CN205580889U - 一种环境腐蚀的高温持久试验装置 - Google Patents

Abstract

一种环境腐蚀的高温持久试验装置，包括设置在高温持久试验机内部的石英密封系统，以及与石英密封系统相连通并能够提供腐蚀性气体或水蒸气的配气系统；所述石英密封系统包括用于放置金属试样的石英管，石英管上端设置有用于密封石英管上端的上端法兰，下端设置有用于密封石英管下端的下端法兰，上端法兰上设置有与石英管相连通的出气孔，下端法兰上设置有与石英管相连通的腐蚀性气体进气孔和水蒸气进气孔。本实用新型特别适用于测试金属材料在苛刻服役环境中的高温持久性能，克服了现有技术中仅能在高温干空气下进行测试的问题，本装置能够针对特殊环境气氛进行高温持久试验，真实地反映其在一些特殊气氛如烟气、水蒸气中的持久性能。

Description

一种环境腐蚀的高温持久试验装置

技术领域

本实用新型涉及金属材料高温持久试验领域，特别涉及一种环境腐蚀的高温持久试验装置。

背景技术

高温持久试验的一个重要目的是测定材料在某一温度下受恒定载荷作用时，在规定的持续时间内不引起断裂的最大应力值，即高温持久强度。此外，还可获得材料的断后伸长率、断面收缩率及缺口敏感系数等力学性能参数。通过高温持久试验，可研究材料在外加载荷(外力)作用下或载荷和环境因素(温度、介质和加载速率等)联合作用下表现的断裂规律、机理及其影响因素，为高温构件如锅炉、管道等的设计选材提供重要依据。

目前，对金属材料的高温持久性能的评定和测试已有标准可参考，如我国标准GBT2039-1997，美国标准ASTM E139、欧洲标准EN 10291、日本标准JIS Z2271和国际标准ISO 204等。这些标准中一般没有规定试验气氛的要求，只有ASTM E139说明当试样易受环境损伤时可在真空或惰性气体保护环境下试验。因此，通常开展的高温持久试验在静态空气气氛中进行。

在生产实践中，会遇到一些高温高压腐蚀性的工况环境，如燃煤锅炉中的过热器/再热器等高温金属构件的服役环境极为苛刻：在承受高温高压的同时，管外壁和内壁分别收到烟气和水蒸气的腐蚀和氧化。而实践表明，环境介质(如温度、介质等)对材料的力学性能往往有着重要的影响。在外加载荷和腐蚀性介质的联合作用下，材料表现出截然不同、且往往是更为低劣的力学性能。因此，金属材料在同一温度、空气中的持久性能并不能真实地反映其在一些特殊气氛如烟气、水蒸气中的持久性能。在这种情况下，需对金属材料进行特殊环境条件下高温持久性能的测试。然而，目前国内外的高温持久试验机普遍只针对高温干空气环境，并不具备针对特殊环境气氛进行高温持久试验的功能。为实现金属材料在特殊环境气氛中的高温持久性能的测试，迫切需要一套能够在高温、腐蚀性环境中进行高温持久性能测试的试验装置。

实用新型内容

为克服现有技术中的问题，本实用新型的目的在于提供一种环境腐蚀的高温持久试验装置，该装置能够实现在特殊环境气氛下金属材料的高温持久性能的测试。

为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

一种环境腐蚀的高温持久试验装置，包括设置在高温持久试验机内部的石英密封系统，以及与石英密封系统相连通且能够提供腐蚀性气体或水蒸气的配气系统；

所述石英密封系统包括用于放置金属试样且两端开口的石英管，石英管上端设置有出气孔，石英管下端设置有腐蚀性气体进气孔和水蒸气进气孔。

所述配气系统包括气体混配装置和水蒸气发生装置。

所述气体混配装置包括多路与混气罐相连通的气路，每一路包括气瓶，气瓶的出口经减压阀、闸阀、质量流量控制器、止回阀与混气罐入口相连通，混气罐的出口与腐蚀性气体进气孔相连通。

所述水蒸气发生装置包括相连通的超纯水机、储水箱、蠕动泵、加热器，加热器的出口与水蒸气进气孔相连通；超纯水机的输入端与水管连接。

所述石英管上端设置有用于密封石英管上端的上端法兰，下端设置有用于密封石英管下端的下端法兰，出气孔开设在上端法兰上，腐蚀性气体进气孔和水蒸气进气孔开设在下端法兰上。

所述上端法兰和下端法兰均为带颈平焊法兰；所述石英管上端设置有上端金属拉杆，上端金属拉杆穿过上端法兰并与上端法兰密封连接，石英管下端设置有下端金属拉杆，下端金属拉杆穿过下端法兰并与下端法兰密封连接。

