高温蒸汽环境下的高频疲劳寿命试验系统及试验方法
【专利摘要】本发明属于材料性能测试【技术领域】，公开了一种高温蒸汽环境下的高频疲劳寿命试验系统，包括试验机架，在试验机架上固定设置蒸汽箱和疲劳试验机，疲劳试验机实现疲劳试样的高频循环加载，试样穿过蒸汽箱，试样的两端分别与蒸汽箱可旋转密封连接，试样的中间部分暴露在蒸汽箱的内部环境中，蒸汽箱包括蒸汽输入端和蒸汽输出端，蒸汽箱的蒸汽输入端连接蒸汽发生器，蒸汽发生器由一水箱供水，水箱上设置除氧装置，蒸汽箱的蒸汽输出端连接一个冷凝器，冷凝器上连接含氧量测量装置。本发明还公开了相关试验方法，采用的蒸汽发生器能够产生稳定流量的水蒸气，通过溶氧量测试装置和蒸汽温度实时监测，能够最大程度地模拟实际构件的工作环境。
【专利说明】高温蒸汽环境下的高频疲劳寿命试验系统及试验方法
【技术领域】
[0001]本发明属于材料性能测试【技术领域】，特别是一种高温蒸汽环境下的高频疲劳寿命试验系统及试验方法。
【背景技术】
[0002]汽轮机作为电力装备的核心部件，其设计和制造水平反映着科技创新的实力。汽轮机的叶片作为能源动力部件，其安全与可靠性直接关系到电站机组的长期稳定运行。例如，在末级叶片区，直径和转速较大，离心力和交变应力共同作用，工作载荷复杂，并在湿蒸汽环境中工作。汽轮机叶片复杂的工作条件和恶劣的服役环境，极易引起疲劳破坏。叶片及其结构的设计、叶片材料的选择等因素都迫切需要服役环境下的疲劳强度和寿命数据，有必要提供蒸汽环境条件下的试验装置。常规的腐蚀疲劳试验机未配置高温蒸汽的产生装置及其循环系统，现有中国专利《一种腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率试验环境装置》(申请号:200810167021.7)、《一种腐蚀环境下的疲劳试验测试系统》(申请号:201310360438.6)、《一种用于疲劳性能试验的盐雾环境装置》和《一种带高温高压循环水的腐蚀疲劳试验装置》(申请号:200920270850.8)等都提供了开展疲劳试验的溶液环境装置，但不能满足高温蒸汽环境的要求。此外，叶片的服役环境中，湿蒸汽中的含氧量一般低于I ppm，这对蒸汽疲劳试验系统的开发提出的新挑战。
【发明内容】
[0003]为了解决上述技术问题，本发明提供一种高温蒸汽环境下的高频疲劳寿命试验系统及试验方法，通过模拟材料的服役环境，来精确的获得疲劳寿命。
[0004]本发明采取的技术方案是:
一种高温蒸汽环境下的高频疲劳寿命试验系统，其特征是，包括试验机架，在所述试验机架上固定设置蒸汽箱和疲劳试验机，所述疲劳试验机实现疲劳试样的高频循环加载，所述试样穿过所述蒸汽箱，所述试样的两端分别与所述蒸汽箱可旋转密封连接，所述试样的中间部分暴露在所述蒸汽箱的环境中，所述蒸汽箱包括蒸汽输入端和蒸汽输出端，所述蒸汽箱的蒸汽输入端连接蒸汽发生器，所述蒸汽发生器由一水箱供水，所述水箱上设置除氧装置，所述蒸汽箱的蒸汽输出端连接一个冷凝器，所述冷凝器上连接含氧量测量装置。
[0005]进一步，所述蒸汽箱的上下端截面设有试样安装孔，所述试样与所述试样安装孔之间通过硅胶密封连接。
[0006]进一步，所述疲劳试验机包括上部激振和载荷传递装置和下部底座和地脚装置，所述上部激振和载荷传递装置安装在所述蒸汽箱上方的试验机架上，所述下部底座用于固定试样，所述试样穿过所述蒸汽箱安装在所述上部载荷传递装置和下部底座上。
[0007]进一步，所述除氧装置包括所述水箱上设置进气端和出气端以及氮气瓶，所述氮气瓶通过阀门连接所述进气端，所述出气端通过阀门连接至大气，所述氮气瓶对所述水箱内充入氮气，将水箱水内的氧气通过所述出气端排出水箱。[0008]进一步，所述含氧量测量装置包括所述冷凝器后方连接的冷凝液收集器，所述冷凝液收集器后方通过阀门连接溶氧量测试器，所述冷凝器收集器还通过阀门连接至大气，所述溶氧量测试器通过阀门连接一个真空泵，所述真空泵用于每次测量前抽空所述溶氧量测试器及其管路中的空气，在所述溶氧量测试器内安装溶氧仪，所述溶氧仪对所述溶氧量测试器的冷凝液进行溶氧量的测定。
