本發(fā)明屬于材料性能測試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法。

背景技術(shù)：

在核電、航天、化工等很多行業(yè)，很多關(guān)鍵設(shè)備部件中均用到處于高溫、高內(nèi)壓條件的薄壁金屬管，如包括不銹鋼包殼管、鋯基合金包殼管在內(nèi)的各種包殼管。

鋯基合金包殼管由于其中子吸收截面小、高熱導(dǎo)率、高延性和優(yōu)良的抗輻照腫脹和高溫力學(xué)性能，而成為核電站的首選元件包殼材料；而核電站中部分燃料相關(guān)組件包殼管和特種靶件包殼管則選用不銹鋼包殼管。早期核電站中燃料元件包殼管和燃料相關(guān)組件包殼管分別采用zr-4合金包殼管和sus304不銹鋼包殼管。近二十年來，國際上，美國、法國、俄羅斯、日本、韓國等核電發(fā)達國家針對核電廠高燃耗燃料元件，研發(fā)了新型先進包殼管，如：美國zirlo、法國m5、日本nda、韓國hana、俄國e110。我國也針對大型壓水堆核電站的燃料元件，開展了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能燃料元件包殼管(如：n18/nz2、n36等)的研發(fā)。

薄壁金屬管的結(jié)構(gòu)完整性直接影響設(shè)備、系統(tǒng)的運行安全，并可能造成對環(huán)境和運行人員的危害。尤其在壓水堆核電站中，鋯基包殼管及不銹鋼包殼管是核電站放射性物質(zhì)包容的第一道屏障，而其長期處于非?？量痰妮椪窄h(huán)境(高劑量中子輻照、高溫、高壓、腐蝕、振動、沖刷)下，包殼管可能發(fā)生泄漏或破損等嚴(yán)重問題，影響反應(yīng)堆的運行安全。因此，薄壁金屬管在設(shè)計壽期內(nèi)具有足夠的強度保證其結(jié)構(gòu)完整性，將直接影響到高溫高壓系統(tǒng)設(shè)備的安全性、可靠性和經(jīng)濟性，可減少對環(huán)境和運行人員的危害。

對薄壁金屬管進行耐高溫、高壓能力測試的高溫爆破試驗分為等溫高溫爆破試驗和瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗，它們均通過高壓系統(tǒng)向薄壁金屬管內(nèi)充入高壓介質(zhì)，使薄壁金屬管發(fā)生爆破的模擬試驗來獲得薄壁金屬管在運行工況和事故工況下的高溫爆破性能(爆破溫度、爆破壓力、環(huán)向應(yīng)力/爆破強度、周向延伸率等)。所不同的是，等溫高溫爆破試驗同拉伸試驗相似，只進行固定溫度點下的試驗；而瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗由于在試驗過程中溫度和壓力都是變化的，得不到某個固定溫度點下的實驗數(shù)據(jù)，只能得到某個溫度范圍內(nèi)多個不同溫度點的實驗數(shù)據(jù)。

燃料組件用的鋯基包殼管及燃料相關(guān)組件用的不銹鋼包殼管在研發(fā)過程中，均會在模擬正常運行工況下及事故工況下進行大量的性能試驗研究，而開展在模擬loca事故條件下性能試驗研究是各國研究的重要內(nèi)容。美國(zirlo)、法國(m5)、日本(nda)、韓國(hana)等國均開展了大量的在模擬loca事故條件下燃料元件包殼材料的高溫爆破性能試驗、包殼氧化動力學(xué)及高溫氧化引起的脆化和再淹沒模擬試驗，部分國家研究了燃料元件鼓脹及爆破后燃料的軸向再定位對燃料組件冷卻劑流道變化和傳熱性能的影響，以及高燃耗燃料元件在loca條件下的行為。而模擬loca事故工況下的瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗是非常重要的試驗之一，通過試驗獲得在模擬loca事故工況下的包殼管高溫爆破性能數(shù)據(jù)，為包殼管研發(fā)和安全分析評價提供可靠試驗數(shù)據(jù)。我國也開展了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能燃料元件包殼管(n18/nz2、n36等)的研發(fā)，但主要集中在正常運行工況下的性能試驗研究，還未開展在模擬loca事故工況下的瞬態(tài)加熱高溫爆破性能的系統(tǒng)研究。我國只在早期針對秦山核電站一期的燃料元件包殼管開展了模擬燃料元件在模擬loca事故工況下的高溫爆破及再淹沒初步研究。

