本發(fā)明涉及小型圓形片狀試樣的小沖桿試驗領域，具體為一種動態(tài)高溫高壓水環(huán)境中小沖桿試驗裝置及試驗方法。

背景技術：

1、核能發(fā)電是一種清潔、可持續(xù)的能源獲取方式，發(fā)展核電是改善我國能源結構、緩解環(huán)境壓力的重要途徑。核電的安全性至關重要，關系到人民的生命財產安全和社會穩(wěn)定。核用關鍵材料在高溫高壓水(200～360℃，4～20mpa)環(huán)境中的服役性能是影響核電站安全運行的一個重要因素。因此，研究核用關鍵材料的服役性能具有重要意義。

2、由于傳統(tǒng)的拉伸、壓縮等評價材料性能的方法通常要求實驗材料尺寸較大，并且對服役過程中的設備構件進行取樣時比較困難。小沖桿試驗技術是一種微型試樣力學性能測試技術，由j.m.拜克(jeong?min?baik)等人在1983年提出，最早應用于測試核用材料經過中子輻射后的延展性，現已發(fā)展為工業(yè)設備材料服役性能評價的新技術。小型圓形片狀試樣的尺寸為直徑3～10毫米、厚度0.5毫米左右，利用球形壓頭以固定的速度下壓試樣的中心位置，從小沖桿測試的載荷-位移曲線中獲得到材料的拉伸性能、斷裂韌性、韌脆轉變溫度等力學性能。

3、近年來，我國一直在推進核電自主化，在高溫高壓水中核用關鍵材料服役性能測試對其服役壽命預測、選材、開發(fā)新材料等具有重要意義。目前，小沖桿試驗裝置尚沒有統(tǒng)一的標準試驗裝置，而且大部分小沖桿試驗在空氣中和高溫氣體中進行測試，而國內關于在高溫高壓水環(huán)境中小沖桿原位測試技術幾乎空白。因此，本發(fā)明將發(fā)明一種動態(tài)高溫高壓水中小沖桿試驗裝置來評價核用材料在高溫高壓水中的服役性能。

技術實現思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種動態(tài)高溫高壓水環(huán)境中小沖桿試驗裝置及試驗方法，解決小型金屬材料試樣在模擬核電服役環(huán)境高溫高壓水中開展試驗的問題。

2、為了實現上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：

3、一種動態(tài)高溫高壓水環(huán)境中小沖桿試驗裝置，該裝置包括循環(huán)回路系統(tǒng)、加載馬達、高壓釜和夾具套件，具體結構如下：倒置高壓釜內腔設置小沖桿試驗夾具套件，高壓釜內腔通過進水管和出水管與循環(huán)回路系統(tǒng)相連通，高壓釜通過液壓升降裝置與釜體底座閉合，加載馬達輸出端的加載馬達拉伸軸穿過密封冷卻套伸至高壓釜內腔，并與小沖桿試驗夾具套件的小型圓形片狀試樣相對應。

4、所述的動態(tài)高溫高壓水環(huán)境中小沖桿試驗裝置，循環(huán)回路系統(tǒng)包括：電導率探頭、溶解氧探頭、溶解氫探頭、背壓閥、冷凝器、熱交換器、預熱器、儲水罐，在儲水罐的側面安裝第一電磁閥、第二電磁閥、第三電磁閥，第一電磁閥外接高純氧氣瓶，第二電磁閥外接高純氮氣瓶，第三電磁閥外接高純氫氣瓶，在儲水罐的頂部安裝一個排氣閥，在儲水罐的側面下部安裝一個排水閥；儲水罐底部通過管路連接循環(huán)泵，循環(huán)泵的出口分兩路：一路依次通過電導率探頭、溶解氧探頭、溶解氫探頭與儲水罐連通，另一路依次通過高壓泵、熱交換器、預熱器、進水管、高壓釜內腔、出水管、熱交換器、冷凝器、背壓閥與儲水罐連通。

