专利名称：一种带高温高压循环水的腐蚀疲劳试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于材料实验领域，更确切的说，涉及到一种带高温高压循环水的腐 蚀疲劳实验装置。
背景技术：
材料在高温高压环境下的腐蚀疲劳是许多领域所面临的重大问题，如石油、化工、 电力等行业。目前，我国正处在核电大发展时期，核电作为一种高效、稳定、经济、清洁的能 源，在解决能源危机，改善环境方面有显著优势，然而制约核电迅速发展的一个关键因素是 核电站的安全问题。目前商用核电站主要采用轻水堆，由于轻水堆核电站的服役环境为高 温高压水O80-325°C，8-16MPa)，其压力构件如压力容器、蒸汽发生器、回路管线、热交换器 等均承受一定的服役应力，其构件材料可能发生严重的腐蚀问题，典型的如腐蚀疲劳、应力 腐蚀、冲刷腐蚀、缝隙腐蚀、点蚀等等，对核电站的安全运行构成很大的潜在威胁。因此，在 实验室中模拟核电高温高压水环境来研究压力构件材料的腐蚀疲劳问题具有重要的意义。 而开展这类研究首先必须解决高温高压水环境条件下进行疲劳试验的装置问题。由于高温 高压水环境苛刻，对试验装置要求非常高，实现起来非常困难，目前国外只有少数几家大公 司能生产成套的试验装置，但是价格极其昂贵，且结构复杂，使用、维护、维修都非常麻烦， 国内相关厂家尚没有制造该类成套设备的能力。
实用新型内容本实用新型目的在于提供一种能在高温高压循环水环境下测试材料腐蚀疲劳性 能的装置，解决现有技术中存在的结构复杂、使用维护麻烦等问题。本实用新型的技术方案如下一种带高温高压循环水的腐蚀疲劳试验装置，该装置设有高温高压循环水系统、 高压釜、疲劳机，高温高压循环水系统与高压釜连通，实验样品设置于高压釜内，实验样品 与疲劳机的加载部分连接；高温高压循环水系统包括储水罐、循环泵、高压泵、缓冲罐、热交换器、预热器、冷 凝器、背压阀、离子交换树脂，储水罐的出水口通过管路连接循环泵，循环泵的出口连分别 通过管路连接一回路和二回路；一回路在一段管路之后分两路，第一路直接与储水罐连接， 第二路与储水罐连接的管路上设有离子交换树脂；二回路的管路上设有高压泵、缓冲罐、热 交换器、冷凝器、背压阀，管路的出口接入一回路的第二路上；高压釜的入口通过管路连接热交换器，在所述管路上设有预热器，高压釜的出口 通过管路连接热交换器。所述的带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，储水罐的上部设有加液口和出气 口，储水罐的出气口连有排气装置。所述的带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，储水罐的下部设有排水口、出水 口、氧气入口、氮气入口，排水口和出水口分别连接手动调节阀，氮气入口和氧气入口分别连接氮气罐和氧气罐。所述的带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，循环泵的出口连接一个棉芯过滤 器，棉芯过滤器的出口分为一回路和二回路，一回路上设有手动调节阀、进水转子流量计、 电阻表，二回路上设有手动调节阀。所述的带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，一回路的第二路与储水罐连接的 管路上设有两个手动调节阀，离子交换树脂上连有旁路，旁路上设有手动调节阀；二回路管 路的出口接入一回路的第二路上两个手动调节阀之间的管路。所述的带高温高压循环水的 腐蚀疲劳实验装置，缓冲罐与换热器之间的管路上安装有安全阀。所述的带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，背压阀与冷凝器之间的管路上安 保过滤器，二回路管路的出口与背压阀之间的管路上设有出水转子流量计。