一种高温高压环境下蠕变性能试验系统及试验方法与流程

本发明属于材料试验技术领域，具体涉及一种高温高压环境下蠕变性能试验系统及试验方法。

背景技术：

在核电一回路安全端异种金属焊接接头中，采用了大量的低合金钢、镍基合金钢和奥氏体不锈钢，但这些材料在苛刻的服役环境下易发生应力腐蚀开裂。由于应力腐蚀开裂是一个在腐蚀环境、应力状态和材料性能共同作用下的裂纹缓慢扩展过程，在高温高压环境中焊材金属会发生蠕变，造成裂尖应力和应变场的变化，进而影响裂纹腐蚀开裂裂纹扩展速率。因此研究核电一回路安全端异种金属焊接接头的蠕变规律对核电的安全性具有重要意义。

目前所进行的蠕变试验，是对试样进行拉伸、压缩、弯曲、蠕变等，主要用于检测、研究金属材料、非金属、复合材料及其制品的静态持久拉伸、蠕变、应力腐蚀等的机械性能试验，可用于在naoh、no3-、h2s、cl-溶液、甲醇、n2o4、nh3、湿空气和水等介质环境下测定金属的应力腐蚀破坏特性试验，实时记录试样承受的拉伸载荷与试样标距段部分的伸长量，通过恒载荷、恒变形等试验方法不能迅速激发应力腐蚀的条件下，确定延性材料应力腐蚀敏感性、总结蠕变规律的加速试验方法。

在研究核电一回路安全端异种金属焊接接头在高温高压环境下的蠕变过程时，通常采用的测量蠕变的方法不适合于在高温高压环境下进行。因此需要一种在高温高压环境下可对核电一回路安全端异种金属焊接接头进行蠕变性能试验的装置及方法。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种高温高压环境下蠕变性能试验系统及试验方法，其采用加热加压釜，可对试件提供高温高压蠕变性能试验环境，上釜体和下釜体均具有柔性部，柔性部可跟随试件的位移，因此密封圈与试件之间不产生摩擦力，避免了对测试应力的影响，提高了测量精度，在蠕变性能试验过程中，可得到各个应变片的蠕变曲线和平均蠕变曲线，使用效果好。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种高温高压环境下蠕变性能试验系统，其特征在于：包括试验装置和与所述试验装置相接的控制装置；所述试验装置包括加热加压釜、粘贴在试件上的应变片、用于夹持试件的上夹持单元和下夹持单元、用于带动所述上夹持单元上下运动的第一升降装置和用于带动所述下夹持单元上下运动的第二升降装置；所述加热加压釜包括上釜体和与所述上釜体相互扣合的下釜体，所述上釜体和下釜体均由顶部开设有通孔的釜体和设置在所述通孔位置处的柔性部组成，所述柔性部上开设有与所述试件相适配的试验通孔，所述上釜体和下釜体均为双层空心结构，所述上釜体和下釜体的空心腔内均设置有加热组件，所述上釜体上设置有加压盖和加质盖；所述控制装置包括控制器、与所述控制器相接的计时模块、以及与所述应变片相接的信号处理模块，所述控制器的输入端接有输入模块、反馈模块、用于检测加热加压釜内温度的温度传感器、用于检测加热加压釜内压力的压力传感器、用于检测所述上夹持单元位移的上测距模块和用于检测所述下夹持单元位移的下测距模块，所述控制器的输出端接有提醒模块、加热组件、加压组件、上驱动模块、下驱动模块和显示模块，所述上驱动模块和下驱动模块的输出端均与反馈模块相接。

上述的一种高温高压环境下蠕变性能试验装置，其特征在于：所述第一升降装置包括上底座和上滑块，所述第二升降装置包括下底座和下滑块，所述下底座和上底座之间设置有第一滑轨和第二滑轨，所述上滑块和下滑块分别与第一滑轨、第二滑轨滑动连接，所述下驱动模块设置在下底座上并与下滑块相接，所述上驱动模块设置在上底座上并与上滑块相接，所述下夹持单元与下滑块固定连接，所述上夹持单元设置在上滑块上。

