液态金属条件下的材料性能试验装置-j9九游会真人

1.本实用新型涉及到核能与核技术领域，特别涉及到一种液态金属条件下的材料性能试验装置。


背景技术：

2.为了研究不同组分的结构材料在液态纯铅环境的腐蚀与脆化行为，目前普遍采用的技术方案是构建一个高温测试罐，通过温度与溶解氧浓度的控制在测试罐内形成一个稳定的液态纯铅环境模拟纯铅快堆堆芯内的纯铅环境。然后将不同组分的结构材料制成测试样件置于液态纯铅环境内进行动静态腐蚀、拉伸等与材料性能相关的技术实验，从而测试与评估不同的结构材料组分在高温液态纯铅环境内的特性，为纯铅快堆结构材料的选型提供数据参考。
3.申请号为201210089601.5的发明专利公开了一种液态金属条件下的材料脆化试验装置，这种试验装置设置了测试罐来模拟测试样件在液态金属环境下的材料性能。但是这种试验装置应用到模拟的液态纯铅环境时，温度普遍在600℃甚至以上的高温测试罐中会在罐体内引起大量铅蒸汽的挥发，并在测试罐体上部气体空间聚集，从而带来了至少以下两个技术难点和缺点：
4.1.为了实现测试罐内溶解氧浓度的控制，测试罐上部封盖通常会与多个气路管道连接，由此必然不可避免地引起铅蒸汽在气路管道内的冷凝沉积引起氧控效率的降低，极端情况下会引起气路管道的堵塞，对测试罐的长期稳定性带来了严重挑战。而材料腐蚀、慢拉伸等力学性能实验通常要求较长时间的稳定运行，测试罐的长期稳定运行是开展相关实验的重要前提条件。
5.2.更为重要的是，在测试罐内进行的测试样件力学拉伸实验时需要通过一个特定的拉杆装置给测试样件加载力学负荷并通过精确测量拉杆的位移测定测试样件的形变与加载的力学负荷之间的依变关系。因此拉杆装置与测试罐上部封盖之间的密封连接部位一方面需要做到良好的密封、另一方面需要能够做到稳定自由滑动，从而确保加载力和位移测量的精确性。在现有的技术方案下，测试罐体上部空间内聚集的铅蒸汽必然会在密封连接部位的微小缝隙内冷凝沉积，从而可能导致拉杆自由滑动堵塞引起测量误差，极端的情况下可能导致完全卡死引起设备的损坏。


