本發(fā)明涉及測量材料性能的模擬試驗(yàn)用試樣和相應(yīng)方法，具體涉及一種帶有懸掛試片的模擬高溫/高壓/流動介質(zhì)工況的試樣和應(yīng)用該試樣進(jìn)行試驗(yàn)的方法。

背景技術(shù)：

換熱管是換熱器的重要部件之一，換熱管的安全性是換熱器能都安全運(yùn)行的重要元素之一，工作工況一般為高溫、高壓、流動介質(zhì)(水、水蒸氣等)，在不同的設(shè)備中對換熱管的性能要求也是不同的，而常規(guī)試驗(yàn)與檢驗(yàn)只能檢測材料在常規(guī)條件下的固有性能，如拉伸強(qiáng)度等。但是換熱管在實(shí)際運(yùn)行條件下的性能表征，通過常規(guī)試樣制備無法進(jìn)行，尤其是對于高溫氣冷堆等特殊設(shè)備中的換熱管，他們的工作環(huán)境更為苛刻，在苛刻的環(huán)境下，其實(shí)際性能通過常規(guī)試驗(yàn)是無法獲知的；

為了保證換熱管在模擬工況條件下的研究具有代表意義，一般需要保證試樣處于模擬工況條件下較長時(shí)間，如果每種材料都進(jìn)行一次循環(huán)，試驗(yàn)周期和成本很高，如果能夠通過一次試驗(yàn)工程得到多組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，自然能夠顯著的提升試驗(yàn)效率，降低成本；

一般的試驗(yàn)需目的是要獲知材料在特定條件下被腐蝕的產(chǎn)物、原理、腐蝕厚度、腐蝕速率等等，有時(shí)還需要或者同種或者異種材料焊接后接頭部分被腐蝕的產(chǎn)物、厚度、速率等等信息；

其中，一般試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)考核材料被氧化/腐蝕速率的最準(zhǔn)確方法為失重分析方法，但是對大尺寸試樣進(jìn)行高溫、高壓、流動介質(zhì)中的氧化/腐蝕速率試驗(yàn)，其結(jié)果往往不夠準(zhǔn)確。

由于上述問題的存在，為了獲得高溫氣冷堆換熱管在高溫、高壓、流動介質(zhì)的條件的相關(guān)性能，需要對換熱管在相應(yīng)模擬條件下進(jìn)行試驗(yàn)，對換熱管及相關(guān)材料之間的焊接接頭進(jìn)行性能分析，同時(shí)還要兼顧試驗(yàn)效率，降低試驗(yàn)成本，為此本申請人對相關(guān)試驗(yàn)用的試樣做了深入分析，期待設(shè)計(jì)出一種能夠解決上述問題的新的試樣，和相應(yīng)的模擬試驗(yàn)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述問題，本發(fā)明人進(jìn)行了銳意研究，設(shè)計(jì)出一種試樣和相應(yīng)的試驗(yàn)方法，其中，該試樣包括試樣本體和連接頭；所述試樣本體呈中空的長管狀，括試樣本體和連接頭相連，并且內(nèi)部都開設(shè)有空腔或氣孔，能夠容納高壓介質(zhì)，從而模擬高溫、高壓的工作環(huán)境，在所述述空腔中還懸掛有試片，用以測算腐蝕速率；所述試樣本體和連接頭之間通過焊接的形式密閉連接，二者可以由不同的材質(zhì)制成，所述試樣本體也可以由多塊不同材質(zhì)的環(huán)狀構(gòu)件焊接拼裝而成，從而還能夠檢測焊接位置的腐蝕情況，在一次試驗(yàn)中，獲得多組、多種類的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，大大提高工作效率，降低試驗(yàn)成本，從而完成本發(fā)明。

具體來說，本發(fā)明的目的在于提供一種試樣，該試樣包括試樣本體1和連接頭2；

所述試樣本體1呈中空的長管狀，其一端與連接頭2相連，

在所述連接頭2上開設(shè)有氣孔21，

所述氣孔21與試樣本體1內(nèi)的空腔11相通；

在所述空腔11中懸掛有試片3。

其中，在所述連接頭2上安裝有懸掛桿4，所述懸掛桿4另一端通過鎳鉻絲5與所述試片3相連。

其中，所述試空腔11呈圓柱狀，其各個(gè)橫截面的尺寸一致。

其中，連接頭2上緊鄰試樣本體1的氣孔為圓孔，在該段氣孔內(nèi)壁上開設(shè)有內(nèi)螺紋22，

所述懸掛桿4的截面形狀呈類矩形，在所述懸掛桿4的上端開設(shè)有外螺紋41，外螺紋41與內(nèi)螺紋22相匹配，在懸掛桿4的下端設(shè)置有孔42。

其中，在所述連接頭2上，遠(yuǎn)離試樣本體1的一側(cè)外部套設(shè)有密封墊圈，優(yōu)選地，所述連接頭2通過密封墊圈與循環(huán)泵密封連接。

