CN115508238A - 一种法向载荷微动磨蚀研究装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种法向载荷微动磨蚀研究装置，涉及微动磨蚀研究装置技术领域。包括相互连接的熔融罐体和实验罐体，其内部分别形成熔融腔和实验腔；所述实验罐***于所述熔融罐体的上方，并分别通过输送管路和连接管路将熔融腔和实验腔连通，且所述连接管路设置有控制器通断的阀门；所述实验罐体内设样件夹具组件，所述熔融腔内还填充有实验工质，并向熔融罐体中通入高压气体时，能够将实验工质由输送管路导入实验罐体内；其能够明晰微动磨蚀机制，理清微动磨蚀与流致振动耦合关系，确定关键影响因素，进而构建微动磨蚀预测模型，从而为燃料组件安全分析与设计提供参考。

Description

一种法向载荷微动磨蚀研究装置
技术领域
本发明涉及微动磨蚀研究装置技术领域，具体而言，涉及一种法向载荷微动磨蚀研究装置。
背景技术
为顺应核能***经济性、安全性和持续性的发展目标，***核能***国际论坛选定铅基冷堆等六种最具发展潜力的堆型组成***反应堆***。铅冷快堆(Lead-CooledFastReactorSystem，LFR)是采用铅或低熔点铅铋合金(LeadBismuthEutectic,LBE)冷却的快中子堆；考虑到铅铋合金具有良好的热物理性质以及较为成熟的技术基础，中科院ADS专项第一阶段铅基研究反应堆CLEAR-I选择铅铋合金作为冷却剂，开展了中子学、热工水力学、安全性等一系列研究。
不同于传统压水堆堆芯中燃料棒采用格架定位，CLEAR-I堆芯组件参考方案采用快堆普遍采用的六边形组件，棒束结构采用三角形排列并用金属绕丝螺旋缠绕在燃料棒上。绕丝结构将带来强烈的横向流，有利于冷却剂在各子通道间的混合，致使通道内流体流动较为均匀，有效增强流动换热能力，降低包壳峰值温度。
而在反应堆实际运行过程中，冷却剂不断冲刷燃料组件，燃料棒受其扰动而发生微幅振动，即为流致振动现象。而这种微幅振动又会导致结构部件间发生微幅的摩擦、冲击等相互作用，从而对材料造成损伤，这便是微动磨损；微动磨损现象往往是伴随流致振动现象出现的，其导致的事故案例也有很多，例如：加拿大道格拉斯角、意大利特里诺蒸汽发生器管破损事故；日本文殊实验堆钠蒸汽泄露事故；2021年台山核电站燃料棒破损事故等。
综上所述，有必要针对铅铋环境下绕丝定位燃料棒及组件开展微动磨蚀特性研究；由此如何设计一种法向载荷微动磨蚀研究装置是我们目前迫切需要解决的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种法向载荷微动磨蚀研究装置，其能够明晰微动磨蚀机制，理清微动磨蚀与流致振动耦合关系，确定关键影响因素，进而构建微动磨蚀预测模型，从而为燃料组件安全分析与设计提供参考。
本发明的实施例是这样实现的：
本申请实施例提供了一种法向载荷微动磨蚀研究装置，其包括相互连接的熔融罐体和实验罐体，其内部分别形成熔融腔和实验腔；所述实验罐***于所述熔融罐体的上方，并分别通过输送管路和连接管路将熔融腔和实验腔连通，且所述连接管路设置有控制器通断的阀门；所述实验罐体内设样件夹具组件，所述熔融腔内还填充有实验工质，并向熔融罐体中通入高压气体时，能够将实验工质由输送管路导入实验罐体内。
在本发明的一些实施例中，上述所述样件夹具组件包括对称设置在所述实验罐体两侧并伸入熔融腔内的连接安装部；所述连接安装部包括连接部和固定法兰，且连接部和固定法兰之间通过螺栓固定；
所述连接部内均设置有活动空腔，且活动空腔均沿所述连接部的轴线方向设置，且活动空腔内均活动连接有活动夹具组件。
在本发明的一些实施例中，上述所述活动夹具组件包括依次连接的活动盘、连接件和对比样件夹具，所述活动盘位于所述活动空腔内，并与其内部滑动配合，所述连接件伸出活动空腔的一端位于实验腔内，并与所述对比样件夹具固接；两所述对比样件夹具正对设置，且之间形成夹持腔；