上述的一种高温高压环境下蠕变性能试验装置，其特征在于：所述上滑块与上夹持单元之间设置有连接杆，所述连接杆与上夹持单元固定连接，所述上滑块与连接杆铰接。

上述的一种高温高压环境下蠕变性能试验装置，其特征在于：所述上底座和上滑块之间、下底座和下滑块之间均连接有平衡杆，所述平衡杆为伸缩杆。

上述的一种高温高压环境下蠕变性能试验装置，其特征在于：所述应变片的数量为多个，每个应变片分别与信号处理模块相接，所述控制装置还包括均值计算模块和差值计算模块，所述信号处理模块的输出端分别与均值计算模块的输入端和差值计算模块的输入端相接，所述均值计算模块的输出端与差值计算模块相接，所述差值计算模块的输出端与控制器的输入端相接。

本发明还提供了一种方法步骤简单、实现方便的蠕变性能试验的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、选取拉伸试样：根据asme标准选取拉伸试样；

步骤二、将试样拉伸至恒定载荷处：通过输入模块设定拉伸时间上限值，采用上夹持单元和下夹持单元分别夹持试件的两端，采用上驱动模块和下驱动模块对试件施加轴径向荷载，拉伸速率为0.005～0.01mm/min，拉伸时间不小于500h；

步骤三、设置高温高压试验环境：将试件的两端分别从上夹持单元和下夹持单元上取下，分别在试件的不同部位粘贴多个应变片，将试件放入加热加压釜，试件伸出所述试验通孔并与所述密封圈配合连接，上夹持单元和下夹持单元分别夹持试件的两端，通过输入模块设定温度阈值和压力阈值，加热组件对加热加压釜加热，加压组件对加热加压釜加压，直到达到温度阈值和压力阈值；

步骤四、进行蠕变性能试验：

步骤401、通过输入模块设定蠕变时间上限值和应力差值上限值，采用上驱动模块和下驱动模块对试件施加轴径向荷载，拉伸速率为0.005～0.01mm/min，拉伸时间不小于500h，由应变片得到应力测试数值，由计时模块得到蠕变时间测试数值，并传输给控制器；

步骤402、均值计算模块计算多个应变片得到的应力测试数值的平均值，差值计算模块计算每个应变片得到的应力测试数值与平均值之间的差值，控制器根据应力测试数值得到各个应变片的蠕变曲线，根据应力测试数值的平均值得到平均蠕变曲线，控制器对差值和应力差值上限值进行比较，若差值小于应力差值上限值，进入步骤403，否则进入步骤404；

步骤403、控制器1对蠕变时间测试数值和蠕变时间上限值进行比较，当蠕变时间测试数值大于或等于蠕变时间上限值，试验结束，否则返回步骤402；

步骤404、提醒模块报警。

上述的方法，其特征在于：步骤三中还包括通过加质盖向加热加压釜中加入试验介质。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明的结构简单、设计合理，实现及使用操作方便。

2、本发明中，上釜体和下釜体均具有柔性部，柔性部上开设有与试件相适配的试验通孔，试验通孔内设置有密封圈，当试件在外力作用下发生形变时，试件带动密封圈发生位移，由于柔性部柔软可弯曲，因此柔性部在由密封圈传递而来的外力作用下，由自然弯曲状态被拉直，因此密封圈与试件之间不发生相对位移，密封圈与试件之间不产生摩擦力，避免了对测试应力的影响，提高了测量精度。

3、本发明采用加热加压釜，加热加压釜具有加热组件和加压盖，可对试件提供高温高压蠕变性能试验环境。

4、本发明可通过加质盖向加热加压釜中加入试验介质，满足高温高压腐蚀环境的试验条件，适用性好。

5、本发明在蠕变性能试验过程中，实时对多个应变片的应力测试数值与平均值之间的差值进行计算，当差值大于或等于应力差值上限值，即认为试件上的张力不均，通过提醒模块提醒试验人员进行试验复查。

6、本发明在蠕变性能试验过程中，控制器根据蠕变性能试验过程中接收到的各个应变片的应力测试数值得到各个应变片的蠕变曲线，根据蠕变性能试验过程中接收到的应力测试数值的平均值得到平均蠕变曲线，并通过显示模块显示出来，方便工作人员观察使用。

