專利名稱：一種實(shí)現(xiàn)高溫下氣體腐蝕與蠕變的材料試驗(yàn)方法及系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于材料的高溫氣體腐蝕和蠕變實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)高溫下氣體腐蝕與蠕變的材料試驗(yàn)方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在超超臨界機(jī)組中，需要提高蒸汽參數(shù)，如壓強(qiáng)、溫度來提高效率和實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排目標(biāo)。在實(shí)際工況下，超超臨界機(jī)組鍋爐管道材料在溫度高達(dá)600°C左右容易發(fā)生蠕變，管道在高溫腐蝕性氣體環(huán)境中又會(huì)受到高溫腐蝕的影響。目前該領(lǐng)域現(xiàn)有的研究方法只考慮高溫下氣體腐蝕或者蠕變單一因素對(duì)材料性能的影響，所以無法真實(shí)反映材料的高溫性能演化過程，從而無法正確 評(píng)估其剩余壽命。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種實(shí)現(xiàn)高溫下氣體腐蝕與蠕變的材料試驗(yàn)方法及系統(tǒng)，能同時(shí)實(shí)現(xiàn)高溫蠕變和高溫下氣體腐蝕,綜合評(píng)估高溫蠕變和高溫氣體腐蝕共同作用對(duì)材料性能的影響，研究高溫氣體腐蝕對(duì)蠕變性能的影響和蠕變行為對(duì)高溫氣體腐蝕的影響。本發(fā)明所述的試驗(yàn)方法采用的技術(shù)方案為:在試樣的內(nèi)部設(shè)有高溫腐蝕性氣體流通通道，在蠕變機(jī)的上、下拉桿內(nèi)部開孔，并將試樣與蠕變機(jī)上、下拉桿相通連接，形成氣體通道，通過外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)腐蝕性氣體在通道內(nèi)循環(huán)；在試樣的外部對(duì)其加熱并對(duì)試樣施加軸向載荷，實(shí)現(xiàn)高溫蠕變；腐蝕性氣體在循環(huán)回路中實(shí)現(xiàn)循環(huán)，減少腐蝕性氣體使用量。本發(fā)明提供的實(shí)現(xiàn)高溫下氣體腐蝕和蠕變的材料試驗(yàn)系統(tǒng)，由高溫蠕變系統(tǒng)及腐蝕性氣體循環(huán)系統(tǒng)組成；所述高溫蠕變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為:蠕變機(jī)的加熱爐為中空的管式爐，試樣通過上拉桿和下拉桿放置在加熱爐內(nèi)；上拉桿和下拉桿為部分中空結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部分別設(shè)置石英管，且分別在上拉桿和下拉桿上設(shè)置腐蝕氣體入口及腐蝕氣體出口 ；試樣為中空結(jié)構(gòu)，兩端分別與上拉桿和下拉桿密封連接并相通；試樣的外壁通過錐套與引伸板連接，并在引伸板的下端連接位移計(jì)；所述腐蝕性氣體循環(huán)系統(tǒng)的組成為:氮?dú)馄考叭舾蓚€(gè)腐蝕性氣體儲(chǔ)存瓶分別通過流量計(jì)與進(jìn)氣閥門接入氣體混合室，再通過預(yù)熱器及管道接入腐蝕氣體入口 ；腐蝕氣體出口通過管道與冷卻器連接，冷卻器的出口端通過風(fēng)機(jī)與氣體混合室連接；真空泵與冷卻器連接。所述加熱爐的上下兩端分別安裝爐堵。所述試樣的兩端與石英管之間分別放置墊片。所述上拉桿和下拉桿的內(nèi)部封閉端分別放置彈簧。所述預(yù)熱器與腐蝕氣體入口的連接管道，及冷卻器與腐蝕氣體出口的連接管道上分別連接一段耐高溫耐腐蝕的軟管。
所述冷卻器與真空泵之間的管路上設(shè)一支路，該支路與中和池連接。本發(fā)明的有益效果為:克服了針對(duì)高溫蠕變或高溫氣體腐蝕單一因素研究的不全面性，通過高溫腐蝕性氣體的循環(huán)實(shí)現(xiàn)高溫腐蝕環(huán)境，可用于研究高溫蠕變和高溫氣體腐蝕的共同作用下材料高溫性能演化過程，還可以研究氣體腐蝕對(duì)蠕變?cè)斐傻挠绊懞腿渥儗?duì)高溫氣體腐蝕造成的影響，從而準(zhǔn)確揭示材料在服役階段的高溫力學(xué)性能演化規(guī)律，為設(shè)備安全可靠運(yùn)行提供理論依據(jù)。