所述的带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，高压釜倒置在疲劳机托台上，高 压釜盖在下，高压釜体在上，高压釜的上端固定在疲劳机的横梁上，高压釜的下端连有水冷 套装置，高压釜盖上连接换热器的出水口和进水口连接，高压釜内侧的出水口上连有不锈 钢管，伸入高压釜体底部，高压釜外侧的出水口连有爆破阀。所述的带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，高压釜内设样品夹具，样品夹具 通过立柱固定在高压釜盖上；实验样品一端固定在样品夹具上，另一端连接拉伸轴的一 端，拉伸轴的另一端穿过水冷装置连接疲劳机传动装置。所述的带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，还设有高温高压循环水控制柜和 疲劳机控制柜，高温高压循环水控制柜连接循环泵、高压泵、预热器、高压釜；疲劳机和疲劳 机控制柜连接。本实用新型的有益效果是1、本实用新型的高温高压水循环水系统可以控制温度、压力、电阻率、溶解氧等水 化学参数，根据实验要求可以加入特殊离子，从而能够模拟一些实际服役环境，如轻水堆核 电站的压水堆和沸水堆中的高温高压水环境。2、本实用新型的高压泵和背压阀可以精确的调节循环水的压力(0 20MPa)，然 后通过预热器和高压釜将水从室温加热到400°C。3、本实用新型的离子交换树脂可以除去水中的杂质离子，精确控制水的电阻率 (0-18ΜΩ. cm)并且可以根据需要关闭离子交换树脂，氧气罐和氮气罐可以调节通入的溶解
氧含量。4、本实用新型可以在模拟实际的高温高压水环境进行疲劳实验，通拉伸轴连接实 验样品和疲劳机传动装置，从而对样品进行多种波型的疲劳加载。5、本实用新型采用压力平衡设计，保证拉伸轴在疲劳实验过程中不受高压釜内的 压力影响，使实验更加精确。6、本实用新型的压力平衡轴采用密封和水冷装置，保证压力平衡轴在往复运动时 保持良好的密封性能。7、本实用新型实现计算机自动控制和数据采集，运行稳定，安全可靠。8、本实用新型成本低廉、操作简单。
图1为本实用新型整个装置结构图。图2为国产压力容器用SA508-3低合金钢高温高压腐蚀疲劳实验的应力范围与循 环周次曲线。图1中，1-储水罐；2-排气装置；3-氮气罐；4-氧气罐；5_循环泵；6_棉芯过滤器； 7-高压泵；8-缓冲罐；9-热交换器；10-预热器；11-拉伸轴；12-水冷套；13-托台；14-实 验样品；15-高压釜；16-疲劳机；17-冷凝器；18-安保过滤器；19-背压阀；20-出水转子 流量计；21-离子交换树脂；22-进水转子流量计；23-电阻表；24-高温高压循环水控制柜； 25-疲劳机控制柜；26-电脑；27高压釜盖；28高压釜体；29-通气管；Vl V7-手动调节 阀；Sl-安全阀；S2-爆破阀。
具体实施方式
如图1所示，本实用新型提供了一种能在高温高压循环水环境下测试材料腐蚀疲 劳性能的装置，该装置主要由高温高压循环水系统、高压釜、疲劳机、控制系统四部分组成。 高温高压循环水系统与高压釜连通，高温高压循环水系统为高压釜内提供实验所需的高温 高压水，实验样品设置于高压釜内，实验样品与疲劳机的加载部分连接，疲劳机对高压釜内 的实验样品进行疲劳加载，控制系统控制整个高温高压循环水系统和疲劳机，从而实现高 温高压条件下的腐蚀疲劳实验，具体如下高温高压循环水系统中有一个150升的有机玻璃储水罐1，储水罐为这个循环水 回路提供水源，试验后的水经过一系列冷却过滤后又重新回到储水罐，整个高温高压循环 水形成一个封闭的回路。储水罐1上有一个加液口，将准备好的溶液从加液口注入储水罐 1，一般所加溶液液位到达储水罐高度三分之二即可。储水罐1上部的出气口还连接一个排 气装置2，可以将储水罐1中的空气排出并防止外界空气进入储水罐1。