高温薄壁压力容器双轴蠕变测试系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种双轴蠕变测试技术，尤其涉及高温薄壁压力容器双轴蠕变测试系统与方法：包括充压泵、拉伸压缩系统、试件，充压泵的出气口通过管路依次串联储压罐、压力调节阀、试件，所述的试件为上下端密闭的压力容器或管道，其外侧设置有电加热炉，且上、下端连接拉伸压缩系统，电加热炉设置有透明窗口，用于激光测径仪、激光引伸计照射到试件上，实现对试件进行内压、内压与外载荷两种条件下的双轴蠕变测试，本发明专利技术基于高温薄壁压力容器或管道的双轴应力的实际工程工况，实现对第一第二阶段蠕变即蠕变寿命的完整测试，和对高温设备和高温结构的工程运行的实际呈现，应用于处于双轴应力状态的高温设备和高温结构的蠕变强度工程分析与设计。分析与设计。分析与设计。

【技术实现步骤摘要】
高温薄壁压力容器双轴蠕变测试系统及方法


[0001]本专利技术涉及双轴应力状态下的蠕变强度测试技术，尤其涉及高温薄壁压力容器(管道) 的双轴蠕变的测试系统与测试方法。

技术介绍

[0002]蠕变是指材料或结构在恒应力的作用下，应变随时间延续而不断增加的现象，而且随着温度的提升，蠕变会愈加剧烈。石化、火电、核电、航空航天，乃至新兴的微电子工业中的高温设备和高温结构，在高温和机械应力的同时作用下，会不可避免地发生蠕变，由此而引发蠕变失效，甚至严重的安全事故。因此，对高温设备和高温结构的蠕变效应进行研究是十分必要的。
[0003]在实际的工况环境下，高温材料和结构很难处于理想状态下的单轴应力状态，基本上处于复杂的多轴应力状态，如内压薄壁压力容器(管道)壳体、核电包壳管处于一种双轴应力状态，超超临界汽轮机转子处于三轴+扭转(剪切)的复杂应力状态，这就需要根据实际工况进行有针对性的研究。现有的蠕变测试基本上都采用单轴拉伸装置进行的，即使是对于多轴蠕变的测试，也是采用缺口棒单轴拉伸测试，来模拟缺口区域的多向应力状态，未能体现三轴应力+扭转剪切的本质应力特征。现有的双轴拉伸测试装置，虽然能实现双轴拉伸，却未能实现基于实际结构和工况条件的真实的双轴应力状态；人为的设置平板状试件和双轴拉伸应力，平板各区域，特别是边缘处未能处于真正的双向拉伸应力状态，有失科学性而具有一定的盲目性；采用较原始的人工砝码加载，耗费人工体力，增加操作危险性，会因加载时的冲击载荷而产生冲击应变，导致数据失真，未能实现自动调节；仅能实现拉伸，无法进行压缩；未能实现完整的第一第二阶段蠕变即蠕变寿命的测试，不完整的应变数据，未能体现真实的蠕变效应；还未能体现蠕变与温度的关系。因此，针对大量的高温双轴应力结构，需要一种基于实际结构和工况的双轴蠕变测试系统和方法进行高温双轴蠕变评估与设计。
[0004]高温压力容器或管道薄壁圆筒在内压作用下，会产生周向应力σ
θ
和轴向应力σ
z
，且σ
θ
＝2σ
z
，径向应力σ
r
＝0，呈现典型的双轴应力状态。本专利技术以此为例，开发一种实际结构和工况条件下的双轴蠕变测试系统及方法，用于进行基于实际应力状态的的双轴蠕变研究和高温薄壁压力容器或管道蠕变强度分析和设计。

