专利名称：一种高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具及使用方法
技术领域：
本发明属于材料实验技术领域，更确切的说，涉及一种高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具及使用方法。
背景技术：
在服役环境以高温高压溶液为主的石油、化工、电力等行业，其设备往往发生严重的腐蚀问题，例如应力腐蚀、腐蚀疲劳等，这些腐蚀问题使设备严重失效，工厂被迫停工， 甚至发生重大事故，造成巨大的经济和人员损失，为了弄清事故的原因，避免事故再次发生，必须研究设备材料在服役环境下发生腐蚀的机理。在实验室模拟高温高压环境来研究这些设备材料的腐蚀失效机理是一种有效手段，而开展这类研究首先必须解决高温高压环境条件下进行试验的设备问题。在实验室模拟高温高压水腐蚀疲劳实验，首先要解决的是样品夹具问题，为了模拟实际的高温高压服役环境，在实验过程中样品夹具必须放在高压釜中，但是以前的样品夹具都是为空气中的实验而设计的，没有考虑苛刻的腐蚀环境对夹具的影响，因此不能用在高压釜中，另外现有的疲劳机夹具大多用螺纹连接，间隙很大，不适用位移控制的拉压疲劳实验，此外对中性很难保证。国外虽然有少数几家大公司能制造这种用在高压釜中的夹具，但是价格极其昂贵，且结构复杂，国内相关厂家尚没有制造该类夹具的经验和能力。

发明内容
本发明目的在于提供一种能在高温高压水环境下测试材料腐蚀疲劳性能的样品夹具及使用方法，解决了现有疲劳机样品夹具不能用在高压釜中的难题。本发明的技术方案如下一种高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具，该夹具设有立柱、平台、上压帽、下压帽、 转接头，该夹具设置于高压釜内，高压釜的釜盖在下，立柱的一端螺纹连接于高压釜釜盖的螺纹孔，立柱与高压釜连接的位置通过下锁紧螺母锁紧；平台圆周开有立柱孔，平台的下端面中心处开有平台凹槽，平台的下端面圆周开有平台螺纹孔；立柱的另一端通过平台上的立柱孔穿装于平台，在立柱上分别安装平台上垫片和平台下垫片于平台的上下端面处，每个立柱上分别安装上锁紧螺母，上锁紧螺母压紧平台上垫片；转接头的下端面中心处开有转接头下端螺纹孔，转接头下端螺纹孔连接疲劳机的拉伸轴；转接头的上端面中心处开有转接头凹槽，转接头的上端面圆周开有转接头上端螺纹孔，实验样品的下凸台放在转接头凹槽内，下凸台与转接头凹槽为紧密配合；两个对开半环压在实验样品下凸台上端面，下压帽套在对开半环上，下压帽中心处开设与所述对开半环相应的对开半环孔，下压帽圆周开有与转接头上端面圆周的转接头上端螺纹孔相对应的压帽螺栓孔，下压帽的对开半环孔压在对开半环凸台上，所述压帽螺栓孔上端面放置下压帽垫片，下压帽螺栓穿过下压帽垫片、下压帽与转接头连接；另设两个对开半环压在实验样品的上凸台下端面，上压帽中心处开设与所述对开半环相应的对开半环孔，上压帽圆周开有与平台下端面圆周的平台螺纹孔相对应的压帽螺栓孔，上压帽的对开半环孔压在对开半环凸台上，所述压帽螺栓孔下端面放置上压帽垫片， 上压帽螺栓穿过上压帽垫片、上压帽与平台连接。所述的高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具，该夹具各部分的材质均为耐腐蚀、高温强度较好的316奥氏体不锈钢。所述的高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具，立柱下端靠近螺纹口处开有铣槽。所述的高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具，平台凹槽的直径大于转接头凹槽的直径。