技术实现要素：

6.本实用新型的主要目的为提供一种液态金属条件下的材料性能试验装置，旨在解决因为液态金属蒸汽在力学加载拉杆和上部封盖的密封连接部位和/或气路管道内的冷凝沉积而导致的力学加载拉杆和上部封盖的密封连接部位卡死和/或气路管道堵塞的问题。
7.为了实现上述实用新型目的，本实用新型提出一种液态金属条件下的材料性能试验装置，包括测试罐、力学加载拉杆和主动冷却回路；
8.所述测试罐包括测试罐本体和上部封盖，上部封盖盖合于测试罐的罐口，上部封
盖上设有拉杆孔、进口孔、出口孔；
9.所述力学加载拉杆的一端贯穿所述拉杆孔并置于测试罐内部；
10.所述主动冷却回路包括进口管、冷凝管和出口管，所述进口管一端贯穿所述进口孔，所述出口管的一端贯穿所述出口孔，所述进口管和所述出口管位于所述测试罐本体内的端口之间通过所述冷凝管连通，测试时所述冷凝管位于所述测试罐内液态金属的上方，所述冷凝管内部通有冷凝剂。
11.进一步地，所述冷凝剂为惰性气体。
12.进一步地，所述主动冷却回路还包括惰性气体气瓶、减压阀和气体流量计，所述惰性气体气瓶、所述减压阀、所述气体流量计、所述进口管依次连接。
13.进一步地，所述主动冷却回路还包括排气阀门、排气自然冷却管路、排气清洗容器和清洗容器排气阀门，所述出口管、所述排气阀门、所述排气自然冷却管路、所述排气清洗容器、所述清洗容器排气阀门依次连接。
14.进一步地，所述排气清洗容器为排气水洗容器。
15.进一步地，所述冷凝管为螺旋状设计。
16.进一步地，所述冷凝管环绕所述力学加载拉杆设置。
17.进一步地，还包括第一热电偶、第二热电偶以及所述上部封盖上对应所述第一热电偶和所述第二热电偶的第一通孔、第二通孔，所述第一热电偶通过所述第一通孔贯穿上部封盖置于所述测试罐内，所述第二热电偶通过所述第二通孔贯穿上部封盖置于所述测试罐内，测试时所述第一热电偶一端插入液态金属的顶部，所述第二热电偶一端插入液态金属的底部。
18.进一步地，还包括温控单元和与温控单元相连接的控制电脑，所述第一热电偶和所述温控单元连接，所述第二热电偶与所述温控单元连接。
19.进一步地，还包括气态氧控回路以及所述上部封盖上设有的气路通孔，所述气态氧控回路位于冷凝管的上方，通过所述气路通孔贯穿所述上部封盖置于所述测试罐内。
20.本实用新型的一种液态金属条件下的材料性能试验装置，是在现有技术的基础上增加了主动冷却回路，该主动冷却回路至少包括进口管、冷凝管和出口管，测试时冷凝管位于测试罐内液态金属的上方，冷凝管内部通有冷凝剂，测试罐内的液态金属经高温加热自下而上地挥发蒸汽，液态金属蒸汽先经过冷凝管被冷凝剂冷却凝结在冷凝管的表面，然后在重力的作用下流下来，落入测试罐内的液态金属中，与此同时冷凝管上方的力学加载拉杆和上部封盖的密封连接部位遇到液态金属蒸汽的可能性大大降低，减小了力学加载拉杆和上部封盖的密封连接位置卡死的风险，延长了力学加载拉杆的使用寿命，对于液态金属环境内进行长周期的结构材料腐蚀行为、慢拉伸等相关工艺实验具有重要的实际意义。
附图说明
21.图1是本实用新型一实施例的液态金属条件下的材料性能试验装置的结构示意图；
22.图2是本实用新型一实施例的液态金属条件下的材料性能试验装置的结构示意图。
23.其中：1-测试罐本体；2-上部封盖；3-力学加载拉杆；4-进口管；5-冷凝管；6-出口
管；7-测试样件；8-液态金属；9-气体流量计；10-压力阀；11-惰性气体气瓶；12-排气阀门；13-排气自然冷却管路；14-排气水洗容器；15-水洗容器排气阀门；16-第一热电偶；17-第二热电偶；18-温控单元；19-控制电脑；20-气态氧控回路。
24.本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
25.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
26.在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体地限定。
27.在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
28.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
29.参照图1和图2，本实用新型一实施例提供一种液态金属条件下的材料性能试验装置：包括测试罐、力学加载拉杆3和主动冷却回路；
30.所述测试罐包括测试罐本体1和上部封盖2，上部封盖2盖合于测试罐的罐口，上部封盖2上设有拉杆孔、进口孔和出口孔；
31.所述力学加载拉杆3的一端贯穿所述拉杆孔并置于测试罐内部；
32.所述主动冷却回路包括进口管4、冷凝管5和出口管6，所述进口管4一端贯穿所述进口孔，所述出口管6的一端贯穿所述出口孔，所述进口管4和所述出口管6位于所述测试罐本体1内的端口之间通过所述冷凝管5连通，测试时所述冷凝管5位于所述测试罐内液态金属8的上方，所述冷凝管5内部通有冷凝剂。
33.所述液态金属条件下的材料性能试验装置是为模拟核反应堆用候选结构材料在高温液态金属环境中普遍存在液态金属脆化和液态金属腐蚀等相容性问题而构建的装置，
所述液态金属8可选为液态纯铅或者液态铅铋共晶合金。
