高温熔盐腐蚀环境中多种力学性能测试的试验装置及方法转让专利
申请号 : CN202011236524.2
文献号 : CN112595575B
文献日 : 2022-03-18
发明人 : 李恒 , 王小威 , 唐建群 , 张天宇 , 姜勇 , 巩建鸣 , 涂善东
申请人 : 南京工业大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种高温熔盐腐蚀环境中多种力学性能测试的试验装置,其特征在于:包括,容器组件,用于提供熔盐腐蚀环境,使试样(7)与熔盐(13)充分接触;
夹具组件,包括上夹头(1)和下夹头(11),用于夹持试样(7)并通过与电子式蠕变疲劳机连接对试样(7)施加载荷,其中上夹头(1)位于容器组件上方,下夹头(11)位于容器组件下方;
所述容器组件包括容腔(6)、上冷却套(5)、上入水管(15)、上出水管(4)、下冷却套(9)、下入水管(12)、下出水管(10);容腔(6)设置在高温炉(8)内,且容腔(6)两端分别伸出高温炉(8),上冷却套(5)和下冷却套(9)分别套在伸出高温炉(8)的容腔(6)两端;上冷却套(5)上接有上入水管(15)和上出水管(4),下冷却套(9)上接有下入水管(12)和下出水管(10);
上入水管(15)和下入水管(12)分别位于上冷却套(5)和下冷却套(9)的靠近高温炉(8)的一侧,上出水管(4)和下出水管(10)分别位于上冷却套(5)和下冷却套(9)的远离高温炉(8)的一侧,以此获得最充分的冷却效果;
所述上夹头(1)由两个直径不同的第一圆柱(16)和第一圆筒(17)连接而成,位于上方的第一圆柱(16)直径大,其上部设有外螺纹,用于与试验机拉杆连接,第一圆柱(16)下部光滑,并对称设有两个引伸计支架(3);第一圆筒(17)内壁设有内螺纹,用于与试样(7)连接固定。
2.根据权利要求1所述的高温熔盐腐蚀环境中多种力学性能测试的试验装置,其特征在于:所述熔盐(13)放置于容腔(6)内,容腔(6)为具有一定壁厚的圆筒,下端设有内螺纹,用于与下夹头(11)通过螺纹连接固定。
3.根据权利要求1所述的高温熔盐腐蚀环境中多种力学性能测试的试验装置,其特征在于:所述上夹头(1)的第一圆筒(17)的直径比容腔(6)内径小。
4.根据权利要求1所述的高温熔盐腐蚀环境中多种力学性能测试的试验装置,其特征在于:所述下夹头(11)包括自上而下依次连接的第二圆筒(18)、第二圆柱(19)和第三圆柱(20),第三圆柱(20)设有外螺纹,用于与试验机拉杆连接,第二圆柱(19)设有外螺纹,用于与容腔(6)下端配合连接,第二圆筒(18)内壁设有内螺纹,用于与试样(7)连接固定。
5.根据权利要求1所述的高温熔盐腐蚀环境中多种力学性能测试的试验装置,其特征在于:所述的容器组件和夹具组件的制造材料均采用耐高温和耐腐蚀性能优越的高温合金。
6.根据权利要求5所述的高温熔盐腐蚀环境中多种力学性能测试的试验装置,其特征在于:所述高温合金采用镍基合金或哈式合金。
7.一种基于权利要求1 6中任意一项所述的高温熔盐腐蚀环境中多种力学性能测试的~
试验装置的试验方法,其特征在于,步骤如下:步骤1、校准容腔(6)内部温度:
将试样(7)一端固定在下夹头(11)上,下夹头(11)固定在容腔(6)的下端,再将配置好的熔盐(13)沿着容腔(6)的内壁慢慢倒入,直至试样(7)的平行段完全浸没在熔盐(13)中,待熔盐(13)冷却至室温后,将带有下夹头(11)和试样(7)的容腔(6)装配到电子式蠕变疲劳试验机的下拉杆上;
将热电偶(14)固定在位于高温炉内的容腔(6)外壁上,通过电子式蠕变疲劳试验机的温控仪控制高温炉的温度,将高精度手持式热电偶插入容腔(6)内,从上入水管(15)和下入水管(12)通入循环冷却水,关闭高温炉(8)开始升温;
