CN103557784A - 高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及腐蚀疲劳试验领域，具体是一种高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***及其使用方法。半圆形欧姆夹夹持疲劳试样标距段两端，通过连接螺杆连接欧姆夹与V型开口方块，无磁性连接螺杆一端连接LVDT的感应铁芯，另一端穿过V型开口方块；在无磁性连接螺杆拧上两个螺母，并放置压缩弹簧于螺母内侧，另一端放置带通孔的四面体块，通过螺母压紧V型开口方块、带通孔的四面体块固定无磁性连接螺杆；在高压釜盖外端通过螺纹硬密封连接隔套，水冷套置于隔套外侧；LVDT通过螺纹与隔套下端连接，LVDT与位移显示器连接。从而，通过以上配合安装，并调节好感应铁芯位置，进行清零，即可原位实时监测高温高压水中疲劳过程中试样标距段的应变。

Description

高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***

技术领域

本发明涉及腐蚀疲劳试验领域，具体是一种原位实时监测高温高压水中疲劳试样标距段应变的线性可变差动变压位移传感器(LVDT，Linear VariableDifferential Transformer)***，用于金属棒状疲劳试样在高温高压水中的低周疲劳试验。

背景技术

核电结构材料在高温高压水中的腐蚀疲劳行为是核电站安全设计、管理与寿命评估关注的重点，许多运行经验以及研究均表明高温高压水腐蚀疲劳是核电结构材料失效的潜在形式之一，也是目前核电站压力边界设计疲劳曲线改进的热点。国际上（美国、日本、法国等核电发达国家）对核电结构材料在高温高压水中的腐蚀疲劳行为非常重视，开展了***的研究，积累了大量的腐蚀疲劳基础数据，对核电站的设计和寿命评估有重要的指导意义。我国正在大力发展核电，努力实现核电结构材料国产化，但国产核电材料的腐蚀疲劳数据几乎为空白，制约我国核电事业的进一步发展。关键问题是模拟核电服役的高温高压循环水环境非常苛刻，设备研发难度大，进口异常昂贵。

我国已成功研发高温高压循环水腐蚀疲劳设备（中国发明专利，专利申请号：201010240899.6，发明名称：一种带高温高压循环水的腐蚀疲劳试验装置），但该设备无法原位精确监测高温高压水中疲劳试样标距段的应变，疲劳实验过程中的应变测量精度无法保证。因此，研制出能够原位精确监测高温高压水中疲劳试样标距段应变的***，对提高我国高温高压水腐蚀疲劳测试技术水平，促进国产核电结构材料高温高压水腐蚀疲劳数据的积累，意义重大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够原位实时精确监测高温高压水中疲劳试样标距段应变的LVDT***，解决现有高温高压水腐蚀疲劳试验过程中无法原位监测疲劳试样标距段位移，应变测量精度不够的难题。

本发明的技术方案是：

一种高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***，该***包括：欧姆夹、连接螺杆Ⅰ、V型开口方块、带通孔的四面体块、螺母、压缩弹簧、连接螺杆Ⅱ、感应铁芯、水冷套、隔套、O型圈Ⅰ、O型圈Ⅱ、线性可变差动变压位移传感器，具体结构如下：

两个欧姆夹分别夹持棒状疲劳试样的标距段两端，欧姆夹与V型开口方块通过连接螺杆Ⅰ连接，调节欧姆夹位置，使V型开口方块的V型开口正好对应高压釜盖的通孔Ⅰ处；连接螺杆Ⅱ穿过带通孔的四面体块、V型开口方块、压缩弹簧，两个螺母安装于连接螺杆Ⅱ上、位于带通孔的四面体块、V型开口方块、压缩弹簧组合体的两端，连接螺杆Ⅱ的末端连接感应铁芯，各组件配合安装，并拧紧各个螺栓，形成“连接组件”，疲劳试样标距段两端的“连接组件”结构相同；

