原位多轴蠕变疲劳测试装置的制作方法

1.本技术涉及蠕变疲劳测试，特别涉及原位多轴蠕变疲劳测试技术。


背景技术：

2.随着社会工业的发展进程，对二次能源(特别是电能)的需求越来越大，并且在环保发电的大背景下，核电站必将会大有作为，所以提高核电站内各种部件的寿命是一项非常重要的工作，为了提高各个部件的寿命就需要通过实验研究来搞清楚各个部件服役工况下的损坏失效机理，因此可靠的实验装置重要性不言而喻。
3.现有的测试工件蠕变疲劳的装置多是单轴施加载荷，例如，公开号为cn105334112a和cn105973693a的中国发明专利，并且它们在蠕变疲劳力学性能测试过程中不能实时的原位观察试件的变化。这对后续的实验测量结果更是造成了较大的影响，与大部分苛刻工况下服役的工件真实受力情况不符，得到的实验结果如果应用到工程实际中去，难免会偏于保守或者偏于危险，不能平衡安全性和经济性，特别的是对于航天、核电这些特种领域，毫厘之差就会产生严重的后果，所以，实验研究过程中需要对材料服役中的蠕变疲劳性能真实反映。


技术实现要素：

4.本技术的目的在于提供一种原位多轴蠕变疲劳测试装置，能够克服现有的蠕变疲劳测试装置的局限性强、测试结果真实性不足、工况参数控制不精确等不足，提高测试实验的可靠性、精确性和规范性。
5.本技术公开了一种原位多轴蠕变疲劳测试装置，包括：
6.加热炉，包括设于管式样品轴向方向第一观察窗和设于管式样品径向方向的至少一个第二观察窗，用于监测所述管式样品的轴向和径向形变数据；
7.包含加压管道的加压管道组件，所述加压管道的第一端与管式样品连接并置于所述加热炉内，所述加压管道的第二端置于所述加热炉外，该第二端设有进口；
8.介质输送系统，包括输送管道以及通过所述输送管道依次连通的介质储存容器、压缩机、压力控制器和电磁阀，所述输送管道的第一端口与所述进口连接，所述介质储存容器中的介质经过所述压缩机加压进入所述输送管道，并经过所述压力控制器和所述电磁阀进入所述加压管道组件内腔以向所述管式样品施加环向和/或径向的载荷。
9.在一个优选例中，所述加压管道的第二端还设有出口，所述输送管道的第二端口与所述出口连接；
10.所述介质输送系统还包括泄压阀，所述泄压阀设置在所述输送管道的第二端口与所述出口的连接处。
11.在一个优选例中，所述加热炉包括炉本体和门体，所述门体上设有第一管道，所述加压管道的外径略小于所述第一管道的内径；
12.所述装置还包括预紧力密封装置用于将连接有管式样品的加压管道组件可拆卸
密封安装在所述第一管道中；
13.所述第二观察窗还用作调整管式样品在加热炉中的位置的观察口；
14.使用所述原位多轴蠕变疲劳测试装置时，打开所述门体，将所述加压管道连接有管式样品的一侧置于所述加热炉内，关闭所述门体，通过所述第二观察窗调整管式样品在加热炉中的位置，通过所述预紧力密封装置将连接有管式样品的加压管道组件密封安装在所述第一管道中。
15.在一个优选例中，所述门体与所述炉本体可拆卸密封连接，或者密封铰链连接；
16.所述加压管道的第一端与所述管式样品采用焊接方式连接。
17.在一个优选例中，所述第一管道沿其中心轴方向向炉外侧延长预设长度；
18.所述预紧力密封装置包括预紧单元和密封单元，所述预紧单元设置于所述第一管道的炉外延长部分上，所述密封单元设置于所述第一管道的炉外延长部分和所述加压管道之间。
19.在一个优选例中，所述原位多轴蠕变疲劳测试装置还包括监控终端，分别与所述压缩机、所述压力控制器和所述电磁阀电连接，所述监控终端被配置为控制所述压力控制器和所述电磁阀的调节参数以向所述管式样品施加载荷的方向和大小。
20.所述加压管道组件还包括气压计，所述气压计设于所述加压管道的第二端，用于测量所述加压管道组件内腔的气压，所述气压计与所述监控终端电连接。
21.在一个优选例中，所述加热炉内设置有温度监控组件和多组加热组件，其分别与所述监控终端电连接，用于根据所述温度监测组件的监测结果控制所述加热组件的开启数量。
22.在一个优选例中，所述加热组件为蛇形加热组件。
23.在一个优选例中，各所述观察窗设置有光学测微计，所述监控终端还与各所述光学测微计电连接，用于获取所述光学测微计采集的所述管式样品的形变数据。
24.在一个优选例中，所述介质为惰性气体或者高温熔盐。
25.本技术实施方式中，与现有技术相比，至少包括以下优点和有益效果：
