同时实现高温蒸汽氧化和应力腐蚀开裂试验的装置及方法

摘要

本发明涉及一种同时实现高温蒸汽氧化和应力腐蚀开裂试验的装置，加热炉(2)控制温度，拉伸机为试样(4)加载载荷，同时，一路高温蒸汽通入加热炉(2)内，提供高温蒸汽氧化腐蚀环境，另一路高温蒸汽通过蒸汽喷管(7)对试样(4)进行喷射，使试样(4)完全处于高温蒸汽氛围，恒流源(25)为试样(4)通入直流电流，纳伏表(26)采集切口处的裂纹扩展产生的电压降信号，传输至计算机(27)进行处理。本发明可用于同时实现高温蒸汽氧化和应力腐蚀开裂试验，研究高温蒸汽氧化腐蚀和应力共同作用下，对材料裂纹扩展性能的影响，从而准确揭示材料在服役阶段的性能演化规律。

说明书

技术领域

本发明属于金属材料开裂试验技术领域，特别涉及一种同时实现高温蒸汽氧化和应力腐蚀开裂试验的装置及方法。

背景技术

提高火电机组发电效率的主要途径是提升主蒸汽参数，金属材料的高温性能是限制高参数、大容量机组发展的首要问题。火电站关键结构材料在超临界水环境下长期服役的可靠性和稳定性是影响机组的安全性和经济性的重要因素。金属材料长期服役在流动的超临界水中，并承受复杂的工作应力。高温水蒸汽会导致金属材料发生氧化腐蚀，而应力作用能使氧化腐蚀速率升高，同时氧化腐蚀也会加快裂纹的萌生与扩展，这种力学作用和环境耦合会导致新的腐蚀破坏现象。高温高压火电站中受到的应力作用的部件较多，如主蒸汽管道、锅炉联箱、汽水管通、高温紧固件、汽轮机汽缸等，由于金属材料受到应力作用，并在腐蚀环境中引起裂纹孕育、扩展而后发生滞后开裂，均会使部件失效损坏，甚至发生严重事故。所以，对于长期运行的高温部件，要清楚地研究金属材料在高温环境下的力学性能。目前该领域现有的研究方法只能考虑单一因素的影响，高温蒸汽氧化腐蚀性能或高温力学性能，导致现有方法无法真实反映材料的高温性能演化过程，从而无法正确评估其剩余寿命。查阅资料发现，目前已有的应力腐蚀实验系统，结构复杂、价格昂贵并且功能有限，而本方法能同时实现高温蒸汽氧化腐蚀性能、高温应力性能以及裂纹扩展的在线监测，并且简易、实用。

发明内容

针对现有技术不足，本发明提供了一种同时实现高温蒸汽氧化和应力腐蚀开裂试验的装置及方法。

一种同时实现高温蒸汽氧化和应力腐蚀开裂试验的装置，该装置包括高温力学加载系统、高温蒸汽水化学系统以及裂纹扩展在线监测系统，其中，高温力学加载系统包括拉伸机和加热炉2，高温蒸汽水化学系统包括水箱22、水泵21、蒸汽发生器20、流量控制器19，以及空冷装置23和水冷装置24，裂纹扩展在线监测系统包括恒流源25、纳伏表26和计算机27；

所述加热炉2为中空的管式炉，固定在拉伸机的左右立柱11上；拉伸机顶部下方连接上球形连接座8’，上拉杆1的上端与上球形连接座8’连接，下端穿过上炉堵3伸入加热炉2内；下拉杆6的上端穿过下炉堵16伸入加热炉2内，下端与下球形连接座8连接，下球形连接座8与手轮9相连，手轮9连接至拉伸机的液压系统；上拉杆1的下端和下拉杆6的上端设有夹持件，用于试样4的固定和加载载荷；加热炉2的上炉堵3上设有高温蒸汽出口12；下炉堵16上设有高温蒸汽入口17和蒸汽喷管7与高温蒸汽的管路连通，并使蒸汽喷管7的喷嘴对准试样4的安装位置；

所述水箱22下部出口与水泵21相连，水泵21连接至蒸汽发生器20，蒸汽发生器20经流量控制器19连通至高温蒸汽入口17和蒸汽喷管7的入口；高温蒸汽出口12依次连接空冷装置23和水冷装置24；