技术实现思路

[0005]本专利技术克服现有技术的不足和缺陷，提供一种基于实际工况和结构的实际应力状态的高温双轴蠕变测试系统及方法，尤其用于内压薄壁压力容器双轴蠕变强度测试。
[0006]本专利技术的高温薄壁压力容器双轴蠕变测试系统，高温薄壁压力容器双轴蠕变测试系统，包括充压泵1、储压罐2、压力调节阀3、激光测径仪、激光引伸计、热电偶8、拉伸压缩系统9、阀门12、试件13，充压泵1的出气口通过管路依次串联储压罐2、压力调节阀3、试件13、阀门12，所述的试件13为上下端密闭的压力容器或管道，呈轴线沿着上下方向设置的圆筒
结构，试件13的外侧设置有电加热炉5，试件13上端、下端连接拉伸压缩系统9，试件13上设置有热电偶8，所述的电加热炉5设置有透明窗口，用于激光测径仪、激光引伸计照射到试件13上，激光测径仪、激光引伸计固定在实验场地上。
[0007]所述的高温薄壁压力容器双轴蠕变测试系统，还包括进气口压力表4、电加热炉5、出口压力表10、安全阀11、所述的压力调节阀3与试件13的连接管路上并联进气口压力表4，所述的试件13与阀门12之间的连接管路上同时并联出口压力表10、安全阀11。
[0008]所述的电加热炉5分上、中、下三段，对试件13进行加热，试件13上设置的上、中、下三个热电偶8分别对应于电加热炉5上、中、下三段。
[0009]所述内压工况下的双轴蠕变测试的原理、方法和步骤如下：
[0010]a.由充压泵1向储压罐2充气注压，使得储压罐内压力大于试件13极限内压力，达到某一设定值后，关闭充压泵1，在测试过程中充压泵1处于关闭状态；开启压力调节阀3、关闭阀门12，储压罐2向试件13注压，试件13内压由压力调节阀3调控到设定值；电加热炉 5分上、中、下三段对试件13进行加热，通过热电偶8对试件13上、中、下三段分别检测的温度来控制电加热炉5对应的上、中、下三段的运行，使试件13处于设定温度T1；激光测径仪测量试件径向应变，然后根据胡克定律，转换为周向应变，激光引伸计在试件13上的照射位置7，位于激光测径仪照射位置6正上方一个标准距离，即标距A；拉伸压缩系统9，在对试件13注压、加热过程中，对试件施加30
‑
50牛顿的轴向拉伸载荷，使试件在膨胀或收缩以及蠕变过程中，保持试件13的轴线处于竖直方向；
[0011]b.计算有效应力σ
[0012]在内压的作用下，试件13的筒壁产生三个方向的主应力
[0013]σ3＝σ
r
＝0
[0014]有效应力为
[0015][0016]c.检测和计算有效应变ε
[0017]三个主应变增量
[0018][0019][0020][0021]有效应变增量
[0022][0023]由激光测径仪测得对应时间增量dt的径向应变增量dε
r
，经上式转换计算得到有效应变增量dε，据此得到对应时间t的有效应变ε；
[0024]d.构建和显示有效应力σ下的应变
‑
时间曲线，即ε
‑
t曲线；
[0025]e.测试结束：测试进行到第三蠕变阶段开始时，即加速蠕变、蠕变失效断裂阶段开始时，即检测到应变增长加速时，打开阀门12，电加热炉5停止加热，测试结束。
[0026]f.重述上述的步骤a
‑
e，并通过压力调节阀3改变试件13的内压力p，改变一次试件13 的内压力p，进行一次测试，得到在温度T1下的多个应变
‑
时间曲线，即ε
‑
t曲线；
[0027]g.通过电加热炉5改变试件13上设定的温度T
n
，重复上述的步骤a
‑
e，在此设定的温度下，改变一次试件13的内压力p，进行一次测试，即可以得到该温度T
n
下的多个应变
‑
时间曲线，即ε
‑
t曲线，其中n＝2
……
N的自然数，例如n＝5；
[0028]h.拟合应变
‑
时间曲线，即ε
‑
t曲线，对稳态蠕变阶段，即第二蠕变阶段ε关于时间t求导，即可得到稳态蠕变速率以及构建稳态蠕变速率与应力σ、温度T、时间t的关系，进而进行蠕变强度评估。
[0029]所述内压与轴向外拉伸或压缩共同作用工况下的双轴蠕变测试的原理、方法和步骤：