综上所述，本发明采用加热加压釜，可对试件提供高温高压蠕变性能试验环境，上釜体和下釜体均具有柔性部，柔性部可跟随试件的位移，因此密封圈与试件之间不产生摩擦力，避免了对测试应力的影响，提高了测量精度，在蠕变性能试验过程中，可得到各个应变片的蠕变曲线和平均蠕变曲线，使用效果好。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明加热加压釜的结构示意图。

图3为本发明的电路原理框图。

图4为本发明的方法流程图。

附图标记说明:

1—控制器；2—温度传感器；3—输入模块；

4—压力传感器；5—应变片；6—信号处理模块；

7—均值计算模块；8—差值计算模块；9—加热组件；

10—加压组件；11—显示模块；12—下底座；

13—第一滑轨；14—下滑块；15—上滑块；

16—第二滑轨；17—连接杆；18—上夹持单元；

19—下夹持单元；20—下驱动模块；21—加热加压釜；

22—试件；23—上驱动模块；24—上底座；

211—下釜体；212—上釜体；213—加压盖；

214—加质盖；215—柔性部，25—计时模块；

26—提醒模块；27—平衡杆，28—反馈模块。

具体实施方式

如图1、图2和图3所示，本发明包括试验装置和与所述试验装置相接的控制装置；所述试验装置包括加热加压釜21、粘贴在试件22上的应变片5、用于夹持试件22的上夹持单元18和下夹持单元19、用于带动所述上夹持单元18上下运动的第一升降装置和用于带动所述下夹持单元19上下运动的第二升降装置；所述加热加压釜21包括上釜体212和与所述上釜体212相互扣合的下釜体211，所述上釜体212和下釜体211均由顶部开设有通孔的釜体和设置在所述通孔位置处的柔性部215组成，所述柔性部215上开设有与所述试件22相适配的试验通孔，所述上釜体212和下釜体211均为双层空心结构，所述上釜体212和下釜体211的空心腔内均设置有加热组件9，所述上釜体212上设置有加压盖213和加质盖214；所述控制装置包括控制器1、与所述控制器1相接的计时模块25、以及与所述应变片5相接的信号处理模块6，所述控制器1的输入端接有输入模块3、反馈模块28、用于检测加热加压釜21内温度的温度传感器2、用于检测加热加压釜21内压力的压力传感器4、用于检测所述上夹持单元18位移的上测距模块25和用于检测所述下夹持单元19位移的下测距模块26，所述控制器1的输出端接有提醒模块26、加热组件9、加压组件10、上驱动模块23、下驱动模块20和显示模块11，所述上驱动模块23和下驱动模块20的输出端均与反馈模块28相接。

实际使用时，加介盖214上开设有可供与应变片5连接的数据线穿过的通孔。

本实施例中，所述第一升降装置包括上底座24和上滑块15，所述第二升降装置包括下底座12和下滑块14，所述下底座12和上底座24之间设置有第一滑轨13和第二滑轨16，所述上滑块15和下滑块14分别与第一滑轨13、第二滑轨16滑动连接，所述下驱动模块20设置在下底座12上并与下滑块14相接，所述上驱动模块23设置在上底座24上并与上滑块15相接，所述下夹持单元19与下滑块14固定连接，所述上夹持单元18设置在上滑块15上。

实际使用时，打开上釜体212和下釜体211，将试件22穿过试验通孔，然后将上釜体212和下釜体211扣合，由上夹持单元18和下夹持单元19夹持伸出试验通孔的试件22的两端，控制器1驱动第一升降装置和/或第二升降装置，第一升降装置带动上夹持单元18沿第一滑轨13和第二滑轨16的长度方向运动，第二升降装置带动下夹持单元19沿第一滑轨13和第二滑轨16的长度方向运动，从而对试件22提供拉力。

当上驱动模块23和/或下驱动模块20带动试件22发生形变时，反馈模块28接收到上驱动模块23和/或下驱动模块20的工作信号，并传输给控制器1，控制器1发出控制信号给计时模块25，计时模块25计时，当计时模块25的计时时长与通过输入模块3输入的计时设定值相等时，控制器1停止驱动第一升降装置和/或第二升降装置，试验结束。

