模拟高温高压及流动介质的试样及应用其的模拟试验方法与流程

本发明涉及测量材料性能的模拟试验用试样和相应方法，具体涉及一种带有悬挂试片的模拟高温/高压/流动介质工况的试样和应用该试样进行试验的方法。

背景技术：

换热管是换热器的重要部件之一，换热管的安全性是换热器能都安全运行的重要元素之一，工作工况一般为高温、高压、流动介质(水、水蒸气等)，在不同的设备中对换热管的性能要求也是不同的，而常规试验与检验只能检测材料在常规条件下的固有性能，如拉伸强度等。但是换热管在实际运行条件下的性能表征，通过常规试样制备无法进行，尤其是对于高温气冷堆等特殊设备中的换热管，他们的工作环境更为苛刻，在苛刻的环境下，其实际性能通过常规试验是无法获知的；

为了保证换热管在模拟工况条件下的研究具有代表意义，一般需要保证试样处于模拟工况条件下较长时间，如果每种材料都进行一次循环，试验周期和成本很高，如果能够通过一次试验工程得到多组试验数据，自然能够显著的提升试验效率，降低成本；

一般的试验需目的是要获知材料在特定条件下被腐蚀的产物、原理、腐蚀厚度、腐蚀速率等等，有时还需要或者同种或者异种材料焊接后接头部分被腐蚀的产物、厚度、速率等等信息；

其中，一般试验标准考核材料被氧化/腐蚀速率的最准确方法为失重分析方法，但是对大尺寸试样进行高温、高压、流动介质中的氧化/腐蚀速率试验，其结果往往不够准确。

由于上述问题的存在，为了获得高温气冷堆换热管在高温、高压、流动介质的条件的相关性能，需要对换热管在相应模拟条件下进行试验，对换热管及相关材料之间的焊接接头进行性能分析，同时还要兼顾试验效率，降低试验成本，为此本申请人对相关试验用的试样做了深入分析，期待设计出一种能够解决上述问题的新的试样，和相应的模拟试验方法。

技术实现要素：

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种试样和相应的试验方法，其中，该试样包括试样本体和连接头；所述试样本体呈中空的长管状，括试样本体和连接头相连，并且内部都开设有空腔或气孔，能够容纳高压介质，从而模拟高温、高压的工作环境，在所述述空腔中还悬挂有试片，用以测算腐蚀速率；所述试样本体和连接头之间通过焊接的形式密闭连接，二者可以由不同的材质制成，所述试样本体也可以由多块不同材质的环状构件焊接拼装而成，从而还能够检测焊接位置的腐蚀情况，在一次试验中，获得多组、多种类的试验数据，大大提高工作效率，降低试验成本，从而完成本发明。