[0009]进一步，所述蒸汽箱内设置一个热电偶，所述蒸汽箱的下方通过阀门设置排水管。
[0010]一种上述高温蒸汽环境下的高频疲劳寿命试验系统及试验方法，其特征是，包括如下步骤:
第一步:制取试样，所述试样包括螺纹夹持段、光滑平行段和中间圆弧段组成；
第二步:连接安装所述试验系统，将所述试样安装在所述试样加载装置上；
第三步:向水箱中注入去离子水，通过所述除氧装置对水箱内的去离子水进行除氧； 第四步:开启并调节蒸汽发生器，监测蒸气箱使其达到试验温度；
第五步:通过含氧量测量装置对冷凝水的含氧量进行测试；
第六步:如果冷凝水的含氧量测定值小于等于规定值，则进入第七步，如果冷凝水的含氧量大于规定值，则加大除氧装置对水箱内去离子水的除氧力度，再次进行含氧量测试，直到冷凝水的含氧量满足要求；
第七步:开启所述疲劳试验机，设置加载力，对所述试样进行高频疲劳试验，获得试样的疲劳寿命。
[0011]进一步，所述试样的平行段直径应小于等于蒸汽箱上下端的孔径，中间弧段的最小直径及弧度大小按试验标准对试样的尺寸要求执行，所述第一步还包括对所述试样进行打磨清洗的步骤。
[0012]进一步，所述第五步、第六步中的含氧量测试包括如下步骤:
第I步:清空所述溶氧量测试器内的积水，通过所述真空泵抽空所述溶氧量测试器内的空气；
第2步:关闭冷凝器，使蒸汽充满所述冷凝液收集器和溶氧量测试器；
第3步:打开冷凝器，使所述冷凝液收集器中收集足够的冷凝水；
第4步:将所述冷凝液收集器的冷凝水降至50°C以下；
第5步:将冷凝水引入所述溶氧量测试器中；
第6步:打开溶氧仪，测试冷凝液的含氧量。
[0013]本发明的有益效果是:
(1)采用的蒸汽发生器能够产生稳定流量的水蒸气，通过溶氧量测试装置和蒸汽温度实时监测，能够最大程度地模拟实际构件的工作环境；
(2)可调节蒸汽发生器产生蒸汽的温度，能满足试验材料在不同温度下开展蒸汽环境疲劳试验的要求；
(3)试样夹持端采用柔性硅胶连接保证了蒸汽箱较好的密封性；
(4)蒸汽环境装置与高频疲劳试验机结合，疲劳试验频率较高，开展超长寿命条件下的疲劳试验，时间短、成本低；
(5)所述高温蒸汽疲劳寿命试验系统及方法，操作流程简洁，成本低廉，运行稳定，安全可靠； (6)所述高温蒸汽含氧量的测定方法，操作简单，测试精度易于保证。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]附图1为蒸汽疲劳试验系统结构总图；
附图2为蒸汽箱结构示意图；
附图3为试样与蒸汽箱密封示意图；
附图4为溶氧量测定单元示意图；
附图5为蒸汽疲劳试验试样示意图；
附图6为试验方法流程图。
[0015]附图中的标号分别为:
1.氮气瓶；2.阀门；
3.阀门；4.水箱；
5.阀门；6.软管；
7.蒸汽发生器；8.蒸汽输入端；
9.蒸汽箱；10.试验机架；
I1.激振装置；12.载荷传递装置 13.试样； 14.蒸汽输出端；
15.热电偶测温管；16.排水管；
17.阀门；18.底座；
19.地脚；20.冷凝器；
21.冷凝液收集器；22.阀门；
23.阀门；24.溶氧量测试器；
25.阀门；26.真空泵；
27.溶氧仪；28.硅胶件；
29.支撑套；30.弧段；
31.光滑段；32.螺纹段。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明高温蒸汽环境下的高频疲劳寿命试验系统及试验方法的【具体实施方式】作详细说明。本实例的实施对象为汽轮机叶片材料T1-6A1-4V，其服役环境为IOO0C的蒸汽,溶氧量要求低于0.8ppm。