5、所述的動態(tài)高溫高壓水環(huán)境中小沖桿試驗裝置，水溶液從儲水罐底部流出，經過循環(huán)泵分兩路：一部分水溶液流經電導率探頭、溶解氧探頭、溶解氫探頭，再返回儲水罐中形成回路，電導率探頭、溶解氧探頭和溶解氫探頭測量循環(huán)回路系統(tǒng)中水溶液的水化學參數，通過高純氮氣、高純氧氣和氫氣調節(jié)儲水罐中水溶液的溶解氧/氫至實驗所需參數范圍；一部分水溶液依次流經高壓泵、熱交換器、預熱器，通過高壓泵進行加壓、熱交換器進行熱交換、預熱器進行加熱，最后通過進水管流入高壓釜內腔，通過高壓釜外壁的加熱裝置進行加熱，使高壓釜內腔水溶液達到試驗所需溫度；從高壓釜內腔經過出水管流出的水溶液，流經熱交換器、冷凝器、背壓閥，流經熱交換器與低溫溶液進行充分的熱交換后流經冷凝器，使其溫度進一步降低，然后流經背壓閥將壓力降至常壓后重新流入儲水罐中，完成整個循環(huán)過程。

6、所述的動態(tài)高溫高壓水環(huán)境中小沖桿試驗裝置，液壓升降裝置連有均勻分布的豎直液壓缸，液壓缸的上部伸縮端安裝水平的上支撐板，液壓缸的中部安裝水平的下支撐板，上支撐板與下支撐板上下相對平行，形成高壓釜支架；下支撐板的頂部設有釜體底座，倒置的高壓釜設置于釜體底座上，高壓釜的下端法蘭通過螺栓與釜體底座連接，高壓釜的上端與上支撐板通過配套使用的螺桿和螺帽連接，高壓釜通過液壓升降裝置進行升降；高壓釜內腔設有夾具套件支架，夾具套件安裝于夾具套件支架的水平支撐板上，加載馬達位于下支撐板的下方，加載馬達輸出端的加載馬達拉伸軸沿豎向穿過釜體底座伸至高壓釜內腔，并依次通過連接件、沖桿、圓球與夾具套件上的小型圓形片狀試樣底部中心相對應，加載馬達拉伸軸與手動載荷位移控制器連接。

7、所述的動態(tài)高溫高壓水環(huán)境中小沖桿試驗裝置，加載馬達拉伸軸外側與釜體底座接觸處安裝密封冷卻套，密封冷卻套設有冷卻水進水口和冷卻水出水口，密封冷卻套由水箱提供循環(huán)水進行冷卻。

8、所述的動態(tài)高溫高壓水環(huán)境中小沖桿試驗裝置，釜體底座上設置進水管、出水管、排氣管、排水管，進水管、出水管、排氣管、排水管分別與高壓釜內腔和高壓釜外部的閥門相連接；高壓釜底座的上表面開有截面v型的環(huán)形槽，環(huán)形槽內設有v型不銹鋼或者鎳基合金密封圈，高壓釜降到最底端與高壓釜底座的不銹鋼或者鎳基合金密封圈相閉合，并用螺栓對稱緊固密封連接。

9、所述的動態(tài)高溫高壓水環(huán)境中小沖桿試驗裝置，夾具套件包括：上模、中模、下模，上模、中模、下模為自上而下依次相對設置的圓柱形結構，上模、中模、下模的外徑相等，上模、中模通過螺栓緊固連接，中模、下模通過螺栓緊固連接，組成完整的夾具套件；其中：

10、上模頂部中心垂直帶有上模連接桿，上模連接桿穿過支撐板的中心圓孔，支撐板上螺母、支撐板下螺母分別位于支撐板的上面和下面，支撐板上螺母、支撐板下螺母通過與上模連接桿螺紋連接進行緊固，使上模固定支撐板上；中模的中心開設階梯形孔，位于上部的中心孔直徑小于位于下部的中心孔直徑，中模側面中間位置沿圓周均勻加工四個孔，所述孔與中模位于上部的中心孔垂直相連通；中模位于下部的中心孔安放測試的小型圓形片狀試樣；下模的頂部通過凸臺與中模位于下部的中心孔相對應匹配呈滑動配合，小型圓形片狀試樣通過凸臺夾持于中模位于下部的中心孔上端，下模的中心開設圓孔，所述圓孔的直徑與中模位于上部的中心孔直徑相等，所述圓孔內設有圓球，圓球的上方與小型圓形片狀試樣相對應，圓球的下方與豎直的沖桿相對應，沖桿通過連接件與加載馬達拉伸軸同軸連接。

11、所述的動態(tài)高溫高壓水環(huán)境中小沖桿試驗裝置，沖桿上端加工成1/2半球凹槽，凹槽上端放置圓球，圓球采用超硬滾珠軸承球；或者，沖桿和圓球采用圓柱型沖桿代替；