隔套与高压釜盖通过螺纹硬密封连接，水冷套设置于隔套外侧，水冷套与隔套通过O型圈Ⅰ密封；隔套与线性可变差动变压位移传感器通过螺纹连接，隔套与线性可变差动变压位移传感器之间相对应处通过O型圈Ⅱ密封；连接螺杆Ⅱ的一端穿过隔套的中心孔、伸至线性可变差动变压位移传感器的中心孔中，连接螺杆Ⅱ能够无摩擦通过高压釜盖的通孔Ⅰ、隔套的中心孔和线性可变差动变压位移传感器的中心孔，连接螺杆Ⅱ与高压釜盖、隔套、线性可变差动变压位移传感器均无接触，线性可变差动变压位移传感器感应到感应铁芯的位移，发出相应信号，通过连接位移显示器显示“连接组件”的位移，进一步能够传递疲劳试样标距段实时位移。

所述的高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***，带通孔的四面体块为四面体块上开有通孔Ⅱ，四面体块的四个面均为正三角形。

所述的高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***，V型开口方块的上表面设有V型开口，方便连接螺杆Ⅱ在高压釜有限空间内快速穿过V型开口方块的V型开口下的通孔Ⅲ；V型开口方块的侧面设有螺纹孔，连接螺杆Ⅰ与V型开口方块的螺纹孔通过螺纹连接。

所述的高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***，V型开口方块上表面的V型开口与带通孔的四面体块配合安装，以调节连接螺杆Ⅱ的垂直度；连接螺杆Ⅱ自上而下依次穿过带通孔的四面体块的通孔Ⅱ、V型开口方块的通孔Ⅲ，连接螺杆Ⅱ上安装的两个螺母，用以调节感应铁芯的位置，并固定连接螺杆Ⅱ。

所述的高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***，隔套顶端设有R2.5mm的弧面，保证与高压釜盖稳定密封连接；隔套与线性可变差动变压位移传感器连接处安置O型圈Ⅱ，保证隔套与线性可变差动变压位移传感器之间的稳定密封。

所述的高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***，线性可变差动变压位移传感器设计耐压为10～30MPa，连接螺杆Ⅱ为无磁性奥氏体不锈钢。

所述的高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***的使用方法，该***的安装步骤如下：

（1）利用欧姆夹夹持疲劳试样标距段两端，通过连接螺杆Ⅰ连接欧姆夹与V型开口方块，调整欧姆夹位置，使V型开口方块的V型开口正好位于高压釜盖的通孔Ⅰ处上方；

（2）连接隔套与高压釜盖，水冷套置于隔套外侧，通过O型圈Ⅰ密封，水冷套中通自来水，以冷却高温高压水为常温高压水；

（3）连接线性可变差动变压位移传感器与隔套，并在连接处安置O型圈Ⅱ，通过挤压O型圈Ⅱ进行密封；将线性可变差动变压位移传感器信号输出线与位移显示器连接，并打开对应采集软件，通过相应采集软件采集位移数据；

（4）将连接螺杆Ⅱ穿过带通孔的四面体块、V型开口方块、压缩弹簧，连接螺杆Ⅱ上安装两个螺母，两个螺母分别位于四面体块、V型开口方块、压缩弹簧组合体的两端，连接螺杆Ⅱ的末端连接感应铁芯，通过调节两个螺母的位置，调节感应铁芯位置，使其停滞于零点位置处，拧紧螺母；拧紧各处螺母，形成“连接组件”，且连接螺杆Ⅱ与高压釜盖、隔套、线性可变差动变压位移传感器均无接触，连接螺杆Ⅱ无摩擦穿过高压釜盖、隔套、线性可变差动变压位移传感器。

所述的高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***的使用方法，通过所述配合安装，并调节感应铁芯位置，进行清零，原位实时监测高温高压水中疲劳过程中试样标距段的应变。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过欧姆夹夹持棒状疲劳试样标距段两端，配合连接，形成“连接组件”，传递疲劳试样标距段位移；隔套与高压釜盖密封连接，水冷套置于隔套外侧，通过O型圈密封，通自来水冷却高温高压水，转变成常温高压水；LVDT与隔套连接，感应到感应铁芯的位移，发出相应信号，通过连接位移显示器（电脑）显示位移。通过所述组件配合连接，形成一种原位实时监测高温高压水中疲劳试样标距段应变的LVDT***，该***能够原位实时精确监测高温高压水中棒状疲劳试样标距段的应变。

