王 慧，劉利強，田 萍

(長春機械科學研究院有限公司，吉林 長春 130103)

高溫過熱水蒸氣環(huán)境蠕變疲勞試驗機

王 慧，劉利強，田 萍

(長春機械科學研究院有限公司，吉林 長春 130103)

本文論述了高溫過熱水蒸氣環(huán)境蠕變疲勞試驗機的設(shè)計原理及結(jié)構(gòu)，介紹了設(shè)備的主要功能及特點。該設(shè)備主要用于金屬材料在服役的高溫過熱水蒸氣環(huán)境下的蠕變疲勞試驗。

過熱水蒸氣；蠕變；蠕變疲勞；動態(tài)載荷；疲勞失效

1 引 言

材料在一定溫度下保持應(yīng)力不變時，應(yīng)變隨時間延長而增加的現(xiàn)象稱為蠕變。材料的蠕變行為是時間、應(yīng)力、溫度共同作用的結(jié)果，只要作用的時間足夠長，蠕變在應(yīng)力遠小于彈性極限時也能出現(xiàn)。同樣，材料的蠕變行為在高溫下更容易發(fā)生。長時高溫受載或交變載荷條件下工作的構(gòu)件，蠕變損傷是其主要的失效形式。材料的蠕變壽命是材料研發(fā)、構(gòu)件設(shè)計、壽命預(yù)測和可靠性評估必須參考的基本高溫力學性能之一。

水蒸氣廣泛用于電力、機械制造、食品工程等行業(yè)，其發(fā)生裝置、輸送管道乃至應(yīng)用對象(如汽輪機) 服役環(huán)境惡劣，常同時承受高溫、過熱水蒸氣、靜應(yīng)力、動應(yīng)力包括交變應(yīng)力的作用，設(shè)備材料性能劣化甚至失效現(xiàn)象屢見不鮮，嚴重影響設(shè)備的安全運行。

為此，需要能夠準確模擬設(shè)備的服役環(huán)境并測試該環(huán)境下材料性能狀態(tài)的試驗裝置，為在高溫、過熱水蒸氣環(huán)境以及復(fù)雜應(yīng)力條件下，測試材料的性能和研究其失效機理，從而為相關(guān)設(shè)備的設(shè)計與安全維護提供數(shù)據(jù)與理論支持。

2 試驗機主要技術(shù)指標

(1)最大載荷：±50kN；

(2)試驗力測量誤差：≤±0.5%(示值、滿量程1%-100%)；

(3)試驗力控制穩(wěn)定性：≤±0.5%(示值)；

(4)同軸度：≤8%；

(5)動態(tài)試驗頻率：0.01～0.5Hz；

(6)動態(tài)試驗波形：斜波、三角波、梯形波、余弦波；

(7)拉桿速度：0.01-50mm/min；

(8)加熱方式：感應(yīng)加熱；

(9)工作溫度：200℃～700℃；

(10)環(huán)境氣氛：過熱水蒸氣；

(11)性能試驗：圓試樣拉-拉蠕變疲勞試驗；

(12)試樣尺寸：圓試樣，工作部分Φ5×25mm，兩端螺紋M12。

3 組成及工作原理

高溫過熱水蒸氣環(huán)境蠕變疲勞試驗機主要由主機、高溫試驗夾具、過熱水蒸氣環(huán)境裝置、感應(yīng)加熱電源及溫控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及試驗軟件等組成。

3.1 主機

蠕變疲勞試驗機主機采用長春機械科學研究院有限公司RPL50型號蠕變疲勞試驗機。此試驗機配備靜態(tài)和動態(tài)兩套試驗系統(tǒng)，能夠根據(jù)需要完成蠕變、持久、松弛、拉壓過零的低周疲勞、蠕變疲勞試驗。能夠滿足高溫試驗夾具、過熱水蒸氣環(huán)境裝置的安裝和使用，主要完成試樣受力的加載和測量工作。

3.2 高溫試驗夾具

高溫試驗夾具由上水冷拉桿、銷子、上夾頭、試樣、下夾頭、下水冷拉桿組成，如圖1所示。

1.上水冷拉桿 2.銷子 3.上夾頭 4.試樣 5.下夾頭 6.下水冷拉桿圖1 高溫試驗夾具

由于試驗環(huán)境為高溫過熱水蒸氣，試樣的加熱方式為感應(yīng)加熱，所以夾具材料在選擇時需合理可靠，既要耐一定溫度，又要耐過熱蒸汽的腐蝕，還要有導磁性低的特點。所以，此設(shè)備環(huán)境條件夾具材料選用316L不銹鋼。

根據(jù)環(huán)境裝置的安裝需要，夾具設(shè)計成試樣上下兩端與夾具螺紋連接，下夾頭與下水冷拉桿螺紋連接，上夾頭與上水冷拉桿穿銷連接的結(jié)構(gòu)，既能方便安裝，又能良好地保證試樣試驗時的同軸。

