核电站蒸汽发生器传热管微幅冲击磨损试验机及试验方法

摘要

一种核电站蒸汽发生器传热管微幅冲击磨损试验机及试验方法，试验机由由电磁激振驱动装置、调平升降装置、环境控制装置、数据采集控制系统和机架构成，其中：电磁激振驱动装置的主要组成为：电磁激振器悬挂在机架的中梁下，其端部通过测力传感器与夹持块状上试件的上夹具相连，非接触式位移传感器的一端固定在上夹具上、另一端固定在激振器上；调平升降装置的组成为：夹持蒸汽发生器传热管的“V”型槽下夹具固定于电热板上，电热板底部依次通过隔热板、升降台、调平台、过渡底座与底座相连。该试验机能更有效模拟核电站蒸汽发生器传热管的微幅冲击磨损，从而为核电站蒸汽发生器传热管的设计、制造与维护提供准确、可靠的试验依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种核电站蒸汽发生器传热管的微幅冲击磨损试验机及实验 方法。

背景技术

冲击磨损是一个固体表面与另一个固体表面反复动态接触、撞击所造成的 表面磨损。在各类磨损形式中,冲击磨损由于存在冲击力,因而对材料的损伤最 为严重。在现代工业中,换热器是非常重要的单元设备。它的种类很多,其中管 式换热器（传热管）是应用最广泛的一种。这类换热器即传热管存在一个严重 的缺点：管内的流体诱导振动和其连结件所传播的动力机械振动使其易振动, 形成冲击磨损进而破损。

核电站的蒸汽发生器传热管与抗震条或支撑板两个平面零件接触表面看 似不动；但实际上，在流体诱导振动作用下，抗震条或支撑板与传热管之间会 发生肉眼看不见的微小振幅的振动，形成微幅冲击磨损。由于该种传热管的壁 厚仅为1mm左右，微幅冲击磨损容易导致其破损。由于蒸汽发生器传热管是核 电厂的重要设备，它既是一回路设备，又是二回路设备，是一回路和二回路结 合点，承担一、二回路能量传递任务；既面对一回路的高温、高压工作流体条 件，又面对二回路水质恶劣工作条件。其微幅冲击磨损的环境并非常温干燥环 境，传热管在这种恶劣环境下的微幅冲击磨损更易导致其泄漏和破裂，而传热 管又数量众多（如电功率为300MW的核电站的蒸汽发生器，就有约5000根传 热管），因此，传热管因微幅冲击磨损导致破裂是核电站发生故障甚至事故的 主要原因。

对核电站蒸汽发生器传热管的微幅冲击磨损进行试验与分析，以搞清其磨 损机理及与相关工况的关系，能为核电站蒸汽发生器传热管的设计、制造与维 护提供准确、可靠的试验依据，以降低裂纹的萌生、扩展和破裂，提高传热管 的疲劳寿命，进而提高核电站运行的可靠性和安全性。但目前，尚无专门为核 电传热管微幅冲击磨损实验量身设计的实验装备和试验方法，无传热管微幅冲 击磨损基础实验数据积累、相应磨损机理模型和寿命预测模型，这必将制约对 蒸汽发生器的完整性评估及寿命预测，进而影响核电站安全、可靠运行。

发明内容

本发明的第一目的是提供一种核电站蒸汽发生器传热管微幅冲击磨损试 验机，该试验机能模拟核电站蒸汽发生器传热管与抗震条或支撑板间的微幅冲 击磨损，以对蒸汽发生器传热管的微幅冲击磨损进行分析，搞清其磨损机理及 与相关工况的关系，从而为核电站蒸汽发生器传热管的设计、制造与维护提供 准确、可靠的试验依据，以降低其裂纹的萌生、扩展和破裂，提高传热管的疲 劳寿命，进而提高核电站运行的可靠性和安全性。

本发明实现第一发明目的所采用的技术方案是：一种核电站蒸汽发生器传 热管微幅冲击磨损试验机，它由电磁激振驱动装置、调平升降装置、环境控制 装置、数据采集控制系统和机架构成，其中：

所述的机架的构成是：底座上设置有龙门架，龙门架的两立柱上套合有可 垂向移动的中梁，中梁中部的上表面通过丝杆副与龙门架的顶梁相连；

电磁激振驱动装置的组成为：电磁激振器通过螺栓悬挂在中梁下，电磁激 振器的端部通过测力传感器与夹持块状上试件的上夹具相连，且上夹具的夹持 腔的垂向中心线与电磁激振器的轴对中；非接触式位移传感器的一端固定在上 夹具上、另一端固定在激振器上；