两所述活动盘分别连接有对比样件固定杆和法向载荷促动器。
在本发明的一些实施例中，上述所述连接件的外壁设置有用于实现与连接安装部之间密封的多级密封套件，且沿所述连接件的长度方向设置。
在本发明的一些实施例中，上述所述熔融罐体和所述实验罐体的顶端均设置有与其内部连通的排气管路。
在本发明的一些实施例中，上述所述熔融罐体和所述实验罐体均设置有若干用于加热其内部的加热棒。
在本发明的一些实施例中，上述所述熔融罐体和所述实验罐体均设置有若干用于加热其内部的加热棒。
在本发明的一些实施例中，上述若干所述加热棒分别位于所述熔融罐体和所述实验罐体的侧壁和底端，并分别沿所述熔融罐体的侧壁和所述实验罐体的底端均匀分布。
在本发明的一些实施例中，上述所述实验工质为铅铋合金熔液。
相对于现有技术，本发明的实施例至少具有如下优点或有益效果：
通过该研究装置，可以开展多种法向载荷微动磨蚀实验研究，模拟法向载荷微动磨损耦合液态铅铋合金腐蚀下的微动磨蚀现象，从而获得可信的法向载荷微动磨蚀结果，明晰法向载荷微动磨蚀机理，建立法向载荷微动磨蚀预测模型；为了实现铅铋环境下的特定微动磨蚀实验，获得磨蚀体积与磨蚀深度，根据这些实验结果可获得磨蚀系数。
由于铅铋快堆中存在微动磨损现象，这个现象可能会对反应堆内的部件造成超额的损坏，而影响到反应堆的寿命，而通过此装置模拟出铅铋环境下的特定微动磨蚀，以获得磨蚀系数，以达到预测和提高反应堆的寿命的目的，同时明晰微动磨蚀机制，理清微动磨蚀与流致振动耦合关系，确定关键影响因素，进而构建微动磨蚀预测模型，从而为燃料组件安全分析与设计提供参考。
在实际使用时，通过夹具组件将样件夹持，再将实验工质放入熔融罐内，并将实验工质加热到固定温度的液体状态，然后通过输送管路输运至实验腔，实验腔内也有加热棒进行保温。
实验腔内实验环境稳定后，启动微动促动装置(法向微动促动装置)，带动实验件做法向微动，从而实现实验样件不同方式的摩擦行为，在完成一定摩擦工况后，测量摩擦导致的磨损结果，以达到实验目的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中熔融罐体与实验罐体的连接示意图；
图2为本发明实施例中两连接安装部的连接示意图；
图3为本发明实施例中两连接安装部连接的剖视图；
图4为本发明实施例中加热棒的结构示意图。
图标：1、熔融罐体；2、实验罐体；3、输送管路；4、连接管路；5、连接部；6、固定法兰；7、活动空腔；8、活动盘；9、连接件；10、对比样件夹具；11、夹持腔；12、对比样件固定杆；13、法向载荷促动器；14、多级密封套件；15、排气管路；16、加热棒；17、引压管。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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发明的限制。
此外，若出现术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，“多个”代表至少2个。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“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，也可以是电连接；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。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发明中的具体含义。
实施例
请参照图1-图4，图1所示为本发明实施例中熔融罐体1与实验罐体 2的连接示意图；
