一种高温高压水微动疲劳正压力施加装置及其使用方法与流程

本发明涉及疲劳试验领域，具体是一种高温高压水微动疲劳正压力施加装置及其使用方法，用于在高温高压水环境中精确施加摩擦副与疲劳试样(如：片状疲劳试样、棒状疲劳试样)之间的正压力，评价结构材料在高温高压水环境中的微动疲劳性能。

背景技术：

结构材料在高温高压水溶液(200～360℃，4～20mpa)环境下的微动磨损疲劳失效是核电工业领域面临的重要问题之一。核电站中有相当一部分结构损伤事故与微动损伤有着直接关系，如蒸汽发生器中的传热管既是关键部件也是薄弱部件。蒸汽发生器传热管作为隔离一、二回路的边界部件，其运行可靠性要求很高。然而，传热管的薄壁结构刚度较低，且传热管与支承板、抗振条间存在微小的间隙，设备运行时在流致振动激励下传热管与支承板、抗振条间有微幅的相互碰撞和滑动，增加微动损伤而失效的可能性。同时，由于停堆/启堆、热分层、流致振动等，导致传热管遭受腐蚀疲劳损伤。因此，微动磨损疲劳损伤是蒸汽发生器传热管主要的潜在失效形式之一。目前，专利“一种带高温高压循环水的腐蚀疲劳试验装置(公开号cn102346114a)”主要针对结构材料高温高压水腐蚀疲劳行为研究，专利“一种高温高压原位微动磨损试验装置”(公开号cn104359778a)主要针对结构材料高温高压水微动磨损行为研究，均不能实现结构材料高温高压水微动疲劳行为研究。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种高温高压水微动疲劳正压力施加装置及其使用方法，解决高温高压水微动疲劳试验过程中疲劳试样与磨损压头之间正压力精确施加问题。

本发明的技术方案是：

一种高温高压水微动疲劳正压力施加装置，该装置包括：片状疲劳试样、疲劳夹具、支撑板、支撑底座、连接螺杆、拉伸弹簧、弹簧挂钩、立柱、样品台、转接头、加载轴、高压釜体、高压釜盖、磨损压头、定位凹槽、定位凸缘，具体结构如下：

高压釜体倒扣于高压釜盖上，高压釜体内的立柱固定于高压釜盖上，样品台固定于立柱顶部；片状疲劳试样竖向设置于高压釜体内的疲劳夹具之间，片状疲劳试样上端通过疲劳夹具与样品台连接，片状疲劳试样下端通过疲劳夹具与转接头连接，转接头的底部与穿过高压釜盖的加载轴连接；

两个支撑底座分别通过竖向设置的连接螺杆固定于样品台上，两个支撑底座对称设置于片状疲劳试样的两侧；两个支撑底座的相对侧面分别开设水平的定位凹槽，两个定位凹槽对称设置，两个支撑底座上的定位凹槽分别正对片状疲劳试样两侧的窄面，每个定位凹槽内分别安装支撑板，支撑板为中间水平面及所述水平面两侧平行相对的竖直定位凸缘组合成一体的工字型结构；

磨损压头安装于支撑板中间水平面的外端，每个磨损压头的外表面正对片状疲劳试样的一个窄面；每个支撑板两侧的定位凸缘上对称设置杆状弹簧挂钩，拉伸弹簧为两个，每个拉伸弹簧连接两个支撑板同一侧面的弹簧挂钩。

所述的高温高压水微动疲劳正压力施加装置，高压釜体内的立柱通过螺纹连接方式固定于高压釜盖上，样品台通过螺纹连接方式固定于立柱顶部。

所述的高温高压水微动疲劳正压力施加装置，每个连接螺杆的上端通过螺母固定于样品台上，每个连接螺杆的下端与支撑底座连接，每个支撑底座的顶面沿竖向开设与定位凹槽相通的螺纹孔，支撑底座通过螺纹孔与连接螺杆连接。

