1500℃高溫真空(充氣)環(huán)境蠕變疲勞試驗(yàn)裝置研發(fā)

薛吉林，劉孝亮，范志超，馬雙偉，王　慧，王　冰

(1.合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230031；2.國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230031；3.長春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，吉林 長春 130103)

1500℃高溫真空(充氣)環(huán)境蠕變疲勞試驗(yàn)裝置研發(fā)

薛吉林1,2，劉孝亮1,2，范志超1,2，馬雙偉3，王慧3，王冰1,2

(1.合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥 230031；2.國家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230031；3.長春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，吉林 長春 130103)

摘要：研發(fā)了高溫真空可充氣環(huán)境蠕變疲勞試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了高溫真空可充氣環(huán)境中金屬材料的蠕變、持久、疲勞等安全性能的測試。試驗(yàn)裝置由3部分組成：復(fù)雜應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)及其測控系統(tǒng)、1500℃加熱-冷卻機(jī)構(gòu)及其測控系統(tǒng)、真空可充氣氣氛結(jié)構(gòu)及其充氣壓力測控系統(tǒng)。試驗(yàn)裝置可實(shí)現(xiàn)高溫真空或充氣環(huán)境中多種波形自由組合動(dòng)態(tài)加載，頻率0.01～1Hz可調(diào)，加熱溫度高達(dá)1500℃。該試驗(yàn)裝置為高溫復(fù)雜應(yīng)力真空可充氣環(huán)境下材料性能數(shù)據(jù)庫建立、失效機(jī)理研究、相關(guān)理論模型的試驗(yàn)驗(yàn)證等提供了有力的裝備支撐。

關(guān)鍵詞：試驗(yàn)裝置；高溫；真空環(huán)境；蠕變疲勞

1前言

在航空航天、能源電力、石油化工等領(lǐng)域，航天飛行器零部件、燃?xì)廨啓C(jī)、真空鍋爐等設(shè)備處于高溫真空環(huán)境中運(yùn)行[1-3]，且仍向超高溫、高參數(shù)、介質(zhì)苛刻化等極端方向發(fā)展，燃?xì)廨啓C(jī)機(jī)組溫度更是高達(dá)1500℃。高溫、超高溫真空環(huán)境中服役的設(shè)備常為關(guān)鍵核心部件，一旦發(fā)生失效、泄漏或爆炸事故，往往造成生產(chǎn)中斷、重大人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染等問題[4]。因此，在逐步提高其工藝參數(shù)和生產(chǎn)效率的同時(shí)，必須對設(shè)備壽命和可靠性提出更高要求。

國內(nèi)已經(jīng)開發(fā)出不帶環(huán)境箱的單一方向動(dòng)態(tài)加載、雙向動(dòng)態(tài)加載高溫蠕變疲勞試驗(yàn)機(jī)[5-6]。在帶環(huán)境箱方面，也開發(fā)出了高溫蒸汽環(huán)境和高溫腐蝕環(huán)境下的蠕變疲勞試驗(yàn)裝置[7-8]。目前，國內(nèi)尚無高溫真空環(huán)境蠕變疲勞試驗(yàn)裝置。因此，研發(fā)高溫真空環(huán)境材料性能試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)在高溫甚至超高溫真空環(huán)境下進(jìn)行材料蠕變、持久、疲勞等性能測試，無論是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造、機(jī)電控制，還是人機(jī)安全保障、長時(shí)運(yùn)行可靠性保證等，都是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。

2高溫真空可充氣環(huán)境蠕變疲勞試驗(yàn)裝置總體構(gòu)成

2.1試驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)

高溫真空可充氣環(huán)境蠕變疲勞試驗(yàn)裝置由3部分組成：復(fù)雜應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)及其測控系統(tǒng)、1500℃加熱-冷卻機(jī)構(gòu)及其測控系統(tǒng)、真空可充氣氣氛結(jié)構(gòu)及其充氣壓力測控系統(tǒng)。高溫真空可充氣環(huán)境蠕變疲勞試驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其構(gòu)成原理如圖2所示。高溫真空可充氣環(huán)境蠕變疲勞試驗(yàn)裝置可對試樣產(chǎn)生3種作用：復(fù)雜應(yīng)力作用、高溫?zé)嶙饔靡约罢婵湛沙錃夥諊饔谩?/p>