图2所示为本发明实施例中两连接安装部的连接示意图；
图3所示为本发明实施例中两连接安装部连接的剖视图；
图4所示为本发明实施例中加热棒16的结构示意图。
本申请实施例提供了一种法向载荷微动磨蚀研究装置，其包括相互连接的熔融罐体1和实验罐体2，其内部分别形成熔融腔和实验腔；实验罐体2位于熔融罐体1的上方，并分别通过输送管路3和连接管路4将熔融腔和实验腔连通，且连接管路4设置有控制器通断的阀门；实验罐体2内设样件夹具组件，熔融腔内还填充有实验工质，并向熔融罐体1中通入高压气体时，能够将实验工质由输送管路3导入实验罐体2内。
本申请中的法向载荷微动磨蚀研究装置，其主要用于模拟铅铋冷却快堆内流致振动现象引发的法向载荷微动磨蚀现象；通过该研究装置，可以开展多种法向载荷微动磨蚀实验研究，模拟法向载荷微动磨损耦合液态铅铋合金腐蚀下的微动磨蚀现象，从而获得可信的法向载荷微动磨蚀结果，明晰法向载荷微动磨蚀机理，建立法向载荷微动磨蚀预测模型；为了实现铅铋环境下的特定微动磨蚀实验，获得磨蚀体积与磨蚀深度，根据这些实验结果可获得磨蚀系数。
由于铅铋快堆中存在微动磨损现象，这个现象可能会对反应堆内的部件造成超额的损坏，而影响到反应堆的寿命，而通过此装置模拟出铅铋环境下的特定微动磨蚀，以获得磨蚀系数，以达到预测和提高反应堆的寿命的目的，同时明晰微动磨蚀机制，理清微动磨蚀与流致振动耦合关系，确定关键影响因素，进而构建微动磨蚀预测模型，从而为燃料组件安全分析与设计提供参考。
在实际使用时，通过夹具组件将样件夹持，再将实验工质放入熔融罐内，并将实验工质加热到固定温度的液体状态，然后通过输送管路3输运至实验腔，实验腔内也有加热棒16进行保温。
实验腔内实验环境稳定后，启动微动促动装置(切向微动促动装置或法向微动促动装置)，带动实验件做切向微动或法向微动，从而实现实验样件不同方式的摩擦行为，在完成一定摩擦工况后，测量摩擦导致的磨损结果，以达到实验目的。
在本实施例中，位于熔融腔内的实验工质是通过向熔融腔内通入高压气体来实现的，本实施例中，实验工质的输送是使用高压氩气通过压力将熔融腔内的实验工质压到上端的实验腔内。
而在试验完成后，即通过打开与连接管路4连接的阀门，实验工质将通过连接管路4依靠重力的作用回流至熔融腔内。
需要说明的是，由于本实施例中采用的实验工质为铅铋合金熔液，其温度角度，由此本实施例中各零部件均由316L不锈钢制成。
在本实施例中，上述样件夹具组件包括对称设置在实验罐体2两侧并伸入熔融腔内的连接安装部；连接安装部包括连接部5和固定法兰6，且连接部5和固定法兰6之间通过螺栓固定；
连接部5内均设置有活动空腔7，且活动空腔7均沿连接部5的轴线方向设置，且活动空腔7内均活动连接有活动夹具组件。
在本实施例中，上述活动夹具组件包括依次连接的活动盘8、连接件 9和对比样件夹具10，活动盘8位于活动空腔7内，并与其内部滑动配合，连接件9伸出活动空腔7的一端位于实验腔内，并与对比样件夹具10固接；两对比样件夹具10正对设置，且之间形成夹持腔11；
两活动盘8分别连接有对比样件固定杆12和法向载荷促动器13。
通过法向载荷促动器13输出固定频率与载荷(法向力)的法向冲击运动，从而实现夹持在夹持腔11中的实验样件以一定的载荷与频率与对比样件(凸台)间发生法向冲击微动，进而获得一定法向载荷下的微动磨蚀实验结果。
在本实施例中，上述连接件9的外壁设置有用于实现与连接安装部之间密封的多级密封套件14，且沿连接件9的长度方向设置。
多级密封套件14的结构即如图2所示，类似波纹管的结构，外壁形成若干的环状结构，以确保试验过程中高温的铅铋溶液不会由连接件9与连接安装部之间的缝隙泄露。
在本实施例中，上述熔融罐体1和实验罐体2的顶端均设置有与其内部连通的排气管路15。
