CFS应力腐蚀试验设备

CFS应力腐蚀试验设备

设备概述：

Cor-Force腐蚀试验系统为在高温高压、常温常压、高温常压、低温等介质环境下的慢应变速率拉伸试验（SSRT）、恒载荷应力腐蚀开裂（SCC）试验、腐蚀疲劳（CF）试验、蠕变（Creep）试验、蠕变疲劳（Creep Fatigue）试验、应变疲劳（Strain Fatigue）试验、持久强度（Creep Rupture Strength）试验、氢致延迟开裂（HIC）试验等，能对SCC裂纹扩展、腐蚀疲劳裂纹扩展在线、离线测量等多种试验提供实现方案。

腐蚀试验系统采用模组化设计，不同实验功能配置不同的实验模块，具有极高的维护性和可扩展性。该系统的单元有：应力加载单元、实验釜单元、水化学测量循环回路、DCPD裂纹扩展测量单元、应变测量单元、温度控制单元、气体增压循环单元、真空系统、超纯水制备系统等。

材料的腐蚀实验，尤其是高温高压水环境下的长期SCC、CF等实验系统的稳定性、可靠性、安全性有很高的要求，从材料的选用及制造工艺、结构设计、耐用性设计、部件的选购、测试软件的设计等，要综合进行系统考虑，以使系统的各个单元匹配运行。重要的部件，选用国际上行业内的领导品牌，这些部件在多年的实际应用中运行稳定，尤其应力加载的核心单元－伺服系统，全时自适应控制、加载平滑，在长期连续运行状况下，表现出优良的零故障率。

设备特点：

  ●  高强度重载主机架，测试软件可设定机架刚度补偿量。

  ●  全数字伺服驱动系统，自适应调整，速度平稳、控制精度高。

  ●  双核32bit测控系统，实时闭环控制IP核，响应迅速、准确。

  ●  双侧光栅位移传感器伸长测量，提升试样变形量测量准确度。

  ●  按需选择的不同冷却方式，以最经济实用的方式有效降温。

  ●  安全的联动保护机制，消除设备危险状态的出现。

  ●  计算机集成测试操作，数据、日志实时记录。

  ●  腐蚀介质环境下DCPD方法试样腐蚀裂纹扩展测量。

  ●  腐蚀介质环境下试样标距内伸长量直接测量。

试验功能：

  ●  慢应变速率拉伸试验

  ●  腐蚀疲劳试验

  ●  应变疲劳试验

  ●  蠕变试验

  ●  持久试验

  ●  CT试样裂纹萌生及裂纹扩展速率测量试验

  ●  K控制试验

技术参数：

  ●  最大载荷：50kN、100kN，可订制特殊规格

  ●  力值测量范围：0.4%～100%F.S.

  ●  力值准确度：0.5%

  ●  力值分辨率：0.2N（30kN）、0.3N（50kN）、0.6N（100kN）

  ●  加载最大移动范围：80mm

  ●  加载位移速率范围（慢拉伸应力加载单元）：1mm/s～1x10^-7mm/s

  ●  加载位移速率范围（裂纹扩展应力加载单元）：10mm/s～1x10^-6mm/s

  ●  位移示值准确度：0.3%

  ●  位移分辨率（慢拉伸应力加载单元）：0.0005µm

  ●  位移分辨率（裂纹扩展应力加载单元）：0.005µm

  ●  伸长测量范围（光栅位移传感器）：30mm

  ●  伸长测量分辨率：0.1µm

  ●  伸长测量准确度：0.5%

  ●  疲劳加载波形：正弦波、三角波，以及半波

  ●  疲劳加载频率：0.0001～2Hz

主机单元：

应力腐蚀试验设备的主机框架为四立柱落地式结构，较灵活的安装方式允许根据试验需求对实验釜进行上置固定或者下置固定。载荷架有两倍以上的设计强度冗余，保证了极高的刚性，大幅减弱了载荷架的弹性形变对测量的影响。

伺服驱动系统采用最新一代超高速、超精密控制以及可在严酷环境下使用的节能型伺服，其独创的“免调整功能”，最大可承受30倍负载不发生震动，即使运行中负载发生变化，也能够稳定运行。新一代伺服系统配置高分辨率24bit编码器，伺服电机每转可反馈出1677万脉冲，实现精确控制微小的转动步距，在极低应变速率时保证加载的平稳性。