2、本发明的LVDT***通过“连接组件”精确传递棒状疲劳试样标距段应变；通过隔套、水冷套将高温高压水转变成常温高压水，形成适合LVDT的工作环境；通过高精度LVDT感应到感应铁芯的位移，发出相应的位移信号，准确显示棒状疲劳试样标距段应变。

3、本发明的LVDT***设计巧妙，操作简单方便，可在现有高温高压水腐蚀疲劳实验装置上实现原位实时精确监测棒状疲劳试样标距段的应变，大幅度提高应变疲劳试验精度。

附图说明

图1-图3为本发明装置结构图。其中，图1为“连接组件”，图2为水冷套，图3为线性可变差动变压位移传感器（LVDT）***。图中：1、棒状疲劳试样；2、欧姆夹；3、连接螺杆Ⅰ；4、V型开口方块；5、带通孔的四面体块；6、螺母；7、压缩弹簧；8、连接螺杆Ⅱ；9、感应铁芯；10、水冷套；11、隔套；12、O型圈Ⅰ；13、线性可变差动变压位移传感器。

图4为本发明装置在高压釜中安装示意图。图中，8、连接螺杆Ⅱ；10、水冷套；11、隔套；13、线性可变差动变压位移传感器；14、高压釜盖；15、通孔Ⅰ；16、O型圈Ⅱ。

图5（a）-图5（b）为带通孔的四面体块结构示意图。其中，图5（a）为主视图；图5（b）为俯视图。图中，17、四面体块；18、通孔Ⅱ。

图6（a）-图6（b）为V型开口方块结构示意图。其中，图6（a）为主视图；图6（b）为俯视图。图中，19、V型开口；20、螺纹孔；21、通孔Ⅲ。

图7（a）-图7（c）为线性可变差动变压位移传感器（LVDT）***实验精度验证图。其中，图7（a）为监测疲劳机位移、线性可变差动变压位移传感器***（标距段为16mm）读数、应变规（标距段为10mm）读数之间的关系；图7（b）为线性可变差动变压位移传感器***读数（监测数据除以1.6）与应变规读数之间的关系；图7（c）为疲劳过程中线性可变差动变压位移传感器***读数（监测数据除以1.6）、应变规读数、载荷之间的关系。

具体实施方式

如图1-图6所示，本发明原位实时监测高温高压水中疲劳试样标距段应变的线性可变差动变压位移传感器（LVDT）***，主要包括：欧姆夹2、连接螺杆Ⅰ3（M4）、V型开口方块4、带通孔的四面体块5、螺母6（M3）、压缩弹簧7、连接螺杆Ⅱ8（M3）、感应铁芯9、水冷套10、隔套11、O型圈Ⅰ12、线性可变差动变压位移传感器13（LVDT）等，具体结构如下：

如图1、图5（a）-图5（b）、图6（a）-图6（b）所示，两个半圆形欧姆夹2分别夹持棒状疲劳试样1的标距段两端，欧姆夹2与V型开口方块4通过连接螺杆Ⅰ3（M4）连接，调节欧姆夹2位置，使V型开口方块4的V型开口正好对应高压釜盖14的通孔Ⅰ15处；连接螺杆Ⅱ8（M3）为无磁性奥氏体不锈钢，连接螺杆Ⅱ8（M3）穿过带通孔的四面体块5、V型开口方块4、压缩弹簧7，两个螺母6（M3）安装于连接螺杆Ⅱ8（M3）上、位于带通孔的四面体块5、V型开口方块4、压缩弹簧7组合体的两端，连接螺杆Ⅱ8（M3）的末端连接感应铁芯9，各组件配合安装，并拧紧各个螺栓，形成“连接组件”，疲劳试样标距段两端的“连接组件”结构相同。