因此，如何建立薄壁金屬包殼管的瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗方法，解決瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗時的升溫速率可控、快速加熱的精確測量與控制問題，實現(xiàn)更真實地模擬不同事故工況下的瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗，獲得準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)，對高性能燃料元件的研發(fā)和安全評價具有重要的工程意義和學(xué)術(shù)價值。

美、日、韓等核電發(fā)達國家在開展包殼管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗時，由于國際上沒有發(fā)布的試驗標(biāo)準(zhǔn)，因此，每個國家均按照自己的想法及設(shè)備采購能力來進行試驗：試驗介質(zhì)方面，他么均采用了高壓惰性氣體而不采用高溫高壓油，這是因為高壓惰性氣體增壓設(shè)備采購容易、成本低、不受試驗溫度限制、試驗后處理簡單；加熱及測溫方式方面，美國主要采用感應(yīng)加熱及熱電偶測溫，日本采用紅外加熱及熱電偶測溫，韓國采用直流加熱及高溫計測溫。

我國早期開展的燃料元件瞬態(tài)高溫爆破試驗采用電阻內(nèi)加熱及熱電偶測溫，試驗介質(zhì)為氦氣；開展的400℃以下的等溫高溫爆破試驗采用電阻爐加熱及熱電偶測溫，試驗介質(zhì)包括高壓惰性氣體和高溫油兩種。高溫爆破試驗試驗段溫度及升溫速率、升溫速率控制精確性及穩(wěn)定性、包殼管外表面點焊熱電偶操作復(fù)雜且可能影響爆破強度等因素，均可能對試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性造成影響。

上述國內(nèi)外進行高溫爆破試驗的方法在文獻中均以試驗裝置提及，均未給出詳細的試驗方法流程與參數(shù)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法，以能夠?qū)崿F(xiàn)瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗時的高試驗溫度、快速并精確可控的升溫速率、非接觸式的溫度精確測量及簡便操作，并可實現(xiàn)更真實地模擬不同事故工況下的瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗，從而獲得準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)。

為實現(xiàn)此目的，在基礎(chǔ)的實施方案中，本發(fā)明提供一種薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法，所述的方法包括如下步驟：

(1)將一端封閉的測量過尺寸的薄壁金屬管的另一端連接到高壓氣體氣源出口，并向薄壁金屬管內(nèi)充入一定壓力(1.0mpa-50.0mpa)的高壓氣體；

(2)依據(jù)試驗溫度和升溫速率要求，對快速加熱電源的加熱升溫控制程序進行設(shè)定，所述的快速加熱電源可根據(jù)測溫設(shè)備測定的薄壁金屬管加熱區(qū)的溫度的反饋信號和加熱升溫控制程序?qū)崿F(xiàn)對薄壁金屬管的快速加熱和精確升溫加熱控制；

(3)試驗開始后，快速加熱電源按設(shè)定的加熱升溫控制程序?qū)Ρ”诮饘俟苓M行加熱，直到薄壁金屬管達到某個溫度與壓力的結(jié)合點爆破時結(jié)束試驗，過程中通過測溫設(shè)備測定薄壁金屬管加熱區(qū)的溫度，通過測壓設(shè)備測定薄壁金屬管內(nèi)的壓力，并將測得的溫度與壓力數(shù)據(jù)即時傳遞給測控采集軟件；

(4)通過分析測控采集軟件采集的數(shù)據(jù)和試驗前后薄壁金屬管的尺寸測量數(shù)據(jù)，得到薄壁金屬管的高溫爆破性能數(shù)據(jù)。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法，其中步驟(1)中所述的高壓氣體為氦氣、氬氣或氮氣。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法，其中所述的薄壁金屬管的有效長度大于其直徑的10倍。這樣可以保證測量數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法，其中步驟(1)中在充入一定壓力的惰性氣體前還在所述的薄壁金屬管內(nèi)填充多段陶瓷芯軸。

所述的陶瓷芯軸的材料為陶瓷絕緣體，形狀為圓柱形。陶瓷芯軸的外徑比薄壁金屬管的內(nèi)徑小0.4mm-0.6mm。陶瓷芯軸的長度為10cm-20cm，并根據(jù)薄壁金屬管的有效長度來確定。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法，其中步驟(2)中所述的升溫速率為0.1℃/s-50℃/s。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法，其中步驟(2)和步驟(3)中所述的快速加熱電源為感應(yīng)加熱電源或紅外加熱電源。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法，其中步驟(2)和步驟(3)中所述的測溫設(shè)備為高精度(測溫精度≤0.5％滿量程)高速(采樣頻率≥30hz)測溫設(shè)備。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法，其中步驟(2)和步驟(3)中所述的測溫設(shè)備為非接觸式的紅外測溫設(shè)備。