储水罐1下部各有 一个排水口、出水口、氧气入口、氮气入口，所述的排水口上有一个手动调节阀Vl，用来控制 是否排出储水罐中的水；所述的出水口上也有一个手动调节阀V2，用来控制进入循环水回 路中溶液的流量；氮气入口和氧气入口分别连接氮气罐3和氧气罐4，用来控制储水罐1中 的溶解氧含量，氮气入口和氧气入口伸入储水罐1的一端分别插有多孔的通气管29，以便 气体缓慢均勻的进入储水罐1。储水罐1的出水口通过管路连接循环泵5，在所述管路上设有手动调节阀V2，循环 泵5的出口分别通过管路连接一回路和二回路。在所述一回路、二回路与循环泵5之间的 管路上设有棉芯过滤器6。一回路在一段管路(该段管路上设有手动调节阀V4、进水转子 流量计22、电阻表2 之后分两路，第一路直接与储水罐1连接，第二路与储水罐1连接的 管路上设有手动调节阀V5、手动调节阀V6、离子交换树脂21，离子交换树脂21上连有旁路， 旁路上设有手动调节阀V7。二回路的管路上依次设有手动调节阀V3、高压泵7、缓冲罐8、 热交换器9、冷凝器17、安保过滤器18、背压阀19、出水转子流量计20，管路的出口接入一回 路的第二路上手动调节阀V5、手动调节阀V6之间的管路。高压釜15的入口通过管路(所述管路上设有预热器10)连接热交换器9，高压釜 15的出口通过管路(所述管路上设有爆破阀S》连接热交换器9。工作时，打开储水罐1下部出水口前面的手动调节阀V2，溶液进入循环泵5，所述的循环泵5使储水罐1中的溶液进入整个回路，循环泵5连接一个棉芯过滤器6，该棉芯过 滤器6可以过滤溶液中的大颗粒杂质，然后溶液分为两路一回路和二回路，一回路为常温 常压溶液，回路前有一个手动调节阀V4，控制进入一回路的溶液，手动调节阀V4后有一个 进水转子流量计22，可以显示进入一回路的溶液流量，进水转子流量计22后有一个电阻表 23，可以测试回路水的电阻率，然后溶液分为两路，一路直接流入储水罐1，此路主要是为了 分流，以便更好的调节另一路流入离子交换树脂21的流量，另一路经过离子交换树脂21过 滤后流回储水罐1，离子交换树脂21上连接一个旁路，旁路上有一个手动调节阀V7，用来控 制开启或关闭旁路，离子交换树脂21前两个手动调节阀V5和V6，用来控制进入离子交换树 脂的溶液流量。当回路需要加入离子时，既可以关闭手动调节阀V5和V6，打开旁路上的手 动调节阀V7 ；当需要过滤溶液中的离子时，可以关闭旁路手动调节阀V7，而打开手动调节 阀V5和V6，使一回路溶液全部经过离子交换树脂21，一回路溶液经过不断循环，可以使储 水罐1中的溶液达到实验要求。二回路溶液经过一个手动调节阀V3，进入高压泵7加压，然后经过缓冲罐8的缓冲 使压力更加平稳之后进入热交换器9，缓冲罐8后安装一个安全阀Si，当压力超过设定值即 可泄压来保护整个回路；溶液在热交换器9充分换热后进入预热器10进行加热，当加热到 设定值后进入高压釜15继续加热到实验温度，溶液从高压釜流出进入热交换器9进行热交 换后，经过冷凝器17的冷却到室温，然后进入背压阀19进行背压后，溶液压力变为常压，然 后流入离子交换树脂21过滤，最后流回储水罐1，完成一个回合。高压釜出口有一个爆破 阀S2，用来避免高压釜内因过压而引起的爆炸。背压阀19前有一个孔径50目的安保过滤 器18，用来过滤杂质从而避免背压阀堵塞，背压阀19后面有一个出水转子流量计20，用来 显示二回路的流量。高压釜15为316不锈钢高压釜，体积10升，设计温度和压力(400°C、25MPa)。为了 便于加载，高压爸颠倒放置，即高压釜盖27在下，高压釜体28在上，高压釜15的上端固定(悬 挂)在疲劳机16的横梁上，横梁可以往返运动，用来升降高压釜；高压釜15的下端固定在托台 13上，高压釜的进、出水口设在高压釜盖27的侧面，高压釜盖27底部连接水冷装置12 ；高压 釜15内有一套样品夹具，样品夹具通过四个小立柱固定在釜内侧的高压釜盖27上，高压釜盖 27上连接换热器9的出水口和进水口，高压釜内侧的出水口上连接一根不锈钢管，伸入高压釜 体底部，高压釜外侧的出水口连接一个爆破阀S2。