一种核用锆合金管材蠕变性能专用测量装置制造方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种核用锆合金管材蠕变性能专用测量装置，其包括试样单元、加热单元、测试单元、加压单元及控制单元，加热单元包括筒式电阻炉，试样单元包括锆合金试样管、分别与试样管的两端连接的压力注入管和压力传出管、轴向蠕变夹具以及设置在试样管端部的夹头，锆合金试样管设置在筒式电阻炉内，压力注入管与加压单元的高压气体出口连通；测试单元包括激光测径仪、安装在试样管外的控温热电偶、位移传感器以及压力传感器；控制单元包括总控制柜，其分别与测试单元的各测试装置、加压单元、加热单元连接，实现温度和压力的闭环控制。本实用新型可在线同时测量轴向蠕变和径向蠕变，可闭环控温控压，可轴向加载，成本低，试验成功率高。
【专利说明】一种核用锆合金管材蠕变性能专用测量装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种核用锆合金管材蠕变性能测量装置。
【背景技术】
[0002] 核燃料元件是反应堆的核心部件，由燃料芯块、包壳及其构件组成。由于核燃料元 件的运行环境比较恶劣，中子辐照、冷却剂的腐蚀及在开堆、停堆以及运行后期燃料芯块与 锆合金包壳管的机械相互作用和裂变气体产物的释放，使包壳管承受双向应力，均会造成 燃料元件的力学性能下降，形成安全隐患。核燃料元件的安全性能直接影响反应堆的安全 可靠性。在核燃料元件的设计及模拟工况评价时需要了解锆合金包壳管的基本性能，包括 内压蠕变和持久性能。
[0003] 通常金属材料的高温蠕变和持久性能的测定是选用标准的圆形横截面试样进行 高温单向拉伸蠕变或持久试验，无法反应样品环向应力状态下的蠕变性能。环向拉伸及环 向蠕变试验可以模拟锆合金管材的单一环向应力状态，而在实际使用条件下，锆合金管材 在高温下承受内压时实际上受到环向和轴向二维应力，传统的拉伸蠕变与持久试验方法的 结果与实际工况有一定的差距。因此，采用锆合金管材在高温下直接承受内压进行内压蠕 变试验可以更好的模拟其在应用中的实际应力状态，试验结果具有更强的指导意义。
[0004] 国际上针对金属管材内压蠕变试验主要采用锅炉管内压蠕变试验方法。从上世纪 70年代起，国内火电行业建立了一批锅炉管内压蠕变试验机，对锅炉管进行了大量的内压 蠕变试验研究，但这些试验机存在泄漏率高、试验压力不稳定，温度控制精度差等缺陷。新 研制的锆合金内压蠕变试验装置则主要采用对试样充压后焊死的方法来保证密封。在试验 条件下保温若干小时后冷却再对外径进行测量，从而确定管材环向蠕变的变形量。该方法 主要存在的缺点为1、试验管材如存在压力泄漏，无法进一步试验；2、随着变形量的增加， 试验管材内的压力将会降低，试验条件将发生变化；3、无法在线监测试验条件下的管材的 环向变形。
【发明内容】
[0005] 本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术所存在的不足，提供一种核用锆 合金管材蠕变性能专用测量装置，该装置操作简单，工作效率高，使用方便，能更好地模拟 包壳在堆内的复杂应力状态，提高试验成功率，闭环控制试验温度及压力，实现数据的实时 在线记录。
[0006] 为解决上述技术问题，本实用新型采取如下技术方案：
[0007] -种核用锆合金管材蠕变性能专用测量装置，其包括试样单元、加热单元、测试单 元、用于提供高压气体的加压单元以及控制单元，加热单元包括筒式电阻炉，试样单元包括 待测试的锆合金试样管、分别与试样管的两端连接的压力注入管和压力传出管、设置在试 样管一端部的轴向蠕变夹具以及设置在试样管端部的夹头，锆合金试样管设置在筒式电阻 炉内，压力注入管与加压单元的高压气体出口连通；测试单元包括用于测量试样管外径的 激光测径仪、安装在试样管外的控温热电偶、用于测量试样管轴向长度变化的位移传感器 以及用于测量试样管压力的压力传感器；控制单元包括总控制柜，其分别与测试单元的各 测试装置、加压单元、加热单元连接，实现温度和压力的闭环控制。
[0008] 根据一个具体方面，所述筒式电阻炉和试样管直立设置，位移传感器位于试样单 元下方。