具体来说，本发明的目的在于提供一种试样，该试样包括试样本体1和连接头2；

所述试样本体1呈中空的长管状，其一端与连接头2相连，

在所述连接头2上开设有气孔21，

所述气孔21与试样本体1内的空腔11相通；

在所述空腔11中悬挂有试片3。

其中，在所述连接头2上安装有悬挂杆4，所述悬挂杆4另一端通过镍铬丝5与所述试片3相连。

其中，所述试空腔11呈圆柱状，其各个横截面的尺寸一致。

其中，连接头2上紧邻试样本体1的气孔为圆孔，在该段气孔内壁上开设有内螺纹22，

所述悬挂杆4的截面形状呈类矩形，在所述悬挂杆4的上端开设有外螺纹41，外螺纹41与内螺纹22相匹配，在悬挂杆4的下端设置有孔42。

其中，在所述连接头2上，远离试样本体1的一侧外部套设有密封垫圈，优选地，所述连接头2通过密封垫圈与循环泵密封连接。

其中，所述连接头2有两个，分别设置在试样本体1的两侧。

其中，试样本体1和连接头2密封连接；

优选地，所述试样本体1和连接头2之间通过焊接的形式密闭连接。

其中，所述试样本体1由多块环状构件焊接拼装而成；

优选地，所述多块环状构件中至少包括两种材料。

本发明还提供一种获知材料在高温高压流动介质工况下腐蚀特性的模拟试验方法，该方法是通过如权利要求1-8所述的试样实现的。

其中，该方法包括如下步骤：

步骤1：拼装试样，包括在空腔11中悬挂试片3，焊接密封连接试样本体1和连接头2；

步骤2：在试样中填充介质，所述介质包括水；

步骤3：将试样两端分别与循环泵相连；

步骤4：将试样竖直放置在加热装置中，其中试样的介质进入端在下，介质出口端在上；

步骤5：加热到预定温度，调节试样内的压力达到预定值，通过循环泵使得试样内介质循环流动，如水蒸气，持续预定时间后降温冷却，并抽出试样内的介质，如水蒸汽和水；

步骤6：沿轴线方向破开试样，观察、检测试样内壁各个位置的腐蚀情况，并称量所述试片3的重量。

根据本发明提供的试样及应用其的模拟试验方法，能够同时检测材料在高温、高压和流动介质共同作用情况下的腐蚀特征，分析腐蚀原理、腐蚀产物，测量腐蚀厚度，计算腐蚀速率，并且能够同时测量多种材质及多种材质组合焊接处的上述腐蚀特征，试验环境更接近复杂的真实工作环境，试验结果更为可靠，试验效率大大提高，能够同时获得多种数据信息，并降低试验成本。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的试样整体结构示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的试样中连接头结构示意图；

图3示出根据本发明一种优选实施方式的试样中悬挂杆结构示意图。

附图标号说明：

1-试样本体

11-空腔

2-连接头

21-气孔

22-内螺纹

3-试片

4-悬挂杆

41-外螺纹

42-孔

5-镍铬丝

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

高温气冷堆中换热管所处的工作环境很苛刻，而其自身的特殊形状及尺寸也可能对其受到的腐蚀作用产生影响，所述换热管理论上可以由多种材料制成，但是这些种类的材料在实际工作环境中的实际寿命和使用效果难以通过理论推导获知，模拟试验是解决该问题的最佳方案，为此，本发明提出一种高温气冷堆换热管性能测定试验用试样，如图1、图2和图3中所示，该试样包括试样本体1和连接头2；所述试样本体1呈中空的长管状，其一端与连接头2相连，

优选地，所述连接头2有两个，分别设置在试样本体1的两侧。

在所述连接头2上开设有气孔21，所述气孔21与试样本体1内的空腔11相通；从而使得空腔中的介质可以流动，所述空腔是密闭构件，其内部的介质更容易保持在预定的压力范围内，

优选地，在所述空腔11中悬挂有试片3，所述试片是由待测材料制成的较小的块状或者片状构件，试片3的具体尺寸可根据失重分析要求确定，试片位于空腔中，其在试验过程中受到的压力、温度及介质流动等环境因素与试验本体受到的环境因素一致，同时由于其可以做的比较小，并且不与试样本体接触，能够通过失重法计算材料在该环境下的腐蚀速率。

在一个优选的实施方式中，如所述试空腔11呈圆柱状，其各个横截面的尺寸一致，从而保证试样本体1内部各个区域的压力相同，各个位置所受到的环境影响更为接近真实工作环境，使得试验结果更逼近真实值。

在一个优选的实施方式中，在所述连接头2上安装有悬挂杆4，所述悬挂杆4另一端通过镍铬丝5与所述试片3相连，所述悬挂杆与连接头2相连，从而使得镍铬丝5及试片3都不必与试样本体1相接触，所以试样本体1的测量结果不被影响，能够提供更多测试样本；设置悬挂杆4使得镍铬丝5的长度不会过长，而悬挂杆4也能使得试片的位置更为稳定，试片的摆动趋势会更小。优选地，所述镍铬丝5是一种能够在高温高压流动介质中不会失效的高温合金，属于性价比最优的连接绳，尺寸约为φ0.1～0.5mm。

在一个优选的实施方式中，如图2和图3中所示，所连接头2上紧邻试样本体1的气孔为圆孔，在该段气孔内壁上开设有内螺纹22，所述悬挂杆4的截面形状呈类矩形，在所述悬挂杆4的上端开设有外螺纹41，在悬挂杆4的下端设置有孔42；

所述内螺纹22与外螺纹41相配合，使得悬挂杆4通过螺纹旋拧的方式固定在连接头2上，使得安装作业更为方便，其中，截面为类矩形的悬挂杆4与截面为圆形的气孔之间虽然通过螺纹拧合，二者之间必然还存留有空隙，能够允许试样中的介质流动，不会堵塞通气孔；并且，通过螺旋旋拧固定的方式，能够使得悬挂杆4位于试样的中心位置，从而使得试片位于试样的中心位置，能够进一步保障试片及试样本体不受到彼此的干扰，提高试验准确性。悬挂杆4下端的孔42使得镍铬丝5与悬挂杆4之间的连接更为方便可靠。