34.所述测试罐和所述力学加载拉杆3的材料可以为现有技术方案中任意一种材料，既不与液态金属8反应也能承受住高温，且其可定期更换，保证了装置的寿命。所述测试罐的形状可以为规则的柱形，也可以为不规则的柱形，其中，规则的柱形包括：圆柱、长方体、正方体。
35.所述力学加载拉杆3是可以上下活动进行动静态腐蚀、力学拉伸试验测试的拉杆，给所述测试样件7加载力学负荷并通过精确测量拉杆的位移测定测试样件的形变与加载的力学负荷之间的依变关系，所述力学加载拉杆3的形状可以为规则的柱形，也可以为不规则的柱形，其中，规则的柱形包括：圆柱、长方体、正方体。
36.测试时冷凝剂从所述进口管4通入所述冷凝管5来冷却因高温挥发的液态金属蒸汽，冷凝剂再从所述出口管6流出，依次流经排气阀门12、排气自然冷却管路13和排气清洗容器14，最后从清洗容器排气阀门处15排出。液态金属蒸汽在到达与测试罐上部封盖2和力学加载拉杆3的密封连接部位之前在冷凝管5外表面冷凝，并在重力的作用下流入罐内的液态金属8中，从而可以有效减少进入测试罐上部封盖2和力学加载拉杆3的密封连接部位的金属蒸汽，降低其卡死的风险。
37.可选的，所述冷凝剂为惰性气体。惰性气体即使在高温条件下也不会与液态金属8发生化学反应，并具有相对较好的传热能力，优选地采用氦气作为冷却气体，且由于惰性气体不可凝结的特点，即使冷却管路发生了微泄漏，也不会对于冷却效应以及测试罐整体的运行安全带来挑战，这是相对于水冷设计的一个显著优势。
38.可选的，所述主动冷却回路还包括惰性气体气瓶11、减压阀10和气体流量计9；所述惰性气体气瓶11、所述减压阀10、所述气体流量计9、所述进口管4依次连接。使用外接的惰性气体气瓶11独立供气更加可控安全，气体流量计9是可以精确测量气体流量的仪表，可选用速度式流量计、差压式流量计、容积式流量计、转子式流量计等常用的种类，减压阀10用来控制冷却气体压力，包括薄膜式、弹簧薄膜式、活塞式、杠杆式和波纹管式等多种气体减压阀，可以控制惰性气体气瓶11中流出惰性气体的气压大小，以保证试验进行的安全性和稳定性。
39.可选的，所述主动冷却回路还包括排气阀门12、排气自然冷却管路13、排气清洗容器14和清洗容器排气阀门15；所述出口管6、所述排气阀门12、所述排气自然冷却管路13、所述排气清洗容器14、所述清洗容器排气阀门15依次连接。排气阀门12可以控制主动冷却回路中惰性气体的排放，排气自然冷却管路13的设置是为了冷却经过高温的测试罐而被加热的惰性气体，优选的该排气清洗容器14为水洗容器，通过冷却水使得因为泄露而可能混入惰性气体中的液态金属蒸汽被清洗过滤，避免重金属排向环境造成影响，清洗容器排气阀门15可以控制被清洗过后的惰性气体的排放。
40.可选的，所述冷凝管5为螺旋状设计，采用螺旋式冷凝管可以增大传热面积，尽可能的提高传热系数和冷却效率，从而使得更多的金属蒸汽能够被提前冷凝回流至测试罐的液态区域；也可选用结构简单直观的直形冷凝管和冷却面积较大的球形冷凝管。
41.可选的，所述冷凝管5环绕所述力学加载拉杆3设置，以力学加载拉杆3的中心为圆心，冷凝管5绕着力学加载拉杆3若干周，使力学加载拉杆3和上部封盖2之间的密封连接部位被环绕的冷凝管5充分阻挡，减小力学加载拉杆3和上部封盖2之间的密封连接部位的暴
露面积，降低液态金属蒸汽接触力学加载拉杆3和上部封盖2之间的密封部位导致其冷凝沉积带来卡死问题的可能性。
42.可选的，所述液态金属条件下的材料性能试验装置还包括第一热电偶16和第二热电偶17以及所述上部封盖2上对应所述第一热电偶16和所述第二热电偶17的第一通孔、第二通孔，所述第一热电偶16通过所述第一通孔贯穿上部封盖2置于所述测试罐内，所述第二热电偶17通过所述第二通孔贯穿上部封盖2置于所述测试罐内，测试时所述第一热电偶16一端插入液态金属8的顶部，所述第二热电偶17一端插入液态金属8的底部。所述第一热电偶16和第二热电偶17具有响应速度快、可进行-200℃到 1700℃之间大范围的温度采集和可对特定点和小空间进行温度采集的优点，满足测试罐模拟的液态纯铅温度普遍在600℃甚至以上的要求，并对液态金属8的顶部和底部的温度进行采集。
43.可选的，所述液态金属条件下的材料性能试验装置还包括温控单元18和与温控单元18相连接的控制电脑19，所述第一热电偶16和所述温控单元18连接，所述第二热电偶17与所述温控单元18连接。所述第一热电偶16和所述第二热电偶17通过温控单元18采集温度信息传递到控制电脑19中，可以读取并监测冷凝回流流下的液态金属与测试罐底部的已有液态金属的温差，如果两个热电偶的温差可以忽略不计，则可以说明冷凝回流流下的液态金属对于已有的液态金属的温度影响可以忽略不计，所述控制电脑19可以为笔记本电脑、手机、平板电脑等能读取温度信息的终端设备。
44.可选的，所述液态金属条件下的材料性能试验装置还包括气态氧控回路20以及上部封盖2上设有的气路通孔，气态氧控回路20位于冷凝管5的上方，通过气路通孔贯穿上部封盖2置于测试罐内，气态氧控回路20可以控制测试罐内液态金属中溶解氧的浓度，以达到测试与评估不同的结构材料组分在控温和控溶解氧浓度的液态金属环境内的特性，为铅基快堆结构材料的选型提供数据参考的目的。测试时所述冷凝管5设置于气态氧控回路20的下方，冷凝管5可以先把液态金属蒸汽冷凝，避免液态金属蒸汽到达气态氧控回路20后冷凝沉积而堵塞气路管道。
45.以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。