4根铂金导线5经由下炉堵16引出加热炉2外，其中两根铂金导线5与恒流源25连接，另外两根与纳伏表26连接，恒流源25和纳伏表26分别连接至计算机27。

进一步地，拉伸机顶部装有平衡铊10，平衡铊10与调平机连接，由控制台18控制调平机进行调平；上球形连接座8’通过平衡铊10连接至拉伸机顶部。

进一步地，上拉杆1下端和下拉杆6上端的夹持件为U型夹头13和加力销14。

上述装置同时实现高温蒸汽氧化和应力腐蚀开裂试验的方法：

试样4一侧开有一水平切口，切口上下两侧分别设有一个加力销14的插孔，上拉杆1下端的U型夹头13夹持住试样4的上端，下拉杆6上端的U型夹头13夹持住试样4的下端，上下加力销14分别依次穿过相应侧的U型夹头13的前夹片、试样4上的插孔和U型夹头13的后夹片，完成试样4的安装；

与恒流源25连接的两根铂金导线5分别点焊在试样4的上下两端，形成一电流回路，与纳伏表26连接的两根铂金导线5分别点焊在试样4的切口两侧，形成另一电流回路；

通过加热炉控制器设置试验参数，加热炉2开始加热，待温度条件满足试验要求，转动手轮9，拉伸机通过上拉杆1和下拉杆6将加载的载荷传递给试样4，使试样4承担载荷；同时，水泵21抽取水箱22中的水送入蒸汽发生器20，蒸汽发生器20将水加热成为高温蒸汽，通过流量控制器19控制高温蒸汽的流量，一定流量的高温蒸汽流经下炉堵16，一路通过高温蒸汽入口17直接通入加热炉2内，提供试样4的高温蒸汽氧化腐蚀环境，另一路通入蒸汽喷管7对准试样4进行喷射，使试样4完全处于高温蒸汽氛围；高温蒸汽通过上炉堵3的高温蒸汽出口12先后进入空冷装置23和水冷装置24进行冷却后排放；同时，恒流源25为试样4通入恒定直流电流，纳伏表26测量切口两端的电位；

试验过程中，由于受轴向拉力和高温蒸汽氧化腐蚀的影响，试样4切口处会发生开裂，随着试样4切口处裂纹的扩展，纳伏表26采集切口两侧电压降信号，传输给计算机27在线记录数值并计算处理，同时实现材料的高温水蒸汽氧化和应力腐蚀开裂试验。

进一步地，试样4与U型夹头13之间设置绝缘垫片，加力销14上套有绝缘套管，4根铂金导线5外套有绝缘套管，使试样4与周围部件绝缘。

进一步地，加热炉2内的热电偶包括3个，分别缠绕在试样4和上下U型夹头13上。

进一步地，试样4上下两端点焊铂金导线5的两点连线避开水平切口，以保证两点之间的电阻最小；切口两侧点焊铂金导线5的两点位于切口外沿斜对角的位置，以保证两点之间的电阻最大。

进一步地，流动的高温蒸汽在加热炉2内形成微正压。

进一步地，拉伸机给试样4加载一恒定载荷。

本发明的有益效果为：本发明可用于同时实现高温蒸汽氧化和应力腐蚀开裂试验中，材料的开裂演化研究，通过控制通入高温蒸汽的流量、溶氧量、pH值、氢电导率，来实现高温蒸汽水化学环境，同时拉伸机对试样进行加温、加载荷，研究高温水蒸汽氧化腐蚀和应力共同作用下，对材料裂纹扩展性能的影响，从而准确揭示材料在服役阶段的性能演化规律，克服了针对力学作用或高温蒸汽氧化单一因素研究的不全面性，有效反映材料的高温性能，为设备安全可靠运行提供理论依据。

附图说明

图1为试验系统的整体结构示意图；

图2为加热炉结构示意图；

图3为试样安装示意图；

图4为试样结构示意图。

图5为纳伏表上的铂金导线点焊在试样切口处的示意图。

标号说明：1-上拉杆，2-加热炉，3-上炉堵，4-试样，5-铂金导线，6-下拉杆，7-蒸汽喷管，8-下球形连接座，8’-上球形连接座，9-手轮，10-平衡铊，11-立柱，12-高温蒸汽出口，13-U型夹头，14-加力销，16-下炉堵，17-高温蒸汽入口，18-控制台，19-流量控制器，20-蒸汽发生器，21-水泵，22-水箱，23-空气冷却装置，24-水冷装置，25-恒流源，26-纳伏表，27-计算机。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图1所示一种同时实现高温蒸汽氧化和应力腐蚀开裂试验的装置，包括高温力学加载系统、高温蒸汽水化学系统以及裂纹扩展在线监测系统，其中，高温力学加载系统包括拉伸机和加热炉2，高温蒸汽水化学系统包括水箱22、水泵21、蒸汽发生器20、流量控制器19，以及空冷装置23和水冷装置24，裂纹扩展在线监测系统包括恒流源25、纳伏表26和计算机27。

