一种缝隙腐蚀模拟试验研究的人工缝隙装置及使用方法

摘要

本发明涉及高温高压循环水环境下缝隙腐蚀试验领域，具体是一种实现高温高压水环境下缝隙腐蚀模拟试验研究的人工缝隙装置及使用方法。该人工缝隙装置中，上部试样与下部试样通过陶瓷螺栓同轴相连接，下部试样固定不动，上部试样可沿陶瓷螺栓自由旋转，通过上部试样的旋转角度控制旋进距离来控制缝隙宽度；为保证缝隙宽度不变，上部试样调整完成后，使用安装于上部试样背面陶瓷螺栓上的螺帽或弹簧来固定；旋转角度通过下部试样外侧的角度圆盘控制，旋进距离根据陶瓷螺栓螺距进行计算。本发明设计巧妙，操作简单方便，可满足高温高压水环境下材料缝隙腐蚀模拟试验研究的要求，并能精确控制模拟缝隙的尺寸。

说明书

技术领域

本发明涉及高温高压循环水环境下缝隙腐蚀试验领域，具体是一种实现高温 高压水环境下缝隙腐蚀模拟试验研究的人工缝隙装置及使用方法。

背景技术

结构材料在高温高压水溶液环境下的缝隙腐蚀问题是许多工业领域面临的重 要问题，典型的如：核电堆芯燃料元件与格架之间、蒸汽发生器传热管与管板支 撑架之间的缝隙腐蚀问题等。实际运行经验表明，缝隙腐蚀是核电站设备材料环 境失效的主要形式之一，研究金属材料在高温高压水中的缝隙腐蚀行为与机理， 积累数据，对核电站的安全设计、运行和管理，具有重要意义。通常评价材料在 常规环境(室温、低压)中的缝隙腐蚀行为可采用标准试样（如：GB13671-92、 ASTM G48等）开展实验，构造缝隙的材料为聚四氟乙烯等。然而，这些材料无 法在核电服役环境即300℃或以上的高温高压水溶液中使用。

国内外关于高温高压水溶液缝隙腐蚀研究中使用的缝隙装置的报道较少，没 有相关的标准可供参考。因此，研制出可靠的适用于高温高压水环境中的模拟人 工缝隙装置，对核电关键材料的缝隙腐蚀行为与机理的研究有至关重要的意义。

发明内容

本发的目的在于提供一种适用于高温高压水环境下缝隙腐蚀模拟试验研究的 人工缝隙装置及其使用方法，解决现有高温高压水环境缝隙腐蚀研究过程中难以 构造或模拟缝隙的问题。

本发明的技术方案是：

一种缝隙腐蚀模拟试验研究的人工缝隙装置，该装置包括：陶瓷螺栓、螺帽 或弹簧、上部试样、下部试样、角度圆盘，具体结构如下：

上部试样与下部试样通过陶瓷螺栓同轴相连接，下部试样固定不动，上部试 样可沿陶瓷螺栓自由旋转，通过上部试样的旋转角度控制旋进距离来控制缝隙宽 度；为保证缝隙宽度不变，上部试样调整完成后，使用安装于上部试样背面陶瓷 螺栓上的螺帽或弹簧来固定；旋转角度通过下部试样外侧的角度圆盘控制，旋进 距离根据陶瓷螺栓螺距进行计算。

所述的缝隙腐蚀模拟试验研究的人工缝隙装置，上部试样与下部试样之间构 成的缝隙通过陶瓷螺栓来调整，上部试样与下部试样两部分贴紧后，通过上部试 样旋转角度来精确控制模拟缝隙宽度。

所述的缝隙腐蚀模拟试验研究的人工缝隙装置，上部试样与下部试样均加工 成圆柱形，上部试样根据陶瓷螺栓规格加工成可与陶瓷螺栓螺纹相配合的内螺纹 通孔，下部试样根据陶瓷螺栓规格加工成深度为3～5个螺距的、可与陶瓷螺栓 螺纹相配合的内螺纹孔。