所述的高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具，对开半环弯角有光滑的圆弧，对开半环的高度大于上压帽或下压帽的高度。所述的高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具，所述的上压帽螺栓或下压帽螺栓为内六角螺栓。所述的高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具的使用方法，包括如下步骤(1)立柱的一端螺纹拧在高压釜釜盖的螺纹孔内，每个立柱与高压釜连接的位置通过下锁紧螺母锁紧，立柱的另一端通过平台上的立柱孔穿装于平台，在立柱放进立柱孔前，在立柱上各套一个平台下垫片，用水平仪调平平台，再在立柱上方各放一个平台上垫片，每个立柱上分别安装上锁紧螺母，上锁紧螺母压紧平台上垫片；反复调整上锁紧螺母、 下锁紧螺母，保证平台水平，稳定不晃动；(2)转接头下端螺纹孔连接疲劳机的拉伸轴，实验样品的下凸台放在转接头凹槽内，转动样品，使自然垂直，依靠样品自身重力对中；再把两个对开半环压在实验样品下凸台上端面，转动对开半环，使对开半环贴紧样品；然后把下压帽套在对开半环上，使下压帽上的对开半环孔朝下刚好压在对开半环凸台上，转动下压帽，使压帽螺栓孔刚好和转接头上的转接头上端螺纹孔相对吻合，每个压帽螺栓孔上端面放置下压帽垫片，下压帽螺栓穿过下压帽垫片、下压帽与转接头连接，将下压帽拧在转接头上端螺纹孔上，观察下压帽和转接头之间的缝隙，使实验样品下凸台和转接头凹槽完全吻合压紧；(3)把另外两个对开半环压在实验样品的上凸台下端面，将上压帽的对开半环孔压在对开半环凸台上，用手扶紧，每个压帽螺栓孔下端面放上压帽垫片，上压帽螺栓穿过上压帽垫片、上压帽与平台下端面的平台螺纹孔连接；然后向上移动拉伸轴，带动实验样品上升，使样品上凸台刚好进入平台下端面中心处的平台凹槽，对中后转动上压帽，使压帽螺栓孔刚好和平台螺纹孔对上，拧紧上压帽螺栓，使实验样品上端面完全压紧平台下端面中心处的平台凹槽顶部；(4)打开疲劳机控制柜，调整拉伸轴，使实验样品受到压应力，保证实验样品上、下端面与平台凹槽、转接头凹槽底部充分压紧；(5)用扳手先拧紧下压帽螺栓，按对角螺栓的顺序拧紧，最后拧紧上压帽螺栓，同样对角螺栓拧紧，进行高温高压水腐蚀疲劳实验。所述的高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具的使用方法，第一次疲劳实验前，消去螺纹间隙，操作方法如下(1)、把实验样品装在夹具上，先拧紧下压帽上的下压帽螺栓，然后拧紧上压帽上的上压帽螺栓；
(2)、打开疲劳机，对实验样品加载拉力40 50KN，充分拉开拉伸方向上的间隙；(3)、用扳手夹住立柱，拧紧立柱下面的下锁紧螺母，然后拧紧平台上的上锁紧螺母，消去拉伸方向上的间隙；(4)、对试验样品加载压力40 50KN，充分拉开压缩方向上的间隙；(5)、用扳手夹住立柱，拧紧平台上的上锁紧螺母，然后拧紧立柱下的下锁紧螺母， 消去压缩方向上的间隙；(6)、运行疲劳机，循环十个周次，观察波形光滑无弯折，螺纹间隙消除，如果波形上有平台出现，重复步骤(2) - (6)，直到间隙完全消去。本发明的有益效果是1、本发明的高温高压水腐蚀疲劳夹具用316奥氏体不锈钢做材质，耐高温高压水腐蚀，强度好，能保证夹具长期运行。2、本发明的转接头凹槽直径小于平台凹槽，转接头连接拉伸轴，拧紧下压帽后，以转接头凹槽和拉伸轴为基准，对齐平台凹槽，保证了样品和施加载荷的拉伸轴对中性。3、本发明的下锁紧螺母消去了立柱和釜盖螺纹的间隙，上锁紧螺母消去了立柱和平台螺纹的间隙。4、本发明采用的压帽套半环的设计，使实验样品夹持很紧，无间隙，适合各种载荷比的疲劳实验，如载荷比为-1的对称拉压疲劳，载荷比为0的拉拉疲劳。5、本发明的螺栓和螺母垫片保护了在拧紧的过程中平台和压帽不受损伤。6、本发明结构简单、安装和拆卸容易、成本低廉、操作方便。7、本发明疲劳机样品夹具可用于高压釜，解决了现有样品夹具不耐高温高压水腐蚀、螺纹缝隙大、对中性不好的问题。