其中，所述連接頭2有兩個(gè)，分別設(shè)置在試樣本體1的兩側(cè)。

其中，試樣本體1和連接頭2密封連接；

優(yōu)選地，所述試樣本體1和連接頭2之間通過焊接的形式密閉連接。

其中，所述試樣本體1由多塊環(huán)狀構(gòu)件焊接拼裝而成；

優(yōu)選地，所述多塊環(huán)狀構(gòu)件中至少包括兩種材料。

本發(fā)明還提供一種獲知材料在高溫高壓流動介質(zhì)工況下腐蝕特性的模擬試驗(yàn)方法，該方法是通過如權(quán)利要求1-8所述的試樣實(shí)現(xiàn)的。

其中，該方法包括如下步驟：

步驟1：拼裝試樣，包括在空腔11中懸掛試片3，焊接密封連接試樣本體1和連接頭2；

步驟2：在試樣中填充介質(zhì)，所述介質(zhì)包括水；

步驟3：將試樣兩端分別與循環(huán)泵相連；

步驟4：將試樣豎直放置在加熱裝置中，其中試樣的介質(zhì)進(jìn)入端在下，介質(zhì)出口端在上；

步驟5：加熱到預(yù)定溫度，調(diào)節(jié)試樣內(nèi)的壓力達(dá)到預(yù)定值，通過循環(huán)泵使得試樣內(nèi)介質(zhì)循環(huán)流動，如水蒸氣，持續(xù)預(yù)定時(shí)間后降溫冷卻，并抽出試樣內(nèi)的介質(zhì)，如水蒸汽和水；

步驟6：沿軸線方向破開試樣，觀察、檢測試樣內(nèi)壁各個(gè)位置的腐蝕情況，并稱量所述試片3的重量。

根據(jù)本發(fā)明提供的試樣及應(yīng)用其的模擬試驗(yàn)方法，能夠同時(shí)檢測材料在高溫、高壓和流動介質(zhì)共同作用情況下的腐蝕特征，分析腐蝕原理、腐蝕產(chǎn)物，測量腐蝕厚度，計(jì)算腐蝕速率，并且能夠同時(shí)測量多種材質(zhì)及多種材質(zhì)組合焊接處的上述腐蝕特征，試驗(yàn)環(huán)境更接近復(fù)雜的真實(shí)工作環(huán)境，試驗(yàn)結(jié)果更為可靠，試驗(yàn)效率大大提高，能夠同時(shí)獲得多種數(shù)據(jù)信息，并降低試驗(yàn)成本。

附圖說明

圖1示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式的試樣整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式的試樣中連接頭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3示出根據(jù)本發(fā)明一種優(yōu)選實(shí)施方式的試樣中懸掛桿結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)號說明：

1-試樣本體

11-空腔

2-連接頭

21-氣孔

22-內(nèi)螺紋

3-試片

4-懸掛桿

41-外螺紋

42-孔

5-鎳鉻絲

具體實(shí)施方式

下面通過附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。通過這些說明，本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更為清楚明確。

在這里專用的詞“示例性”意為“用作例子、實(shí)施例或說明性”。這里作為“示例性”所說明的任何實(shí)施例不必解釋為優(yōu)于或好于其它實(shí)施例。盡管在附圖中示出了實(shí)施例的各種方面，但是除非特別指出，不必按比例繪制附圖。

高溫氣冷堆中換熱管所處的工作環(huán)境很苛刻，而其自身的特殊形狀及尺寸也可能對其受到的腐蝕作用產(chǎn)生影響，所述換熱管理論上可以由多種材料制成，但是這些種類的材料在實(shí)際工作環(huán)境中的實(shí)際壽命和使用效果難以通過理論推導(dǎo)獲知，模擬試驗(yàn)是解決該問題的最佳方案，為此，本發(fā)明提出一種高溫氣冷堆換熱管性能測定試驗(yàn)用試樣，如圖1、圖2和圖3中所示，該試樣包括試樣本體1和連接頭2；所述試樣本體1呈中空的長管狀，其一端與連接頭2相連，