应力加载为刚性传递，伺服电机输出直连无间隙行星轮减速机、减速机输出连接预紧式精密滚珠丝杠、滚珠丝杠丝母带动加载平台移动、再通过高强合金材料拉杆给试样加载。

测控系统：

全数字嵌入式测控系统，专为实时性测量和数据处理而设计。双32bit CPU高速运行，可以快速响应计算机指令、高速传输测量数据、实时高频闭环控制调节、及时状态及故障信息检测。

测控系统的设计适合应力腐蚀试验系统的使用要求。主控板为多层PCB，专门的地线层进行大面积铜皮敷设，以菊花状分割共地，抑制干扰和信号漂移。PCB板上大量为SMT器件，采用贴片机自动贴装，并经过了冷热循环测试及48小时不间断通电测试，以及后期产品调试、试验时的长期考核。

测控系统设计了应力腐蚀试验时传感器的扩展连接通道，力传感器1路、位移通道1路、光栅位移传感器2路或LVDT传感器2路，可满足“设备概述”中阐述的全部试验方法的测试要求。

基于全数字化设计理念，测控系统的工作参数通过计算机上安装的调试软件进行设置、备份、管理。这种设计利于产品的维护和安装服务，在产品调试检验完成后，将所有参数存储于计算机进行资料归档管理，如果以后更换一台测控系统，只需连接计算机将归档的参数全部写入新的测控系统，便会和原来一样的状态正常工作。

对于慢应变速率拉伸测试，结合伺服系统的数字指令接口，测控系统设计了独有的数字指令输出功能，以指令脉冲方式均匀平稳的发送给伺服系统。数字指令的输出建立在精确的定时基础上，极高精度的晶体时基芯片提供了准确的定时，这会有效消除在极低速拉伸时非连续平稳问题，保证了慢应变速率拉伸时速度的准确性。

测控系统通过网口与计算机通信连接，网口提供了高速通信，满足了大数据量的传输和计算机指令的迅速响应。

环境容器（实验釜）：

环境容器的型式和材质是依据不同的测试介质进行设计制造的，通常选用的材质有：625、C-276、316L、DSS2205、P91、耐热玻璃、有机玻璃等，除须满足测试的温度、压力条件，对于测试介质类型有较强的抗腐蚀性能是主要参数。

环境容器模拟材料实际使用的环境条件，有核反应堆回路、火电回路、石油化工领域（比如：湿H₂S）、海洋（海水）、航空航天、锅炉、轨道交通、钻探等材料的服役环境。

环境容器与主机单元结合，可实现SSRT、SC、CF、Creep、Creep Fatigue、Strain Fatigue、Stress Rupture、HIC、SCC、DCPD裂纹扩展测量等材料方法测试。

常规的实验釜是由316L不锈钢制造，满足较高温度和压力的介质环境模拟。对于更恶劣的腐蚀介质环境，能够提供C-276、625等镍基合金的高温高压实验釜，实验条件可以达到600℃、30MPa。高温高压实验釜采用金属密封和高强度螺栓锁紧，并配置安全阀（爆破阀）和压力传感器提供安全保护。

对于常压或微正压条件，在常温、微高温（不大于100℃）、微低温等温度介质环境，可使用耐热玻璃容器。

环境容器内设计多点温度监测，由配置人工智能温度仪表的控制单元进行温度设定与控制。在有压力的环境容器外，安装高精度压力传感器监测釜内压力。温度、压力仪表都带有超限报警功能。

所有环境容器的釜盖上，设计有外部管路连接预留接口，用于环境介质循环、温度测量、电化学测试、及慢拉伸或腐蚀疲劳测试等。

温度控制单元：

环境容器内通常安装两个测温点，分布于试样的两端，并分别连接温控仪表。实验釜通过电热丝加热，外边包裹厚厚的隔热保温层，最外层为不锈钢保护壳。独立的测温点对应独立加热控制，温控仪表AI调节使整个试样区域内的温度趋于一致。

温控仪表可设置温度上限、下限报警功能，报警输出时切断加热。同时温控单元有报警输出端口，连接外部保护机构，在报警时切断外部关联动作，比如可停止水化学循环回路的高压泵。

温控单元通过RS485接口连接至计算机，测试软件实时采集实验釜内的温度和压力数据。一方面这些数据被实时记录存储，以后可调阅查看。另一方面测试软件实时监控温度和压力，当超出测试软件设置的温度、压力的上限和下限后，执行相应的保护动作。

