彭 湃，郭騰蛟，王延宇，龐永強，田書建

（華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045）

引言

受控核聚變具有清潔安全、儲量豐富、輸出能量高等突出優(yōu)點，是目前能解決當(dāng)前社會能源危機的主要途徑之一。目前限制核聚變技術(shù)進展的問題是材料問題，特別是耐輻照、耐高溫、高強度的新型材料。包層是實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換、氚自持及輻照屏蔽的主要部件，滿足包層苛刻環(huán)境要求結(jié)構(gòu)材料的開發(fā)及性能檢測成為目前研究的熱點[1]。

目前國際上普遍關(guān)注的聚變堆包層設(shè)計方案為液態(tài)金屬鋰鉛包層方案，這同時也是中國在聚變堆設(shè)計及在國際聚變實驗堆（ITER）測試包層模塊（TBM）的主要方案，即雙功能液態(tài)鋰鉛測試包層方案DFLL.TBM[2]。液態(tài)金屬鋰鉛在包層中流動將帶來很多具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)問題，如液態(tài)金屬鋰鉛與包層材料的相容性、液態(tài)金屬鋰鉛的流動特性、鋰鉛純化技術(shù)與氚工藝研究、關(guān)鍵儀器設(shè)備與工藝研制等[3]。液態(tài)金屬在聚變堆包層中得到了廣泛的應(yīng)用，特別是液態(tài)鋰鉛合金因其獨特的中子和傳熱特性而成為氚增殖包層的主要增殖劑和冷卻劑。然而液態(tài)鋰鉛合金動力粘度較大[4]，在氚增殖包層回路中的流動單單依靠溫差的流動是非常緩慢的，必須采用液態(tài)金屬電磁泵進行輸送。然而，由于高溫高流速的液態(tài)鋰鉛合金對泵壁材料的沖刷作用以及液態(tài)鋰鉛合金與金屬材料的相容性問題，泵結(jié)構(gòu)材料將會受到腐蝕破壞，對泵的安全運行帶來一定隱患，降低了核主泵的使用壽命，還有可能引起突發(fā)事故造成嚴(yán)重后果和經(jīng)濟損失。因此，尋找一種裝置能夠模擬液態(tài)金屬的高速流動對結(jié)構(gòu)材料的沖蝕、腐蝕方面的實驗研究具有重要意義。

1 國內(nèi)外研發(fā)現(xiàn)狀

1.1 靜態(tài)腐蝕實驗裝置

靜態(tài)腐蝕實驗裝置是將樣品材料放置在一定溫度條件下的實驗腔中（如反應(yīng)釜、高溫腐蝕容器等）開展的腐蝕實驗。此類裝置相對于動態(tài)回路腐蝕裝置具有結(jié)構(gòu)簡單，易于拆卸等優(yōu)點。一般用于開展早期的腐蝕實驗研究，為下一步開展動態(tài)腐蝕實驗提供數(shù)據(jù)支撐。實驗方法為：將試樣固定于試樣架上，然后將樣品架放入盛有高溫液態(tài)合金的實驗腔中，經(jīng)過相應(yīng)的設(shè)定時間后，將試樣取出來分析腐蝕情況。缺點是這種靜態(tài)的腐蝕實驗裝置不能模擬出實際流動管道中液態(tài)金屬對樣品材料的沖蝕、腐蝕過程。

1.2 動態(tài)腐蝕實驗裝置

為了研究清楚液態(tài)金屬的流動狀態(tài)對結(jié)構(gòu)材料沖蝕、腐蝕行為的影響，人們通過模擬動態(tài)的液態(tài)介質(zhì)腐蝕試驗裝置，一般有兩種方法：一是研究試樣旋轉(zhuǎn)，如旋轉(zhuǎn)圓盤法、旋轉(zhuǎn)圓柱體法；二是研究試樣固定不動，如管道流動法，噴射法。目前，研究液態(tài)介質(zhì)動態(tài)腐蝕行為的裝置主要有液態(tài)介質(zhì)回路實驗裝置和旋轉(zhuǎn)腐蝕實驗裝置兩種。