圖1為所述試驗(yàn)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為加熱爐部分局部結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為試樣加持部位的局部結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為試樣的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為下拉桿的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)號(hào):1-上拉桿；2_加熱爐；3-錐套；4-試樣；5-墊片；6_下拉桿；7_位移計(jì)；8_下球形連接座；9-手輪；10-平衡鉈；11_立柱；12-腐蝕氣體出口 ； 13-上夾頭；14-下夾頭；15_引伸板；16_爐堵；17_腐蝕氣體入口 ；18_石英管；19 一彈簧；20_控制臺(tái)；21_耐高溫耐腐蝕軟管；22_預(yù)熱器；23_氣體混合室；24_氮?dú)馄浚?5、26_腐蝕性氣體儲(chǔ)存瓶；27_耐高溫耐腐蝕軟管；28_冷卻器；29_風(fēng)機(jī)；30_進(jìn)氣閥門；31_中和池；32_流量計(jì)；33_真空泵閥門；34-真空泵；35-風(fēng)機(jī)閥門 ；36_中和池閥門；37-下拉桿圓孔。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供了一種實(shí)現(xiàn)高溫下氣體腐蝕與蠕變的材料試驗(yàn)方法及系統(tǒng)，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明。本發(fā)明所述系統(tǒng)由高溫蠕變系統(tǒng)及腐蝕性氣體循環(huán)系統(tǒng)組成，如圖1所示，其中高溫蠕變系統(tǒng)中加熱爐部分的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。高溫蠕變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為:蠕變機(jī)的加熱爐2固定在蠕變機(jī)的立柱11上，加熱爐2為中空的管式爐，試樣4通過螺紋與上拉桿I和下拉桿6連接并放置在加熱爐2內(nèi)；上拉桿I和下拉桿6為部分中空結(jié)構(gòu),其內(nèi)部分別設(shè)置石英管18,且分別在上拉桿I和下拉桿6上設(shè)置腐蝕氣體入口 17及腐蝕氣體出口 12 ;上拉桿I和下拉桿2的內(nèi)部封閉端分別放置彈簧19 ;試樣4為中空結(jié)構(gòu)，兩端分別與上拉桿I和下拉桿6密封連接并相通，試樣4的兩端與石英管18之間分別放置墊片5，用來保證密封性；試樣4的外壁通過錐套3、上夾頭13、下夾頭14與引伸板15連接，并在引伸板15的下端連接位移計(jì)7 ;加熱爐2的上下兩端分別安裝爐堵16 ;蠕變機(jī)的頂部裝有平衡鉈10，下拉桿6的下端與下球形連接座8連接，并安裝手輪9。腐蝕性氣體循環(huán)系統(tǒng)的組成為:氮?dú)馄?4及腐蝕性氣體儲(chǔ)存瓶25、26分別通過流量計(jì)32與進(jìn)氣閥門30接入氣體混合室23，再通過預(yù)熱器22及管道接入腐蝕氣體入口 17 ；腐蝕氣體出口 12通過管道與冷卻器28連接，冷卻器28的出口端通過風(fēng)機(jī)29與氣體混合室23連接；真空泵34與冷卻器28連接。預(yù)熱器22與腐蝕氣體入口 17的連接管道，及冷卻器28與腐蝕氣體出口 12的連接管道上分別設(shè)置一段耐高溫耐腐蝕軟管21和27 ;冷卻器28與真空泵34之間的管路上設(shè)置支路，該支路與中和池31連接。試驗(yàn)系統(tǒng)中的管道除了兩處軟管21和27外全部用耐腐蝕的石英管道。試樣4發(fā)生高溫蠕變會(huì)伸長，連接試樣的上、下拉桿間距會(huì)改變，固定在上、下拉桿氣體進(jìn)、出口處的管道會(huì)跟著發(fā)生移動(dòng)，因此用兩處軟管來消除這種移動(dòng)帶來的影響。蠕變機(jī)通過上拉桿I和下拉桿6將加載的載荷傳遞給試樣4。試驗(yàn)過程中由于受高溫蠕變的影響，試樣會(huì)伸長，試樣的伸長量通過夾持在試樣上下兩端的引伸板15傳遞給固定在引伸板下端的位移計(jì)7，位移計(jì)將測量的伸長量傳輸給計(jì)算機(jī)記錄。下拉桿的上端內(nèi)部帶有圓柱形開孔。安裝試樣時(shí)，先將彈簧19放入下拉桿6內(nèi)圓柱孔底部，之后放入石英管18、墊片5，最后將試樣4擰入下拉桿的螺紋中，使彈簧19處于壓緊狀態(tài)，并且保證墊片5處接觸良好。腐蝕性氣體流經(jīng)石英管18進(jìn)入試樣4內(nèi)部，在試樣內(nèi)表面發(fā)生腐蝕。