假设目标测试温度为Tin,则设置高温炉的温度略高于Tin,待容腔(6)内外温度稳定后,记录容腔(6)内部温度,若容腔(6)内部温度低于Tin,则继续缓慢提高高温炉(8)的温度,直至容腔(6)内部温度与Tin的差值在试验温度误差以内,记录此时高温炉(8)的温度Tout;
步骤2、将上夹头(1)与试样(7)的顶端固连,再将上夹头(1)和下夹头(11)分别与电子式蠕变疲劳机的上拉杆、下拉杆连接固定,并将两个引伸计(2)分别固定在引伸计支架(3)上,引伸计(2)的伸缩端抵在上冷却套(5)的顶面,引伸计(2)连接电子式蠕变疲劳机的应变采集系统,通过应变采集系统记录试验过程中试样(7)的应变值,最后通过上入水管(15)和下入水管(12)通入循环冷却水,关闭高温炉(8)的炉门,设置高温炉(8)温度为 ,开始升温;
步骤3、对电子式蠕变疲劳试验机设置不同的参数,即可进行熔盐环境中不同力学性能的测试。
说明书 :
高温熔盐腐蚀环境中多种力学性能测试的试验装置及方法
技术领域
背景技术
熔盐在高温下具有一定的腐蚀性,与高温熔盐接触的容器和管道等设备在长期服役过程
中,会受到熔盐的腐蚀,不仅如此,设备由于制造、装配、焊接等过程会产生较大的应力,另
外设备频繁的开停车和热交换也会给设备带来很大的热应力,因此上述结构材料可能会受
到蠕变、疲劳和蠕变疲劳交互损伤。结构材料在高温熔盐腐蚀损伤和复杂力学载荷的共同
作用下会加速劣化,这不仅会提高CSP电站的运行维护成本,还会因为材料的加速劣化而大
大增加设备的失效风险,降低了设备的可靠性和使用寿命。因此,研究结构材料在高温熔盐
环境中的蠕变、疲劳及蠕变疲劳交互的力学特性和机理,评估材料在高温熔盐环境中的力
学性能演化和损伤规律,可为CSP电站中与熔盐接触设备的设计、选材、维护、维修以及更换
等方面提供理论依据和科学指导。
境和熔盐的腐蚀性,以及熔盐在超过熔点温度后的蒸发作用,对金属材料在高温熔盐腐蚀
环境中进行长达几百甚至几千小时的长时力学性能测试非常困难,只有极少数文献报道了
金属材料在高温熔盐环境下的低周疲劳以及恒应力拉伸试验,而这些试验的测试时间短,
使用机架位移记录试样的应变,结果不够准确,且试样的加载形式单一,其试验结果不足以
揭示材料在实际工况下的劣化机制。
发明内容
温下蒸发减少而不能进行长时试验的问题,可对材料在熔盐腐蚀环境中进行长时的力学性
能测试,如慢应变速率拉伸试验、蠕变试验、疲劳试验、蠕变疲劳交互试验,从而进一步研究
材料在高温熔盐腐蚀环境中的应力腐蚀开裂行为、腐蚀‑蠕变行为、腐蚀‑疲劳行为以及腐
蚀‑蠕变‑疲劳交互行为。
分接触。夹具组件,包括上夹头和下夹头,用于夹持试样并通过与电子式蠕变疲劳机连接对
试样施加载荷,其中上夹头位于容器组件上方,下夹头位于容器组件下方。
伸出高温炉的容腔两端;上冷却套上接有上入水管和上出水管,下冷却套上接有下入水管
和下出水管;上入水管和下入水管分别位于上冷却套和下冷却套的靠近高温炉的一侧,上
出水管和下出水管分别位于上冷却套和下冷却套的远离高温炉的一侧,以此获得最充分的
冷却效果。
下夹头和试样的容腔装配到电子式蠕变疲劳试验机的下拉杆上。
始升温;
内部温度与Tin的差值在试验温度误差以内,记录此时高温炉的温度Tout。
抵在上冷却套的顶面,通过应变采集系统记录试验过程中试样的应变值,最后通过上入水
管和下入水管通入循环冷却水,关闭高温炉的炉门,设置高温炉温度为 ,开始升温。
蠕变、腐蚀‑疲劳、腐蚀‑蠕变‑疲劳交互试验。
腐蚀环境中的腐蚀‑力学损伤机理提供试验依据。
附图说明
具体实施方式
中上夹头1位于容器组件上方,下夹头11位于容器组件下方。
冷却套9分别套在伸出高温炉8的容腔6两端;上冷却套5上接有上入水管15和上出水管4,下