[0009] 优选地，所述加压单元包括动力气管路、工作气管路、气体增压器以及与气体增压 器并联连接的多个高压气体出口管路，所述的高压气体出口管路的末端为高压气体出口。 [0010] 优选地，所述动力气管路上依次连接有压缩空气接口、过滤器、调压阀、压力表、安 全阀和截止阀。
[0011] 优选地，所述气管路包括工作气瓶及依次连接的过滤器、压力表和截止阀；工作气 气体通过气体增压器增压为高压气体。
[0012] 优选地，所述高压气体出口管路自与气体增压器连接的端部至高压气体出口依次 设有安全阀、高压截止阀、压力表和高压卸荷阀。
[0013] 优选地，所说的压力注入管、压力传出管均采用316不锈钢制成，室温下可承受压 力 60000psi。
[0014] 优选地，所说的压力注入管和压力传出管分别通过Swagelok快速接头与所述试 样管连接。
[0015] 优选地，所述的测量装置还包括通过夹头向试样管施加轴向载荷的压力装置。通 过压力装置和夹头可调节试样管环向轴向应力比。
[0016] 优选地，所述筒式电阻炉采用多段加热控温，均温区大于等于300mm，保证有足够 的均温区长度。
[0017] 优选地，加热单元有多个，多个加热单元相互独立，互不干扰。
[0018] 本实用新型的使用方法是：整个试验加热单元的试样表面温度达到试验温度后， 通过加压单元高压气体出口与试样连接将试样加压至要求的试验压力并保持压力和温度 稳定，在线测量锆合金管材的轴向与径向蠕变结果。
[0019] 由于以上技术方案的实施，本实用新型与现有技术相比具有如下优点：
[0020] 本实用新型的核用锆合金管材内压蠕变性能测量装置是一种在线测量装置，可在 线同时测量轴向蠕变和径向蠕变，可闭环控温控压，可轴向加载，成本低，试验成功率高，特 别适用于模拟核用锆合金管材在反应堆内的复杂受力状态下内压蠕变性能在线测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0021] 下面结合附图和具体的实施例对本实用新型做进一步详细的说明。
[0022] 图1为根据本实用新型的核用锆合金管材蠕变性能专用测量装置的结构示意图；
[0023] 图2为图1的局部放大示意图；
[0024] 其中：A、加压单元；B、加热单元；1、压缩空气接口；2、过滤器；3、调压阀；4、压力 表；5、安全阀；6、截止阀；7、工作气瓶；8、气体增压器；9、高压截止阀；10、高压卸荷阀；11、 高压气体出口；12、筒式电阻炉；13、激光测径仪；15、控温热电偶；17、位移传感器；18、压力 传感器；19、总控制柜；20、夹头；21、压力注入管；22、Swagelok快速接头；23、试样管；24、 压力传出管；25、轴向蠕变夹具。
【具体实施方式】
[0025] 如图1所示，本例提供的核用锆合金管材蠕变性能专用测量装置包括加压单元A、 控制单元、多个加热单元B、测试单元。在加热单元B内设有试样单元D。控制单元包括总 控制柜19,其分别与测试单元的各测试装置、加压单元A、加热单元B连接，实现温度和压力 的闭环控制。
[0026] 加压单元A包括动力气管路、工作气管路、气体增压器以及与气体增压器并联连 接的多个高压气体出口管路，所述的高压气体出口管路的末端为高压气体出口。动力气管 路上依次连接有压缩空气接口 1、过滤器2、调压阀3、压力表4、安全阀5和截止阀6。工作 气管路包括工作气瓶7及依次连接的过滤器2、压力表4和截止阀6 ;工作气气体通过气体 增压器8增压为高压气体。高压气体出口管路依次连接有安全阀5,高压截止阀9、压力表 4和高压卸荷阀10至高压气体出口 11。加压单元A的实施方式为：压缩空气由压缩空气接 口 1进入，依次通过过滤器2、调压阀3、压力表4和截止阀6为气体增压器8提供动力，工 作气瓶7中的工作气体及依次通过过滤器2、压力表4和截止阀6,由气体增压器8增压为 高压气体经由高压截止阀9至高压气体出口 11输入各试样管。压力表4测量各阶段压力。 压力表4,截止阀6和高压截止阀9与控制单元的总控制柜19相连接，试样达到设定压力时 自动停机，低于设定压力达到某一程度时自动补压。
[0027] 筒式电阻炉12采用多段加热控温，均温区大于300mm，保证有足够的均温区长度。