调平升降装置的组成为：夹持蒸汽发生器传热管的“V”型槽下夹具固定 于电热板上，电热板底部依次通过隔热板、升降台、调平台与过渡底座相连； 调平台底部的T形导轨与底座的T形槽配合；

环境控制装置的组成为：电热板上固定有围住圆柱形管下试件及“V”型 槽下夹具的水腔，水腔围住的电热板上表面安装有温度传感器；温度传感器、 电热板均与外部的温控仪电连接。

电磁激振器、位移传感器和测力传感器均与数据采集控制系统电连接。

本发明的第二个发明目的是提供一种使用上述的核电站蒸汽发生器传热 管微幅冲击磨损试验机，进行蒸汽发生器传热管微幅冲击磨损的试验方法。

本发明实现其第二个发明目的所采用的一种技术方案是，一种使用上述的 核电站蒸汽发生器传热管微幅冲击磨损试验机，进行蒸汽发生器传热管微幅冲 击磨损的试验方法。其作法是：

a、将蒸汽发生器传热管夹持在“V”型槽下夹具上、块状试件夹持在上夹 具上；通过丝杆副调节中梁的垂直高度，使块状试件与传热管靠近，再调整调 平台的前后倾角使传热管的轴线与块状试件的平面保持平行，随后调节升降台 的高度使块状试件与传热管保持良好的线接触，并在测力传感器的反馈作用 下，向蒸汽发生器传热管施加设定的初始垂向接触载荷Ｐ；

同时温控仪在温度传感器的反馈作用下，使电热板达到设定温度；

b、数据采集控制系统控制电磁激振器的运动，使上夹具及其夹持的块状 试件以设定的频率和重复次数垂向往复移动，实现块状试件与“V”型槽下夹 具夹持的蒸汽发生器传热管间在设定温度环境下的微幅冲击磨损；同时，相连 的位移传感器测出块状试件的位移幅度，并送至数据采集控制系统。

本发明实现其第二个发明目的所采用的另一种技术方案是，一种使用上述 蒸汽发生器传热管微幅冲击磨损试验机，进行蒸汽发生器传热管微幅冲击磨损 的试验方法。其作法是：

a、将蒸汽发生器传热管夹持在“V”型槽下夹具上、块状试件夹持在上夹 具上；通过丝杆副调节中梁的垂直高度，使块状试件与传热管靠近，再调整调 平台的前后倾角使传热管的轴线与块状试件的平面保持平行，随后调节升降台 的高度使块状试件与传热管保持良好的线接触，并在测力传感器的反馈作用 下，向蒸汽发生器传热管施加设定的初始垂向接触载荷Ｐ；

同时，向水腔充入液体介质，使液体介质淹没传热管与块状试件的接触部 位，温控仪在温度传感器的反馈作用下，使电热板达到设定温度；

b、数据采集控制系统控制电磁激振器的运动，使上夹具及其夹持的块状 试件以设定的频率和重复次数垂向往复移动，实现块状试件与“V”型槽下夹 具夹持的蒸汽发生器传热管间在设定温度的液体介质环境下的微幅冲击磨损； 同时，相连的位移传感器测出块状试件的位移幅度，并送至数据采集控制系 统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明将块状试件与蒸汽发生器传热管分别与竖向的电磁激振器和位 于底座的调平升降装置相连，并通过电热板的加热达到的设定的温度环境，再 由电磁激振器驱动块状试件作径向（垂向）运动，从而实现了在特定温度环境 下，对核电站的蒸汽发生器传热管与抗震条或支撑板间的微幅冲击运动的模 拟。数据采集控制系统对冲击运动过程中的位移、频率和温度、垂向冲击载荷 进行记录与存储，结合磨损状态的观察与记录；即可对核电站蒸汽发生器传热 管的微幅冲击磨损进行分析，以搞清其磨损机理及与相关工况的关系，从而为 核电站蒸汽发生器传热管的设计、制造与维护提供准确、可靠的试验依据，以 降低裂纹的萌生、扩展和破裂，提高传热管的疲劳寿命。

二、电磁激振器的作动幅度可控，频率高，精度高，从而能实现块状试件 与传热管之间在精确设定条件下的冲击磨损试验；其试验结果更精确、可靠。

三、通过调平升降装置的调平和升降，能使块状试件与传热管之间保持良 好的线接触，从而能更真实的传热管与其线接触的抗震条或支撑板间的微幅冲 击磨损的模拟，也使其试验结果更准确、可靠。