所述的缝隙腐蚀模拟试验研究的人工缝隙装置，陶瓷螺栓选用氧化锆或氧化 铝材料的螺栓。

所述的缝隙腐蚀模拟试验研究的人工缝隙装置，螺帽或弹簧选用与上部试 样、下部试样相同材质的螺帽或弹簧。

所述的缝隙腐蚀模拟试验研究的人工缝隙装置，上部试样直径小于下部试样 直径。

所述的缝隙腐蚀模拟试验研究的人工缝隙装置的使用方法，具体操作步骤如 下：

（1）将陶瓷螺栓清洗烘干，将螺帽或弹簧旋至陶瓷螺栓上半部分，将上部 试样旋至陶瓷螺栓中间部分，将下部试样旋至陶瓷螺栓底部直至固定，将角度圆 盘由下至上套入下部试样；

（2）将上部试样下旋至与下部试样完全紧贴，此时缝隙宽度为0；在上部 试样上进行标记，标记点与角度圆盘的0刻度线对齐；

（3）固定陶瓷螺栓及下部试样，旋转上部试样至一定角度，具体角度通过 角度圆盘读出，通过旋转角度及陶瓷螺栓螺距计算出缝隙宽度的具体数值；

（4）待步骤（3）完成后，将螺帽或弹簧下旋紧压上部试样，此过程中应将 上部试样固定，防止螺帽或弹簧下旋过程中带动其旋转而影响缝隙宽度数值。

所述的缝隙腐蚀模拟试验研究的人工缝隙装置的使用方法，角度圆盘套装于 下部试样外侧，下部试样固定不动，通过旋转上部试样，控制上部试样与下部试 样之间的缝隙宽度，上部试样的旋进角度与陶瓷螺栓的螺距进行换算即可得缝隙 宽度。

本发明的有益效果是：

1、本发明提供一种人工缝隙装置，其上部试样与下部试样通过陶瓷螺栓相 连接，下部试样固定，上部试样可旋转，通过上部试样的旋转角度控制旋进距离 来控制缝隙宽度。为保证缝隙宽度不变，上部试样调整完成后使用相同材质的螺 帽或弹簧来固定。旋转角度通过角度圆盘控制，旋进距离根据陶瓷螺栓螺距进行 计算。

2、本发明人工缝隙装置可以满足高温高压水环境下缝隙腐蚀模拟试验研 究。

3、本发明选用氧化铝或氧化锆陶瓷螺栓作为构造缝隙的连接部件，耐高温 高压水及酸碱腐蚀能力强，常温及高温下电绝缘性能好，高温下机械强度损失 小，可保证长时间高温高压浸泡试验的进行。

4、本发明上部试样与下部试样构成的缝隙可通过陶瓷螺栓的螺距及旋转角 度来控制缝隙宽度，上部试样与下部试样贴紧后，通过上部试样旋转角度来精确 控制模拟缝隙宽度，从而实现缝隙宽度的精确调整及控制。

5、本发明结构简单、安装和拆卸容易、成本低廉、操作方便。

附图说明

图1(a)-图1(b)为本发明装置结构图。其中，图1(a)为主视图；图1(b)为俯视 图。

图中：1-陶瓷螺栓；2-螺帽（或弹簧）；3-上部试样；4-下部试样；5-角度圆 盘。

图2为本发明缝隙试验悬挂示意图；图中：6-高压釜；7-热缩管；8-缝隙试 样（人工缝隙装置）；9-立柱。

图3(a)-图3(c)为高温高压水浸泡后缝隙腐蚀宏观形貌图。其中，图3(a)缝隙 宽度0.05mm；图3(b)缝隙宽度0.125mm；图3(c)缝隙宽度0.5mm。

具体实施方式

如图1(a)-图1(b)所示，本发明高温高压水缝隙腐蚀模拟试验研究人工缝隙装 置主要包括：陶瓷螺栓1、螺帽（或弹簧）2、上部试样3、下部试样4、角度圆 盘5等，具体结构如下：