所述金属试样由上端夹具和下端夹具固定，上端夹具与上端金属拉杆通过螺纹紧固连接，下端夹具与下端金属拉杆通过螺纹紧固连接。

上端法兰和下端法兰的侧面均开设有进水孔和出水孔，每个法兰内部设置有冷却通道，冷却水由进水孔流入冷却通道，并由出水孔流出。

下端法兰上还设置有与石英管相连通的冷凝水出水孔，冷凝水出水孔连接有冷凝水箱；所述出气口连接有残余气体净化装置。

与现有技术相比，本实用新型具有的有益效果：

本实用新型通过将金属试样固定于密封的石英管内，从配气系统能够获得所需的腐蚀性气体或水蒸气，将腐蚀性气体/水蒸气通过连接管路通入石英管内，实现金属试样在腐蚀性气氛/水蒸气中的高温持久性能测试，本实用新型特别适用于测试金属材料在苛刻服役环境中的高温持久性能，克服了现有技术中仅能在高温干空气下进行测试的问题，本装置能够针对特殊环境气氛进行高温持久试验，真实地反映金属材料在一些特殊气氛如烟气、水蒸气中的持久性能。

本实用新型由于仅在传统高温持久试验机基础上设置石英密封系统和能够提供腐蚀性气体或水蒸气的配气系统，即可实现金属材料在腐蚀/氧化性气氛中的高温持久性能测试，所以本装置结构简单，易于操作。

进一步的，与金属试样反应后的腐蚀性气体/水蒸气通过连接管路进入残余气体净化装置/冷凝水箱，以防止污染环境和水资源循环利用。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为金属试样与夹具的连接示意图；

图3为图1中沿A-A线的剖视图；

图4为气体混配装置的结构示意图；

图5为蒸汽发生装置的结构示意图。

其中，1为主机，2为对开式高温加热炉，3为石英管，4为上端夹具，5为下端夹具，6为上端法兰，7为下端法兰，8为进水孔，9为出水孔，10为金属试样，11为腐蚀性气体进气孔，12为水蒸汽进气孔，13为出气孔，14为冷凝水出水孔，15为减压器，16为闸阀，17为质量流量控制器，18为止回阀，19为混气罐，20为超纯水机，21为储水箱，22为蠕动泵，23为加热器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以详细说明本实用新型的技术方案。

参见图1-图5，本实用新型中的高温持久试验机主机是现有装置。本实用新型环境腐蚀的高温持久试验装置是用来实现金属材料在腐蚀性气氛或氧化性气氛中的高温持久性能测试的；包括设置在高温持久试验机主机1上的石英密封系统、配气系统和残余气体净化装置。

参见图1、图2和图3，高温持久试验机主机为金属材料的高温持久性能测试提供力和热源，包括机架、动力系统、传动系统、电气系统、压力传感器、控制器、加热系统和高温夹具；动力系统、传动系统、电气系统和压力传感器均内嵌在机架上；控制器外置于机架。

所述的动力系统为电机驱动动力系统。

所述的传动系统由同步带、蜗杆蜗轮减速机和滚珠丝杆副组成。同步带传动将电机的运动毫无保留地传动下去，并避免失速；蜗杆蜗轮减速机具有自锁特性，在试验过程中突遇短时停电时保持试验力；滚珠丝杆副利用滚珠运动，启动力矩极小，可保证精确的微进给，同时运动效率高、发热小，可实现高速进给运动。

所述电气系统是基于DSP的试验机数字闭环控制系统，实现微机控制、全数字闭环及图形显示等功能。

所述的加热系统由温度控制仪和对开式高温加热炉构成。温度控制仪采用电动PID控制调节对开式高温加热炉的温度。对开式高温加热炉包括不锈钢外壳及设在不锈钢外壳内的炉膛，炉膛内设有加热元件及热电偶，炉膛与不锈钢外壳之间设有保温层，不锈钢外壳与持久试验机的机架之间滑动连接，可根据试样的位置对开式高温加热炉的位置进行调整。

所述的高温夹具由耐蚀、高强度的镍基合金制备而成，包括上端夹具4和下端夹具5，用于夹持金属试样。上端夹具4的上端与上端金属拉杆的下端、下端夹具5的下端与下端金属拉杆的上端均通过螺纹紧固连接，上端金属拉杆的上端、下端金属拉杆的下端分别与高温持久试验机主机机架通过螺纹紧固连接。

石英密封系统包括两端开口的石英管3，以及用于密封石英管3两端的上端法兰6和下端法兰7。

上端法兰6和下端法兰7均为带颈平焊法兰，其侧面均开设有进水孔8和出水孔9，每个法兰内部设置有冷却通道，冷却水由进水孔8流入冷却通道，并由出水孔9流出，最终汇入冷凝水箱，以防止法兰温度过高失效；上端法兰6的顶端面开设有与石英管3相连通的出气孔13，出气口13连接有残余气体净化装置；下端法兰7的底端面上开设有与石英管3相连通的腐蚀性气体进气孔11、水蒸气进气孔12和冷凝水出水孔14。