[0030]a.由充压泵1向储压罐2充气注压，使得储压罐内压力大于试件13极限内压力，达到某一设定值后，关闭充压泵1，在测试过程中充压泵1处于关闭状态；开启压力调节阀3、关闭阀门12，储压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.高温薄壁压力容器双轴蠕变测试系统，其特征在于：包括充压泵(1)、储压罐(2)、压力调节阀(3)、激光测径仪、激光引伸计、热电偶(8)、拉伸压缩系统(9)、阀门(12)、试件(13)，充压泵(1)的出气口通过管路依次串联储压罐(2)、压力调节阀(3)、试件(13)、阀门(12)，所述的试件(13)为上下端密闭的压力容器或管道，呈轴线沿着上下方向设置的圆筒结构，试件(13)的外侧设置有电加热炉(5)，试件(13)上端、下端连接拉伸压缩系统(9)，试件(13)上设置有热电偶(8)，所述的电加热炉(5)设置有透明窗口，用于激光测径仪、激光引伸计照射到试件(13)上。2.根据权利要求1所述的高温薄壁压力容器双轴蠕变测试系统，其特征在于：还包括进气口压力表(4)、电加热炉(5)、出口压力表(10)、安全阀(11)、所述的压力调节阀(3)与试件(13)的连接管路上并联进气口压力表(4)，所述的试件(13)与阀门(12)之间的连接管路上同时并联出口压力表(10)、安全阀(11)。3.根据权利要求2所述的高温薄壁压力容器双轴蠕变测试系统，其特征在于：所述的电加热炉(5)分上、中、下三段，对试件(13)进行加热，试件(13)上设置的上、中、下三个热电偶(8)分别对应于电加热炉(5)上、中、下三段。4.一种根据权利要求3所述的高温薄壁压力容器双轴蠕变测试系统的方法，其特征在于：包括如下步骤：a.由充压泵(1)向储压罐(2)充气注压，使得储压罐内压力大于试件(13)极限内压力，达到某一设定值后，关闭充压泵(1)，在测试过程中充压泵(1)处于关闭状态；开启压力调节阀(3)、关闭阀门(12)，储压罐(2)向试件(13)注压，试件(13)内压由压力调节阀(3)调控到设定值；电加热炉(5)分上、中、下三段对试件(13)进行加热，通过热电偶(8)对试件(13)上、中、下三段分别检测的温度来控制电加热炉(5)对应的上、中、下三段的运行，使试件(13)处于设定温度T1；激光测径仪测量试件径向应变，然后根据胡克定律，转换为周向应变，激光引伸计在试件(13)上的照射位置(7)，位于激光测径仪照射位置(6)正上方一个标准距离，即标距A；拉伸压缩系统(9)，在对试件(13)注压、加热过程中，对试件施加30
‑
50牛顿的轴向拉伸载荷，使试件在膨胀或收缩以及蠕变过程中，保持试件(13)的轴线处于竖直方向；b.计算有效应力σ试件(13)的筒壁产生三个方向的主应力有效应力为c.检测和计算有效应变ε三个主应变增量三个主应变增量
有效应变增量其中，σ1、σ2、σ3分别为三轴方向的主应力，σ
θ
、σ
z
、σ
r
分别为圆筒管周向应力、轴向应力、径向应力，p为圆筒内压力，r为圆筒平均半径，δ为圆筒壁厚；σ为有效应力，ε为有效应变，dε有效应变增量，dε1、dε2、dε3分别为三个方向上的主应变增量，dε
θ
、dε
z
、dε
r
分别为周向应变增量、轴向应变增量、径向应变增量；由激光测径仪测得对应时间增量dt的径向应变增量dε
r
，经上式转换计算得到有效应变增量dε，据此得到对应时间t的有效应变ε；d.构建和显示有效应力σ下的应变
‑
时间曲线，即ε
‑
t曲线；e.测试结束：测试进行到第三蠕变阶段开始时，即加速蠕变、蠕变失效断裂阶段开始时，即检测到应变增长加速时，打开阀门(12)，电加热炉(5)停止运行，测试结束；f.重复上述的步骤a
‑
e，并通过压力调节阀(3)改变试件(13)的内压力p，改变一次试件(13)的内压力p，进行一次测试，得到在温度T1下的多个应变
‑
时间曲线，即ε
‑
t曲线；g.通过电加热炉(5)改变试件(13)上设定的温度Tn，重复上述的步骤a
‑
e，在此设定的温度下，改变一次试件(13)的内压力p，进行一次测试，即可以得到该温度Tn下的多个应变
‑
时间曲线，即ε
‑
t曲线；其中n＝2
……
N的自然数；h.拟合应变
‑
时间曲线，即ε
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：郭进全，吴耀春，李菲，马铭，刘玉慧，来彦玲，廉蒙蒙，
申请(专利权)人：安阳工学院，
类型：发明
国别省市：