[0017]参见附图1，高频疲劳寿命试验系统包括疲劳试验机的激振装置11和载荷传递装置12以及蒸汽箱9，蒸汽箱9用于材料的高温蒸汽服役环境，疲劳试验机的激振装置11、载荷传递装置12和蒸汽箱9均安装在试验机架10上，载荷传递装置12实现试样13的循环加载，试样13穿过蒸汽箱9，试样13的两端分别与蒸汽箱9可旋转密封连接，试样13的中间部分与蒸汽箱9的内部空腔相通，试样固定在底座18，底座18下方设置若干地脚19，蒸汽箱9包括蒸汽输入端8和蒸汽输出端14，蒸汽箱9的蒸汽输入端8连接蒸汽发生器7，蒸汽发生器7通过一个阀门5由一水箱4供水，水箱4上设置除氧装置，蒸汽箱9的蒸汽输出端14连接一个冷凝器20，冷凝器20上连接含氧量测量装置。蒸汽发生器7由外壳、胆炉、加热器、控制系统、供水系统五部分组成。加热器供水时不减压、不加热，以保证蒸汽流量和压力的稳定。
[0018]参见附图2，蒸汽箱9为一个方形箱体，其采用而腐蚀的材料，保证其使用寿命，箱体材料选用316L不锈钢。蒸汽箱9的上、下端面上分别开设试样13安装孔，在试样13安装孔上焊接支撑套29，试样13与试样13安装孔及支撑套29之间通过硅胶28密封连接。蒸汽箱9的蒸汽输入端8位于蒸汽箱9的下方靠近底部的位置，蒸汽箱9的蒸汽输出端14位于蒸汽箱9的上方靠近顶部的位置，蒸汽箱9的蒸汽输入端8和蒸汽输出端14均使用耐高温的软管6连接。在蒸汽箱9内设置热电偶测温管15，用于测量和监测蒸汽箱9内的蒸汽温度。在蒸汽箱9的下底部设置一个排水管16，通过阀门17的启闭实现对蒸汽箱9内冷凝水的及时排放。
[0019]疲劳试验机为现有产品，采用市购型号为PLG-100C的高频疲劳试验机，其最大静载荷为±100kN，最大动载荷为50kN，频率范围:80?250Hz。疲劳试验机采用电磁激振方式，使试样13承受循环载荷,进行疲劳试验。疲劳试验机包括上部激振装置11、载荷传递装置12和下部底座18以及地脚19，上部激振装置11和载荷传递装置12安装在蒸汽箱9上方的试验机架10上，下部底座18用于固定试样13，试样13穿过蒸汽箱9安装在上部载荷传递装置12和下部底座18上。
[0020]参见附图3，试样13与蒸汽箱9的支撑套29可转动配合，在支撑套29的外部，试样13与支撑套29之间通过设置硅胶件25密封，试样13与支撑套29之间保证一定的同轴度。试样13中间的弧段完全落入蒸汽箱9内。
[0021 ] 除氧装置包括水箱4上设置进气端和出气端以及氮气瓶I，氮气瓶I通过阀门2连接进气端，出气端通过阀门3连接至大气，氮气瓶I对水箱4内充入氮气，将水箱4水内的氧气通过出气端排出水箱4。
[0022]参见附图4，含氧量测量装置包括冷凝器20后方连接的冷凝液收集器21，冷凝液收集器21后方通过阀门连接溶氧量测试器24，冷凝液收集器21还通过阀门22连接至大气，溶氧量测试器24通过阀门25连接一个真空泵26，真空泵26用于每次测量前抽空溶氧量测试器24及其管路中的空气，在溶氧量测试器24内安装溶氧仪27，溶氧仪27对溶氧量测试器24的冷凝液进行溶氧量的测定。
[0023]参见附图5，试样13包括中间弧段30，两端与蒸汽箱9配合的光滑段31，以及端部与疲劳试验机载荷传递装置12和底座18链接的螺纹段32，试样13的材料取自高温蒸汽服役的部件，其各部分尺寸根据疲劳试验标准确定。
[0024]参见附图6，使用上述试验系统在高温蒸汽环境下对试样进行试验的方法包括如下步骤:
第一步:制取试样13。取汽轮机叶片钛合金材料T1-6A1-4V，按附图5所示疲劳试样13的形状与尺寸制取带圆弧形试样13，然后对试样13表面进行打磨清洗，以消除表面加工污垢。可通过去离子水冲洗，干燥后装在蒸汽箱9和疲劳试验机载荷传递装置12和底座18上。