实验样品14一端固定在样品夹具上，另一端 连接拉伸轴U的一端，拉伸轴U的另一端穿过水冷装置12连接疲劳机传动装置。这样，就能 通过拉伸轴的传递对釜内实验样品进行疲劳试验，拉伸轴U上有压力平衡设计，在实验过程中 拉伸轴11上的压力就能保持平衡，使得釜内的高压对拉伸轴没有影响，拉伸轴11和水冷装置 12之间采用密封组合，使得拉伸轴在往复运动时保持良好的动密封性能。整个高温高压循环水系统由高温高压循环水控制柜M控制，高温高压循环水控 制柜M可以按常规方式控制循环泵5的开关、高压泵7的开关、预热器10的控温、高压釜 15的控温、高压泵7出水压力显示、高压釜15内压力显示、过压过热报警、紧急停机按钮，从 而精确的调节循环水的温度、压力和流量。疲劳机16和疲劳机控制柜25连接，可以通过疲 劳机控制柜25对疲劳机进行操作，在控制柜上可以按常规方式设置控制模式、载荷、位移、 频率、波形等，从而对高压釜15内的实验样品14进行疲劳实验。控制柜连接一台电脑沈， 可以记录疲劳实验数据，并且可以实现对疲劳机的自动控制。[0036]运行这套带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，包括如下步骤1、储水罐1注水。关闭手动调节阀V1、V2，打开储水罐1上面的加液口，注入实验 用水，当水位到达储水罐1高度约三分之二时，认为注水完毕。2、装实验样品。打开疲劳机控制柜25，使疲劳机16的上横梁向上移动，从而带动 高压釜15的高压釜体28上移，分开高压釜体28和高压釜盖27后，将实验样品14下端固 定在拉伸轴11上，然后操纵疲劳机控制柜25，使拉伸轴11向上移动，当实验样品上端顶住 夹具上平台后，拧紧夹具螺栓，使样品上下两端固定。3、拧紧高压釜。装完试验样品后，操纵疲劳机控制柜25，放下疲劳机上横梁，使高 压釜体观和高压釜盖27充分结合，然后拧紧高压釜下面的主螺栓，使高压釜完全密封。4、通循环水。打开手动调节阀V1、V2，使储水罐1与回路接通，打开高温高压循环 水控制柜对，打开循环泵5的开关按钮，将储水罐1的水分别送入一回路和二回路，调节 手动调节阀V3、V4，观察出水转子流量计20、进水转子流量计22使流入两个回路的流量适 中。5、循环水过滤。如果需要过滤循环水，打开手动调节阀V4、V5、V6，关闭手动调节 阀V7，使釜内出水全部通过离子交换树脂21，充分循环直到水的电阻率满足实验要求；如 果循环水中已经加入了特殊离子，关闭手动调节阀V6，打开手动调节阀V7，使循环水不通 过离子交换树脂。6、循环水升压。打开高温高压循环水控制柜M上高压泵7的开关按钮，手动调节 高压泵7的行程，然后向右缓慢拧紧背压阀19，此时压力逐渐上升，直到达到实验压力。7、循环水加热。加热前打开冷凝器17和水冷装置12的自来水开关，然后开启高 温高压循环水控制柜M上预热器10和高压釜15控温按钮，设定实验温度，然后开启加热 按钮使其自动控温，此时釜内的温度逐渐上升，当到达设定温度后，高温高压循环水控制柜 24内的控温装置对其温度自行调节，直到温度稳定。8、疲劳加载。开启电脑沈，打开疲劳机16的常规控制软件，设定疲劳实验的参数 (控制模式、波形、频率、循环周次、应力、应变、停机条件)，然后开启自动加载，此时电脑沈 控制疲劳机的运行，实验数据自动保存在电脑硬盘。9、停止实验。当疲劳实验达到设定的条件后，停止电脑沈上的疲劳机控制软件， 保存实验数据，然后关闭高温高压循环水控制柜M上的预热器10和高压釜15的加热开 关，此时釜内温度逐渐降低，当到达室温后，向左调节背压阀19，使压力降低为零，调节高压 泵7的行程为零，关闭循环泵5和高压泵7，使水停止循环，然后关闭冷凝器17和水冷装置 12的自来水，实验结束。实施例1国产压力容器用SA508-3低合金钢在300°C、lOMPa、DO溶解氧饱和的高温高压循 环水中的腐蚀疲劳实验，应变幅值为2. 18%。