CN203299069U

CN203299069U - 应力腐蚀开裂试验装置

Info

Publication number: CN203299069U
Application number: CN2013203853219U
Authority: CN
Inventors: 闫萌; 赵文金; 彭倩; 戴训; 梁波; 王朋飞; 邱军
Original assignee: Nuclear Power Institute of China
Current assignee: Nuclear Power Institute of China
Priority date: 2013-07-01
Filing date: 2013-07-01
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2023-07-01

Abstract

本实用新型公开了一种应力腐蚀开裂试验装置，包括密封箱、气嘴和高温大气炉，密封箱的两端部设置有供试验机拉伸杆贯穿的孔轴密封结构，高温大气炉包围密封箱的侧面，气嘴设置于密封箱的两端部。本实用新型的优点在于，提供一种应力腐蚀开裂试验装置，可模拟高温、蒸汽工作环境，可用于任何高温、蒸汽环境工作的设备的应力腐蚀开裂试验，尤其适用于特殊的水冷核动力反应堆领域，进行锆合金碘致应力腐蚀开裂试验。

Description

应力腐蚀开裂试验装置

技术领域

本实用新型涉及应力腐蚀开裂试验装置，具体涉及蒸汽腐蚀介质导致应力腐蚀开裂的试验装置，尤其涉及一种用于检测锆合金在碘蒸汽的作用下导致应力腐蚀开裂的装置。

背景技术

现有的针对应力腐蚀开裂（SCC）的试验装置及试验方法只能针对液体或固体致应力腐蚀。对于高温下蒸汽致应力腐蚀开裂的试验，还没有相应的试验装置和试验方法。在水冷核动力反应堆领域，该问题尤其突出。

水冷核动力反应堆中，锆合金被用作核燃料元件包壳材料。反应堆运行时元件芯体燃料会释放出放射性裂变气体，其中裂变产物碘与应力的作用会导致锆合金包壳材料发生应力腐蚀开裂（SCC），该现象称为碘致应力腐蚀开裂（I-SCC），在碘致应力腐蚀开裂的情况下锆合金包壳会产生裂纹导致其塑性降低，进而引起锆包壳的脆断破损、导致放射性物质外泄，可能造成重大的安全隐患。

在反应堆燃料循环寿期内就曾发现碘致应力腐蚀开裂对锆包壳管造成损伤的实例（S. A. Nikulin. Corrosion Cracking of Zirconium Cladding Tubes (A Review). I. Methods of Study and Mechanisms of Fracture. Metal Science and Heat Treatment, Vol47, No1-2, 2005：71-79. ）。对锆合金进行碘致应力腐蚀开裂试验，能够让技术人员了解锆合金在碘蒸汽环境下的工作特性，对提高反应堆安全性有重要作用。

锆合金包壳管在300～400℃的高温下服役，因而锆合金碘致应力腐蚀开裂试验一般在高温和碘蒸气环境下进行，与其它材料的应力腐蚀开裂试验条件有很大不同，普通的SCC试验装置无法模拟锆合金的工作环境，不能满足锆合金碘致应力腐蚀开裂试验的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的即在于克服现有技术无法用于高温下蒸汽致应力腐蚀开裂的试验的不足，尤其是无法满足锆合金碘致应力腐蚀开裂试验的要求的问题，提供一种应力腐蚀开裂试验装置。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：

应力腐蚀开裂试验装置，包括密封箱、气嘴和高温大气炉，密封箱的两端部设置有供试验机拉伸杆贯穿的孔轴密封结构，高温大气炉包围密封箱的侧面，气嘴设置于密封箱的两端部。要克服现有技术的不足，首要问题即在于如何提供一种能够模拟高温和蒸汽并存的工作环境，其次即在于如何提供一种密封方案以防止蒸汽溢出。本实用新型包括密封箱，为试样和蒸汽介质提供密封空间；还包括气嘴，密封箱一端的气嘴与蒸汽介质供应装置连接，用于向密封箱内部通入蒸汽介质，密封箱另一端的气嘴用于排出蒸汽介质；高温大气炉用于加热密封箱内部，将密封箱内部的温度维持在试样的工作温度下，从而模拟试样的工作环境。本领域技术人员清楚的是，要进行应力腐蚀开裂试验，需要对试样施加一定的力，该过程通常通过拉力试验机进行，文中所述的试验机拉伸杆即是指拉力试验机的拉伸杆，为现有的装置。密封箱整体上能够提供完善的密封，但是，试验机拉伸杆贯穿的位置不可避免的会存在一定间隙，因此，本实用新型采用孔轴密封的方式进行密封，防止蒸汽溢出。