圖1　高溫真空可充氣環(huán)境蠕變疲勞試驗(yàn)裝置

圖2　高溫真空可充氣環(huán)境裝置原理圖

高溫真空可充氣環(huán)境蠕變疲勞試驗(yàn)裝置可模擬真空氛圍下或充保護(hù)性氣體氛圍下的高溫試驗(yàn)。該試驗(yàn)裝置采用中頻感應(yīng)加熱方式，爐殼采用循環(huán)水冷卻，密封采用波紋管動(dòng)密封方式，可進(jìn)行拉壓過零疲勞試驗(yàn)。

2.2試驗(yàn)裝置的技術(shù)參數(shù)

高溫真空可充氣環(huán)境蠕變疲勞試驗(yàn)裝置主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　試驗(yàn)裝置主要技術(shù)參數(shù)

2.3試驗(yàn)裝置的整體控制系統(tǒng)

高溫真空可充氣環(huán)境蠕變疲勞試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)由觸摸屏、PLC、電流電壓監(jiān)測元件以及壓力監(jiān)測裝置等構(gòu)成，其控制系統(tǒng)原理框圖如圖3所示。

圖3　高溫真空可充氣環(huán)境蠕變疲勞試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)原理框圖

3高溫真空可充氣環(huán)境蠕變疲勞試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)組成與變形測量方法

3.1復(fù)雜應(yīng)力加載機(jī)構(gòu)及其測控系統(tǒng)

采用伺服電機(jī)系統(tǒng)、球體減速器、滾珠絲杠等實(shí)現(xiàn)加載，外置載荷傳感器測量載荷。實(shí)現(xiàn)斜波、三角波、梯形波、余弦波等自由組合加載，最大加載力±50kN，加載頻率0.01-1.0Hz。

開發(fā)了一套以ARM9芯片為核心的嵌入式加載路徑控制系統(tǒng)，如圖4所示。該系統(tǒng)與上位機(jī)以網(wǎng)絡(luò)通信的方式進(jìn)行連接，具有數(shù)據(jù)高速處理、長時(shí)試驗(yàn)穩(wěn)定可靠的特性?？砂凑罩本€、保持、三角波、余弦波、梯形波等波形隨意組合成復(fù)雜的加載路徑。圖5是余弦波與三角波的連續(xù)組合加載試驗(yàn)曲線，圖6是梯形波(局部)、余弦波以及三角波的間斷組合加載試驗(yàn)曲線。

圖4　嵌入式加載路徑控制系統(tǒng)

圖5　余弦波與三角波連續(xù)組合加載試驗(yàn)曲線

圖6　梯形波、余弦波以及三角波間斷組合加載試驗(yàn)曲線

3.2高溫加熱-冷卻機(jī)構(gòu)及其測控系統(tǒng)

高溫真空可充氣環(huán)境蠕變疲勞試驗(yàn)裝置的最高工作溫度為1500℃，試樣加熱方式為感應(yīng)加熱。爐溫控制由溫度控制器、感應(yīng)加熱電源、感應(yīng)圈及溫度測量元件構(gòu)成，并配合冷卻水，對真空容器壁、感應(yīng)圈電極、隔熱擋板進(jìn)行冷卻。

3.3真空環(huán)境結(jié)構(gòu)及充氣壓力測控系統(tǒng)

真空環(huán)境結(jié)構(gòu)為中空管腔構(gòu)造，內(nèi)置用于加熱試樣的感應(yīng)加熱組件。真空容器的外周圍設(shè)有加載框架，加載框架上設(shè)有穿過真空容器并與試樣固定連接的上、下拉桿。上、下拉桿的桿身分別同軸設(shè)有上、下環(huán)蓋，上、下環(huán)蓋與真空容器的相應(yīng)管口固定且與波紋管密封連接。上、下環(huán)蓋、波紋管和真空容器共同圍合而成的內(nèi)腔構(gòu)成真空試驗(yàn)環(huán)境，如圖2所示。

此外，真空容器還分別與機(jī)械泵、擴(kuò)散泵等抽真空組件以及充氣組件相連接。試驗(yàn)時(shí)，先用機(jī)械泵抽真空室和擴(kuò)散泵，達(dá)到指定真空度以后，開啟擴(kuò)散泵，進(jìn)一步對真空室抽真空，達(dá)到試驗(yàn)要求真空度。當(dāng)進(jìn)行充氣環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，可開啟充氣組件，由壓力傳感器檢測容器內(nèi)壓力水平。

3.4變形測量方法及變形引伸機(jī)構(gòu)