26.本技术涉及的原位多轴蠕变疲劳测试装置可以原位实时的观察样品的蠕变疲劳表现，还能同时给样品加载多轴载荷，进而给试件创造出更符合实际服役工况下的条件，使实验结果更具真实性，可靠性。
27.进一步，样品与加压管道焊接连接，实验前，打开密封门体，将加压管道组件通过预紧力密封装置安装在该第一管道中，同时通过第二观察窗调整管式样品在加热炉中的位置，在保证实验的密封性的同时，保证实验数据的准确性和操作的便利性。
28.进一步地，该原位多轴蠕变疲劳测试装置还设置了压力控制器、温度监控组件等多种监控部件，各监控部件分别与控制终端电连接，使用于更清楚的了解实验的各项参数并反馈到实时的实验中去，得到的结果就更精确。
29.此外，该原位多轴蠕变疲劳测试装置对于探究核反应堆中的一些重要部件的使用寿命具有重大意义，也在一定程度上提高了相关构件系统服役中的安全性和经济性。
30.本技术的说明书中记载了大量的技术特征，分布在各个技术方案中，如果要罗列出本技术所有可能的技术特征的组合(即技术方案)的话，会使得说明书过于冗长。为了避免这个问题，本技术上述发明内容中公开的各个技术特征、在下文各个实施方式和例子中
公开的各技术特征、以及附图中公开的各个技术特征，都可以自由地互相组合，从而构成各种新的技术方案(这些技术方案均因视为在本说明书中已经记载)，除非这种技术特征的组合在技术上是不可行的。例如，在一个例子中公开了特征a+b+c，在另一个例子中公开了特征a+b+d+e，而特征c和d是起到相同作用的等同技术手段，技术上只要择一使用即可，不可能同时采用，特征e技术上可以与特征c相组合，则，a+b+c+d的方案因技术不可行而应当不被视为已经记载，而a+b+c+e的方案应当视为已经被记载。
附图说明
31.图1是根据本技术第一实施方式的原位多轴蠕变疲劳测试装置结构示意图。
32.图2是根据本技术的一个示例加热炉和加压管道的安装状态图。
33.图3是根据本技术的一个示例预紧力密封装置的结构示意图。
34.图4是根据本技术的监控终端与各组件的电路连接图。
35.图5是根据本技术第一实施方式的一个实施例的原位多轴蠕变疲劳测试装置结构示意图。
36.101-加热炉
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102-加压管道组件
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103-介质输送系统
37.1031-介质储存容器
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1032-压缩机
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1033-压力控制器
38.1034-电磁阀
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1035-泄压阀
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201-炉本体
39.202-密封门体
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203-预紧力密封装置
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301-第一管道
40.302-加压管道
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303-外套卡箍
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304-密封垫圈
具体实施方式
41.在以下的叙述中，为了使读者更好地理解本技术而提出了许多技术细节。但是，本领域的普通技术人员可以理解，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本技术所要求保护的技术方案。
42.为使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本技术的实施方式作进一步地详细描述。