[0025]第二步:连接安装试验系统，将试样13安装在试样加载装置上。各设备之间的连接采用耐高温软管，保证各设备的密封性能，保证其工作稳定性。
[0026]第三步:向水箱4中注入去离子水，通过除氧装置对水箱4内的去离子水进行除氧。将除氧装置的氮气瓶中的氮气持续冲入去离子水中，使去离子中的游离氧排出水箱4。
[0027]第四步:开启并调节蒸汽发生器7，测量并监测蒸气箱使其温度达到试验要求值。并对蒸汽箱9进气口和出气口的密封情况进行检测。蒸汽发生器7在氮气通入水箱4大约五分钟后开启，以保证用于发生蒸汽的去离子水中的含氧量在预期范围之内。
[0028]第五步:通过含氧量测量装置对冷凝水的含氧量进行测试，具体测试包括如下步骤:
第I步:清空溶氧量测试器24内的积水，通过真空泵26抽空溶氧量测试器24内的空气，以保证溶氧量测试器24处于真空状态，以防止空气中的氧气与冷凝水接触。
[0029]第2步:关闭冷凝器20，使蒸汽充满冷凝液收集器21和溶氧量测试器24。
[0030]第3步:打开冷凝器20，使冷凝液收集器21中收集足够的冷凝水。
[0031]第4步:将冷凝液收集器21的冷凝水降至50°C以下。
[0032]第5步:将冷凝水引入溶氧量测试器24中。
[0033]第6步:打开溶氧仪27，测试冷凝液的含氧量。
[0034]参见附图4，上述步骤具体操作过程是，首先关闭阀门23、打开阀门25用真空泵26除去溶氧量测试器24内的空气；然后关闭阀门22，打开阀门23、25，停止冷凝器20对水蒸汽的冷凝，将产生的水蒸汽通过冷凝液收集器21，除去收集部分的空气；接着开始冷凝蒸汽，关闭阀门25，收集冷凝水。待收集足够的冷凝水后，关闭阀门23，打开阀门22。当冷凝液收集器21中冷凝水温度降在50°C以下，打开阀门23，将冷凝水流至溶氧量测试器24中，打开溶氧仪27，测试含氧量。
[0035]通过上述步骤，完成对冷凝液的含氧量测试，完成后进行以下步骤:
第六步:如果冷凝水的含氧量小于等于0.8ppm，则进入第七步，如果冷凝水的含氧量大于0.8ppm，则加大除氧装置对水箱4内去离子水的除氧力度，可以通过增加氮气的输入量或者延长氮气的输入时间，更有效地去除去离子水中的氧。然后再次进行含氧量测试，直到冷凝水的含氧量小于等于0.8ppm，测量方法同上。
[0036]第七步:开启疲劳试验机，设置载荷，对试样13进行高频疲劳试验，获得试样13的疲劳寿命。当溶氧量达到0.8 ppm后，开启疲劳试验机的控制系统。对于应力比为-1的载荷，先让试验机载荷自动归零，作为平均应力，然后设置相应的应力幅，启动疲劳试验系统。试验过程中，记录振动频率，对试验机进行断裂保护设置。试样13断裂后，记录循环次数。重复以上步骤，可获得不同应力幅下的疲劳寿命。根据疲劳试验中的升降法，可迅速获得该材料IO7循环周次的疲劳强度大小。
[0037]以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种高温蒸汽环境下的高频疲劳寿命试验系统，其特征在于:包括试验机架，在所述试验机架上固定设置蒸汽箱和疲劳试验机，所述疲劳试验机上加载试样使之承受高频循环载荷，所述试样穿过所述蒸汽箱，所述试样的两端分别与所述蒸汽箱可旋转密封连接，所述试样的中间部分暴露在所述蒸汽箱的环境中，所述蒸汽箱包括蒸汽输入端和蒸汽输出端，所述蒸汽箱的蒸汽输入端连接蒸汽发生器，所述蒸汽发生器由一水箱供水，所述水箱上设置除氧装置，所述蒸汽箱的蒸汽输出端连接一个冷凝器，所述冷凝器上连接含氧量测量>j-U ρ?α装直。