如图2、图3、图4所示，隔套11与高压釜盖14通过螺纹硬密封连接，水冷套10设置于隔套11外侧，水冷套10与隔套11通过O型圈Ⅰ12密封。隔套11与线性可变差动变压位移传感器13通过螺纹连接，隔套11与线性可变差动变压位移传感器13之间相对应处通过O型圈Ⅱ16密封。连接螺杆Ⅱ8（M3）的一端穿过隔套11的中心孔、伸至线性可变差动变压位移传感器13的中心孔中，连接螺杆Ⅱ8（M3）能够无摩擦通过高压釜盖14的通孔Ⅰ15、隔套11的中心孔和线性可变差动变压位移传感器13的中心孔，连接螺杆Ⅱ8（M3）与高压釜盖14、隔套11、线性可变差动变压位移传感器13均无接触，线性可变差动变压位移传感器13感应到感应铁芯9的位移，发出相应信号，通过连接位移显示器（电脑）显示“连接组件”的位移，进一步能够传递疲劳试样标距段实时位移。

本发明中，高温高压循环水腐蚀疲劳试验为常规技术，如：中国发明专利，专利申请号：201010240899.6，发明名称：一种带高温高压循环水的腐蚀疲劳试验装置，其中的高压釜颠倒放置，即高压釜盖在下，高压釜体在上，连接螺杆Ⅱ8（M3）的一端伸到高压釜体中，疲劳试样标距段两端的“连接组件”以及疲劳试样位于高压釜体中。

如图5（a）-图5（b）所示，带通孔的四面体块5为四面体块17上开有通孔Ⅱ18，四面体块17的四个面均为正三角形。

如图6（a）-图6（b）所示，V型开口方块4的上表面设有V型开口19，方便连接螺杆Ⅱ8（M3）在高压釜有限空间内快速穿过V型开口方块4的V型开口19下的通孔Ⅲ21。V型开口方块4的侧面设有螺纹孔20，连接螺杆Ⅰ3（M4）与V型开口方块4的螺纹孔20通过螺纹连接。

本发明中，V型开口方块4上表面的V型开口19与带通孔的四面体块5配合安装，以调节连接螺杆Ⅱ8（M3）的垂直度。连接螺杆Ⅱ8（M3）自上而下依次穿过带通孔的四面体块5的通孔Ⅱ18、V型开口方块4的通孔Ⅲ21，连接螺杆Ⅱ8（M3）上安装的两个螺母6（M3），用以调节感应铁芯9的位置，并固定连接螺杆Ⅱ8（M3）。

本发明中，隔套11顶端设有R2.5mm的弧面，保证与高压釜盖14稳定密封连接；隔套11与线性可变差动变压位移传感器13连接处安置O型圈Ⅱ16，保证隔套11与线性可变差动变压位移传感器13之间的稳定密封，线性可变差动变压位移传感器13设计耐压为20MPa。

本发明中，欧姆夹2内径为16mm，夹持标距段上端直径为16mm的棒状疲劳试样，疲劳试样标距直径为8mm。

本发明的原位实时监测高温高压水中疲劳试样标距段应变的线性可变差动变压位移传感器***，适用于疲劳试样标距段两端直径范围为8-40mm。

如图1-图3、图5-图6所示，本发明高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***的安装步骤如下：

（1）利用欧姆夹2夹持疲劳试样1标距段两端，通过连接螺杆Ⅰ3（M4）连接欧姆夹2与V型开口方块4，调整欧姆夹2位置，使V型开口方块4的V型开口19正好位于高压釜盖14的通孔Ⅰ15处上方。

（2）连接隔套11与高压釜盖14（硬密封），水冷套10置于隔套11外侧，通过O型圈Ⅰ12密封，水冷套10中通自来水，以冷却高温高压水为常温高压水。

（3）连接线性可变差动变压位移传感器13与隔套11，并在连接处安置O型圈Ⅱ16，通过挤压O型圈Ⅱ16进行密封。将线性可变差动变压位移传感器13信号输出线与位移显示器（电脑）连接，并打开对应采集软件（常规），通过相应采集软件采集位移数据。