12、加載馬達拉伸軸在高壓釜內腔部分的上端與夾具套件的沖桿之間通過連接件連接，連接件的上端和下端同軸開設有螺紋孔，沖桿的下端通過螺桿與連接件的上端螺紋孔連接，加載馬達拉伸軸的上端與連接件的下端螺紋孔連接。

13、所述的動態(tài)高溫高壓水環(huán)境中小沖桿試驗裝置，還設有控制柜，控制柜中包含電源開關、預熱器開關、溶解氧電磁閥開關、循環(huán)泵開關、第一控制面板、高壓泵開關、第二控制面板、溶解氫電磁閥開關，預熱器開關通過線路與預熱器連接，溶解氧電磁閥開關通過線路與第一電磁閥連接，循環(huán)泵開關通過線路與循環(huán)泵連接，第一控制面板分別通過線路與電導率探頭、溶解氧探頭、溶解氫探頭、背壓閥、冷凝器、熱交換器、預熱器、高壓釜內腔的熱電偶和壓力傳感器連接，高壓泵開關通過線路與高壓泵連接，第二控制面板分別通過線路與加載馬達拉伸軸上的載荷裝置和位移裝置連接，溶解氫電磁閥開關通過線路與第三電磁閥連接。

14、所述的動態(tài)高溫高壓水環(huán)境中小沖桿試驗裝置的使用方法，包括如下步驟：

15、(1)螺栓將上模與中模通過相匹配的螺紋緊固連接，小型圓形片狀試樣嵌入下模與中模之間，將下模與中模通過螺栓緊固連接；

16、(2)將固定小型圓形片狀試樣的夾具套件通過螺母、螺母固定在高壓釜內腔夾具套件支架上端的支撐板中心圓孔位置；

17、(3)沖桿與圓球穿入下模的中心圓孔中，調節(jié)手動載荷位移控制器使沖桿和圓球與小型圓形片狀試樣接近，再將第二控制面板的載荷值和位移值調節(jié)為零點，繼續(xù)調節(jié)手動載荷位移控制器使沖桿向上移動，觀察第二控制面板中載荷的變化，如載荷(力)發(fā)生變化，則立即停止加載，說明沖桿與小型圓形片狀試樣相接觸；將載荷裝置和位移裝置再次調零，設定試驗載荷位移參數；

18、(4)關閉高壓釜，通過液壓升降裝置將高壓釜與釜體底座閉合，緊固四周螺栓；

19、(5)儲水罐中注入試驗所需水溶液，開啟循環(huán)泵開關、高壓泵開關、預熱器開關、溶解氧電磁閥開關和溶解氫電磁閥開關，調節(jié)循環(huán)回路系統(tǒng)水化學參數(溶解氧/氫)；

20、(6)根據需要設置試驗所要求溫度和壓力，高溫高壓釜中的試驗壓力應大于試驗溫度的飽和蒸汽壓；

21、(7)開啟溫度開關，升溫至試驗溫度后保溫一段時間，使循環(huán)回路系統(tǒng)水化學參數和高壓釜中溶液溫度穩(wěn)定；

22、(8)開啟加載馬達，對小型圓形片狀試樣施加載荷-位移，通過計算機記錄載荷-位移數值和曲線；

23、(9)根據位移-載荷曲線判斷沖擊破裂程度，直至試驗結束；

24、(10)試驗結束后，關閉高壓泵開關、循環(huán)泵開關、預熱器開關、溶解氧電磁閥開關和溶解氫電磁閥開關，高壓釜內腔溫度降至室溫，排除高壓釜內水溶液，打開高壓釜，取出試樣。

25、本發(fā)明的設計思想和優(yōu)點效果如下：

26、1、本發(fā)明主要是為小型金屬材料在高溫高壓水環(huán)境中的小沖桿試驗裝置和試驗方法，本發(fā)明試樣取材少，可直接在服役設備中取樣，降低對設備的破壞；也可對有限的材料進行試驗時，獲得更多的數據；試樣為圓形片狀，加工和安裝方便。

27、2、采用本發(fā)明在高溫高壓水環(huán)境中進行試驗，更準確的評價核用材料在實際工況服役性能。

28、3、本發(fā)明采用馬達加載，加載力大小可控、加載方式可調，具有操作簡易、經濟性好、實用性高等特點。

29、4、本發(fā)明裝置能夠實現小沖桿試驗在高溫高壓水環(huán)境中溫度、溶解氧/氫和壓力等參數的實時監(jiān)測與控制，從而精準地進行特定條件下的高溫高壓水中小沖桿測試。