实验样品材料为一种国产核电站压力容器用SA508-3低合金钢，加工成光滑圆棒 试样，标距为16mm，直径为8mm，把疲劳样品固定在夹具上，拧紧高压釜，将储水罐注满水 后，通入氧气，使储水罐内保持0. 2 0. 5MPa的氧气压至少12小时，水中的溶解氧达到饱 和(Sppm)，开动高温高压循环水控制柜和疲劳机控制柜，启动循环泵，使水全部经过离子 交换树脂过滤，当出水电电阻率> IOM Ω. cm，开启高压泵，调节行程为12mm，然后调节背压阀，使压力为lOMPa，预热器温度设定为350°C，高压釜温度设定为300°C，启动加热开关，当 釜内温度到达设定温度后，稳定30分钟，然后打开电脑上的疲劳机控制软件，设定控制模 式为位移，波形为三角波，应变速率为0. 001s—1，应变幅值设为2. 18 %，边界条件设为当峰 值应力下降到最大稳定应力值的75%时停止实验，其对应的循环次数队5定义为疲劳寿命。 当循环周次达到1719周时，实验停止。图2是实验记录的应力幅值(2. 18% )与循环周次 曲线，疲劳寿命为1719周次。实施例2国产压力容器用SA508-3低合金钢在应变幅值为1. 9%时的高温高压腐蚀疲劳实 验。实验样品材料为一种国产核电站压力容器用SA508-3低合金钢，加工成光滑圆棒 试样，标距为16mm，直径为8mm，把疲劳样品固定在夹具上，拧紧高压釜，将储水罐注满水 后，通入氧气，使储水罐内保持0. 2 0. 5MPa的氧气压至少12小时，水中的溶解氧达到饱 和(Sppm)，开动高温高压循环水控制柜和疲劳机控制柜，启动循环泵，使水全部经过离子 交换树脂过滤，当出水电电阻率> IOM Ω. cm，开启高压泵，调节行程为12mm，然后调节背压 阀，使压力为lOMPa，预热器温度设定为350°C，高压釜温度设定为300°C，启动加热开关，当 釜内温度到达设定温度后，稳定30分钟，然后打开电脑上的疲劳机控制软件，设定控制模 式为位移，波形为三角波，应变速率为0. 001s—1，应变幅值设为1.9%，边界条件设为当峰值 应力下降到最大稳定应力值的75%时停止实验，其对应的循环次数队5定义为疲劳寿命。当 循环周次达到4255周次时，实验停止，图2是实验记录的应力幅值(1. 9% )与循环周次曲 线，疲劳寿命为4255周次。本实用新型设备已经累计运行半年多，单次连续运行最长时间是七天七夜，实验 过程中设备运转安全稳定，没有出现密封泄漏等问题。该装置结构简单，使用维护都比较方 便且能够较好地满足实验要求，对开展核电材料高温高压水环境中疲劳性能研究，提高我 国核电站关键设备的服役安全性、可靠性和经济性有重要意义。
权利要求1.一种带高温高压循环水的腐蚀疲劳试验装置，其特征在于该装置设有高温高压循 环水系统、高压釜、疲劳机，高温高压循环水系统与高压釜连通，实验样品设置于高压釜内， 实验样品与疲劳机的加载部分连接；高温高压循环水系统包括储水罐(1)、循环泵(5)、高压泵(7)、缓冲罐(8)、热交换器 (9)、预热器(10)、冷凝器(17)、背压阀(19)、离子交换树脂(21)，储水罐(1)的出水口通过 管路连接循环泵(5)，循环泵(5)的出口连分别通过管路连接一回路和二回路；一回路在一 段管路之后分两路，第一路直接与储水罐(1)连接，第二路与储水罐(1)连接的管路上设 有离子交换树脂；二回路的管路上设有高压泵(7)、缓冲罐(8)、热交换器(9)、冷凝器 (17)、背压阀(19)，管路的出口接入一回路的第二路上；高压釜(1 的入口通过管路连接热交换器(9)，在所述管路上设有预热器(10)，高压 釜(1 的出口通过管路连接热交换器(9)。
2.按照权利要求1所述的带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，其特征在于储水 罐(1)的上部设有加液口和出气口，储水罐(1)的出气口连有排气装置O)。