所述的高温高压水微动疲劳正压力施加装置，支撑板中间水平面的厚度与定位凹槽的高度相同，支撑板与定位凹槽呈滑动配合；每个支撑板两侧的定位凸缘贴紧支撑底座的前后两个相对侧面，两个相对定位凸缘内侧之间的距离与定位凹槽的宽度相同，使支撑板在定位凹槽深度方向自由活动，支撑板在高度方向与宽度方向限制活动，形成紧密配合。

所述的高温高压水微动疲劳正压力施加装置，磨损压头通过拧紧螺栓安装于支撑板中间水平面的外端。

所述的高温高压水微动疲劳正压力施加装置，弹簧挂钩通过螺纹连接安装于支撑板的定位凸缘上，对称设置的两个弹簧挂钩的轴线重合，每个弹簧挂钩上开设环形槽，每个拉伸弹簧的两端分别连接弹簧挂钩的环形槽，拉伸弹簧变形产生的拉力使安装于支撑板上的磨损压头与片状疲劳试样接触。

所述的高温高压水微动疲劳正压力施加装置，定位凹槽中心正对片状疲劳试样标距段中心。

所述的高温高压水微动疲劳正压力施加装置的使用方法，包括如下步骤：

(1)将立柱与高压釜盖通过螺纹连接方式拧紧，利用压紧螺帽将立柱与样品台连接；加载轴穿过高压釜盖，并通过密封圈密封加载轴与高压釜盖，将转接头与加载轴的上端连接；

(2)利用疲劳夹具夹持片状疲劳试样，通过螺纹连接方式，疲劳夹具的上端与样品台连接，疲劳夹具的下端通过转接头与加载轴连接；

(3)将连接螺杆与支撑底座连接，利用螺纹连接方式将连接螺杆固定于样品台上，并调节连接螺杆位置，使支撑底座上的定位凹槽正对着片状疲劳试样的窄面，且定位凹槽中心位置与片状疲劳试样的标距段中心位置持平；

(4)利用拧紧螺栓将磨损压头安装于支撑板上，将弹簧挂钩安装于支撑板上，将支撑板安装于定位凹槽内；

(5)根据微动疲劳实验中片状疲劳试样与磨损压头之间的正压力大小，选择合适的拉伸弹簧规格，将拉伸弹簧安装于弹簧挂钩上；

(6)将高压釜盖与高压釜体密封，注入高温高压水，开展高温高压水微动疲劳试验。

所述的高温高压水微动疲劳正压力施加装置的使用方法，利用拉伸弹簧变形产生的拉力，使磨损压头与片状疲劳试样的窄面接触，并产生正压力；支撑板两侧的拉伸弹簧规格相同，变形相同，产生的拉应力相同；在目标温度中测量弹簧的弹性系数，精确控制磨损压头与片状疲劳试样之间的正压力。

所述的高温高压水微动疲劳正压力施加装置的使用方法，装置装配完成后，在疲劳试验过程中，利用拉伸弹簧变形施加磨损压头与片状疲劳试样之间的正压力，磨损压头保持静止，片状疲劳试样标距段反复变形，接触区域反复摩擦磨损，形成高温高压水微动疲劳。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明提供一种高温高压水微动疲劳试验装置，该装置能够在高温高压水环境中精确施加片状疲劳试样与磨损压头之间的正压力。

2、本发明装置的支撑底座固定在样品台上，支撑底座上设有定位凹槽；支撑板厚度与定位凹槽高度相同，支撑板上设有定位凸缘；支撑板安装于支撑底座定位凹槽内，仅在定位凹槽深度方向自由活动，形成紧密配合；在疲劳试验过程中，疲劳试样标距段反复变形，安装于支撑板上的磨损压头保持静止，疲劳试样与磨损压头接触区域产生摩擦磨损。

3、本发明夹具设计巧妙，操作简单方便，能够与专利“一种带高温高压循环水的腐蚀疲劳试验装置(公开号cn102346114a)”配合使用，实现片状疲劳试样高温高压水微动疲劳试验。

