气管(61)和螺旋管出气管(60)朝下，垂直套住管状试样(15)，螺旋管进气管(61)和螺旋管出气管(60)分别穿过下法兰盖(41)的两个第一垂直通孔(40)，螺旋管进气管(61)和螺旋管出气管(60)与两个第一垂直通孔(40)之间的缝隙采用螺纹密封胶进行密封；
将变形引伸装置(11)通过空心螺旋管(13)的匝线间隙安装在管状试样(15)的标距段上，调整变形引伸装置(11)，使其在垂直方向有足够的位移空间；
石英腔体(23)的下圆筒段(66)外侧设有两个密封垫圈，再将下筒体(16)套住石英腔体(23)的下圆筒段(66)，通过挤压两个密封圈实现密封，再将下法兰(21)和下法兰盖(41)通过下真空卡盘(20)进行连接固定和密封；
将配制好的熔盐(9)颗粒倒入石英腔体(23)中，直至熔盐(9)的堆积高度达到石英腔体(23)的上圆筒段(62)与直边椭圆筒(64)的连接处为止；
石英腔体(23)的上圆筒段(62)设有两个密封垫圈，再将上筒体(7)套住石英腔体(23)的上圆筒段(62)，通过挤压两个密封圈实现密封；
将上气路接管(39)通过第一径向通孔(47)从侧面插入上夹头(32)，并与上顶杆(31)通过螺纹连接，连接处采用螺纹密封胶密封，上夹头(32)与管状试样(15)的上夹持段通过螺纹连接，管状试样(15)的上端面超出上夹头(32)的第一内螺纹段(46)两个螺距；将橡胶垫圈放入上顶杆(31)的第一环形凹槽(51)中，将上顶杆(31)伸入上夹头(32)中，直至顶到管状试样(15)为止；将上法兰(26)和上法兰盖(35)通过上真空卡盘(5)固定和密封；
将上夹持装置和下夹持装置安装在动疲劳试验机上，将上热电偶(4)、中间热电偶(24)和下热电偶(25)分别插入上导向管(34)、中间导向管(36)和下导向管(37)，三个热电偶与三个导向管之间的缝隙采用橡胶圈进行挤压密封；
步骤2、控制气氛：
将惰气瓶(29)与惰气进气管(38)进行管路连接，管路中设有流量阀(28)，空气出气管(33)与真空泵(3)进行管路连接，管路中设有真空阀(2)；
打开真空阀(2)，开启真空泵(3)，抽取石英腔体(23)中的空气，直到石英腔体(23)内的真空度低于50Pa为止；
关闭真空阀(2)，开启惰性气体管路的流量阀(28)，向石英腔体(23)中充入惰性气体，直到石英腔体(23)内呈微正压为止，关闭惰性气体回路的流量阀(28)；
步骤3、线路连接：
将上热电偶(4)和下热电偶(25)连接到测温仪(30)，用于温度监测；
将中间热电偶(24)连接到感应加热电源(22)自带的控温仪；
将空气压缩机(19)与电磁流量阀(18)通过管路连接，一个支路与螺旋管进气管(61)相连，另一支路与下气路接管(44)连接；
利用中央控制器(27)控制感应加热电源(22)自带的控温仪和电磁流量阀(18)，从而对管状试样(15)的升温和降温实现闭环控制；
利用视频引伸计(12)对变形引伸装置(11)进行系统标定，从而在试验过程中记录管状试样(15)的变形，并将变形数据输入到中央控制器(27)，中央控制器(27)控制动疲劳机试验加载，从而对管状试样(15)的变形实现闭环控制；
步骤4、开始试验：
分别在上冷却回路(63)和下冷却回路(65)通入冷却水；
将开口式感应线圈(10)包住石英腔体(23)的直边椭圆筒(64)；
设定温度波形、应变控制波形、试验参数，根据热机疲劳试验测试标准，即可进行可控气氛下高温熔盐腐蚀-热-机械疲劳试验。
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