冷却套9上接有下入水管12和下出水管10;上入水管15和下入水管12分别位于上冷却套5和
下冷却套9的靠近高温炉8的一侧,上出水管4和下出水管10分别位于上冷却套5和下冷却套
9的远离高温炉8的一侧,以此获得最充分的冷却效果。
和下出水管10形成的冷却回路可将容腔下端温度将至熔盐13熔点以下,使容腔下端的熔盐
13凝固从而达到封闭的效果。
对称设有两个引伸计支架3;第一圆筒17内壁设有内螺纹,用于与试样7连接固定。
端配合连接,第二圆筒18内壁设有内螺纹,用于与试样7连接固定。
至室温后,将带有下夹头11和试样7的容腔6装配到电子式蠕变疲劳试验机的下拉杆上;
温炉8开始升温;
腔6内部温度与Tin的差值在试验温度误差以内,记录此时高温炉8的温度Tout;
测量端顶在上冷却套5的顶面,通过应变采集系统记录试验过程中试样7的应变值,最后通
过上入水管15和下入水管12通入循环冷却水,关闭高温炉8的炉门,设置高温炉8温度为 ,
开始升温;
数)混合盐,试验温度为565C,试验材料为304不锈钢,应变速率为5.56× /s。
至室温后,将带有下夹头11和试样7的容腔6装配到电子式蠕变疲劳试验机的下拉杆上;
温炉8开始升温;
后,记录容腔6内部温度,缓慢提高高温炉8的温度,直至容腔6内部温度与565C的差值在试
o
验温度误差以内,记录此时高温炉8的温度575C。
2的测量端顶在上冷却套5的顶面,通过应变采集系统记录试验过程中试样7的应变值,最后
通过上入水管15和下入水管12通入循环冷却水,关闭高温炉8的炉门,设置高温炉8温度为
o
575C,开始升温。
中的慢应变速率拉伸试验得到的应力‑应变曲线,并且在同样条件下在空气环境中进行对
比试验。从图中可以看出通过应变采集系统测得应变精准,曲线光滑,熔盐环境中试样的破
断应变比空气中小,有效地反映了不锈钢在高温熔盐环境中的应力腐蚀行为。
试验温度为565C,试验材料为316不锈钢,施加应力为112 MPa。
度为565 C。
2的测量端顶在上冷却套5的顶面,通过应变采集系统记录试验过程中试样7的应变值,最后
通过上入水管15和下入水管12通入循环冷却水,关闭高温炉8的炉门,设置高温炉8温度为
o
575C,开始升温;
中。图7给出了本次高温熔盐环境中的蠕变试验得到的蠕变曲线,并且在同样条件下在空气
环境中进行对比试验。从图中可以看出通过应变采集系统测得应变精准,曲线光滑,熔盐环
境中试样的破断时间比比空气中减小约354小时,说明试样在高温熔盐环境中长时蠕变过
程中,熔盐腐蚀与蠕变的协同作用加速的不锈钢材料的劣化。
400 MPa,加载速率为3 MPa/s,熔盐为60% NaNO3+40% KNO3混合盐,试验温度为565C,试验
材料为316不锈钢。
度为565 C。
2的测量端顶在上冷却套5的顶面,通过应变采集系统记录试验过程中试样7的应变值,最后
通过上入水管15和下入水管12通入循环冷却水,关闭高温炉8的炉门,设置高温炉8温度为
o
575C,开始升温;
试验得到的滞回曲线。从图中可以看出通过应变采集系统测得应变精准,数据点稳定。熔盐
环境中试样的寿命为1052周次,而空气环境中试样的寿命为1521周次,熔盐环境中试样受
到腐蚀使得外部更容易形成疲劳裂纹源而使其寿命减短。
o
KNO3混合盐,试验温度为565C,试验材料为316不锈钢。
度为565 C。
2的测量端顶在上冷却套5的顶面,通过应变采集系统记录试验过程中试样7的应变值,最后
通过上入水管15和下入水管12通入循环冷却水,关闭高温炉8的炉门,设置高温炉8温度为
o
575C,开始升温;
中的蠕变‑疲劳试验得到的滞回曲线。从图中可以看出通过应变采集系统测得应变精准,曲
线光滑。熔盐环境中试样的寿命为982周次,而空气环境中试样的寿命为1205周次,有效地
反映了熔盐腐蚀‑蠕变‑疲劳交互行为。