在一个优选的实施方式中，在所述连接头2上，远离试样本体1的一侧外部套设有密封垫圈，优选地，所述连接头2通过密封垫圈与循环泵密封连接。该密封垫圈使得试样与循环泵的连接更为方便、紧密，能够确保整个试验设备的气密性完好，确保试样中压力稳定、，从而进一步模拟真实的工作环境。

在一个优选的实施方式中，试样本体1和连接头2密封连接；避免试样中的介质外泄，保证试样中的压力在在预定范围内；

在一个优选的实施方式中，所述试样本体1由多块环状构件焊接拼装而成；优选地，所述多块环状构件中至少包括两种材料，即试样本体1中既可以包含同种材料之间的焊接焊缝，也可以保护异种材料之间的焊接焊缝，从而极大地丰富了最终得到的焊接结果数据信息。

本发明中所述试样本体呈长管状，不仅仅便于同时将多种材料焊接在一起进行试验，还由于其长管状构造使得加热更为方便，基本能够保证长管状各个位置的温度都保持在预定温度范围内，使得试验环境更为逼真，试验结果更为可信；

本发明中，还提出了一种获知材料在高温高压流动介质工况下腐蚀特性的模拟试验方法，该方法是通过如上文所述的试样实现的。

具体来说，该方法包括如下步骤：

步骤1：拼装试样，包括在空腔11中悬挂试片3，焊接密封试样本体1和连接头2；其中，试样本体由多块环状构件拼装而成，相邻两个环状构件是同一种材质时，能够检测同种材质焊接后的腐蚀特性，如果相邻两个环状构件是不同材质时，能够检测异种材质焊接后的腐蚀特性。

步骤2：在试样中填充介质，所述介质为水性液，例如蒸馏水；

步骤3：将试样两端分别与循环泵相连；

步骤4：将试样竖直放置在加热装置中，其中试样的介质进入端在下，介质出口端在上；从而使得试样中的介质从下向上持续流动；

步骤5：加热试样到预定温度，试样中的水变为水蒸气，调节试样内的水蒸气的压力达到预定值，通过循环泵使得试样内水蒸汽流动，模拟换热管真实的工作环境并持续预定时间，完成后，降温冷却，并抽出试样内的蒸汽和水；

步骤6：沿轴线方向破开试样，观察、检测试样内壁各个位置的腐蚀情况，并称量所述试片3的重量，其中，对试样内表面的物质进行分析，能够获知试样材质在试验环境下的腐蚀产物，进而分析其腐蚀原理，通过测量腐蚀层的厚度获知材料被壁腐蚀的深度，还可以通过称量比较试片在试验前后的重量差，结合试验时间分析计算腐蚀速率。

试验例：

将incoloy-800h管材和sa-213t22管材进行对接焊，制成如图1和图2中所示的试样，在试样中添加a级水，试样两端与循环泵固接后竖直置于加热炉中，将试样加热至520±5℃，调节试样内的气压，使之处于14.5±0.5mpa，通过循环泵控制试样中的介质水蒸气流动，分别持续100h、300h、500h、1000h后，抽出介质，即可以同时进行时间条件不同的多组，通过多组试验获得的数据信息进行整体计算评估；降低到室温后破开试样，观察、测算试验的各个参数，接焊焊头内表面氧化物呈“河流状”，能观察到氧化物颗粒，氧化层较薄，1000h试验后的氧化膜厚度约为10μm，氧化层中主要含有cr、ti、fe、al和ni元素，氧化物为al2o3和fecr2o4；incoloy-800h母材及热影响区表面为细小的氧化物颗粒，氧化层较薄，1000h试验后的氧化膜厚度约为9μm，氧化层中主要含有cr、ti、fe、al和ni元素，氧化物为al2o3和fecr2o4；sa-213t22母材及表面为细小的氧化物颗粒，形成了较厚的氧化膜，1000h试验后的氧化膜厚度约为13μm，氧化膜中含有cr、fe和si元素，靠近蒸汽界面的氧化物为fe3o4，靠近基体的氧化物为少量的crfe2o4，计算得到sa-213t22的腐蚀速度约为0.03g/m²·h。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。