（4）将连接螺杆Ⅱ8（M3）穿过带通孔的四面体块5、V型开口方块4、压缩弹簧7，连接螺杆Ⅱ8（M3）上安装两个螺母6（M3），两个螺母6（M3）分别位于四面体块5、V型开口方块4、压缩弹簧7组合体的两端，连接螺杆Ⅱ8（M3）的末端连接感应铁芯9，通过调节两个螺母6（M3）的位置，调节感应铁芯9位置，使其停滞于零点位置（位移显示为0）处，拧紧螺母6（M3）。拧紧各处螺母，形成“连接组件”，且连接螺杆Ⅱ8（M3）与高压釜盖14、隔套11、线性可变差动变压位移传感器13均无接触，连接螺杆Ⅱ8（M3）无摩擦穿过高压釜盖14、隔套11、线性可变差动变压位移传感器13。

实施例

在精度校正试验中，采用标距段直径为8mm、标距段长度为16mm、标距段两端直径为16mm的标准棒状疲劳试样。安装原位实时监测高温高压水中疲劳试样标距段应变的线性可变差动变压位移传感器***，监测标距段长度为16mm；同时安装应变规，监测标距段长度为10mm。疲劳机位移选择为0-0.4mm，在每一点进行三次重复试验。

图7（a）为单向拉伸过程中疲劳机位移传感器、线性可变差动变压位移传感器***、应变规监测数据对比，可知三者为近似线性对应关系；图7（b）为单向拉伸过程线性可变差动变压位移传感器***监测数据除以1.6与应变规监测数据关系，可知在应变较低时，两者对应关系较好；应变较大时，线性可变差动变压位移传感器监测的数据偏小约5-10μm；图7（c）为疲劳过程中线性可变差动变压位移传感器的监测数据除以1.6与应变规的监测数据的关系，两者有良好的对应关系。由图7（a）-图7（c）可以看出，本发明设计的线性可变差动变压位移传感器***能够较精确地监测疲劳试样标距段的应变，从而能原位实时监测高温高压水CF实验中试样标距段的真实应变。

实施例结果表明，本发明通过半圆形欧姆夹夹持疲劳试样标距段两端，通过M4螺纹的连接螺杆连接欧姆夹与V型开口方块，M3螺纹的无磁性连接螺杆，一端连接LVDT的感应铁芯，另一端穿过V型开口方块；在M3螺纹的无磁性连接螺杆拧上两个M3螺纹的螺母，并放置压缩弹簧于M3螺纹的螺母内侧，通过螺母压紧V型开口方块固定M3螺纹的无磁性连接螺杆，M3螺纹的无磁性连接螺杆一端放置带通孔的四面体块，用于调整连接螺杆垂直度；在高压釜盖外端通过螺纹硬密封连接隔套，水冷套置于隔套外侧，并放置O型圈进行密封；LVDT通过螺纹与隔套下端连接，并放置O型圈进行密封；LVDT与位移显示器连接；通过以上配合安装，并调节好感应铁芯位置，进行清零，即可原位实时监测高温高压水中疲劳过程中试样标距段的应变。

Claims (8)

1.一种高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***，其特征在于，该***包括：欧姆夹、连接螺杆Ⅰ、V型开口方块、带通孔的四面体块、螺母、压缩弹簧、连接螺杆Ⅱ、感应铁芯、水冷套、隔套、O型圈Ⅰ、O型圈Ⅱ、线性可变差动变压位移传感器，具体结构如下：

两个欧姆夹分别夹持棒状疲劳试样的标距段两端，欧姆夹与V型开口方块通过连接螺杆Ⅰ连接，调节欧姆夹位置，使V型开口方块的V型开口正好对应高压釜盖的通孔Ⅰ处；连接螺杆Ⅱ穿过带通孔的四面体块、V型开口方块、压缩弹簧，两个螺母安装于连接螺杆Ⅱ上、位于带通孔的四面体块、V型开口方块、压缩弹簧组合体的两端，连接螺杆Ⅱ的末端连接感应铁芯，各组件配合安装，并拧紧各个螺栓，形成“连接组件”，疲劳试样标距段两端的“连接组件”结构相同；