其作用即是外接压力传感器，用于来检测用于来测量实验腔的内部压力，当然，作为一种优选的实施方式，在实验腔和熔融腔内，均设置有检测温度或压力的传感器。
排气管路15的设置，也即是用于排出熔融罐体1和实验罐体2中的废气，作为一种优选的实施方式，排气管路15应当设置有阀门，以保证熔融罐体1和实验罐体2内部形成密封环境。
在本实施例中，上述熔融罐体1和实验罐体2均设置有若干用于加热其内部的加热棒16。
与熔融罐体1连接的若干加热棒16，其作用即是用于加热实验工质；而与实验罐体2连接的若干加热棒16，其作用便是用于保持在实验腔内实验工质的温度。
在本实施例中，上述熔融罐体1和实验罐体2均设置有若干用于加热其内部的加热棒16。
在本实施例中，上述若干加热棒16分别位于熔融罐体1和实验罐体2 的侧壁和底端，并分别沿熔融罐体1的侧壁和实验罐体2的底端均匀分布。
在本实施例中，上述实验工质为铅铋合金熔液。
实验工质为铅铋合金熔液，其温度为300-600摄氏度，主要作用就是提供一个高温铅铋熔融液的环境。
一种法向载荷微动磨蚀研究装置的工作原理是：通过该研究装置，可以开展多种法向载荷微动磨蚀实验研究，模拟法向载荷微动磨损耦合液态铅铋合金腐蚀下的微动磨蚀现象，从而获得可信的法向载荷微动磨蚀结果，明晰法向载荷微动磨蚀机理，建立法向载荷微动磨蚀预测模型；为了实现铅铋环境下的特定微动磨蚀实验，获得磨蚀体积与磨蚀深度，根据这些实验结果可获得磨蚀系数。
对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种法向载荷微动磨蚀研究装置，其特征在于，包括相互连接的熔融罐体和实验罐体，其内部分别形成熔融腔和实验腔；所述实验罐***于所述熔融罐体的上方，并分别通过输送管路和连接管路将熔融腔和实验腔连通，且所述连接管路设置有控制器通断的阀门；所述实验罐体内设样件夹具组件，所述熔融腔内还填充有实验工质，并向熔融罐体中通入高压气体时，能够将实验工质由输送管路导入实验罐体内。
2.根据权利要求1所述的一种法向载荷微动磨蚀研究装置，其特征在于，所述样件夹具组件包括对称设置在所述实验罐体两侧并伸入熔融腔内的连接安装部；所述连接安装部包括连接部和固定法兰，且连接部和固定法兰之间通过螺栓固定；
所述连接部内均设置有活动空腔，且活动空腔均沿所述连接部的轴线方向设置，且活动空腔内均活动连接有活动夹具组件。
3.根据权利要求2所述的一种法向载荷微动磨蚀研究装置，其特征在于，所述活动夹具组件包括依次连接的活动盘、连接件和对比样件夹具，所述活动盘位于所述活动空腔内，并与其内部滑动配合，所述连接件伸出活动空腔的一端位于实验腔内，并与所述对比样件夹具固接；两所述对比样件夹具正对设置，且之间形成夹持腔；
两所述活动盘分别连接有对比样件固定杆和法向载荷促动器。
4.根据权利要求3所述的一种法向载荷微动磨蚀研究装置，其特征在于，所述连接件的外壁设置有用于实现与连接安装部之间密封的多级密封套件，且沿所述连接件的长度方向设置。
5.根据权利要求1所述的一种法向载荷微动磨蚀研究装置，其特征在于，所述熔融罐体和所述实验罐体的顶端均设置有与其内部连通的排气管路。
6.根据权利要求1所述的一种法向载荷微动磨蚀研究装置，其特征在于，所述熔融罐体和所述实验罐体均设置有若干用于加热其内部的加热棒。
7.根据权利要求1所述的一种法向载荷微动磨蚀研究装置，其特征在于，所述实验罐体还设置有与其内部连通的引压管，并设置有控制阀门。
8.根据权利要求6所述的一种法向载荷微动磨蚀研究装置，其特征在于，若干所述加热棒分别位于所述熔融罐体和所述实验罐体的侧壁和底端，并分别沿所述熔融罐体的侧壁和所述实验罐体的底端均匀分布。
9.根据权利要求1所述的一种法向载荷微动磨蚀研究装置，其特征在于，所述实验工质为铅铋合金熔液。
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