優(yōu)選地，所述連接頭2有兩個(gè)，分別設(shè)置在試樣本體1的兩側(cè)。

在所述連接頭2上開設(shè)有氣孔21，所述氣孔21與試樣本體1內(nèi)的空腔11相通；從而使得空腔中的介質(zhì)可以流動，所述空腔是密閉構(gòu)件，其內(nèi)部的介質(zhì)更容易保持在預(yù)定的壓力范圍內(nèi)，

優(yōu)選地，在所述空腔11中懸掛有試片3，所述試片是由待測材料制成的較小的塊狀或者片狀構(gòu)件，試片3的具體尺寸可根據(jù)失重分析要求確定，試片位于空腔中，其在試驗(yàn)過程中受到的壓力、溫度及介質(zhì)流動等環(huán)境因素與試驗(yàn)本體受到的環(huán)境因素一致，同時(shí)由于其可以做的比較小，并且不與試樣本體接觸，能夠通過失重法計(jì)算材料在該環(huán)境下的腐蝕速率。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，如所述試空腔11呈圓柱狀，其各個(gè)橫截面的尺寸一致，從而保證試樣本體1內(nèi)部各個(gè)區(qū)域的壓力相同，各個(gè)位置所受到的環(huán)境影響更為接近真實(shí)工作環(huán)境，使得試驗(yàn)結(jié)果更逼近真實(shí)值。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，在所述連接頭2上安裝有懸掛桿4，所述懸掛桿4另一端通過鎳鉻絲5與所述試片3相連，所述懸掛桿與連接頭2相連，從而使得鎳鉻絲5及試片3都不必與試樣本體1相接觸，所以試樣本體1的測量結(jié)果不被影響，能夠提供更多測試樣本；設(shè)置懸掛桿4使得鎳鉻絲5的長度不會過長，而懸掛桿4也能使得試片的位置更為穩(wěn)定，試片的擺動趨勢會更小。優(yōu)選地，所述鎳鉻絲5是一種能夠在高溫高壓流動介質(zhì)中不會失效的高溫合金，屬于性價(jià)比最優(yōu)的連接繩，尺寸約為φ0.1～0.5mm。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，如圖2和圖3中所示，所連接頭2上緊鄰試樣本體1的氣孔為圓孔，在該段氣孔內(nèi)壁上開設(shè)有內(nèi)螺紋22，所述懸掛桿4的截面形狀呈類矩形，在所述懸掛桿4的上端開設(shè)有外螺紋41，在懸掛桿4的下端設(shè)置有孔42；

所述內(nèi)螺紋22與外螺紋41相配合，使得懸掛桿4通過螺紋旋擰的方式固定在連接頭2上，使得安裝作業(yè)更為方便，其中，截面為類矩形的懸掛桿4與截面為圓形的氣孔之間雖然通過螺紋擰合，二者之間必然還存留有空隙，能夠允許試樣中的介質(zhì)流動，不會堵塞通氣孔；并且，通過螺旋旋擰固定的方式，能夠使得懸掛桿4位于試樣的中心位置，從而使得試片位于試樣的中心位置，能夠進(jìn)一步保障試片及試樣本體不受到彼此的干擾，提高試驗(yàn)準(zhǔn)確性。懸掛桿4下端的孔42使得鎳鉻絲5與懸掛桿4之間的連接更為方便可靠。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，在所述連接頭2上，遠(yuǎn)離試樣本體1的一側(cè)外部套設(shè)有密封墊圈，優(yōu)選地，所述連接頭2通過密封墊圈與循環(huán)泵密封連接。該密封墊圈使得試樣與循環(huán)泵的連接更為方便、緊密，能夠確保整個(gè)試驗(yàn)設(shè)備的氣密性完好，確保試樣中壓力穩(wěn)定、，從而進(jìn)一步模擬真實(shí)的工作環(huán)境。

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，試樣本體1和連接頭2密封連接；避免試樣中的介質(zhì)外泄，保證試樣中的壓力在在預(yù)定范圍內(nèi)；

在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述試樣本體1由多塊環(huán)狀構(gòu)件焊接拼裝而成；優(yōu)選地，所述多塊環(huán)狀構(gòu)件中至少包括兩種材料，即試樣本體1中既可以包含同種材料之間的焊接焊縫，也可以保護(hù)異種材料之間的焊接焊縫，從而極大地豐富了最終得到的焊接結(jié)果數(shù)據(jù)信息。

本發(fā)明中所述試樣本體呈長管狀，不僅僅便于同時(shí)將多種材料焊接在一起進(jìn)行試驗(yàn)，還由于其長管狀構(gòu)造使得加熱更為方便，基本能夠保證長管狀各個(gè)位置的溫度都保持在預(yù)定溫度范圍內(nèi)，使得試驗(yàn)環(huán)境更為逼真，試驗(yàn)結(jié)果更為可信；