图1为本发明夹具整体剖视图。图2为本发明夹具平台仰视图。图3为本发明夹具转接头的结构示意图。其中，(a)图为俯视图；(b)图为剖面图。图4为本发明夹具上压帽(或下压帽)的结构示意图。其中，(a)图为俯视图；(b) 图为剖面图(下压帽与上压帽结构相同，对称设置)。图5为国产SA508-3低合金钢高温高压水腐蚀疲劳实验峰值应力范围随循环周次变化曲线。图6为第100循环周次时载荷和位移随时间的波形图。图7为不同循环周次的应力应变环。图1至图4中，1-上锁紧螺母；2-平台上垫片；3-平台；4_平台下垫片；5_上压帽；6-立柱；7-上压帽螺栓；8-实验样品；9-对开半环；10-下压帽垫片；11-下压帽螺栓； 12-下压帽；13-转接头；14-下锁紧螺母；15-高压釜；16-拉伸轴；17-立柱孔；18-平台凹槽；19-平台螺纹孔；20-转接头上端螺纹孔；21-转接头下端螺纹孔；22-转接头凹槽； 23-压帽螺栓孔；24-对开半环孔；25上压帽垫片J6上凸台；27下凸台；28圆弧。
具体实施方式
如图1-4所示，本发明能在高温高压水环境下测试材料腐蚀疲劳性能的样品夹具设置于高压釜15内，高压釜15的釜盖在下，该夹具由八个上锁紧螺母1、四个平台上垫片 2、一个平台3、四个平台下垫片4、一个上压帽5、四支立柱6、六个上压帽螺栓7、四个对开半环9、六个下压帽垫片10、六个下压帽螺栓11、一个下压帽12、一个转接头13、四个下锁紧螺母14、六个上压帽垫片25等组成，各部分连接如下平台3圆周开有立柱孔17，平台3的下端面中心处开有平台凹槽18，平台3的下端面圆周开有平台螺纹孔19。四支相同的立柱6的一端螺纹拧在高压釜15釜盖的螺纹孔内，为了安装后消去螺纹间隙，每个立柱6与高压釜15连接的位置(釜盖的上端面)通过下锁紧螺母14锁紧，立柱6的另一端通过平台3上的四个立柱孔17穿装于平台3(如图2)， 在每个立柱6上分别安装平台上垫片2和平台下垫片4于平台3的上下端面处。本发明中，立柱6下端靠近螺纹口处可以开有一个铣槽。为了增加立柱6的受力面积，在立柱6放进立柱孔17前，在立柱6上各套一个平台下垫片4，用水平仪调平平台3，然后再在立柱6上方各放一个平台上垫片2，目的是为了避免拧紧螺栓时磨损平台，每个立柱6上分别安装上锁紧螺母1，上锁紧螺母1压紧平台上垫片2 ；为了消去此螺纹间隙，需要每个立柱6上分别再安装一个上锁紧螺母，压紧上锁紧螺母1，反复调整上锁紧螺母1、下锁紧螺母14，保证平台水平，稳定不晃动。转接头13的下端面中心处开有转接头下端螺纹孔21，转接头下端螺纹孔21连接疲劳机的拉伸轴16 ；转接头13的上端面中心处开有转接头凹槽22，转接头13的上端面圆周开有转接头上端螺纹孔20，实验样品8的下凸台27放在转接头凹槽22内，下凸台27与转接头凹槽22为紧密配合(如图幻，稍微转动样品，使自然垂直，这样就依靠样品自身重力对中，然后把两个对开半环9压在实验样品下凸台27上端面，下压帽12中心处开设与所述对开半环9相应的对开半环孔M，下压帽12圆周开有与转接头上端面圆周的转接头上端螺纹孔20相对应的压帽螺栓孔23。