在一種更加優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法，其中所述的紅外測溫設(shè)備測溫時采樣頻率≥30hz，測溫精度≤0.5％滿量程。

在一種更加優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法，其中所述的紅外測溫設(shè)備采集薄壁金屬管加熱區(qū)表面最高溫度。

在一種優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明提供一種薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法，其中步驟(3)和步驟(4)中所述的測控采集軟件安裝在與高溫爆破試驗的測控系統(tǒng)相連接的電腦上。

本發(fā)明的有益效果在于，利用本發(fā)明的薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗時的高試驗溫度、快速并精確可控的升溫速率、非接觸式的溫度精確測量及簡便操作，并可實現(xiàn)更真實地模擬不同事故工況下的瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗，從而獲得準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)。

此外，本發(fā)明通過開展一系列不同預(yù)充壓的薄壁金屬管樣品在某個溫度區(qū)間的相同加熱升溫速率下的瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗，獲得了一系列薄壁金屬管樣品的瞬態(tài)加熱高溫爆破性能(爆破溫度、爆破壓力、環(huán)向應(yīng)力/爆破強度、周向延伸率等)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)擬合，建立了該薄壁金屬管樣品在某個溫度區(qū)間的瞬態(tài)加熱高溫爆破性能曲線(爆破壓力-溫度曲線、環(huán)向應(yīng)力/爆破強度-溫度曲線、周向延伸率-溫度曲線)。利用該擬合曲線可對試驗溫度區(qū)間的某個溫度點或試驗溫度區(qū)間臨近的溫度點的高溫爆破性能結(jié)果進行預(yù)測。

對比電阻爐加熱及熱電偶測溫方法進行試驗時，升溫速率低、熱電偶測溫響應(yīng)時間較長、樣品表面點焊熱電偶可能影響試驗結(jié)果的缺點，本發(fā)明帶來的效果在于：利用本發(fā)明所建立的試驗方法，試驗溫度高、升溫速率快速可控、非接觸式的溫度精確測量、試驗操作簡單，可實現(xiàn)精確控制不同升溫速率的薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗，獲得準(zhǔn)確的高溫爆破性能數(shù)據(jù)；同時，本實驗方法可更真實地模擬壓水堆不同事故條件下的模擬驗證試驗。

附圖說明

圖1為示例性的本發(fā)明的薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法的操作流程圖。

圖2為示例性的本發(fā)明的薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法中快速加熱電源的升溫設(shè)置曲線，其中升溫速率為5℃/s。

圖3為示例性的本發(fā)明的薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法中快速加熱電源的升溫設(shè)置曲線，其中升溫速率為1℃/s。

圖4為示例性的本發(fā)明的薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法中快速加熱電源的升溫設(shè)置曲線，其中升溫速率為先0.5℃/s，后5℃/s。

具體實施方式

以下結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明的具體實施方式作出進一步的說明。

示例性的本發(fā)明的薄壁金屬管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗的方法的操作流程如圖1所示，包括如下步驟，并總體按其進行實施例1-3的試驗研究。

首先，將一端焊接密封或金屬卡套堵頭密封、內(nèi)填充多段陶瓷芯軸的薄壁金屬管樣品固定安裝到具有高壓氣源引入的試驗臺架上，將薄壁金屬管樣品開口一端連接到試驗臺架上的高壓氣源出口，并向薄壁金屬管內(nèi)充入一定壓力的高壓氣體(如氦氣、氬氣、氮氣)，關(guān)閉高壓氣源出口閥門。

其次，采用紅外測溫的方式進行薄壁金屬管加熱區(qū)間中間處表面的非接觸式的溫度的高速精確測量(采樣頻率≥30hz，測溫精度≤0.5％滿量程)。

再次，采用帶有程序升溫控制及溫度反饋信號的快速加熱電源(如：大功率的直流加熱電源、感應(yīng)加熱電源或紅外加熱電源)，接入紅外測溫的溫度反饋信號，根據(jù)薄壁金屬管樣品的試驗溫度要求(≤1200℃)，按照一定的升溫速率(0.1℃/s-50℃/s)設(shè)置快速加熱電源的加熱升溫控制程序。

然后，將采集到的薄壁金屬管樣品的溫度與壓力數(shù)據(jù)傳遞到與實驗測控系統(tǒng)相連接的電腦的測控采集軟件中。

最后，打開快速加熱電源的試驗開始開關(guān)，開始進行試驗，按照設(shè)定的升溫速率進行加熱升溫。薄壁金屬管樣品內(nèi)的壓力也隨著溫度的升高而升高，直到金屬管樣品達到某個溫度與壓力的結(jié)合點后爆破。快速關(guān)閉加熱電源的試驗開關(guān)，結(jié)束試驗。通過分析測控采集軟件采集的數(shù)據(jù)和試驗前后薄壁金屬管的尺寸測量數(shù)據(jù)，得到薄壁金屬管樣品的瞬態(tài)加熱高溫爆破性能數(shù)據(jù)。