國內(nèi)1000℃以下的高溫引伸計(jì)技術(shù)比較成熟，但若用于1500℃環(huán)境下，現(xiàn)有的應(yīng)變片性能、彈性體工藝與國外同類產(chǎn)品尚存很大差距。課題組攻克了引伸計(jì)彈性體熱處理工藝、零點(diǎn)補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償、高性能應(yīng)變片的應(yīng)用、冷卻結(jié)構(gòu)及方式等系列技術(shù)難題，研發(fā)了1500℃高溫引伸計(jì)。引伸計(jì)采用雙彎曲彈性體、數(shù)字式測量方式，自定標(biāo)距，自緊式夾持方式直接接觸測量試樣變形。對引伸桿連接件進(jìn)行水冷，降低引伸桿傳導(dǎo)至彈性體的溫度，如圖7所示。

圖7　1500℃高溫引伸計(jì)

4試驗(yàn)軟件系統(tǒng)及長時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)開發(fā)

開發(fā)了高溫真空可充氣環(huán)境蠕變疲勞試驗(yàn)裝置試驗(yàn)軟件系統(tǒng)，功能菜單包括試驗(yàn)控制、數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)幫助、退出系統(tǒng)、輔助工具和權(quán)限設(shè)置等。其中，監(jiān)控窗口主要用來監(jiān)控設(shè)備基本運(yùn)行情況，界面如圖8所示。

圖8　高溫真空可充氣環(huán)境蠕變疲勞試驗(yàn)裝置軟件監(jiān)控窗口界面

此外，還開發(fā)了長時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享和實(shí)時(shí)備份以及主控計(jì)算機(jī)和備用主控機(jī)的冗余控制，其原理如圖9所示。

圖9　長時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)備份系統(tǒng)原理

5結(jié)論

高溫真空環(huán)境下，設(shè)備運(yùn)行過程中會(huì)受到高溫、真空環(huán)境與機(jī)械應(yīng)力的交互作用，導(dǎo)致材料性能退化以至設(shè)備失效及破壞。相應(yīng)的材料性能測試與損傷機(jī)理等研究亟待研發(fā)同時(shí)具有高溫加熱與復(fù)雜交變載荷加載能力的真空環(huán)境材料性能測試儀器?；诖耍_發(fā)了一套高溫真空可充氣環(huán)境蠕變疲勞試驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)了高溫真空可充氣環(huán)境中對金屬試樣的復(fù)雜應(yīng)力加載。加熱溫度高達(dá)1500℃，多種波形自由組合動(dòng)態(tài)加載，頻率0.01～1.0Hz可調(diào)，可進(jìn)行蠕變、持久、疲勞等高溫真空可充氣環(huán)境材料性能測試。該試驗(yàn)裝置為高溫復(fù)雜應(yīng)力高溫真空可充氣環(huán)境下相關(guān)理論模型的試驗(yàn)驗(yàn)證、失效機(jī)理研究、材料性能數(shù)據(jù)庫建立等提供了有力的裝備支撐。

參考文獻(xiàn)

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Development for Creep Fatigue Testing Apparatus in Vacuum or Inflatable Environment at High Temperature of 1500℃

Xue Jilin1,2,Liu Xiaoliang1,2,Fan Zhichao1,2,Ma Shuangwei3,Wang Hui3,Wang Bing1,2

(1.Hefei General Machinery Research Institute,Hefei 230031,Anhui,China; 2.National Safety Engineering Technology Research Center for Pressure Vessels and Pipeline, Hefei 230031,Anhui,China; 3.Changchun Research Institute for Mechanical Science Co.,Ltd.Changchun 130103,Jilin,China)

Abstract：A new creep fatigue testing apparatus in vacuum or inflatable environment at high temperature is developed,which can be used for creep,fatigue,creep-fatigue interaction test and so on.The testing apparatus consists of a loading system,a heating system and vacuum or inflatable environment system.The specimen can be loaded in various waves-such as sinusoid wave,triangular wave and trapezoidal wave,and the waves can be arbitrarily combined with frequency range of 0.01 to 1Hz by the testing apparatus.The highest test temperature is up to 1500℃.The testing apparatus provides an instrument for safety property test,establishment of material property database and failure analysis of metallic materials in vacuum or inflatable environment at high temperature.

Keywords:testing apparatus;high temperature;vacuum environment;creep fatigue

[收稿日期]2016-02-18

[作者簡介]薛吉林(1984—)，男，工程師，主要從事極端環(huán)境承壓設(shè)備安全性能測試儀研發(fā)工作。

[基金項(xiàng)目]國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2012YQ220233)。

中圖分類號：TH87

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.01.017