本实用新型可用于任何高温、蒸汽环境工作的设备的应力腐蚀开裂试验，尤其适用于特殊的水冷核动力反应堆领域，进行锆合金碘致应力腐蚀开裂试验。

作为本实用新型的第一种优化方案，所述孔轴密封结构包括开设于密封箱端部的通孔、在通孔端部外侧开设的台阶面、设置于台阶面上的第一密封圈以及固定在密封箱端部并将第一密封圈压紧于台阶面上的盖环，盖环的内径与通孔的内径相同。通孔用于通过试验机拉伸杆。第一密封圈与试验机拉伸杆紧密接触，实现密封，防止蒸汽溢出。盖环起固定第一密封圈的作用，防止试验机拉伸杆的运动将第一密封圈带出。本优化方案能够在试验机拉伸杆运动的情况下保证密封效果，提高了本实用新型的可靠性。

作为本实用新型的第二种优化方案，在第一种优化方案的基础上，还包括水嘴和流水通道，流水通道设置于所述密封箱的端部内并围绕所述通孔，水嘴固定在所述密封箱的端部，水嘴的一端与流水通道连通，水嘴的另一端与所述密封箱的外部连通。在高温环境下，第一密封圈容易受热失效。设置流水通道，向流水通道中通入冷却水能够带走密封箱端部的热量，从而间接冷却第一密封圈，保证密封圈在高温环境下正常工作，提高了本实用新型的可靠性。

作为本实用新型的第三种优化方案，在上述各个方案的基础上，还包括测温通道，测温通道设置于所述密封箱的一个端部并延伸至所述密封箱内部。要模拟高温工作环境，还面临如何确定密封箱内温度的问题，本优化方案通过增设测温通道，使得热电偶等测温设备能够通过测温通道进入密封箱内部，从而得到密封箱内的准确温度，提高了本实用新型的准确性。

作为本实用新型的第四种优化方案，在上述各个方案的基础上，所述密封箱包括筒体以及分别密封设置在筒体上端和下端的上盖和下盖，上盖和下盖为所述密封箱的端部。本优化方案将密封箱限定为一种分体式密封箱，通过拆下上盖或下盖，能够方便试样和试验机拉伸杆的安装。

作为本实用新型的第五种优化方案，在第四种优化方案的基础上，所述下盖焊接固定在所述筒体的下端，所述上盖通过螺栓连接固定在所述筒体的上端。本优化方案中，下盖焊接固定，无需设置额外的密封结构也能得到较好的密封效果，上盖可拆卸，保证试样和试验机拉伸杆安装的便利性。

作为本实用新型的第六种优化方案，在第五种优化方案的基础上，还包括第二密封圈和凸缘，凸缘设置于所述筒体的上端，凸缘的上表面开设密封槽，第二密封圈设置于密封槽中，所述上盖将第二密封圈压紧在密封槽中，凸缘的底部与所述高温大气炉的顶端接触，高温大气炉与凸缘搭接连接。本优化方案中的凸缘能够使密封箱直接悬挂在高温大气炉上，省去了专门的固定装置，固定方便，第二密封圈的设置也有助于填补上盖与凸缘之间的间隙，得到更好的密封效果。另外，上文中所述的流水通道也能够起到冷却第二密封圈的效果。

综上所述，本实用新型的优点和有益效果在于：

1．提供一种应力腐蚀开裂试验装置，可模拟高温、蒸汽工作环境，可用于任何高温、蒸汽环境工作的设备的应力腐蚀开裂试验，尤其适用于特殊的水冷核动力反应堆领域，进行锆合金碘致应力腐蚀开裂试验；

2．设置孔轴密封结构，在试验机拉伸杆运动的情况下保证密封效果，提高了本实用新型的可靠性；

3．设置水嘴和流水通道，冷却第一密封圈和第二密封圈，防止第一密封圈和第二密封圈在高温下失效；

4．设置凸缘，能够使本实用新型直接悬挂在高温大气炉上，固定方便，第二密封圈的设置也有助于填补上盖与凸缘之间的间隙，得到更好的密封效果；

5．下盖焊接固定，无需设置额外的密封结构也能得到较好的密封效果，上盖可拆卸，保证试样和试验机拉伸杆安装的便利性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施例，下面将对描述本实用新型实施例中所需要用到的附图作简单的说明。显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域的技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据下面的附图，得到其它附图。

图1为应力腐蚀开裂试验装置的立体结构示意图；

图2为应力腐蚀开裂试验装置的俯视图；

图3为图2的A向剖视图；

图4为图2的B向剖视图；

图5为应力腐蚀开裂试验装置的使用状态图；

其中，附图标记对应的零部件名称如下：

1-密封箱，2-上盖，3-下盖，4-水嘴，5-气嘴，6-流水通道，7-测温通道，8-凸缘，9-密封槽，10-第二密封圈，11-通孔，12-台阶面，13-盖环，14-筒体，15-第一密封圈，16-试验机下拉伸杆，17-试验机上拉伸杆，18-高温大气炉。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型，下面将结合本实用新型实施例中的附图对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显而易见的，下面所述的实施例仅仅是本实用新型实施例中的一部分，而不是全部。基于本实用新型记载的实施例，本领域技术人员在不付出创造性劳动的情况下得到的其它所有实施例，均在本实用新型保护的范围内。

