CFS應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)設(shè)備
設(shè)備概述：
Cor-Force腐蝕試驗(yàn)系統(tǒng)為在高溫高壓、常溫常壓、高溫常壓、低溫等介質(zhì)環(huán)境下的慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)（SSRT）、恒載荷應(yīng)力腐蝕開裂（SCC）試驗(yàn)、腐蝕疲勞（CF）試驗(yàn)、蠕變（Creep）試驗(yàn)、蠕變疲勞（Creep Fatigue）試驗(yàn)、應(yīng)變疲勞（Strain Fatigue）試驗(yàn)、持久強(qiáng)度（Creep Rupture Strength）試驗(yàn)、氫致延遲開裂（HIC）試驗(yàn)等，能對SCC裂紋擴(kuò)展、腐蝕疲勞裂紋擴(kuò)展在線、離線測量等多種試驗(yàn)提供實(shí)現(xiàn)方案。
腐蝕試驗(yàn)系統(tǒng)采用模組化設(shè)計(jì)，不同實(shí)驗(yàn)功能配置不同的實(shí)驗(yàn)?zāi)K，具有的維護(hù)性和可擴(kuò)展性。該系統(tǒng)的單元有：應(yīng)力加載單元、實(shí)驗(yàn)釜單元、水化學(xué)測量循環(huán)回路、DCPD裂紋擴(kuò)展測量單元、應(yīng)變測量單元、溫度控制單元、氣體增壓循環(huán)單元、真空系統(tǒng)、超純水制備系統(tǒng)等。
材料的腐蝕實(shí)驗(yàn)，尤其是高溫高壓水環(huán)境下的長期SCC、CF等實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性有很高的要求，從材料的選用及制造工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、耐用性設(shè)計(jì)、部件的選購、測試軟件的設(shè)計(jì)等，要綜合進(jìn)行系統(tǒng)考慮，以使系統(tǒng)的各個單元匹配運(yùn)行。重要的部件，選用國際上行業(yè)內(nèi)的，這些部件在多年的實(shí)際應(yīng)用中運(yùn)行穩(wěn)定，尤其應(yīng)力加載的核心單元－伺服系統(tǒng)，全時自適應(yīng)控制、加載平滑，在長期連續(xù)運(yùn)行狀況下，表現(xiàn)出優(yōu)良的率。
設(shè)備特點(diǎn)：
● 高強(qiáng)度重載主機(jī)架，測試軟件可設(shè)定機(jī)架剛度補(bǔ)償量。
● 全數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)，自適應(yīng)調(diào)整，速度平穩(wěn)、控制精度高。
● 雙核32bit測控系統(tǒng)，實(shí)時閉環(huán)控制IP核，響應(yīng)迅速、準(zhǔn)確。
● 雙側(cè)光柵位移傳感器伸長測量，提升試樣變形量測量準(zhǔn)確度。
● 按需選擇的不同冷卻方式，以Z經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方式有效降溫。
● 安全的聯(lián)動保護(hù)機(jī)制，消除設(shè)備危險(xiǎn)狀態(tài)的出現(xiàn)。
● 計(jì)算機(jī)集成測試操作，數(shù)據(jù)、日志實(shí)時記錄。
● 腐蝕介質(zhì)環(huán)境下DCPD方法試樣腐蝕裂紋擴(kuò)展測量。
● 腐蝕介質(zhì)環(huán)境下試樣標(biāo)距內(nèi)伸長量直接測量。
試驗(yàn)功能：
● 慢應(yīng)變速率拉伸試驗(yàn)
● 腐蝕疲勞試驗(yàn)
● 應(yīng)變疲勞試驗(yàn)
● 蠕變試驗(yàn)
● 持久試驗(yàn)
● CT試樣裂紋萌生及裂紋擴(kuò)展速率測量試驗(yàn)
● K控制試驗(yàn)
技術(shù)參數(shù)：
● Z大載荷：50kN、100kN，可訂制特殊規(guī)格
● 力值測量范圍：0.4%～99%F.S.