如图1-2所示，加热炉2为中空的管式炉，固定在拉伸机的左右立柱11上，拉伸机顶部装有平衡铊10，平衡铊10与调平机连接，由控制台18控制调平机进行调平。平衡铊10下连接上球形连接座8’，上球形连接座8’下端与上拉杆1的上端连接，上拉杆1的下端穿过上炉堵3伸入加热炉2内，通过U型夹头13和加力销14固定住试样4的上端，下拉杆6的上端穿过下炉堵16伸入加热炉2内，通过另一组U型夹头13和加力销14固定住试样4的下端，从而将试样4安装于加热炉2内。试样4与U型夹头13之间设置绝缘垫片，加力销14上套有绝缘套管，使其与试样4之间绝缘。试样4和上下U型夹头13上分别缠绕热电偶，用以试样4的加热，以及温度反馈与控制，保证试样4各处的温度均匀。下拉杆6的下端与下球形连接座8连接，下球形连接座8的下端与手轮9相连，手轮9连接至拉伸机的液压系统。加热炉2的下炉堵16上设有高温蒸汽入口17和蒸汽喷管7与高温蒸汽的管路连通，并使蒸汽喷管7的喷嘴对准试样4；上炉堵3上设有高温蒸汽出口12，保证高温蒸汽在加热炉2内流动。高温蒸汽出口12通过管道先后连接空冷装置23和水冷装置24，用于高温蒸汽的冷却。水箱22下部出口与水泵21相连，水泵21连接至蒸汽发生器20，提供产生蒸汽的水源，蒸汽发生器20连接流量控制器19，经流量控制器19连通至高温蒸汽入口17和蒸汽喷管7，为加热炉2通入高温蒸汽。如图3-5所示，试样4一侧开有一水平切口，切口的尺寸根据国标(GB/T15970.6)中标准试样尺寸确定，试样4的上下两端点焊铂金导线5，上下两端点焊铂金导线5的两点连线避开水平切口，以保证两点之间的电阻最小，铂金导线5外套有绝缘套管，并经由下炉堵16引出加热炉2外与恒流源25连接；试样4的切口两侧点焊铂金导线5，本实施例中，切口两侧点焊铂金导线5的两点位于切口外沿斜对角的位置，保证两点之间的电阻最大，铂金导线5外套有绝缘套管，并经由下炉堵16引出加热炉2外与纳伏表26连接，恒流源25和纳伏表26分别连接至计算机27。

通过加热炉控制器设置试验参数，加热炉2开始加热，待温度条件满足拉伸实验要求，转动手轮9，拉伸机通过上拉杆1和下拉杆6将加载的载荷传递给试样4，使试样4承担一恒定载荷。同时，水泵21抽取水箱22中的去离子水送入蒸汽发生器20，蒸汽发生器20将水加热成为高温蒸汽，由蒸汽发生器20产生的高温蒸汽流经下炉堵16，一路通过高温蒸汽入口17直接通入加热炉2内，流动的高温蒸汽在加热炉2内形成微正压，并提供试样4充分的高温蒸汽氧化腐蚀环境；另一路通入蒸汽喷管7对准试样4进行喷射。高温蒸汽通过上炉堵3的高温蒸汽出口12先后进入空冷装置23及水冷装置24进行冷却后排放。其中，通过流量控制器19来控制高温蒸汽的流量。同时，恒流源25为试样4通入恒定直流电流，纳伏表26测量切口两端的电位。试验过程中，由于受轴向拉力和高温蒸汽氧化腐蚀的影响，试样4切口处会发生开裂，随着试样4切口处裂纹的扩展，纳伏表26采集切口两侧电压降信号，传输给计算机27在线记录数值并计算处理，完成同时实现材料的高温蒸汽氧化和应力腐蚀开裂试验。