在图1和图2中，为了更加清楚的表达应力腐蚀开裂试验装置的结构，取消了高温大气炉18，在图5中展现了应力腐蚀开裂试验装置的完整工作状态。

实施例1：

如图1和图5所示，应力腐蚀开裂试验装置，包括密封箱1、气嘴5和高温大气炉18，密封箱1的两端部设置有供试验机拉伸杆贯穿的孔轴密封结构，高温大气炉18包围密封箱1的侧面，气嘴5设置于密封箱1的两端部。

在使用时，试验机下拉伸杆16和试验机上拉伸杆17分别穿过密封箱1两端部的孔轴密封结构，进入密封箱1内部，试样安装在试验机下拉伸杆16和试验机上拉伸杆17之间，试验机下拉伸杆16和试验机上拉伸杆17能够拉伸或挤压该试样。通过气嘴5向密封箱1内部通入蒸汽介质，高温大气炉18加热密封箱1，使密封箱1内部的温度达到试样工作温度，从而模拟高温、蒸汽的工作条件。其中，密封箱1一端的气嘴5用于向密封箱1内部通入蒸汽介质，密封箱1另一端的气嘴5用于排出密封箱1内部的蒸汽介质。

密封箱1可以采用整体式结构，也可以采用分体式结构。

孔轴密封结构用于防止蒸汽泄漏。

上述的试验机为在应力腐蚀开裂试验中广泛应用的拉力试验机，此处不作详细描述。

高温大气炉18可以优先选用对开式高温大气炉，其安装更加方便。

实施例2：

如图3和图4所示，本实施例为了提供更好的密封效果，在实施例1的基础上，提供了一种特殊的孔轴密封结构。所述孔轴密封结构包括开设于密封箱1端部的通孔11、在通孔11端部外侧开设的台阶面12、设置于台阶面12上的第一密封圈15以及固定在密封箱1端部并将第一密封圈15压紧于台阶面12上的盖环13，盖环13的内径与通孔11的内径相同。

在试验机下拉伸杆16或试验机上拉伸杆17贯穿孔轴密封结构时，第一密封圈15与试验机下拉伸杆16或试验机上拉伸杆17的外表面紧密接触，起到密封的作用。另外，由于试验机下拉伸杆16或试验机上拉伸杆17会沿轴向运动，因此，设置盖环13，防止第一密封圈15被试验机下拉伸杆16或试验机上拉伸杆17带出。

第一密封圈15的材料优选为聚四氟乙烯。

实施例3：

如图3和图4所示，本实施例为了防止在高温情况下密封失效的情况发生，在实施例2的基础上，增设水嘴4和流水通道6，流水通道6设置于所述密封箱1的端部内并围绕所述通孔11，两个水嘴4固定在所述密封箱1的端部，水嘴4的一端与流水通道6连通，水嘴4的另一端与所述密封箱1的外部连通。

冷却水从一个水嘴4进入流水通道6，然后从另一个水嘴4流出，实现循环，不断带走第一密封圈15的热量，防止在高温下第一密封圈15失效。

在布置时，流水通道6可以尽量靠近第一密封圈15，以取得更好的冷却效果。

实施例4：

如图3和图4所示，本实施例为了提高试验的准确性，在上述任意一项实施例的基础上，增设测温通道7，测温通道7设置于所述密封箱1的一个端部并延伸至所述密封箱1内部。通过测温通道7能够向密封箱1内部送入热电偶等测温仪器，从而得到密封箱1内部的准确温度，提高试验的准确性。

实施例5：

如图2、图3和图4所示，本实施例为了方便安装，在上述任意一项实施例的基础上，将密封箱1采用分体式结构进行设置，所述密封箱1包括筒体14以及分别密封设置在筒体14上端和下端的上盖2和下盖3，上盖2和下盖3为所述密封箱1的端部。通过拆卸上盖2或下盖3，能够方便试样和试验机拉伸杆的安装。

实施例6：

如图3和图4所示，本实施例在实施例5的基础上，将所述下盖3焊接固定在所述筒体14的下端，所述上盖2通过螺栓连接固定在所述筒体14的上端。下盖3焊接固定，无需设置额外的密封结构也能得到较好的密封效果，上盖2可拆卸，保证试样和试验机拉伸杆安装的便利性。