石英管18的作用是防止腐蝕性氣體與下拉桿6接觸發(fā)生腐蝕?？紤]到石英管18比下拉桿6的熱膨脹系數(shù)小，當(dāng)流過高溫氣體時(shí)，下拉桿6的伸長量大，墊片5與試樣4之間會(huì)產(chǎn)生間隙，密封不嚴(yán)密。為了消除這種現(xiàn)象，在石英管18下方放置一個(gè)彈簧19，并使彈簧處于壓緊狀態(tài)，當(dāng)產(chǎn)生間隙時(shí)，彈簧彈開一部分來消除間隙，保證密封嚴(yán)密。彈簧彈開一部分后，石英管與下拉桿會(huì)發(fā)生很小的滑動(dòng)，與石英管上進(jìn)氣口相連的進(jìn)氣管也會(huì)跟著移動(dòng)，為了不影響進(jìn)氣管的移動(dòng)，在下拉桿下部開個(gè)直徑較大的下拉桿圓孔37。上拉桿的結(jié)構(gòu)及原理與下拉桿相同。該系統(tǒng)的使用及工作過程為: (I)將上拉桿1、下拉桿6與試樣4相連接；(2)將引伸板1 5通過上下夾頭與試樣4連接。(3)將熱電偶綁定在試樣上；(4)緩慢放下加熱爐2，通過計(jì)算機(jī)設(shè)置好試驗(yàn)參數(shù)，加熱爐開始加熱；(5)將氣體混合室23與預(yù)熱器22連接，繼而將預(yù)熱器連接到腐蝕氣體入口 17，將腐蝕氣體出口 12與冷卻器28連接，冷卻器與風(fēng)機(jī)29相連接，風(fēng)機(jī)與氣體混合室相連接，完成腐蝕性氣體循環(huán)通道等外部設(shè)備的連接；(6)加熱爐升溫的同時(shí)，打開風(fēng)機(jī)閥門35、真空泵閥門33，保持進(jìn)氣閥門30、中和池閥門36關(guān)閉。開啟真空泵34將管道內(nèi)部抽真空。(7)待管內(nèi)形成真空后，關(guān)閉真空泵及真空泵閥門，打開進(jìn)氣閥門，通入腐蝕性氣體，待腐蝕性氣體充滿管道后，開啟風(fēng)機(jī)29，關(guān)閉進(jìn)氣閥門，實(shí)現(xiàn)腐蝕氣體循環(huán)。(8)待溫度條件滿足實(shí)驗(yàn)要求，開始加載，試驗(yàn)正式開始。(9)試驗(yàn)階段，氣體流經(jīng)氣體混合室23、預(yù)熱器22、下拉桿6、試樣4、上拉桿1、冷卻器28、風(fēng)機(jī)29后回到氣體混合室23，形成循環(huán)回路。在循環(huán)回路內(nèi)實(shí)現(xiàn)氣體的循環(huán)能夠減少腐蝕性氣體的使用量。氣體在預(yù)熱器22內(nèi)進(jìn)行預(yù)熱，能夠減小溫差對(duì)試樣的影響。預(yù)熱后的氣體流經(jīng)下拉桿6內(nèi)的石英管18進(jìn)入試樣4內(nèi)部，在試樣內(nèi)表面發(fā)生腐蝕，實(shí)現(xiàn)腐蝕和高溫蠕變的共同作用。本系統(tǒng)使用的風(fēng)機(jī)為耐腐蝕風(fēng)機(jī)。冷卻器的作用是降低風(fēng)機(jī)工作溫度，延長風(fēng)機(jī)使用壽命。(10)實(shí)驗(yàn)結(jié)束階段，打開氮?dú)馄?1的進(jìn)氣閥門及中和池閥門36，關(guān)閉風(fēng)機(jī)閥門35及風(fēng)機(jī)29，向系統(tǒng)內(nèi)通入氮?dú)?，將系統(tǒng)內(nèi)的腐蝕性氣體排入中和池31。待腐蝕氣體排盡后關(guān)閉所有閥門，并且停止蠕變?cè)囼?yàn)。為了防止試樣斷裂腐蝕氣體漏入環(huán)境中，在試樣發(fā)生蠕變斷裂之前停止 試驗(yàn)。
權(quán)利要求
1.一種實(shí)現(xiàn)高溫下氣體腐蝕和蠕變的材料試驗(yàn)方法，其特征在于:在試樣的內(nèi)部設(shè)有高溫腐蝕性氣體流通通道，在蠕變機(jī)的上、下拉桿內(nèi)部開孔，并將試樣與蠕變機(jī)上、下拉桿相通連接，形成氣體通道，通過外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)腐蝕性氣體在通道內(nèi)循環(huán)；在試樣的外部對(duì)其加熱并對(duì)試樣施加軸向載荷，實(shí)現(xiàn)高溫蠕變；腐蝕性氣體在循環(huán)回路中實(shí)現(xiàn)循環(huán)，減少腐蝕性氣體使用量。