● 力值準(zhǔn)確度：0.5%
● 力值分辨率：0.2N（30kN）、0.3N（50kN）、0.6N（100kN）
● 加載Z大移動范圍：80mm
● 加載位移速率范圍（慢拉伸應(yīng)力加載單元）：1mm/s～1x10-7mm/s
● 加載位移速率范圍（裂紋擴(kuò)展應(yīng)力加載單元）：10mm/s～1x10-6mm/s
● 位移示值準(zhǔn)確度：0.3%
● 位移分辨率（慢拉伸應(yīng)力加載單元）：0.0005µm
● 位移分辨率（裂紋擴(kuò)展應(yīng)力加載單元）：0.005µm
● 伸長測量范圍（光柵位移傳感器）：30mm
● 伸長測量分辨率：0.1µm
● 伸長測量準(zhǔn)確度：0.5%
● 疲勞加載波形：正弦波、三角波，以及半波
● 疲勞加載頻率：0.0001～2Hz
主機(jī)單元：
應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)設(shè)備的主機(jī)框架為四立柱落地式結(jié)構(gòu)，較靈活的安裝方式允許根據(jù)試驗(yàn)需求對實(shí)驗(yàn)釜進(jìn)行上置固定或者下置固定。載荷架有兩倍以上的設(shè)計(jì)強(qiáng)度冗余，保證了的剛性，大幅減弱了載荷架的彈性形變對測量的影響。
伺服驅(qū)動系統(tǒng)采用一代超高速、超精密控制以及可在嚴(yán)酷環(huán)境下使用的節(jié)能型伺服，其的“免調(diào)整功能”，Z大可承受30倍負(fù)載不發(fā)生震動，即使運(yùn)行中負(fù)載發(fā)生變化，也能夠穩(wěn)定運(yùn)行。新一代伺服系統(tǒng)配置高分辨率24bit編碼器，伺服電機(jī)每轉(zhuǎn)可反饋出1677萬脈沖，實(shí)現(xiàn)精確控制微小的轉(zhuǎn)動步距，在極低應(yīng)變速率時保證加載的平穩(wěn)性。
應(yīng)力加載為剛性傳遞，伺服電機(jī)輸出直連無間隙行星輪減速機(jī)、減速機(jī)輸出連接預(yù)緊式精密滾珠絲杠、滾珠絲杠絲母帶動加載平臺移動、再通過高強(qiáng)合金材料拉桿給試樣加載。
測控系統(tǒng)：
全數(shù)字嵌入式測控系統(tǒng)，專為實(shí)時性測量和數(shù)據(jù)處理而設(shè)計(jì)。雙32bit CPU高速運(yùn)行，可以快速響應(yīng)計(jì)算機(jī)指令、高速傳輸測量數(shù)據(jù)、實(shí)時高頻閉環(huán)控制調(diào)節(jié)、及時狀態(tài)及故障信息檢測。
測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)適合應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)系統(tǒng)的使用要求。主控板為多層PCB，專門的地線層進(jìn)行大面積銅皮敷設(shè)，以菊花狀分割共地，抑制干擾和信號漂移。PCB板上大量為SMT器件，采用貼片機(jī)自動貼裝，并經(jīng)過了冷熱循環(huán)測試及48小時不間斷通電測試，以及后期產(chǎn)品調(diào)試、試驗(yàn)時的長期考核。
測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)時傳感器的擴(kuò)展連接通道，力傳感器1路、位移通道1路、光柵位移傳感器2路或LVDT傳感器2路，可滿足“設(shè)備概述”中闡述的全部試驗(yàn)方法的測試要求。
基于全數(shù)字化設(shè)計(jì)理念，測控系統(tǒng)的工作參數(shù)通過計(jì)算機(jī)上安裝的調(diào)試軟件進(jìn)行設(shè)置、備份、管理。這種設(shè)計(jì)利于產(chǎn)品的維護(hù)和安裝服務(wù)，在產(chǎn)品調(diào)試檢驗(yàn)完成后，將所有參數(shù)存儲于計(jì)算機(jī)進(jìn)行資料歸檔管理，如果以后更換一臺測控系統(tǒng)，只需連接計(jì)算機(jī)將歸檔的參數(shù)全部寫入新的測控系統(tǒng)，便會和原來一樣的狀態(tài)正常工作。
對于慢應(yīng)變速率拉伸測試，結(jié)合伺服系統(tǒng)的數(shù)字指令接口，測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了的數(shù)字指令輸出功能，以指令脈沖方式均勻平穩(wěn)的發(fā)送給伺服系統(tǒng)。數(shù)字指令的輸出建立在精確的定時基礎(chǔ)上，精度的晶體時基芯片提供了準(zhǔn)確的定時，這會有效消除在極低速拉伸時非連續(xù)平穩(wěn)問題，保證了慢應(yīng)變速率拉伸時速度的準(zhǔn)確性。