本發(fā)明中，還提出了一種獲知材料在高溫高壓流動介質(zhì)工況下腐蝕特性的模擬試驗(yàn)方法，該方法是通過如上文所述的試樣實(shí)現(xiàn)的。

具體來說，該方法包括如下步驟：

步驟1：拼裝試樣，包括在空腔11中懸掛試片3，焊接密封試樣本體1和連接頭2；其中，試樣本體由多塊環(huán)狀構(gòu)件拼裝而成，相鄰兩個(gè)環(huán)狀構(gòu)件是同一種材質(zhì)時(shí)，能夠檢測同種材質(zhì)焊接后的腐蝕特性，如果相鄰兩個(gè)環(huán)狀構(gòu)件是不同材質(zhì)時(shí)，能夠檢測異種材質(zhì)焊接后的腐蝕特性。

步驟2：在試樣中填充介質(zhì)，所述介質(zhì)為水性液，例如蒸餾水；

步驟3：將試樣兩端分別與循環(huán)泵相連；

步驟4：將試樣豎直放置在加熱裝置中，其中試樣的介質(zhì)進(jìn)入端在下，介質(zhì)出口端在上；從而使得試樣中的介質(zhì)從下向上持續(xù)流動；

步驟5：加熱試樣到預(yù)定溫度，試樣中的水變?yōu)樗魵?，調(diào)節(jié)試樣內(nèi)的水蒸氣的壓力達(dá)到預(yù)定值，通過循環(huán)泵使得試樣內(nèi)水蒸汽流動，模擬換熱管真實(shí)的工作環(huán)境并持續(xù)預(yù)定時(shí)間，完成后，降溫冷卻，并抽出試樣內(nèi)的蒸汽和水；

步驟6：沿軸線方向破開試樣，觀察、檢測試樣內(nèi)壁各個(gè)位置的腐蝕情況，并稱量所述試片3的重量，其中，對試樣內(nèi)表面的物質(zhì)進(jìn)行分析，能夠獲知試樣材質(zhì)在試驗(yàn)環(huán)境下的腐蝕產(chǎn)物，進(jìn)而分析其腐蝕原理，通過測量腐蝕層的厚度獲知材料被壁腐蝕的深度，還可以通過稱量比較試片在試驗(yàn)前后的重量差，結(jié)合試驗(yàn)時(shí)間分析計(jì)算腐蝕速率。

試驗(yàn)例：

將incoloy-800h管材和sa-213t22管材進(jìn)行對接焊，制成如圖1和圖2中所示的試樣，在試樣中添加a級水，試樣兩端與循環(huán)泵固接后豎直置于加熱爐中，將試樣加熱至520±5℃，調(diào)節(jié)試樣內(nèi)的氣壓，使之處于14.5±0.5mpa，通過循環(huán)泵控制試樣中的介質(zhì)水蒸氣流動，分別持續(xù)100h、300h、500h、1000h后，抽出介質(zhì)，即可以同時(shí)進(jìn)行時(shí)間條件不同的多組，通過多組試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整體計(jì)算評估；降低到室溫后破開試樣，觀察、測算試驗(yàn)的各個(gè)參數(shù)，接焊焊頭內(nèi)表面氧化物呈“河流狀”，能觀察到氧化物顆粒，氧化層較薄，1000h試驗(yàn)后的氧化膜厚度約為10μm，氧化層中主要含有cr、ti、fe、al和ni元素，氧化物為al2o3和fecr2o4；incoloy-800h母材及熱影響區(qū)表面為細(xì)小的氧化物顆粒，氧化層較薄，1000h試驗(yàn)后的氧化膜厚度約為9μm，氧化層中主要含有cr、ti、fe、al和ni元素，氧化物為al2o3和fecr2o4；sa-213t22母材及表面為細(xì)小的氧化物顆粒，形成了較厚的氧化膜，1000h試驗(yàn)后的氧化膜厚度約為13μm，氧化膜中含有cr、fe和si元素，靠近蒸汽界面的氧化物為fe3o4，靠近基體的氧化物為少量的crfe2o4，計(jì)算得到sa-213t22的腐蝕速度約為0.03g/m²·h。

以上結(jié)合了優(yōu)選的實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行了說明，不過這些實(shí)施方式僅是范例性的，僅起到說明性的作用。在此基礎(chǔ)上，可以對本發(fā)明進(jìn)行多種替換和改進(jìn)，這些均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。