2.一種實(shí)現(xiàn)高溫下氣體腐蝕和蠕變的材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，由高溫蠕變系統(tǒng)及腐蝕性氣體循環(huán)系統(tǒng)組成； 所述高溫蠕變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為:蠕變機(jī)的加熱爐(2)為中空的管式爐，試樣(4)通過上拉桿(I)和下拉桿(6)放置在加熱爐(2)內(nèi)；上拉桿(I)和下拉桿(6)為部分中空結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部分別設(shè)置石英管(18)，且分別在上拉桿(I)和下拉桿(6)上設(shè)置腐蝕氣體入口及腐蝕氣體出口 ；試樣(4)為中空結(jié)構(gòu)，兩端分別與上拉桿(I)和下拉桿(6)密封連接并相通；試樣 (4)的外壁通過錐套(3)與引伸板(15)連接，并在引伸板(15)的下端連接位移計(jì)(7)； 所述腐蝕性氣體循環(huán)系統(tǒng)的組成為:氮?dú)馄考叭舾蓚€(gè)腐蝕性氣體儲(chǔ)存瓶分別通過流量計(jì)與進(jìn)氣閥門接入氣體混合室(23)，再通過預(yù)熱器(22)及管道接入腐蝕氣體入口 ；腐蝕氣體出口通過管道與冷卻器(28)連接，冷卻器(28)的出口端通過風(fēng)機(jī)(29)與氣體混合室(23)連接；真空泵(34)與冷卻器(28)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實(shí)現(xiàn)高溫下氣體腐蝕和蠕變的材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述氣體混合室(23)、預(yù)熱器(22)、下拉桿(6)、試樣(4)、上拉桿(I)、冷卻器(28)、風(fēng)機(jī)(29)、氣體混合室(23)依次相連形成循環(huán)回路。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實(shí)現(xiàn)高溫下氣體腐蝕和蠕變的材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述試樣(4)的兩端與石英管(18)之間分別放置墊片(5)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實(shí)現(xiàn)高溫下氣體腐蝕和蠕變的材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述上拉桿(I)和下拉桿(2 )的內(nèi)部封閉端分別放置彈簧(19 )。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實(shí)現(xiàn)高溫下氣體腐蝕和蠕變的材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述預(yù)熱器(22)與腐蝕氣體入口的連接管道，及冷卻器(28)與腐蝕氣體出口的連接管道上分別連接一段耐高溫耐腐蝕的軟管。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種實(shí)現(xiàn)高溫下氣體腐蝕和蠕變的材料試驗(yàn)系統(tǒng)，其特征在于，所述冷卻器(28)與真空泵(34)之間的管路上設(shè)一支路，該支路與中和池(31)連接。
全文摘要
本發(fā)明屬于材料的高溫氣體腐蝕和蠕變實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種實(shí)現(xiàn)高溫下氣體腐蝕與蠕變的材料試驗(yàn)方法及系統(tǒng)。通過在試樣的內(nèi)部設(shè)有高溫腐蝕性氣體流通通道，在蠕變機(jī)的上、下拉桿內(nèi)部開孔，并將試樣與蠕變機(jī)上、下拉桿相通連接，形成氣體通道，通過外部設(shè)備實(shí)現(xiàn)腐蝕性氣體在通道內(nèi)循環(huán)；在試樣的外部對(duì)其加熱并對(duì)試樣施加軸向載荷，實(shí)現(xiàn)高溫蠕變；腐蝕性氣體在循環(huán)回路中實(shí)現(xiàn)循環(huán)。該方法可用于評(píng)估高溫氣體腐蝕與高溫蠕變共同作用對(duì)材料性能的影響，研究氣體腐蝕對(duì)蠕變性能的影響和蠕變行為對(duì)氣體腐蝕的影響，更加真實(shí)有效的反映材料在服役階段的高溫力學(xué)性能演化規(guī)律，為保證設(shè)備安全可靠運(yùn)行提供理論依據(jù)。
文檔編號(hào)G01N17/00GK103245569SQ20131015591
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月28日
發(fā)明者毛雪平, 于洋, 王曉, 張乃強(qiáng), 倪永中, 徐鴻 申請(qǐng)人:華北電力大學(xué)