实际使用时，上釜体212和下釜体211均为半圆弧形釜体，所述上釜体212和下釜体211均具有柔性部215，柔性部215上开设有与所述试件22相适配的试验通孔，试验通孔内设置有密封圈。当试件22在外力作用下发生形变时，试件22带动密封圈发生位移，由于柔性部215柔软可弯曲，所以柔性部215在受到由密封圈传递而来的外力作用下，由自然弯曲状态被拉直，即柔性部215跟随试件22运动，因此密封圈与试件22之间不发生相对位移，封圈与试件22之间不会产生摩擦力，不影响试件22的应力测试结果，而且不会影响密封圈的密封效果，使用效果好。

实际使用时，可通过输入模块3输入温度设定值、压力设定值和计时设定值。

温度传感器2用于检测加热加压釜21内的温度，并将采集到的温度传输给控制器1，控制器1对温度传感器2采集到的加热加压釜21内的温度和温度设定值进行对比，当温度传感器2采集到的加热加压釜21内的温度小于温度设定值，控制器1驱动加热组件9工作，加热组件9开始加热，当温度传感器2采集到的加热加压釜21内的温度大于温度设定值，加热组件9停止加热。

压力传感器4用于检测加热加压釜21内的压力，并将采集到的压力传输给控制器1，控制器1对压力传感器4采集到的加热加压釜21内的压力和压力设定值进行对比，当压力传感器4采集到的加热加压釜21内的压力小于压力设定值，控制器1驱动加压组件10工作，加压组件10开始对加热加压釜21加压，当压力传感器4采集到的加热加压釜21内的压力大于压力设定值，加压组件10停止加压。

本实施例中，所述应变片5的数量为多个，每个应变片5分别与信号处理模块6相接，所述控制装置还包括均值计算模块7和差值计算模块8，所述信号处理模块6的输出端分别与均值计算模块7的输入端和差值计算模块8的输入端相接，所述均值计算模块7的输出端与差值计算模块8相接，所述差值计算模块8的输出端与控制器1的输入端相接。

实际使用时，控制器1驱动上驱动模块23、下驱动模块20、或同时驱动上驱动模块23和下驱动模块20，上驱动模块23带动上夹持单元18运动，下驱动模块20带动下夹持单元19运动，从而对试件22提供外力。试件22上的应变片5经信号处理模块6得到试件22相对应位置的检测张力值，并将检测张力值分别传输给均值计算模块7和差值计算模块8，均值计算模块7根据得到的每个应变片5的检测张力值计算得到均值张力值，并将均值张力值传输给差值计算模块8；差值计算模块8对接收到的每个应变片5的检测张力值和均值计算模块7计算得到的均值张力值进行差值计算，得到张力差值，并将张力差值传输给控制器1。测量过程中，控制器1将检测张力值、均值计算模块7计算得到的均值张力值和差值计算模块8计算得到的张力差值发送给显示模块11，方便工作人员及时了解试验内容。

本实施例中，所述上滑块15与上夹持单元18之间设置有连接杆17，所述连接杆17与上夹持单元18固定连接，所述上滑块15与连接杆17铰接。实际使用时，由于上滑块15与连接杆17铰接，因此上夹持单元18的位置可移动，使用灵活，方便夹持。

本实施例中，所述上底座24和上滑块15之间、下底座12和下滑块14之间均连接有平衡杆27，所述平衡杆27为伸缩杆。实际使用时，上底座24和上滑块15之间至少设置有两个平衡杆27，下底座12和下滑块14之间至少设置有两个平衡杆27，平衡杆27的设置避免上滑块15或下滑块14失去平衡。