旋轉(zhuǎn)腐蝕實驗裝置是將試樣固定在密封容器中或者固定在旋轉(zhuǎn)圓盤（葉輪）上通過電機帶動圓盤（葉輪）旋轉(zhuǎn)，從而帶動實驗試樣在介質(zhì)中的旋轉(zhuǎn)，使液態(tài)介質(zhì)與試樣間產(chǎn)生相對速度，用來模擬開展結(jié)構(gòu)材料在特定流速液態(tài)介質(zhì)中的腐蝕實驗。在常用的旋轉(zhuǎn)裝置中有機械式旋轉(zhuǎn)裝置，電能式旋轉(zhuǎn)裝置和磁能式旋轉(zhuǎn)裝置。通過磁力耦合器驅(qū)動內(nèi)磁轉(zhuǎn)子的方法，實現(xiàn)靜密封結(jié)構(gòu)的非接觸力矩傳遞，根據(jù)相對運動原理，帶動樣品固定架在液態(tài)介質(zhì)中旋轉(zhuǎn)，開展低活化鋼及其焊縫在液態(tài)介質(zhì)中的持續(xù)流動腐蝕實驗。相對于液態(tài)介質(zhì)實驗回路，通過磁力驅(qū)動實現(xiàn)內(nèi)罐體的完全靜密封,避免了液態(tài)介質(zhì)回路中存在的結(jié)構(gòu)失效和管道泄漏等安全風(fēng)險。但是這種傳統(tǒng)的磁力攪拌裝置的磁力攪拌轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時與容器之間的摩擦為滑動摩擦，摩擦阻力大，且極易使磁力攪拌轉(zhuǎn)子磨損，尤其不適于腐蝕試驗環(huán)境惡劣及試驗周期較長的攪拌需求。另外，如果磁力攪拌轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)攪拌的截面積大，阻力就會很大，不利于攪拌子與動力同步，進而影響攪拌效果，又如果磁力攪拌轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)攪拌的截面積小，則其在旋轉(zhuǎn)過程中不利于測量周圍液體的轉(zhuǎn)速并且容易跳出正常區(qū)域而不轉(zhuǎn)動。

為探究鋰鉛合金對泵壁材料的沖刷腐蝕性與相容性，采用沖刷腐蝕實驗裝置進行研究。國內(nèi)沖刷腐蝕實驗裝置大多采用的讓沖刷工質(zhì)與樣品間發(fā)生相對運動的方法是管流法。一個完整的液態(tài)金屬實驗回路,一般包括一個主回路和凈化、充鉛鋰合金、排放鉛鋰合金、保護氣體等輔助回路,實驗系統(tǒng)復(fù)雜,建造與實驗成本高,周期長。歐洲、美國、日本等在20世紀(jì)80年代已建立了多個液態(tài)鉛鋰實驗回路,如法國的ALCESTE回路、意大利的LIFUSII回路、日本京都大學(xué)的實驗回路。如中科院FDS團隊早期成功設(shè)計和研發(fā)了DRAGON系列液態(tài)鋰鉛實驗回路，開展了抗輻射結(jié)構(gòu)材料與液態(tài)鋰鉛相容性實驗研究[5]。管流法的優(yōu)點很多，特別是能夠較好地模擬管道沖刷的實況，實驗結(jié)果的參考價值較高，與實際工況更加接近，同時也尤其無法避免的缺點，如設(shè)備占據(jù)空間較大，管道內(nèi)部實驗樣品難于固定和控制，管道內(nèi)部工質(zhì)流速調(diào)節(jié)手段單一，運行成本高等不足[6]。

2 旋轉(zhuǎn)腐蝕實驗裝置的新型設(shè)計

本文設(shè)計的裝置致力于克服以上問題，提出一種可升降式一體化液態(tài)金屬旋轉(zhuǎn)腐蝕實驗裝置，對裝置樣品夾具的固定方式提出了創(chuàng)新性方案。

液態(tài)金屬旋轉(zhuǎn)腐蝕實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示，由電動機、升降裝置、溫度傳感器、主罐罐蓋、主罐罐體、樣品固定架和攪拌器等組成。實驗裝置運行時，液態(tài)鋰鉛合金在攪拌器的帶動下圍繞攪拌器軸旋轉(zhuǎn)，液態(tài)鋰鉛合金與固定在樣品固定架上的樣品產(chǎn)生相對運動，使得樣品發(fā)生沖刷腐蝕。根據(jù)實驗需要，可以通過調(diào)節(jié)攪拌器轉(zhuǎn)速靈活調(diào)節(jié)樣品表面流速。與傳統(tǒng)裝置相比本裝置擁有以下三個優(yōu)點。