2.根据权利要求1所述的高温蒸汽环境下的高频疲劳寿命试验系统，其特征在于:所述蒸汽箱的上下端截面设有试样安装孔，所述试样与所述试样安装孔之间通过硅胶密封连接。
3.根据权利要求1所述的高温蒸汽环境下的高频疲劳寿命试验系统，其特征在于:所述疲劳试验机包括上部激振和载荷传递装置、下部底座和地脚，所述上部激振和载荷传递装置安装在所述蒸汽箱上方的试验机架上，所述下部底座用于固定试样，所述试样穿过所述蒸汽箱安装在所述上部载荷传递装置和下部底座上。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的高温蒸汽环境下的高频疲劳寿命试验系统，其特征在于:所述除氧装置包括所述水箱上设置进气端和出气端以及氮气瓶，所述氮气瓶通过阀门连接所述进气 端，所述出气端通过阀门连接至大气，所述氮气瓶对所述水箱内充入氮气，将水箱水内的氧气通过所述出气端排出水箱。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的高温蒸汽环境下的高频疲劳寿命试验系统，其特征在于:所述含氧量测量装置包括所述冷凝器后方连接的冷凝液收集器，所述冷凝液收集器后方通过阀门连接溶氧量测试器，所述冷凝液收集器还通过阀门连接至大气，所述溶氧量测试器通过阀门连接一个真空泵，所述真空泵用于每次测量前抽空溶氧量测试器及其管路中的空气，在所述溶氧量测试器内安装溶氧仪，所述溶氧仪对所述溶氧量测试器的冷凝液进行溶氧量的测量。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的高温蒸汽环境下的高频疲劳寿命试验系统，其特征在于:所述蒸汽箱内设置一个热电偶，所述蒸汽箱的下方通过阀门设置排水管。
7.—种如权利要求1至6中任一项所述的高温蒸汽环境下的高频疲劳寿命试验系统的试验方法，其特征在于:包括如下步骤: 第一步:制取试样，所述试样包括螺纹夹持段、光滑平行段和中间圆弧段组成； 第二步:连接安装所述试验系统，将所述试样安装在所述试样加载装置上； 第三步:向水箱中注入去离子水，通过所述除氧装置对水箱内的去离子水进行除氧； 第四步:开启并调节蒸汽发生器，监测蒸气箱使其达到试验温度； 第五步:通过含氧量测量装置对冷凝水的含氧量进行测试； 第六步:如果冷凝水的含氧量测定值小于等于规定值，则进入第七步，如果冷凝水的含氧量大于规定值，则加大除氧装置对水箱内去离子水的除氧力度，再次进行含氧量测试，直到冷凝水的含氧量满足要求； 第七步:开启所述疲劳试验机，设置加载力，对所述试样进行高频疲劳试验，获得试样的疲劳寿命。
8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于:所述试样的平行段直径应等于蒸汽箱上下端的孔径，中间弧段的最小直径及弧度大小按试验标准对试样的尺寸要求执行，所述第一步还包括对所述试样进行打磨清洗的步骤。
9.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于:所述第五步、第六步中的含氧量测试包括如下步骤: 第I步:清空所述溶氧量测试器内的积水，通过所述真空泵抽空所述溶氧量测试器内的空气； 第2步:关闭冷凝器，使蒸汽充满所述冷凝液收集器和溶氧量测试器； 第3步:打开冷凝器，使所述冷凝液收集器中收集足够的冷凝水； 第4步:将所述冷凝液收集器的冷凝水降至50°C以下； 第5步:将冷凝水引入所述溶氧量测试器中； 第6步:打开溶氧仪， 测试冷凝液的含氧量。
【文档编号】G01N3/38GK103954514SQ201410160999
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2014年4月21日
【发明者】轩福贞, 朱明亮, 李煜佳, 涂善东 申请人:华东理工大学