隔套与高压釜盖通过螺纹硬密封连接，水冷套设置于隔套外侧，水冷套与隔套通过O型圈Ⅰ密封；隔套与线性可变差动变压位移传感器通过螺纹连接，隔套与线性可变差动变压位移传感器之间相对应处通过O型圈Ⅱ密封；连接螺杆Ⅱ的一端穿过隔套的中心孔、伸至线性可变差动变压位移传感器的中心孔中，连接螺杆Ⅱ能够无摩擦通过高压釜盖的通孔Ⅰ、隔套的中心孔和线性可变差动变压位移传感器的中心孔，连接螺杆Ⅱ与高压釜盖、隔套、线性可变差动变压位移传感器均无接触，线性可变差动变压位移传感器感应到感应铁芯的位移，发出相应信号，通过连接位移显示器显示“连接组件”的位移，进一步能够传递疲劳试样标距段实时位移。

2.按照权利要求1所述的高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***，其特征在于，带通孔的四面体块为四面体块上开有通孔Ⅱ，四面体块的四个面均为正三角形。

3.按照权利要求1所述的高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***，其特征在于，V型开口方块的上表面设有V型开口，方便连接螺杆Ⅱ在高压釜有限空间内快速穿过V型开口方块的V型开口下的通孔Ⅲ；V型开口方块的侧面设有螺纹孔，连接螺杆Ⅰ与V型开口方块的螺纹孔通过螺纹连接。

4.按照权利要求1所述的高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***，其特征在于，V型开口方块上表面的V型开口与带通孔的四面体块配合安装，以调节连接螺杆Ⅱ的垂直度；连接螺杆Ⅱ自上而下依次穿过带通孔的四面体块的通孔Ⅱ、V型开口方块的通孔Ⅲ，连接螺杆Ⅱ上安装的两个螺母，用以调节感应铁芯的位置，并固定连接螺杆Ⅱ。

5.按照权利要求1所述的高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***，其特征在于，隔套顶端设有R2.5mm的弧面，保证与高压釜盖稳定密封连接。

6.按照权利要求1所述的高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***，其特征在于，线性可变差动变压位移传感器设计耐压为10～30MPa，连接螺杆Ⅱ为无磁性奥氏体不锈钢。

7.按照权利要求1所述的高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***的使用方法，其特征在于，该***的安装步骤如下：

（1）利用欧姆夹夹持疲劳试样标距段两端，通过连接螺杆Ⅰ连接欧姆夹与V型开口方块，调整欧姆夹位置，使V型开口方块的V型开口正好位于高压釜盖的通孔Ⅰ处上方；

（2）连接隔套与高压釜盖，水冷套置于隔套外侧，通过O型圈Ⅰ密封，水冷套中通自来水，以冷却高温高压水为常温高压水；

（3）连接线性可变差动变压位移传感器与隔套，并在连接处安置O型圈Ⅱ，通过挤压O型圈Ⅱ进行密封；将线性可变差动变压位移传感器信号输出线与位移显示器连接，并打开对应采集软件，通过相应采集软件采集位移数据；

（4）将连接螺杆Ⅱ穿过带通孔的四面体块、V型开口方块、压缩弹簧，连接螺杆Ⅱ上安装两个螺母，两个螺母分别位于四面体块、V型开口方块、压缩弹簧组合体的两端，连接螺杆Ⅱ的末端连接感应铁芯，通过调节两个螺母的位置，调节感应铁芯位置，使其停滞于零点位置处，拧紧螺母；拧紧各处螺母，形成“连接组件”，且连接螺杆Ⅱ与高压釜盖、隔套、线性可变差动变压位移传感器均无接触，连接螺杆Ⅱ无摩擦穿过高压釜盖、隔套、线性可变差动变压位移传感器。

8.按照权利要求7所述的高温高压水中疲劳试样标距段应变的原位实时监测***的使用方法，其特征在于，通过所述配合安装，并调节感应铁芯位置，进行清零，原位实时监测高温高压水中疲劳过程中试样标距段的应变。

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