43.本技术的第一实施方式涉及一种原位多轴蠕变疲劳测试装置，其结构如图1所示，该装置包括加热炉101、加压管道组件102和介质输送系统103。
44.具体的，加热炉101包括设于管式样品轴向方向第一观察窗和设于管式样品径向方向的至少一个第二观察窗，用于监测该管式样品的轴向和径向形变数据。加压管道组件102包含加压管道，加压管道的第一端与管式样品连接并置于加热炉101内，加压管道的第二端置于加热炉101外，该第二端设有进口。介质输送系统103包括输送管道以及通过该输送管道依次连通的介质储存容器1031、压缩机1032、压力控制器1033和电磁阀1034，该输送管道的第一端口与该进口连接，介质储存容器1031中的介质经过该压缩机1032加压进入该输送管道，并经过压力控制器1033和电磁阀1034进入加压管道组件102内腔以向该管式样品施加环向和/或径向的载荷。
45.其中，电磁阀1034用于调整介质进入加压管道组件内腔的方向、流量、速度和其他的参数等。电磁阀1034例如但不限于是歧管电磁阀等。
46.可选地，该加压管道的第二端还设有出口，该输送管道的第二端口与该出口连接；
介质输送系统103还包括泄压阀1035，如图5所示，泄压阀1035设置在该输送管道的第二端口与该出口的连接处，泄压阀1035被配置为当管式样品内的介质压力升高超过预定阈值时，通过向介质储存容器排出介质来防止管式样品内介质压力超过预定阈值。优选地，泄压阀1035泄压前发送预警信号到监控终端，监控终端控制与之电连接的其他组件(除气压计)关闭，例如控制压缩机关闭。泄压阀1035的设置除了起到保护作用外，还使得介质输送形成环路，使得介质可以循环使用，环保。
47.可选地，该原位多轴蠕变疲劳测试装置还包括监控终端，如图4所示，监控终端分别与压缩机1032、压力控制器1033和电磁阀1034电连接，以控制向该管式样品施加载荷的方向和大小。
48.本实施方式中“向该管式样品内壁施加环向和/或径向的载荷”，例如，可以根据需要向该管式样品内壁同时施加环向和径向的载荷；又例如，根据需要分时段地向该管式样品内壁施加环向的载荷、径向的载荷、环向和径向的载荷。例如，可以是用户手动调节压力控制器1033和电磁阀1034的参数来实现向该管式样品施加实验所需载荷；或者，可以是预先将压力控制器1033和电磁阀1034的参数和施加载荷的对应关系存储在监控终端中，监控终端根据实验进程信息自动控制实现向该管式样品施加实验所需载荷。
49.可选地，加压管道组件102还包括气压计，该气压计设于该加压管道的第二端，用于测量加压管道组件102内腔的气压，如图4所示，该气压计与该监控终端电连接，实时向该监控终端发送气压测量结果。
50.可选地，加热炉101包括炉本体和密封门体，密封门体上设有第一管道，该加压管道的外径略小于该第一管道的内径；该原位多轴蠕变疲劳测试装置还包括预紧力密封装置，用于将连接有管式样品的加压管道组件102可拆卸密封安装在该第一管道中。在该可选实施例中，该第二观察窗还用作调整管式样品在加热炉101中的位置的观察口。使用该原位多轴蠕变疲劳测试装置时，打开该门体，将加压管道组件102连接有管式样品的一侧置于加热炉101内，关闭密封门体，通过该第二观察窗调整管式样品在加热炉101中的位置，通过预紧力密封装置将连接有管式样品的加压管道组件102密封安装在该第一管道中。
51.可选地，密封门体202与炉本体201可拆卸密封连接，或者密封铰链连接。
52.可选地，加压管道的第一端与该管式样品采用焊接方式连接，在将加压管道组件102密封安装在第一管道中前，将加压管道的第一端与该管式样品的一端进行焊接连接。
53.如图2所示为本技术的一个示例加热炉与加压管道组件的安装状态示意图，该加热炉包括炉本体201和密封门体202，该第一管道贯穿设于密封门体202上，该示例加压管道组件通过预紧力密封装置203密封安装在第一管道中。
54.本技术的各观察窗用于观察样品在高温高压实验条件下的参数变化，其中，该第一观察窗用于监测该管式样品的轴向状态，该第二观察窗用于监测该管式样品的径向状态，二者为实现实时数据监测提供了可靠接口，保证实验能够原位进行。各观察窗优选地为耐高温材质。各观察窗处外接有样品参数检测设备，例如但不限于光学测微计等。可选地，第二观察窗同时还用于在将加压管道组件安装到第一管道中时，调整管式样品在炉中位置以保证管式样品处于第二观察窗的最佳观察位置。