[0028] 参见图2,本实用新型的试样单元包括试样管23以及设置在试样管23两端的压 力注入管21和压力传出管24,轴向蠕变夹具25以及夹头20。压力注入管21、压力传出管 24采用316不锈钢制成，室温下可承受压力60000psi，采用Swagelok快速接头22与试样 管23连接；夹头20可施加轴向的载荷，调节环向轴向应力比。
[0029] 测试单元包括安装在筒式电阻炉12外用于测量所述试样管外径的激光测径仪 13、安装在试样管23外的控温热电偶15、安装在试样单元下方的位移传感器17以及压力传 感器18。
[0030] 本实用新型的各加热单元相互独立，互不干扰，整个试验加热单元的试样表面温 度达到试验温度后，通过加压单元高压出口与试样连接将试样加压至要求的试验压力并保 持压力和温度稳定，在线测量锆合金管材的轴向与径向蠕变结果。
[0031] 以上对本实用新型做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了 解本实用新型的内容并加以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围，凡根据本实用 新型的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围内。
【权利要求】
1. 一种核用锆合金管材蠕变性能专用测量装置，其特征在于：包括试样单元、加热单 元、测试单元、用于提供高压气体的加压单元以及控制单元，所述加热单元包括筒式电阻 炉，所述试样单元包括待测试的锆合金试样管、分别与所述试样管的两端连接的压力注入 管和压力传出管、设置在所述试样管一端部的轴向蠕变夹具以及设置在所述试样管端部的 夹头，所述锆合金试样管设置在所述筒式电阻炉内，所述压力注入管与所述加压单元的高 压气体出口连通；所述的测试单元包括用于测量所述试样管外径的激光测径仪、安装在所 述试样管外的控温热电偶、用于测量试样管轴向长度变化的位移传感器以及用于测量所述 试样管压力的压力传感器；所述控制单元包括总控制柜，其分别与所述测试单元的各所述 测试装置、所述加压单元、所述加热单元连接，实现温度和压力的闭环控制。
2. 根据权利要求1所述的核用锆合金管材蠕变性能专用测量装置，其特征在于：所述 筒式电阻炉和试样管直立设置，所述的位移传感器位于所述试样单元下方。
3. 根据权利要求1所述的核用锆合金管材蠕变性能专用测量装置，其特征在于：所述 加压单元包括动力气管路、工作气管路、气体增压器以及与气体增压器并联连接的多个高 压气体出口管路，所述的高压气体出口管路的末端为高压气体出口。
4. 根据权利要求3所述的核用锆合金管材蠕变性能专用测量装置，其特征在于：所述 动力气管路上依次连接有压缩空气接口、过滤器、调压阀、压力表、安全阀和截止阀。
5. 根据权利要求3所述的核用锆合金管材蠕变性能专用测量装置，其特征在于：所述 气管路包括工作气瓶及依次连接的过滤器、压力表和截止阀；工作气气体通过所述气体增 压器增压为高压气体。
6. 根据权利要求3所述的核用锆合金管材蠕变性能专用测量装置，其特征在于：所 述高压气体出口管路自与气体增压器连接的端部至高压气体出口依次设有安全阀、高压截 止阀、压力表和高压卸荷阀。
7. 根据权利要求1所述的核用锆合金管材蠕变性能专用测量装置，其特征在于：所说 的压力注入管、压力传出管均采用316不锈钢制成，室温下可承受压力60000psi。
8. 根据权利要求1所述的核用锆合金管材蠕变性能专用测量装置，其特征在于：所说 的压力注入管和压力传出管分别通过Swagelok快速接头与所述试样管连接。
9. 根据权利要求1所述的核用锆合金管材蠕变性能专用测量装置，其特征在于：所述 的测量装置还包括通过所述夹头向所述试样管施加轴向载荷的压力装置。
10. 根据权利要求1所述的核用锆合金管材蠕变性能专用测量装置，其特征在于：所 述筒式电阻炉采用多段加热控温，均温区大于等于300mm。
【文档编号】G01N3/18GK203908882SQ201420346047
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】王荣山, 张晏玮, 翁立奎, 柏广海, 谭军, 温敦古, 刘二伟, 梅金娜, 陈刘涛, 李锐, 邹红 申请人:苏州热工研究院有限公司, 中科华核电技术研究院有限公司, 中国广核集团有限公司