实施例7：

如图3和图4所示，本实施例在实施例6的基础上，还包括第二密封圈10和凸缘8，凸缘8设置于所述筒体14的上端，凸缘8的上表面开设密封槽9，第二密封圈10设置于密封槽9中，所述上盖2将第二密封圈10压紧在密封槽9中，凸缘8的底部与所述高温大气炉18的顶端接触。凸缘8能够使密封箱1直接悬挂在高温大气炉18上，固定方便，第二密封圈10的设置也有助于填补上盖2与凸缘8之间的间隙，得到更好的密封效果。另外，上文中所述的流水通道6也能够起到冷却第二密封圈10的效果。

第二密封圈10的材料优选为聚四氟乙烯。

实施例8：

应力腐蚀开裂试验方法，包括如下步骤：

A．将试验机拉伸杆通过所述孔轴密封结构伸入密封箱1中，并将试样安装在试验机拉伸杆上；

B．通过气嘴5向密封箱1中通入腐蚀性蒸汽；

C．启用高温大气炉18将密封箱1内加热至预定温度并保持；

D．启动试验机拉伸试样，然后分析试样开裂状况。

本实施例旨在提供一种模拟高温、蒸汽环境的应力腐蚀开裂试验方法。试验机拉伸时间、拉伸力度以及后续的分析方法，本领域技术人员按照现有技术即可完成，此处不再赘述。

实施例9：

本实施例在实施例8的基础上，限定试样为锆合金，所述腐蚀性蒸汽为碘蒸汽，所述温度为300℃~400℃。本实施例完全模拟锆合金包壳材料在反应堆中的工作环境，帮助技术人员了解锆合金在碘蒸汽环境下的工作特性，提高反应堆安全性。

本实用新型尤其适用于水冷核动力反应堆领域，进行锆合金碘致应力腐蚀开裂试验。

实施例10：

本实施例在实施例8或实施例9的基础上，所述步骤A和步骤B之间还包括将热电偶通过所述测温通道7伸入所述密封箱1内并用密封胶填充测温通道7和热电偶之间间隙的步骤；在所述步骤C中，通过所述水嘴4向所述流水通道6中通入冷却水。

本领域技术人员能够意识到的是，可进一步有选择的应用上文多个示例性实施例描述的许多变化和构造来形成本实用新型的其它可能的实施例。考虑到本领域技术人员的能力，本文未详细提供或描述所有可能重复的内容，但以其它方式所包含的所有组合和可能实施例为本申请的一部分。

Claims

1.应力腐蚀开裂试验装置，其特征在于：包括密封箱（1）、气嘴（5）和高温大气炉（18），密封箱（1）的两端部设置有供试验机拉伸杆贯穿的孔轴密封结构，高温大气炉（18）包围密封箱（1）的侧面，气嘴（5）设置于密封箱（1）的两端部。

2.根据权利要求1所述的应力腐蚀开裂试验装置，其特征在于：所述孔轴密封结构包括开设于密封箱（1）端部的通孔（11）、在通孔（11）端部外侧开设的台阶面（12）、设置于台阶面（12）上的第一密封圈（15）以及固定在密封箱（1）端部并将第一密封圈（15）压紧于台阶面（12）上的盖环（13），盖环（13）的内径与通孔（11）的内径相同。

3.根据权利要求2所述的应力腐蚀开裂试验装置，其特征在于：还包括水嘴（4）和流水通道（6），流水通道（6）设置于所述密封箱（1）的端部内并围绕所述通孔（11），水嘴（4）固定在所述密封箱（1）的端部，水嘴（4）的一端与流水通道（6）连通，水嘴（4）的另一端与所述密封箱（1）的外部连通。

4.根据权利要求1所述的应力腐蚀开裂试验装置，其特征在于：还包括测温通道（7），测温通道（7）设置于所述密封箱（1）的一个端部并延伸至所述密封箱（1）内部。

5.根据权利要求1~4中任意一项所述的应力腐蚀开裂试验装置，其特征在于：所述密封箱（1）包括筒体（14）以及分别密封设置在筒体（14）上端和下端的上盖（2）和下盖（3），上盖（2）和下盖（3）为所述密封箱（1）的端部。

6.根据权利要求5所述的应力腐蚀开裂试验装置，其特征在于：所述下盖（3）焊接固定在所述筒体（14）的下端，所述上盖（2）通过螺栓连接固定在所述筒体（14）的上端。

7.根据权利要求6所述的应力腐蚀开裂试验装置，其特征在于：还包括第二密封圈（10）和凸缘（8），凸缘（8）设置于所述筒体（14）的上端，凸缘（8）的上表面开设密封槽（9），第二密封圈（10）设置于密封槽（9）中，所述上盖（2）将第二密封圈（10）压紧在密封槽（9）中，凸缘（8）的底部与所述高温大气炉（18）的顶端接触，高温大气炉（18）与凸缘（8）搭接连接。