測控系統(tǒng)通過網(wǎng)口與計(jì)算機(jī)通信連接，網(wǎng)口提供了高速通信，滿足了大數(shù)據(jù)量的傳輸和計(jì)算機(jī)指令的迅速響應(yīng)。
環(huán)境容器（實(shí)驗(yàn)釜）：
環(huán)境容器的型式和材質(zhì)是依據(jù)不同的測試介質(zhì)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的，通常選用的材質(zhì)有：625、C-276、316L、DSS2205、P91、耐熱玻璃、有機(jī)玻璃等，除須滿足測試的溫度、壓力條件，對于測試介質(zhì)類型有較強(qiáng)的抗腐蝕性能是主要參數(shù)。
環(huán)境容器模擬材料實(shí)際使用的環(huán)境條件，有核反應(yīng)堆回路、火電回路、石油化工領(lǐng)域（比如：濕H2S）、海洋（海水）、航空航天、鍋爐、軌道交通、鉆探等材料的服役環(huán)境。
環(huán)境容器與主機(jī)單元結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)SSRT、SC、CF、Creep、Creep Fatigue、Strain Fatigue、Stress Rupture、HIC、SCC、DCPD裂紋擴(kuò)展測量等材料方法測試。
常規(guī)的實(shí)驗(yàn)釜是由316L不銹鋼制造，滿足較高溫度和壓力的介質(zhì)環(huán)境模擬。對于更惡劣的腐蝕介質(zhì)環(huán)境，能夠提供C-276、625等鎳基合金的高溫高壓實(shí)驗(yàn)釜，實(shí)驗(yàn)條件可以達(dá)到600℃、30MPa。高溫高壓實(shí)驗(yàn)釜采用金屬密封和高強(qiáng)度螺栓鎖緊，并配置安全閥（爆破閥）和壓力傳感器提供安全保護(hù)。
對于常壓或微正壓條件，在常溫、微高溫（不大于100℃）、微低溫等溫度介質(zhì)環(huán)境，可使用耐熱玻璃容器。
環(huán)境容器內(nèi)設(shè)計(jì)多點(diǎn)溫度監(jiān)測，由配置人工智能溫度儀表的控制單元進(jìn)行溫度設(shè)定與控制。在有壓力的環(huán)境容器外，安裝高精度壓力傳感器監(jiān)測釜內(nèi)壓力。溫度、壓力儀表都帶有超限報(bào)警功能。
所有環(huán)境容器的釜蓋上，設(shè)計(jì)有外部管路連接預(yù)留接口，用于環(huán)境介質(zhì)循環(huán)、溫度測量、電化學(xué)測試、及慢拉伸或腐蝕疲勞測試等。
溫度控制單元：
環(huán)境容器內(nèi)通常安裝兩個測溫點(diǎn)，分布于試樣的兩端，并分別連接溫控儀表。實(shí)驗(yàn)釜通過電熱絲加熱，外邊包裹厚厚的隔熱保溫層，Z外層為不銹鋼保護(hù)殼。獨(dú)立的測溫點(diǎn)對應(yīng)獨(dú)立加熱控制，溫控儀表AI調(diào)節(jié)使整個試樣區(qū)域內(nèi)的溫度趨于一致。
溫控儀表可設(shè)置溫度上限、下限報(bào)警功能，報(bào)警輸出時切斷加熱。同時溫控單元有報(bào)警輸出端口，連接外部保護(hù)機(jī)構(gòu)，在報(bào)警時切斷外部關(guān)聯(lián)動作，比如可停止水化學(xué)循環(huán)回路的高壓泵。
溫控單元通過RS485接口連接至計(jì)算機(jī)，測試軟件實(shí)時采集實(shí)驗(yàn)釜內(nèi)的溫度和壓力數(shù)據(jù)。一方面這些數(shù)據(jù)被實(shí)時記錄存儲，以后可調(diào)閱查看。另一方面測試軟件實(shí)時監(jiān)控溫度和壓力，當(dāng)超出測試軟件設(shè)置的溫度、壓力的上限和下限后，執(zhí)行相應(yīng)的保護(hù)動作。
水化學(xué)測量循環(huán)回路系統(tǒng)：
測量循環(huán)回路系統(tǒng)在測試過程中對實(shí)驗(yàn)釜內(nèi)的試驗(yàn)介質(zhì)進(jìn)行持續(xù)循環(huán)更新，以使釜內(nèi)環(huán)境介質(zhì)參數(shù)穩(wěn)定。測量循環(huán)回路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了腐蝕介質(zhì)循環(huán)、化學(xué)參數(shù)測量、釜內(nèi)壓力保持、介質(zhì)預(yù)熱、離子過濾、雜質(zhì)過濾、紫外線殺菌、化學(xué)參數(shù)調(diào)節(jié)等功能。
測量循環(huán)回路系統(tǒng)由蓄水罐、循環(huán)泵、高壓泵、蠕動泵、化學(xué)測量、過濾、背壓、壓力監(jiān)測、質(zhì)量流量控制等單元部件組成。測量循環(huán)回路是依據(jù)需求量身定做的，以滿足所模擬介質(zhì)環(huán)境的運(yùn)行參數(shù)和技術(shù)規(guī)格。