由于对开半环的弯角有一光滑过度圆弧观，稍微转动对开半环，就可以很好的贴紧样品，然后把下压帽12套在对开半环9上，使下压帽12上的对开半环孔M朝下刚好压在对开半环9凸台上(如图4)，转动下压帽12，使其六个压帽螺栓孔23刚好和转接头13上的转接头上端螺纹孔20相对吻合，每个压帽螺栓孔23上端面放置下压帽垫片10，下压帽螺栓11穿过下压帽垫片10、下压帽12与转接头13连接，将下压帽12拧在转接头上端螺纹孔20上，观察下压帽12和转接头13之间的缝隙，使实验样品下凸台27和转接头凹槽22完全吻合压紧。把另外两个对开半环9压在实验样品8的上凸台沈下端面，上压帽5中心处开设与所述对开半环9相应的对开半环孔M，上压帽5圆周开有与平台3下端面圆周的平台螺纹孔19相对应的压帽螺栓孔23，上压帽5的对开半环孔M压在对开半环9凸台上，用手扶紧，每个压帽螺栓孔23下端面放上压帽垫片25，上压帽螺栓7穿过上压帽垫片25、上压帽 5与平台3下端面的平台螺纹孔19连接，然后向上移动拉伸轴16，带动实验样品8上升，使样品上凸台沈刚好进入平台3下端面中心处的平台凹槽18，平台凹槽18的直径大于转接头凹槽22的直径，即大于样品上凸台沈直径，这样易于以转接头凹槽22为基准对准平台凹槽18，保证了样品的对中性，即使拉伸轴16稍微偏移中心，也能以拉伸轴为基准对中，使载荷方向和样品方向相同，最大限度的保证了对中性，对中后转动上压帽5，使六个压帽螺栓孔23刚好和平台螺纹孔19对上，拧紧上压帽螺栓7，使实验样品8上端面完全压紧平台3下端面中心处的平台凹槽18顶部，打开疲劳机控制柜，调整拉伸轴16，使实验样品8受到一定压应力，这样保证了实验样品上、下端面与平台凹槽18、转接头凹槽22底部充分压紧， 然后用内六角扳手先拧紧下压帽螺栓11，按对角螺栓的顺序拧紧，最后拧紧上压帽螺栓7， 同样对角螺栓拧紧，这样实验样品8和平台凹槽18、转接头凹槽22间隙降低到最小。本发明中，对开半环9的高度大于上压帽5或下压帽12的高度。由于螺纹固有特征，用螺纹连接不可避免的存在间隙，在位移控制模式下的疲劳实验必须考虑间隙的影响，为了实验数据更加准确，必须尽可能的减小螺纹间隙。本发明在设计上充分考虑到这一点，第一次实验前，消去螺纹间隙，操作方法如下(1)、把实验样品8装在夹具上，先拧紧下压帽12上的六个下压帽螺栓11，然后拧紧上压帽5上的六个上压帽螺栓7。(2)、打开疲劳机，对实验样品8加载最大的拉力40 50KN，充分拉开拉伸方向上的间隙。(3)、用扳手夹住立柱6上的铣槽，拧紧立柱6下面的下锁紧螺母14，然后拧紧平台 3上的上锁紧螺母1，消去拉伸方向上的间隙。(4)、对试验样品8加载最大的压力40 50KN，充分拉开压缩方向上的间隙。(5)、用扳手夹住立柱6上的铣槽，拧紧平台3上的上锁紧螺母1，然后拧紧立柱6 下的下锁紧螺母14，消去压缩方向上的间隙。(6)、运行疲劳机，循环十个周次，观察疲劳机显示的波形光滑无弯折，螺纹间隙消除，如果波形上有平台出现，重复步骤0)-(6)，直到间隙完全消去。实施例国产压力容器用SA508-3低合金钢在300°C、lOMPa、DO溶解氧饱和的高温高压循环水中的腐蚀疲劳实验，应变幅值为2. 5%。实验样品材料为一种国产核电站压力容器用SA508-3低合金钢，加工成光滑圆棒试样，标距为16mm，直径为8mm，把疲劳样品固定在夹具上，消去间隙后，然后开始实验，实验条件设定釜内温度300°C，压力为lOMPa，饱和溶解氧，电导率< 0. 1 μ S/cm，疲劳机控制模式为位移控制，波形为三角波，应变速率为0. 001s—1，应变幅值设为2. 5 %，边界条件设为当峰值应力下降到最大稳定应力值的75%时停止实验，其对应的循环次数队5定义为疲劳寿命。当循环周次达到352周次时，实验停止。