陶瓷螺栓1选用氧化锆或氧化铝材料，因其在高温高压水及酸碱等条件下耐 腐蚀能力强，在常温及高温下电绝缘性能好，并且在高温下机械强度损失小。

将陶瓷螺栓1作为连接件将上部试样3与下部试样4同轴连接，其中下部试 样4固定，上部试样3可自由旋转。

为保证缝隙宽度固定，防止上部试样3晃动带来缝隙宽度的变化，应在陶瓷 螺栓1上、上部试样3背面加一螺帽（或弹簧）2进行固定。螺帽（或弹簧）2 应选用与被测样品相同材料，防止发生电偶腐蚀。

角度圆盘5套装于下部试样4外侧，下部试样4固定不动，通过旋转上部试 样3，控制上部试样3与下部试样4之间的缝隙宽度，上部试样3的旋进角度与 陶瓷螺栓1的螺距进行换算即可得缝隙宽度。

为保证旋转后各方向的一致性，上部试样3与下部试样4均应加工成圆柱 形。上部试样3与下部试样4的具体尺寸，根据试验所需缝隙腐蚀阳极与阴极面 积比调整，但需使上部试样3直径小于下部试样4直径。

上部试样3加工成与陶瓷螺栓1螺纹相配合的内螺纹通孔。下部试样4加工 成与陶瓷螺栓1螺纹相配合的内螺纹孔，内螺纹孔不宜过深，应为陶瓷螺栓1的 3～5个螺距深。

如图1-图2所示，本发明高温高压水缝隙腐蚀模拟试验研究人工缝隙装置， 具体操作步骤如下：

（1）将陶瓷螺栓1清洗烘干，将螺帽（或弹簧）2旋至陶瓷螺栓1上半部 分，将上部试样3旋至陶瓷螺栓1中间部分，将下部试样4旋至螺栓1底部直至 固定，将角度圆盘5由下至上套入下部试样4。

（2）将上部试样3下旋至与下部试样4完全紧贴，此时缝隙宽度为0。在上 部试样3上进行标记，标记点与角度圆盘5的0刻度线对齐。

（3）固定陶瓷螺栓1及下部试样4，旋转上部试样3至一定角度，具体角度 可通过角度圆盘5读出，通过旋转角度及陶瓷螺栓螺距计算出缝隙宽度的具体数 值。

（4）待步骤（3）完成后，将螺帽（或弹簧）2下旋紧压上部试样3，此过 程中应将上部试样3固定，防止螺帽（或弹簧）2向下旋转过程中带动其旋转而 影响缝隙宽度数值。

实施例

在实施例中，螺帽2选用与被测样品相同的不锈钢材料，构造三种不同宽度 的模拟缝隙试样，分别为0.05mm、0.125mm及0.5mm。选用的陶瓷螺栓1为标准 M6氧化铝陶瓷螺栓，其螺距为1mm。上部试样3加工为高5mm、直径为Φ14 mm圆柱，中心加工M6内螺纹通孔。下部试样4加工为高10mm、直径为 Φ22mm圆柱，且一端中心加工5mm深的M6内螺纹。将各部分按前述安装操作 步骤连接后，旋转上部试样3角度分别为18°、45°及180°。

则对应缝隙宽度换算为18/360×1mm=0.05mm、45/360×1mm=0.125mm及 180/360×1mm=0.5mm。缝隙内阳极面积与缝隙外阴极面积比为π（7²-3²）/[π （11²-3²）+2π×11×10+π×11²]≈1/11，满足发生缝隙腐蚀的小阳极大阴极要求。

如图2所示，安装完毕后用热缩管7将缝隙试样（人工缝隙装置）8固定在 高压釜6的立柱9上，进行高温高压水浸泡试验。试验温度为300℃、压力为10 MPa、浸泡时间为72h。浸泡结束后，取出试样将其与螺栓分离并用酒精清洗吹 干待进一步试验观察。

试验后给出样品宏观形貌如图3(a)-图3(c)所示，可以看出，该装置构造的人 工缝隙在试验条件下发生了缝隙腐蚀，上述实施例证明该人工缝隙模拟装置可 靠，满足高温高压水环境中缝隙腐蚀模拟试验研究的要求。