此外、试验时向水腔充入液体介质，并由温控仪通过电热板使液体介质的 温度为设定温度；则可实现设定温度液体介质中的传热管与块状试件间的模拟 微幅冲击磨损试验。其环境条件与传热管及抗震条或支撑板的实际工况更为接 近，其试验结果更加可靠，能为核电站蒸汽发生器传热管的设计、制造与维护 提供更加准确、可靠的试验依据。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例的主视结构示意图。

图2是图1的A-A剖视结构放大示意图。

具体实施方式

实施例

图1、图2示出，本发明的一种具体实施方式是，一种核电站蒸汽发生器 传热管微幅冲击磨损试验机，它由电磁激振驱动装置、调平升降装置、环境控 制装置、数据采集控制系统和机架构成，其中：

所述的机架的构成是：底座10上设置有龙门架，龙门架的两立柱11上套 合有可垂向移动的中梁12，中梁12中部的上表面通过丝杆副14与龙门架的顶 梁13相连；

电磁激振驱动装置的组成为：电磁激振器21通过螺栓悬挂在中梁12下， 电磁激振器21的端部通过测力传感器22与夹持块状上试件25的上夹具23相 连，且上夹具23的夹持腔的垂向中心线与电磁激振器21的轴对中；非接触式 位移传感器24的一端固定在上夹具23上、另一端固定在激振器21上；

调平升降装置的组成为：夹持蒸汽发生器传热管38的“V”型槽下夹具35 固定于电热板36上，电热板36底部依次通过隔热板34、升降台33、调平台 32与过渡底座31相连；调平台32底部的T形导轨与底座10的T形槽配合；

环境控制装置的组成为：电热板36上固定有围住圆柱形管下试件38及“V” 型槽下夹具35的水腔39，水腔39围住的电热板36上表面安装有温度传感器 37；温度传感器37、电热板36均与外部的温控仪电连接。

电磁激振器21、位移传感器24和测力传感器22均与数据采集控制系统电 连接。

使用本例的核电站蒸汽发生器传热管微幅冲击磨损试验机，进行蒸汽发生 器传热管微幅冲击磨损的一种试验方法，其作法是：

a、将蒸汽发生器传热管38夹持在“V”型槽下夹具35上、块状试件25 夹持在上夹具23上；通过丝杆副14调节中梁12的垂直高度，使块状试件25 与传热管38靠近，再调整调平台32的前后倾角使传热管38的轴线与块状试 件25的平面保持平行，随后调节升降台33的高度使块状试件25与传热管38 保持良好的线接触，并在测力传感器22的反馈作用下，向蒸汽发生器传热管 38施加设定的初始垂向接触载荷Ｐ；

同时温控仪在温度传感器37的反馈作用下，使电热板达到设定温度；

b、数据采集控制系统控制电磁激振器21的运动，使上夹具23及其夹持 的块状试件25以设定的频率和重复次数垂向往复移动，实现块状试件25与“V” 型槽下夹具35夹持的蒸汽发生器传热管38间在设定温度环境下的微幅冲击磨 损；同时，相连的位移传感器24测出块状试件的位移幅度，并送至数据采集 控制系统。

使用本例的核电站蒸汽发生器传热管微幅冲击磨损试验机，进行蒸汽发生 器传热管微幅冲击磨损的另一种试验方法，其作法是：

a、将蒸汽发生器传热管38夹持在“V”型槽下夹具35上、块状试件25 夹持在上夹具23上；通过丝杆副14调节中梁12的垂直高度，使块状试件25 与传热管38靠近，再调整调平台32的前后倾角使传热管38的轴线与块状试 件25的平面保持平行，随后调节升降台33的高度使块状试件25与传热管38 保持良好的线接触，并在测力传感器22的反馈作用下，向蒸汽发生器传热管 38施加设定的初始垂向接触载荷Ｐ；

同时，向水腔36充入液体介质，使液体介质淹没传热管38与块状试件25 的接触部位，温控仪在温度传感器37的反馈作用下，使电热板达到设定温度；

b、数据采集控制系统控制电磁激振器21的运动，使上夹具23及其夹持 的块状试件25以设定的频率和重复次数垂向往复移动，实现块状试件25与“V” 型槽下夹具35夹持的蒸汽发生器传热管38间在设定温度的液体介质环境下的 微幅冲击磨损；同时，相连的位移传感器24测出块状试件的位移幅度，并送 至数据采集控制系统。