水化学测量循环回路系统：

测量循环回路系统在测试过程中对实验釜内的试验介质进行持续循环更新，以使釜内环境介质参数稳定。测量循环回路系统实现了腐蚀介质循环、化学参数测量、釜内压力保持、介质预热、离子过滤、杂质过滤、紫外线杀菌、化学参数调节等功能。

测量循环回路系统由蓄水罐、循环泵、高压泵、蠕动泵、化学测量、过滤、背压、压力监测、质量流量控制等单元部件组成。测量循环回路是依据需求量身定做的，以满足所模拟介质环境的运行参数和技术规格。

测量循环回路系统常见于模拟核电、火电、石化、海洋等领域材料的性能试验。不同的介质环境，回路系统选用耐腐蚀材质，例如：不锈钢、钛、化学聚合物等。超临界水环境测量循环回路中，存在高温高压条件，需要控制水的温度和压力稳定，同时腐蚀环境在循环水中形成溶解物，需要净化处理。在石油、天然气领域使用的测量循环回路设计有H₂S（硫化氢）、C₂O（二氧化碳）气体腐蚀介质环境，回路系统提供抽真空、冲氩气、冲实验气体、增压、加热等功能，满足NACE标准的试验要求。

测量循环回路系统中，控制、测量的各仪表配置有RS485接口，实现与计算机的通信，化学参数、气体流量控制等直接在计算机测试软件上显示与设置。为测量循环回路系统所开发的专门软件，能够实时显示各种参数和测量数据，对所有数据随时记录保存，可以控制质量流量开口量，可以设置蠕动泵的转速，可设置各参数的报警阀值。

DCPD裂纹扩展测量系统：

应力腐蚀测试，对于高温高压、有毒介质环境条件而言，以往的中断试验、取出试样手工进行裂纹扩展长度测量，显得异常不方便，而且存在可能的危害性。随着科学技术的发展，直流电压降法（DCPD）在腐蚀介质环境下的裂纹扩展长度测量得到普及应用，这种在线式测量在试验过程中可以实时连续进行，直接测量出裂纹扩展长度，并可计算出裂纹长度扩展速率。

DCPD测量系统由精密恒流源、高精度纳伏表、多通道扫描仪、恒流换向模组、裂纹测量软件等部分组成。DCPD测量基于欧姆定律，恒定的电流施加于试样两端，试样上点焊铂金丝进行前端电位和参考电位测量，当试样出现腐蚀裂纹时会产生直流电阻变化，进而前端电位和参考电位变化，这些微小信号的变化被高精度纳伏表所测量，通过裂纹扩展测量软件计算得到试样上裂纹的长度。

裂纹扩展测量软件综合了多项功能：裂纹长度测量、慢应变速率加载、恒载荷保持、疲劳加载、半波加载等，实现裂纹扩展速率计算、升K控制、恒K控制、降K控制、裂纹萌生等。裂纹测量软件实时显示裂纹长度a/W、裂纹扩展曲线a/W-time、前端电位、参考电位、试样载荷力、加载波形（全波或半波的正弦波或三角波）等，并在试样过程中实时记录测量数据。

DCPD测量系统选用美国KEYSIGHT是德科技（原：Agilent安捷伦）高性能仪表，包括：精密恒流源、高精度纳伏表、多通道扫描仪等。

应力腐蚀系统辅助部件：

  ●  高温高压参比电极：Ag/AgCl、Cu/Cu₂O参比电极可用于高温高压环境中水化学测量。

  ●  光栅位移传感器：安装在釜外测量拉杆位移量，是一种较容易实现的测量釜内试样伸长量的方式，但需要用参比的方式进行数 值修正。选用欧洲进口光栅位移传感器，回弹灵活、性能稳定、分辨率高。

  ●  LVDT传感器：应变疲劳用伸长测量传感器。可直接测量棒状哑铃型带凸台试样的应变量，能够进行应变疲劳控制加载，可实现高温高压（350℃/15MPa）腐蚀介质环境下的应变过零疲劳试验。选用美国进口传感器，可满足高温高压腐蚀介质环境的测量需求。

  ●  负荷传感器：选用美国VISHAY高精度轮辐式负荷传感器，具有线性精度高、长期蠕变小、滞后小、回零快、温漂小等优点。