图5是实验记录的峰值应力幅值与循环周次曲线，疲劳寿命为352周次，从图5可以看出，曲线比较光滑，实验比较成功。图6是第100循环周次时载荷和位移随时间变化的波形图，可以看出，三角波形比较完好，载荷波形光滑无平台和弯折，说明夹具间隙很小，可以忽略不计，控制的位移波形对称性很好。图7是不同循环周次的应力应变环，可以看出， 应力应变环很大，说明样品出现明显的塑性变形；应力应变环比较光滑，说明夹具无间隙； 应力应变环大小无变化，说明夹具间隙没有随着实验的进行而松弛，夹具稳定性很好。本发明可以用在高压釜内，进行高温高压溶液环境下各种疲劳实验，耐腐蚀、易对中、间隙小、精度高、结构简单、安装和拆卸容易、成本低廉。该样品夹具安全可靠、耐高温高压水腐蚀、螺纹间隙小、对中性好、使用维护方便，能够很好地满足实验要求。
权利要求
1.一种高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具，其特征在于该夹具设有立柱、平台、上压帽、下压帽、转接头，该夹具设置于高压釜内，高压釜的釜盖在下，立柱的一端螺纹连接于高压釜釜盖的螺纹孔，立柱与高压釜连接的位置通过下锁紧螺母锁紧；平台圆周开有立柱孔， 平台的下端面中心处开有平台凹槽，平台的下端面圆周开有平台螺纹孔；立柱的另一端通过平台上的立柱孔穿装于平台，在立柱上分别安装平台上垫片和平台下垫片于平台的上下端面处，每个立柱上分别安装上锁紧螺母，上锁紧螺母压紧平台上垫片；转接头的下端面中心处开有转接头下端螺纹孔，转接头下端螺纹孔连接疲劳机的拉伸轴；转接头的上端面中心处开有转接头凹槽，转接头的上端面圆周开有转接头上端螺纹孔， 实验样品的下凸台放在转接头凹槽内，下凸台与转接头凹槽为紧密配合；两个对开半环压在实验样品下凸台上端面，下压帽套在对开半环上，下压帽中心处开设与所述对开半环相应的对开半环孔，下压帽圆周开有与转接头上端面圆周的转接头上端螺纹孔相对应的压帽螺栓孔，下压帽的对开半环孔压在对开半环凸台上，所述压帽螺栓孔上端面放置下压帽垫片，下压帽螺栓穿过下压帽垫片、下压帽与转接头连接；另设两个对开半环压在实验样品的上凸台下端面，上压帽中心处开设与所述对开半环相应的对开半环孔，上压帽圆周开有与平台下端面圆周的平台螺纹孔相对应的压帽螺栓孔，上压帽的对开半环孔压在对开半环凸台上，所述压帽螺栓孔下端面放置上压帽垫片，上压帽螺栓穿过上压帽垫片、上压帽与平台连接。
2.按照权利要求1所述的高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具，其特征在于该夹具各部分的材质均为耐腐蚀、高温强度较好的316奥氏体不锈钢。
3.按照权利要求1所述的高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具，其特征在于立柱下端靠近螺纹口处开有铣槽。
4.按照权利要求1所述的高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具，其特征在于平台凹槽的直径大于转接头凹槽的直径。
5.按照权利要求1所述的高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具，其特征在于对开半环弯角有光滑的圆弧，对开半环的高度大于上压帽或下压帽的高度。
6.按照权利要求1所述的高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具，其特征在于所述的上压帽螺栓或下压帽螺栓为内六角螺栓。