3.3 過熱水蒸氣環(huán)境裝置

過熱水蒸氣環(huán)境裝置包含上拉桿、上動密封波紋管、排氣管、夾頭、試樣、感應(yīng)線圈、石英玻璃管、進氣口、下動密封波紋管、下拉桿、排水口等零部件，如圖2所示。試樣通過夾頭、上下拉桿連接在試驗機上，安裝在石英玻璃管高度中心位置。石英玻璃管外側(cè)的感應(yīng)加熱線圈對試樣進行加熱。過熱水蒸氣進口和排水口安裝在下動密封波紋管上。排氣管安裝在上動密封波紋管上。

1.上拉桿 2.上動密封波紋管 3.排氣管 4.夾頭 5.試樣 6.感應(yīng)線圈 7.石英玻璃管 8.進氣口 9.下動密封波紋管 10.下拉桿 11.排水口圖2 過熱水蒸氣環(huán)境裝置

高溫過熱水蒸氣通過進氣口進入過熱水蒸氣環(huán)境裝置內(nèi)部，感應(yīng)加熱電源通過調(diào)整功率的輸出，確保試樣上溫度穩(wěn)定。上、下拉桿，上、下動密封波紋管與石英玻璃管通過高溫密封件安裝在一起，保證過熱水蒸氣環(huán)境裝置內(nèi)部氣體流通穩(wěn)定，無泄漏。上、下動密封波紋管的結(jié)構(gòu)既可以保證試樣安裝方便，又可以確保加載在試樣上的力準確。

3.4 感應(yīng)加熱電源及溫控系統(tǒng)

高溫過熱水蒸氣環(huán)境蠕變疲勞試驗機的感應(yīng)加熱電源及溫控系統(tǒng)布局如圖3所示，主要包含控制柜、感應(yīng)加熱電源、變壓器、水冷機和水蒸氣發(fā)生器。

控制柜中的智能溫控表發(fā)出指令給感應(yīng)加熱電源，并傳輸當前溫度參數(shù)給工控機。感應(yīng)加熱電源對變壓器的功率進行給定，控制感應(yīng)圈對環(huán)境裝置中的試樣進行加熱。試樣當前溫度再通過紅外測溫儀反饋到控制柜中的智能溫控表，形成閉環(huán)控制回路。水冷機為感應(yīng)加熱電源提供冷卻水，保證感應(yīng)加熱系統(tǒng)正常工作。水蒸氣發(fā)生器為環(huán)境裝置提供高溫過熱水蒸氣， 過熱水蒸氣在微壓的環(huán)境裝置中，通過排氣口回到水蒸氣發(fā)生器。感應(yīng)加熱電源及溫控系統(tǒng)流程框圖如圖4所示。

圖4 感應(yīng)加熱電源及溫控系統(tǒng)流程框圖

4 結(jié) 論

本文對高溫過熱水蒸氣環(huán)境蠕變疲勞試驗機設(shè)計原理及結(jié)構(gòu)進行了闡述。高溫過熱水蒸氣環(huán)境蠕變疲勞試驗機能夠完成金屬材料在力、溫度和過熱水蒸氣共同影響下的力學性能試驗。試驗曲線表明(見圖5、圖6)，研發(fā)的試驗機可以滿足高溫過熱水蒸氣環(huán)境下材料的低周蠕變-疲勞交互作用試驗的需求，測試金屬材料在高溫和過熱水蒸氣環(huán)境下的蠕變速率、蠕變極限等力學性能，從而提供可靠的判斷依據(jù)。隨著科技的發(fā)展，多維的試驗環(huán)境更能近似模擬出材料的真實工況，所以高溫過熱水蒸氣環(huán)境蠕變疲勞試驗機的作用也會日趨明顯。

圖5 拉壓蠕變疲勞試驗曲線

圖6 拉拉蠕變疲勞試驗曲線

[1]蔣家羚.疲勞-蠕變交互作用的壽命預(yù)測探討[J].材料研究學報,2007.

[2]王正.蠕變-疲勞交互作用對高溫低周疲勞壽命影響[J].石油化工設(shè)備,2003.

[3]張戊林.P91鋼蠕變-疲勞特性研究及蒸汽管道的壽命評估[D].西安理工大學,2010.

[4]李兵.長期工作的蒸汽管道損傷的分析[J].華北電力技術(shù),1984.

Creep Fatigue Testing Machine for High Temperature Superheated Steam Environment

Wang Hui, Liu Liqiang, Tian Ping

(Changchun Research Institute for Mechanical Science Co., Ltd. Changchun 130103, Jilin, China)

The equipment is mainly used in the field of creep fatigue test of material under tensile loading, and more particularly relates to a creep fatigue testing device which is used to test the performance of metallic materials in service condition of high temperature superheated steam environment. The design principle and structure of creep fatigue testing machine for high temperature superheated steam environment are mainly discussed. The main functions and characteristics of the equipment are introduced.

superheated steam; creep; creep fatigue; dynamic load; fatigue failure

2016-11-02

王 慧(1984-)，男，本科，工程師，主要研究方向：機械工程及自動化。

TH87

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.04.013