測量循環(huán)回路系統(tǒng)常見于模擬核電、火電、石化、海洋等領(lǐng)域材料的性能試驗(yàn)。不同的介質(zhì)環(huán)境，回路系統(tǒng)選用耐腐蝕材質(zhì)，例如：不銹鋼、鈦、化學(xué)聚合物等。超臨界水環(huán)境測量循環(huán)回路中，存在高溫高壓條件，需要控制水的溫度和壓力穩(wěn)定，同時腐蝕環(huán)境在循環(huán)水中形成溶解物，需要凈化處理。在石油、天然氣領(lǐng)域使用的測量循環(huán)回路設(shè)計(jì)有H2S（硫化氫）、C2O（二氧化碳）氣體腐蝕介質(zhì)環(huán)境，回路系統(tǒng)提供抽真空、沖氬氣、沖實(shí)驗(yàn)氣體、增壓、加熱等功能，滿足NACE標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)要求。
測量循環(huán)回路系統(tǒng)中，控制、測量的各儀表配置有RS485接口，實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的通信，化學(xué)參數(shù)、氣體流量控制等直接在計(jì)算機(jī)測試軟件上顯示與設(shè)置。為測量循環(huán)回路系統(tǒng)所開發(fā)的專門軟件，能夠?qū)崟r顯示各種參數(shù)和測量數(shù)據(jù)，對所有數(shù)據(jù)隨時記錄保存，可以控制質(zhì)量流量開口量，可以設(shè)置蠕動泵的轉(zhuǎn)速，可設(shè)置各參數(shù)的報(bào)警閥值。
DCPD裂紋擴(kuò)展測量系統(tǒng)：
應(yīng)力腐蝕測試，對于高溫高壓、有毒介質(zhì)環(huán)境條件而言，以往的中斷試驗(yàn)、取出試樣手工進(jìn)行裂紋擴(kuò)展長度測量，顯得異常不方便，而且存在可能的危害性。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，直流電壓降法（DCPD）在腐蝕介質(zhì)環(huán)境下的裂紋擴(kuò)展長度測量得到普及應(yīng)用，這種在線式測量在試驗(yàn)過程中可以實(shí)時連續(xù)進(jìn)行，直接測量出裂紋擴(kuò)展長度，并可計(jì)算出裂紋長度擴(kuò)展速率。
DCPD測量系統(tǒng)由精密恒流源、高精度納伏表、多通道掃描儀、恒流換向模組、裂紋測量軟件等部分組成。DCPD測量基于歐姆定律，恒定的電流施加于試樣兩端，試樣上點(diǎn)焊鉑金絲進(jìn)行前端電位和參考電位測量，當(dāng)試樣出現(xiàn)腐蝕裂紋時會產(chǎn)生直流電阻變化，進(jìn)而前端電位和參考電位變化，這些微小信號的變化被高精度納伏表所測量，通過裂紋擴(kuò)展測量軟件計(jì)算得到試樣上裂紋的長度。
裂紋擴(kuò)展測量軟件綜合了多項(xiàng)功能：裂紋長度測量、慢應(yīng)變速率加載、恒載荷保持、疲勞加載、半波加載等，實(shí)現(xiàn)裂紋擴(kuò)展速率計(jì)算、升K控制、恒K控制、降K控制、裂紋萌生等。裂紋測量軟件實(shí)時顯示裂紋長度a/W、裂紋擴(kuò)展曲線a/W-time、前端電位、參考電位、試樣載荷力、加載波形（全波或半波的正弦波或三角波）等，并在試樣過程中實(shí)時記錄測量數(shù)據(jù)。
DCPD測量系統(tǒng)選用美國KEYSIGHT是德科技（原：Agilent安捷倫）高性能儀表，包括：精密恒流源、高精度納伏表、多通道掃描儀等。
應(yīng)力腐蝕系統(tǒng)輔助部件：
● 高溫高壓參比電極：Ag/AgCl、Cu/Cu2O參比電極可用于高溫高壓環(huán)境中水化學(xué)測量。
● 光柵位移傳感器：安裝在釜外測量拉桿位移量，是一種較容易實(shí)現(xiàn)的測量釜內(nèi)試樣伸長量的方式，但需要用參比的方式進(jìn)行數(shù) 值修正。選用歐洲進(jìn)口光柵位移傳感器，回彈靈活、性能穩(wěn)定、分辨率高。
● LVDT傳感器：應(yīng)變疲勞用伸長測量傳感器。可直接測量棒狀啞鈴型帶凸臺試樣的應(yīng)變量，能夠進(jìn)行應(yīng)變疲勞控制加載，可實(shí)現(xiàn)高溫高壓（350℃/15MPa）腐蝕介質(zhì)環(huán)境下的應(yīng)變過零疲勞試驗(yàn)。選用美國進(jìn)口傳感器，可滿足高溫高壓腐蝕介質(zhì)環(huán)境的測量需求。
● 負(fù)荷傳感器：選用美國VISHAY高精度輪輻式負(fù)荷傳感器，具有線性精度高、長期蠕變小、滯后小、回零快、溫漂小等優(yōu)點(diǎn)。