7.按照权利要求1所述的高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具的使用方法，其特征在于(1)立柱的一端螺纹拧在高压釜釜盖的螺纹孔内，每个立柱与高压釜连接的位置通过下锁紧螺母锁紧，立柱的另一端通过平台上的立柱孔穿装于平台，在立柱放进立柱孔前，在立柱上各套一个平台下垫片，用水平仪调平平台，再在立柱上方各放一个平台上垫片，每个立柱上分别安装上锁紧螺母，上锁紧螺母压紧平台上垫片；反复调整上锁紧螺母、下锁紧螺母，保证平台水平，稳定不晃动；(2)转接头下端螺纹孔连接疲劳机的拉伸轴，实验样品的下凸台放在转接头凹槽内，转动样品，使自然垂直，依靠样品自身重力对中；再把两个对开半环压在实验样品下凸台上端面，转动对开半环，使对开半环贴紧样品；然后把下压帽套在对开半环上，使下压帽上的对开半环孔朝下刚好压在对开半环凸台上，转动下压帽，使压帽螺栓孔刚好和转接头上的转接头上端螺纹孔相对吻合，每个压帽螺栓孔上端面放置下压帽垫片，下压帽螺栓穿过下压压帽拧在转接头上端螺纹孔上，观察下压帽和转接头之间的缝隙，使实验样品下凸台和转接头凹槽完全吻合压紧；(3)把另外两个对开半环压在实验样品的上凸台下端面，将上压帽的对开半环孔压在对开半环凸台上，用手扶紧，每个压帽螺栓孔下端面放上压帽垫片，上压帽螺栓穿过上压帽垫片、上压帽与平台下端面的平台螺纹孔连接；然后向上移动拉伸轴，带动实验样品上升， 使样品上凸台刚好进入平台下端面中心处的平台凹槽，对中后转动上压帽，使压帽螺栓孔刚好和平台螺纹孔对上，拧紧上压帽螺栓，使实验样品上端面完全压紧平台下端面中心处的平台凹槽顶部；(4)打开疲劳机控制柜，调整拉伸轴，使实验样品受到压应力，保证实验样品上、下端面与平台凹槽、转接头凹槽底部充分压紧；(5)用扳手先拧紧下压帽螺栓，按对角螺栓的顺序拧紧，最后拧紧上压帽螺栓，同样对角螺栓拧紧，进行高温高压水腐蚀疲劳实验。
8.按照权利要求7所述的高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具的使用方法，其特征在于，第一次疲劳实验前，消去螺纹间隙，操作方法如下(1)、把实验样品装在夹具上，先拧紧下压帽上的下压帽螺栓，然后拧紧上压帽上的上压帽螺栓；(2)、打开疲劳机，对实验样品加载拉力40 50KN，充分拉开拉伸方向上的间隙；(3)、用扳手夹住立柱，拧紧立柱下面的下锁紧螺母，然后拧紧平台上的上锁紧螺母，消去拉伸方向上的间隙；(4)、对试验样品加载压力40 50KN，充分拉开压缩方向上的间隙；(5)、用扳手夹住立柱，拧紧平台上的上锁紧螺母，然后拧紧立柱下的下锁紧螺母，消去压缩方向上的间隙；(6)、运行疲劳机，循环十个周次，观察波形光滑无弯折，螺纹间隙消除，如果波形上有平台出现，重复步骤(2) - (6)，直到间隙完全消去。
全文摘要
本发明属于材料实验技术领域，更确切的说，涉及一种高温高压水腐蚀疲劳实验样品夹具及使用方法，解决了现有样品夹具不耐高温高压水腐蚀、螺纹缝隙大、对中性不好的问题。该夹具设有立柱、平台、上压帽、下压帽、转接头，该夹具的立柱下端固定在高压釜釜盖上，上端固定在平台上，然后分别用锁紧螺母压紧，转接头下端连接疲劳机的拉伸轴，通过升降拉伸轴，使实验样品上、下凸台分别放在平台凹槽和转接头凹槽内，两对开半环压在实验样品上、下凸台上，套上上、下压帽，拧紧压帽螺栓使其两端固定。本发明可以用在高压釜内，进行高温高压溶液环境下各种(拉拉、拉压、压压等)疲劳实验，结构简单、成本低廉。
文档编号G01N17/00GK102346113SQ20101024091
公开日2012年2月8日 申请日期2010年7月30日 优先权日2010年7月30日
发明者吴欣强, 徐松, 柯伟, 韩恩厚 申请人:中国科学院金属研究所