4、本发明拉伸弹簧安装于弹簧挂钩上，支撑板两侧均有一个拉伸弹簧，拉伸弹簧变形使磨损压头与片状疲劳试样窄面接触，通过选用弹簧规格(如：材质、线径、直径、长度)精确控制磨损压头与片状疲劳试样之间正压力。装配完成后，在疲劳试验过程中，磨损压头保持静止，片状疲劳试样标距段反复变形，接触区域与磨损压头产生摩擦磨损，形成高温高压水微动疲劳。

附图说明

图1为本发明的装置结构图。图中：1片状疲劳试样；2疲劳夹具；3支撑板；4支撑底座；5连接螺杆；6拉伸弹簧；7弹簧挂钩；8立柱；9样品台；10转接头；11加载轴；12高压釜体；13高压釜盖。

图2为支撑底座三维形貌。图中：4支撑底座；15定位凹槽；16螺纹孔。

图3为支撑板三维形貌。图中：3支撑板；7弹簧挂钩；14磨损压头；17定位凸缘；18拧紧螺栓；19环形槽。

图4为实施例中选用304不锈钢拉伸弹簧变形长度与载荷之间的关系。图中，横坐标δl代表变形长度(mm)，纵坐标load代表载荷(n)。

图5为实施例中片状疲劳试样高温高压水微动疲劳试验后表面形貌。其中，(a)为样品正面图，(b)为样品侧面图。

具体实施方式

如图1-图3所示，本发明高温高压水微动疲劳正压力施加装置，主要包括：片状疲劳试样1、疲劳夹具2、支撑板3、支撑底座4、连接螺杆5、拉伸弹簧6、弹簧挂钩7、立柱8、样品台9、转接头10、加载轴11、高压釜体12、高压釜盖13、磨损压头14、定位凹槽15、螺纹孔16、定位凸缘17、拧紧螺栓18等，具体结构如下：

高压釜体12倒扣于高压釜盖13上，高压釜体12内的立柱8通过螺纹连接方式固定于高压釜盖13上，样品台9通过螺纹连接方式固定于立柱8顶部；片状疲劳试样1竖向设置于高压釜体12内的疲劳夹具2之间，片状疲劳试样1上端通过疲劳夹具2与样品台9连接，片状疲劳试样1下端通过疲劳夹具2与转接头10连接，转接头10的底部与穿过高压釜盖13的加载轴11连接。

两个支撑底座4分别通过竖向设置的连接螺杆5固定于样品台9上，每个连接螺杆5的上端通过螺母固定于样品台9上，每个连接螺杆5的下端与支撑底座4连接，两个支撑底座4对称设置于片状疲劳试样1的两侧。两个支撑底座4的相对侧面分别开设水平的定位凹槽15，两个定位凹槽15对称设置，每个支撑底座4的顶面沿竖向开设与定位凹槽15相通的螺纹孔16(图2)，支撑底座4通过螺纹孔16与连接螺杆5连接。两个支撑底座4上的定位凹槽15分别正对片状疲劳试样1两侧的窄面(即：在疲劳试验过程中的磨损面)，每个定位凹槽15内分别安装支撑板3，支撑板3为中间水平面及所述水平面两侧平行相对的竖直定位凸缘17组合成一体的工字型结构，支撑板3中间水平面的厚度与定位凹槽15的高度相同，定位凹槽15的内表面与支撑板3表面均具有良好的光洁度，使支撑板3与定位凹槽15呈滑动配合。而且，每个支撑板3两侧的定位凸缘17贴紧支撑底座4的前后两个相对侧面，两个相对定位凸缘17内侧之间的距离与定位凹槽15的宽度相同，使支撑板3只能在定位凹槽15深度方向自由活动，而在高度方向与宽度方向限制活动，形成紧密配合。