配气系统包括气体混配装置和水蒸气发生装置。气体混配装置和水蒸气发生装置可以单独工作。

参见图4，气体混配装置包括多路与混气罐19相连通的气路，每一路包括气瓶，气瓶的出口经减压阀15、闸阀16、质量流量控制器17和止回阀18，止回阀18与不锈钢混气罐19入口相连通，混气罐19的出口与腐蚀性气体进气孔11相连通。各部件之间由不锈钢管路连接。气瓶内装的气体为氮气、二氧化硫或一氧化氮。根据具体的试验条件，可以选用多个气瓶，并且每个气瓶中装不同的气体。气瓶中的气体经不锈钢减压阀15减压后经闸阀16流至质量流量控制器17，在质量流量控制器17的调节下变成流量一定的气体，再经止回阀18进入至不锈钢混气罐19，与经相似途径进入至不锈钢混气罐19中的其它气体按照设定的比例混合。不锈钢混气罐19的容积可根据需要进行配置。此外，不锈钢混气罐19的温度可调，以保证各种气体在不发生反应的前提下进行充分混合。

配气系统能够实现各种比例气体的混配，混配好的气体经连接管路由石英管3下方的腐蚀性气体进气孔11流入到石英管3内并与金属试样10发生反应，反应后的气体经石英管3上方的出气孔13流出，最终进入至残余气体净化装置进行中和、净化，以免污染环境。残余气体净化装置由多个广口瓶组成，根据需要不同的广口瓶中盛放不同种类的碱溶液。

参见图5，水蒸气发生装置包括设置在管路上且相连通的超纯水机20、储水箱21、蠕动泵22、加热器23，加热器23的出口与水蒸气进气孔12相连通；超纯水机20的输入端与自来水管连接。超纯水机20用于制备氧溶解量或离子含量超低的水。加热器23由预热炉和温控仪组成，可将超纯水加热至一定温度使之成为水蒸气。其中，预热炉为圆柱形，其外壳为不锈钢，炉膛内设有螺旋状的不锈钢管、加热元件及热电偶，炉膛与不锈钢外壳之间设有保温层。由超纯水机20制备的纯水经蠕动泵22泵入至预热炉中的螺旋状不锈钢管内，加热成水蒸气后通过石英管3下方水蒸汽进气孔12进入到石英管3内并与金属试样10发生反应，反应后的气体经上端法兰6上的出气孔13流出并最终流入冷凝水箱。为防止水蒸气在石英管3的两端冷凝积水，于下端法兰7的底面还设冷凝水出水孔14，冷凝水可通过该冷凝水出水孔14流至冷凝水箱。

采用上述环境腐蚀的高温持久试验装置，实现金属材料在腐蚀性或氧化性气氛中高温持久性能测试的方法，包括以下步骤：

1)准备试样并测量其尺寸，选择合适的高温夹具(包括上端夹具4和下端夹具5)；

2)接通电源，启动高温持久试验机的主机1；

3)将金属试样10夹持固定于上端夹具4和下端夹具5之间，再将上端夹具4和下端夹具5的另一端分别与上端金属拉杆、下端金属拉杆通过螺纹紧固连接，随后将安装好的金属试样10、高温夹具和金属拉杆整体装入石英管3内；

4)安装上端法兰6和下端法兰7，并垫上密封垫圈，使石英管3的上端与上端金属拉杆、石英管3的下端与下端金属拉杆分别由上端法兰6和下端法兰7紧固密封连接；

5)检查气密性；

6)保证上端法兰6和下端法兰7的方向无误，将装有金属试样10的密封石英管3安装在持久试验机的主机1上，并再次检查气密性；

7)启动控制器中的“加载”功能，在加载状态下调节持久试验机顶部杠杆调平装置，保证平衡指针指向“0”刻度；

8)通过控制器中的“力清零”功能将上述加载的力清零；

9)再次启动控制器中的“加载”功能，使持久试验机处于卸载状态，并向上砝码托盘中放入1000N的预载荷砝码；通过控制器中的“上移、下移”功能，夹紧金属试样；启动控制器中的“自动”功能，使电机自动调平，从而消除各连接件之间的间隙；