本实施例中，所述上釜体212与下釜体211之间设置有连接件和密封圈。实际使用时，连接件为卡扣。

本实施例中，所述加压组件10为加压泵。

本实施例中，所述加热组件9为加热电阻丝。

本实施例中，所述上驱动模块23和下驱动模块20均为气动驱动模块。

本实施例中，所述柔性部215由氟橡胶制成。实际使用时，氟橡胶采用能耐高温250℃以上、高压100mpa，同时又能耐水蒸汽的四丙氟橡胶。

如图4所示，本发明还包括一种高温高压环境下蠕变性能试验方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、选取拉伸试样：根据asme标准选取拉伸试样。实际使用时，试件22包括标距段部分、连接在标距段部分两端的过度部分，以及分别与过度部分相接的夹持部分，夹持部分的长度不小于上夹持单元18或下夹持单元19有效夹持长度的三分之二，标距段部分为横截面直径不小于5mm的圆柱体。

步骤二、将试样拉伸至恒定载荷处：通过输入模块3设定拉伸时间上限值，采用上夹持单元18和下夹持单元19分别夹持试件22的两端，采用上驱动模块23和下驱动模块20对试件22施加轴径向荷载，拉伸速率为0.005～0.01mm/min，拉伸时间不小于500h。实际使用时，荷载等于试样22标距段部分的横截面积与应力乘积。此阶段试件22经历弹性阶段和塑性阶段，拉伸速率为0.01mm/min。

步骤三、设置高温高压试验环境：将试件22的两端分别从上夹持单元18和下夹持单元19上取下，分别在试件22的不同部位粘贴多个应变片5，将试件22放入加热加压釜21，试件22伸出所述试验通孔并与所述密封圈配合连接，上夹持单元18和下夹持单元19分别夹持试件22的两端，通过输入模块3设定温度阈值和压力阈值，加热组件9对加热加压釜21加热，加压组件10对加热加压釜21加压，直到达到温度阈值和压力阈值。实际使用时，温度阈值不大于360℃，压力阈值不大于18mpa，还可通过加质盖214向加热加压釜21中加入试验介质，满足高温高压腐蚀环境的试验条件，适用性好。

步骤四、进行蠕变性能试验：

步骤401、通过输入模块3设定蠕变时间上限值和应力差值上限值，采用上驱动模块23和下驱动模块20对试件22施加轴径向荷载，拉伸速率为0.005～0.01mm/min，拉伸时间不小于500h，由应变片5得到应力测试数值，由计时模块25得到蠕变时间测试数值，并传输给控制器1。实际使用时，蠕变性能试验的结束条件为蠕变时间测试数值大于或等于蠕变时间上限值。

步骤402、均值计算模块7计算多个应变片5得到的应力测试数值的平均值，差值计算模块8计算每个应变片5得到的应力测试数值与平均值之间的差值，控制器1根据应力测试数值得到各个应变片5的蠕变曲线，根据应力测试数值的平均值得到平均蠕变曲线，控制器1对差值和应力差值上限值进行比较，若差值小于应力差值上限值，进入步骤403，否则进入步骤404。实际使用时，蠕变性能试验过程中，实时对多个应变片5的应力测试数值与平均值之间的差值进行计算，当差值大于或等于应力差值上限值，即认为试件22上的张力不均，因此进入步骤404，通过提醒模块26提醒试验人员进行试验复查。

步骤403、控制器1对蠕变时间测试数值和蠕变时间上限值进行比较，当蠕变时间测试数值大于或等于蠕变时间上限值，试验结束，否则返回步骤402。蠕变性能试验的结束条件为蠕变时间测试数值大于或等于蠕变时间上限值，控制器1根据蠕变性能试验过程中接收到的各个应变片5的应力测试数值得到各个应变片5的蠕变曲线，根据蠕变性能试验过程中接收到的应力测试数值的平均值得到平均蠕变曲线，并通过显示模块11显示出来，方便工作人员观察使用。实际使用时，应变片5的应变极限为2％，应变极限是指应变片5的最大形变量，超过这个形变量应变片5内部电阻丝就会断裂导致开路，从而无法继续使用，应变的最小表示单位是um/m，2％表示0.02*(10^6)um/m，即20000个微应变。

步骤404、提醒模块26报警。当差值大于或等于应力差值上限值，即认为试件22上的张力不均，因此进入步骤404，通过提醒模块26提醒试验人员进行试验复查。

以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。