1）考慮到傳統(tǒng)磁力攪拌裝置的磁力攪拌轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時與容器之間有較大摩擦，導(dǎo)致上下兩轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不匹配，對實驗造成較大誤差，且由于存在轉(zhuǎn)子磨損，因此傳統(tǒng)磁力驅(qū)動裝置不符合腐蝕實驗惡劣的環(huán)境的要求及實驗周期較長的要求。本裝置采用動力軸一體化設(shè)計，在起始段連接可調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的電動機，末端裝有攪拌器葉輪。通過計算機軟件的流速模擬選擇合適的電動機及葉輪的尺寸，實現(xiàn)裝置系統(tǒng)在腐蝕實驗環(huán)境下持久性、穩(wěn)定性地工作并且保證液態(tài)LiPb的高流速狀態(tài)，不存在磁力驅(qū)動時有轉(zhuǎn)速差的缺點，能夠精確地測試出結(jié)構(gòu)材料在液態(tài)金屬腐蝕和侵蝕協(xié)同作用下的耐腐蝕性能，準(zhǔn)確地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)材料耐腐蝕的性能指標(biāo)。

2）考慮到傳統(tǒng)實驗裝置中往往采用金屬絲纏繞腐蝕材料的固定方法，不僅費時費力而且固定用的金屬絲在高溫、高壓、高流速的狀態(tài)下容易熔斷，存在樣品固定不牢，脫離樣品固定架的問題。本裝置在裝有液態(tài)LiPb的容器壁上設(shè)計出來能夠承載耐腐蝕材料的凹槽，如圖2所示，在壁厚1.2 cm，高度9 cm的內(nèi)罐體圓周上設(shè)置2個相同的10 cm×14 cm×10 cm梯形凹槽，實驗前，只需將相似尺寸的形狀的耐腐蝕材料塞入凹槽內(nèi)。即可利用榫卯式結(jié)構(gòu)定位住樣品，加以螺絲固定即可，并使得樣品一面暴露于液態(tài)金屬中。這種設(shè)計代替了傳統(tǒng)的鐵絲固定方法，實驗裝置容易加工，樣品材料固定方便，減少了實驗的成本并節(jié)約時間，提高了實驗效率。

3）考慮到用傳統(tǒng)的裝置開展實驗時需要將固態(tài)的LiPb合金在外部加熱熔融為液態(tài)后輾轉(zhuǎn)倒入儲液罐中，對實驗人員的實驗素養(yǎng)要求極高，這也使實驗變得危險難以操作，并且也會因液態(tài)的LiPb暴露于空氣中氧化變質(zhì)，造成無法模擬出核主泵內(nèi)部的真實腐蝕情況而對實驗精度造成影響。本裝置的樣品固定架可升降設(shè)計，軸中部平臺采用四個相同的固定螺栓，搭配不銹鋼波紋管，與樣品固定架相連套于主軸外部，與裝置主軸共軸線。實驗可調(diào)節(jié)平臺的螺紋旋合長度來控制樣品固定架的浸入和提出液體，在實驗進行中，還可以實時升降樣品固定架，實驗結(jié)束后只需旋轉(zhuǎn)升降螺絲，使樣品架露出液態(tài)金屬，方便拿取樣品。

3 結(jié)語

在調(diào)研了國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀后，與其他類似裝置對比，自主設(shè)計的旋轉(zhuǎn)腐蝕裝置的優(yōu)點是利用不銹鋼波紋管的變形量實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)部件110 mm行程的高低調(diào)節(jié)。設(shè)計升降旋轉(zhuǎn)電機部件，使裝置制造、維修更加簡單方便，便于操作；同時也大大降低了裝置的建造成本，不用再額外添加相關(guān)的升降電機。本裝置的可升降式一體化設(shè)計完美避免了傳統(tǒng)磁力旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速不匹配問題。容器壁上設(shè)計出來能夠承載耐腐蝕實驗材料的凹槽代替了傳統(tǒng)的鐵絲捆綁腐蝕材料的固定方法，能夠精確地測試出結(jié)構(gòu)材料在液態(tài)金屬腐蝕和侵蝕協(xié)同作用下的耐腐蝕性能，準(zhǔn)確地體現(xiàn)結(jié)構(gòu)材料耐腐蝕的性能指標(biāo)。