10)调整对开式高温加热炉2的位置，使金属试样10位于加热炉2的中部，并用石棉密封上、下炉口以保证炉温均衡；

11)将三支热电偶依次插入对开式高温加热炉2的上、中、下三个孔，使热电偶完全深入至炉膛内部，随后固定好热电偶；

12)利用万用表测量对开式高温加热炉2的上、中、下三段炉丝是否导通，两两之间是否短路，炉丝与炉壳之间是否短路，如无问题继续以下操作；

14)连接循环冷却水至上端法兰6和下端法兰上7，检查水路并确保进水孔8、出水孔9处的管路不发生泄漏；

15)分别安装进气管路至腐蚀性气体进气孔11、水蒸汽进气孔12，出气管路安装至出气孔13，并检查密封性，根据试验需要调整各气体流量；

16)根据试验需求，将其余砝码放在下砝码托盘中；鉴于石英管3外密封垫圈和上端金属拉杆、下端金属拉杆之间存在摩擦力，在试验中将多加100N的砝码以抵消摩擦力带来的误差；

17)打开温度控制柜，设置试验温度参数；鉴于石英管3的存在，热电偶只测得石英管3外壁的温度，设置温度时高于试验温度5℃以实现温度补偿；

18)开启计算机及UPS电源，启动试验软件，进行如试样信息、标准与方法、试验温度、保温范围、保温时间、总荷重、初始荷重及停机设置等参数设置；

19)打开循环冷却水、通入混合气体，确保残余气体净化装置中尾气的收集有效；

20)点击试验软件界面上的“保存”和“开始”键，同时开启控制器上的加热开关，开始试验；

21)试验结束，关闭加热开关，待冷却至室温后关闭气体和循环冷却水，取下石英管3，取出金属试样10，关闭试验机电源或进行下一组试验，试验记录及数据处理软件可实现试样登记、试验方案和参数设定及输入、数据采集并绘制曲线、自动记录并保存数据、数据处理和试验报告输出，从而完成测试。

Claims (9)

1.一种环境腐蚀的高温持久试验装置，其特征在于：包括设置在高温持久试验机内部的石英密封系统，以及与石英密封系统相连通且能够提供腐蚀性气体或水蒸气的配气系统；

所述石英密封系统包括用于放置金属试样(10)且两端开口的石英管(3)，石英管(3)上端设置有出气孔(13)，石英管(3)下端设置有腐蚀性气体进气孔(11)和水蒸气进气孔(12)。

2.根据权利要求1所述的一种环境腐蚀的高温持久试验装置，其特征在于：所述配气系统包括气体混配装置和水蒸气发生装置。

3.根据权利要求2所述的一种环境腐蚀的高温持久试验装置，其特征在于：所述气体混配装置包括多路与混气罐(19)相连通的气路，每一路包括气瓶，气瓶的出口经减压阀(15)、闸阀(16)、质量流量控制器(17)、止回阀(18)与混气罐(19)入口相连通，混气罐(19)的出口与腐蚀性气体进气孔(11)相连通。

4.根据权利要求2所述的一种环境腐蚀的高温持久试验装置，其特征在于：所述水蒸气发生装置包括相连通的超纯水机(20)、储水箱(21)、蠕动泵(22)、加热器(23)，加热器(23)的出口与水蒸气进气孔(12)相连通；超纯水机(20)的输入端与水管连接。

5.根据权利要求1所述的一种环境腐蚀的高温持久试验装置，其特征在于：所述石英管(3)上端设置有用于密封石英管(3)上端的上端法兰(6)，下端设置有用于密封石英管(3)下端的下端法兰(7)，出气孔(13)开设在上端法兰(6)上，腐蚀性气体进气孔(11)和水蒸气进气孔(12)开设在下端法兰(7)上。

6.根据权利要求5所述的一种环境腐蚀的高温持久试验装置，其特征在于：所述上端法兰(6)和下端法兰(7)均为带颈平焊法兰；所述石英管(3)上端设置有上端金属拉杆，上端金属拉杆穿过上端法兰(6)并与上端法兰(6)密封连接，石英管(3)下端设置有下端金属拉杆，下端金属拉杆穿过下端法兰(7)并与下端法兰(7)密封连接。

7.根据权利要求6所述的一种环境腐蚀的高温持久试验装置，其特征在于：所述金属试样(10)由上端夹具(4)和下端夹具(5)固定，上端夹具(4)与上端金属拉杆通过螺纹紧固连接，下端夹具(5)与下端金属拉杆通过螺纹紧固连接。

8.根据权利要求5所述的一种环境腐蚀的高温持久试验装置，其特征在于：上端法兰(6)和下端法兰(7)的侧面均开设有进水孔(8)和出水孔(9)，每个法兰内部设置有冷却通道，冷却水由进水孔(8)流入冷却通道，并由出水孔(9)流出。

9.根据权利要求5所述的一种环境腐蚀的高温持久试验装置，其特征在于：下端法兰(7)上还设置有与石英管(3)相连通的冷凝水出水孔(14)，冷凝水出水孔(14)连接有冷凝水箱；所述出气孔(13)连接有残余气体净化装置。