如图3所示，磨损压头14通过拧紧螺栓18安装于支撑板3中间水平面的外端，每个磨损压头14的外表面正对片状疲劳试样1的一个窄面；每个支撑板3两侧的定位凸缘17上对称设置杆状弹簧挂钩7，弹簧挂钩7通过螺纹连接安装于支撑板3的定位凸缘17上，两个弹簧挂钩7的轴线重合，每个弹簧挂钩7上开设环形槽19；拉伸弹簧6为两个，每个拉伸弹簧6连接两个支撑板3同一侧面的弹簧挂钩7，拉伸弹簧6的两端分别连接弹簧挂钩7的环形槽19，拉伸弹簧6变形产生的拉力使安装于支撑板3上的磨损压头14与片状疲劳试样1接触，产生的正压力可通过拉伸弹簧6变形计算获得；整套装置置于高压釜体12内，能够在高温高压水环境中正常工作。

本发明中，疲劳夹具2、支撑板3、支撑底座4、磨损压头14、连接螺杆5、拉伸弹簧6、弹簧挂钩7、立柱8、样品台9、转接头10等部件均采用耐高温高压水腐蚀的材料(如：316不锈钢等)制作。

如图1-图3所示，本发明的安装使用步骤如下：

(1)将立柱8与高压釜盖13通过螺纹连接方式拧紧，利用压紧螺帽将立柱8与样品台9连接；加载轴11穿过高压釜盖13，并通过密封圈密封加载轴11与高压釜盖13，将转接头10与加载轴11的上端连接。

(2)利用疲劳夹具2夹持片状疲劳试样1，通过螺纹连接方式，疲劳夹具2的上端与样品台9连接，疲劳夹具2的下端通过转接头10与加载轴11连接。

(3)将连接螺杆5与支撑底座4连接，利用螺纹连接方式将连接螺杆5固定于样品台9上，并调节连接螺杆5位置，使支撑底座4上的定位凹槽15正对着片状疲劳试样1的窄面，且定位凹槽15中心位置大约与片状疲劳试样1的标距段中心位置持平。

(4)利用拧紧螺栓18将磨损压头14安装于支撑板3上，将弹簧挂钩7安装于支撑板3上，将支撑板3安装于定位凹槽15内。

(5)根据微动疲劳实验中片状疲劳试样1与磨损压头14之间的正压力大小，选择合适的拉伸弹簧6规格(如：材质、长度、线径、直径等)，将拉伸弹簧6安装于弹簧挂钩7上。利用拉伸弹簧6变形产生的拉力，使磨损压头14与片状疲劳试样1的窄面接触，并产生一定的正压力；支撑板3两侧的拉伸弹簧6规格相同，变形相同，产生的拉应力相同；在目标温度中测量拉伸弹簧6的弹性系数，可精确控制磨损压头14与片状疲劳试样1之间的正压力。

(6)将高压釜盖13与高压釜体12密封，注入高温高压水，开展高温高压水微动疲劳试验。

下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。

实施例

国产蒸汽发生器传热管用690镍基合金，在285℃、7.8mpa、溶解氧浓度(do)≤5ppb的高温高压循环水中的微动疲劳实验，应变幅值为0.4％，应变速率为1％s^-1，法向正压力数值为102n。

实验材料为一种国产核电站蒸汽发生器传热管用690镍基合金，片状疲劳试样形状尺寸为：标距段长10mm，宽6mm，厚度为3mm。按照本发明装置的安装步骤安装片状疲劳试样以及正压力施加装置。其中，片状疲劳试样与磨损压头之间的目标正压力为102n，则单个拉伸弹簧变形产生的拉力为51n。选用304不锈钢拉伸弹簧，弹簧规格为线径2mm、外径17mm，通过在285℃常温空气中标定拉伸弹簧的弹性系数，见图4。拉伸弹簧目标拉力为51n，根据具体试验中弹簧挂钩之间的距离，则拉伸弹簧长度为57.5mm(不含拉钩长度)。

如图5所示，片状疲劳试样高温高压水微动疲劳试验后表面形貌，图中所示样品表面有一条与疲劳加载方向垂直的疲劳裂纹，并且裂纹出现于样品的摩擦副对磨表面。宏观上样品表面失去金属光泽，同时样品的对磨表面有腐蚀产物，体现高温高压水环境对样品微动疲劳失效的促进作用。