3.按照权利要求1所述的带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，其特征在于储水 罐(1)的下部设有排水口、出水口、氧气入口、氮气入口，排水口和出水口分别连接手动调 节阀，氮气入口和氧气入口分别连接氮气罐C3)和氧气罐G)。
4.按照权利要求1所述的带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，其特征在于循环 泵(5)的出口连接一个棉芯过滤器(6)，棉芯过滤器(6)的出口分为一回路和二回路，一回 路上设有手动调节阀、进水转子流量计(22)、电阻表(23)，二回路上设有手动调节阀。
5.按照权利要求1所述的带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，其特征在于一回 路的第二路与储水罐(1)连接的管路上设有两个手动调节阀，离子交换树脂上连有旁 路，旁路上设有手动调节阀；二回路管路的出口接入一回路的第二路上两个手动调节阀之 间的管路。
6.按照权利要求1所述的带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，其特征在于缓冲 罐(8)与换热器(9)之间的管路上安装有安全阀。
7.按照权利要求1所述的带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，其特征在于背压 阀(19)与冷凝器(17)之间的管路上安保过滤器(18)，二回路管路的出口与背压阀(19)之 间的管路上设有出水转子流量计00)。
8.按照权利要求1所述的带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，其特征在于高压 釜(1 倒置在疲劳机托台(1 上，高压釜盖、2Τ)在下，高压釜体08)在上，高压釜(15) 的上端固定在疲劳机(16)的横梁上，高压釜(1 的下端连有水冷套装置(12)，高压釜盖 (27)上连接换热器(9)的出水口和进水口连接，高压釜(1 内侧的出水口上连有不锈钢 管，伸入高压釜体08)底部，高压釜(1 外侧的出水口连有爆破阀。
9.按照权利要求8所述的带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，其特征在于高压 釜(1 内设样品夹具，样品夹具通过立柱固定在高压釜盖上；实验样品(14) 一端固定在样 品夹具上，另一端连接拉伸轴(11)的一端，拉伸轴(11)的另一端穿过水冷装置(1 连接 疲劳机传动装置。
10.按照权利要求1所述的带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，其特征在于还设 有高温高压循环水控制柜04)和疲劳机控制柜(25)，高温高压循环水控制柜04)连接循环泵(5)、高压泵(7)、预热器(10)、高压釜(15)；疲劳机(15)和疲劳机控制柜(25)连接。
专利摘要本实用新型属于材料实验领域，具体为一种带高温高压循环水的腐蚀疲劳实验装置，解决现有技术中存在的结构复杂、使用维护麻烦等问题。该装置设有高温高压循环水系统、高压釜、疲劳机，高温高压循环水系统与高压釜连通，实验样品设置于高压釜内，实验样品与疲劳机的加载部分连接；高温高压循环水系统包括储水罐、循环泵、高压泵、缓冲罐、热交换器、预热器、冷凝器、背压阀、离子交换树脂，高压釜的入口通过管路连接热交换器，在所述管路上设有预热器，高压釜的出口通过管路连接热交换器。高温高压循环水系统为高压釜内提供实验所需的高温高压水，疲劳机对高压釜内的实验样品进行疲劳加载，控制系统控制高温高压循环水系统和疲劳机。
文档编号G01N3/56GK201852773SQ20102027665
公开日2011年6月1日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者吴欣强, 徐松, 柯伟, 韩恩厚 申请人:中国科学院金属研究所