55.该至少一个第二观察窗可以为一个第二观察窗或多个第二观察窗。在设置多个第二观察窗的实施例中，加热炉101的炉本体例如可以设置为圆柱形状，该多个第二观察窗例
如可以是环绕炉本体一周等距离分布；该炉本体例如可以设置为长方体或正方体形状等多面体，该多个第二观察窗例如可以是分布在长方体或正方体的四个侧面上。
56.可选地，预紧力密封装置203包括预紧单元和密封单元。该密封单元优选地采用弹性耐高温材料制成。
57.可选地，该第一管道沿其中心轴方向向炉外侧延长预设长度，该预紧单元例如可以设置于该第一管道的炉外延长部分上，该密封单元例如可以设置于该第一管道的炉外延长部分和加压管道组件102之间。例如，该密封单元可以固定在该第一管道的炉外延长部分或加压管道组件102上。例如，该密封单元可以粘贴或放置在该第一管道的炉外延长部分或加压管道组件102上，使得该密封单元可更换。
58.如图3所示为一个示例预紧力密封装置，该预紧单元是设置于第一管道301延伸至炉外部分上的外套卡箍303，该密封单元是设置于加压管道302外表面的密封垫圈304等，实现了将加压管道组件102可拆卸地密封安装在第一管道301中。
59.可选地，加热炉101内还设置有温度监控组件和多组加热组件，该温度监控组件和多组加热组件分别与该监控终端电连接，用于根据该温度监测组件的监测结果控制该加热组件的开启数量。
60.可选地，该加热组件有多组，每组均匀分布在加热炉101的内表面，各组的加热组件数量相同，或者按照一定的规律变化，例如递增规律。使用时，监控终端例如可以根据温控组件的监控结果和炉内实际需要温度值来调整加热组件的开启组数等。
61.该加热组件的形状多种多样，优选地为蛇形；可选地为直线，等等。
62.可选地，本技术涉及的介质可以为同时起到加压和保护作用的任何气体或液体。例如，该介质可以但不限于为惰性气体。例如，该液体可以但不限于为高温熔盐。
63.为了更好的理解本技术的实施方式，以一个示例原位多轴蠕变疲劳测试装置为例，说明一下其工作原理：介质储存容器中的惰性气体经过压缩机加压进入输送管道，输送管道中的高压惰性气体经过压力控制器和歧管电磁阀进入多功能加热炉中的管状样品试样内部空腔，压力控制器和歧管电磁阀对进入试件中的惰性气体起到直接的控制作用，给管件样品试样施加一个内部的环向和径向的载荷来模拟实际核电站换热器中通过高压介质的管件。通过泄压阀实现气体的循环回收，也提高了惰性气体的利用率，为蠕变疲劳这种长期的实验测量提供了一个基本的保证。多功能加热炉开有两个观察窗，同时也是光发射器和光接收器的通道，光发射器发出的绿色的光能很好的透过蓝宝石片并照射到实验中的管件，透射来的光线经过管件一起被光接收器接收，但是接收的时候会有一个试样的投影，也正是通过这个阴影来实时动态的测量蠕变疲劳过程中的管件的尺寸变化，光学测微计能为这个测量提供一个高的精确度。加热炉里本身的蛇形电阻丝给炉内加热，均匀地分布在加热炉里，使实验中的管件整体处于一个高温的氛围中，更加符合管件的真实工作环境，炉内的温度通过温度监控组件传递给电脑终端，电脑终端不仅实时监控气体压力还实时的记录光学测微计的数据，多个数据同时在电脑终端显示，使整个实验过程更加清晰明了，也方便实验人员分析实验情况进而在有需要的情况下对实验进行实时调控，得到更为可靠和精确的实验结果，给材料构件的使用提供一个坚实的理论支撑，此装置还能测量相似的构件从而使人们对核电站相关部件的寿命有一个更清晰的认识和预测。在一定程度上本发明设计提高了核电站中部分关键部件服役过程中的安全性和经济性。
64.需要说明的是，在本专利的申请文件中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。本专利的申请文件中，如果提到根据某要素执行某行为，则是指至少根据该要素执行该行为的意思，其中包括了两种情况：仅根据该要素执行该行为、和根据该要素和其它要素执行该行为。多个、多次、多种等表达包括2个、2次、2种以及2个以上、2次以上、2种以上。
65.在本技术提及的所有文献都被认为是整体性地包括在本技术的公开内容中，以便在必要时可以作为修改的依据。此外应理解，在阅读了本技术的上述公开内容之后，本领域技术人员可以对本技术作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所要求保护的范围。