實施例1：

實驗的薄壁金屬管樣品為10×0.55mm冷加工態(tài)不銹鋼金屬管。將一端采用金屬卡套堵頭密封、內(nèi)填充多段陶瓷芯軸的不銹鋼金屬管樣品固定安裝到具有高壓氬氣氣源引入的試驗臺架上，將薄壁金屬管樣品開口一端連接到試驗臺架上的高壓氬氣氣源出口，并向薄壁金屬管樣品內(nèi)充入4.2mpa的高純氬氣。關(guān)閉高壓氬氣氣源出口閥門。根據(jù)前期試驗結(jié)果，預(yù)期薄壁金屬管樣品在19mpa@1120℃條件下發(fā)生爆破。

將紅外測溫設(shè)備(測溫精度為0.3％滿量程)對準(zhǔn)不銹鋼金屬管樣品加熱區(qū)間的中間部位表面處，將紅外測溫的溫度反饋信號接入快速加熱電源。在快速加熱電源的溫控儀表上，按圖2所示的升溫曲線設(shè)置快速加熱電源的加熱升溫控制程序(升溫速率5℃/s)，然后打開測控軟件，開始采集溫度與壓力的原始數(shù)據(jù)。

打開快速加熱電源的試驗開始開關(guān)，開始進行試驗，按照設(shè)定的升溫速率進行升溫，測控軟件實時高速采集薄壁金屬管樣品內(nèi)的溫度與壓力數(shù)據(jù)，直到薄壁金屬管樣品發(fā)生爆破，關(guān)閉快速加熱電源的試驗開關(guān)，結(jié)束試驗。取下薄壁金屬管樣品，通過測試分析與處理得到薄壁金屬管樣品的瞬態(tài)加熱高溫爆破性能數(shù)據(jù)。

試驗結(jié)果顯示：10×0.55mm不銹鋼金屬管樣品在初始溫度為20℃、初始充入內(nèi)壓為4.2mpa的高純氬氣、按照5℃/s升溫速率加熱升溫的情況下，樣品經(jīng)過225s后在18.9mpa@1130℃條件下發(fā)生爆破。過程中測溫精度為4.5℃，控溫精度為5.0±0.1℃。

實施例2：

實驗的薄壁金屬管樣品為10×0.55mm冷加工態(tài)不銹鋼金屬管，試驗方法、操作流程、快速加熱電源及紅外測溫設(shè)備的設(shè)置與操作基本同實施例1，只是在初始溫度為20℃時向不銹鋼金屬管內(nèi)初始充入內(nèi)壓為12.5mpa的高純氬氣；按圖3所示的升溫曲線設(shè)置快速加熱電源的加熱升溫控制程序(升溫速率1℃/s)。

試驗結(jié)果顯示：10×0.55mm不銹鋼金屬管樣品在初始溫度為20℃、初始充入內(nèi)壓為12.5mpa的高純氬氣、按照1℃/s升溫速率加熱升溫的情況下，樣品經(jīng)過825s后在48.6mpa@848℃條件下發(fā)生爆破。過程中測溫精度為4.5℃，控溫精度為1.0±0.1℃。

實施例3：

模擬壓水堆核電廠大破口失水事故(loca)工況下的包殼管瞬態(tài)加熱高溫爆破試驗。實驗的薄壁金屬管樣品為10×0.55mm退火態(tài)不銹鋼金屬管，試驗方法、操作流程、快速加熱電源及紅外測溫設(shè)備的設(shè)置與操作基本同實施例1，只是在初始溫度為20℃時向不銹鋼金屬管內(nèi)初始充入內(nèi)壓為7.0mpa的高純氬氣；按圖4所示的升溫曲線設(shè)置快速加熱電源的加熱升溫控制程序(首先設(shè)置初始升溫速率為0.5℃/s來模擬壓水堆核電廠啟動階段的升溫速率，然后保溫300s模擬壓水堆核電廠正常運行工況，最后升溫速率為5℃/s來模擬壓水堆核電廠大破口失水事故工況下的升溫速率)。

試驗結(jié)果顯示：10×0.55mm不銹鋼金屬管樣品在初始溫度為20℃、初始充入內(nèi)壓為7.0mpa的高純氬氣、先按照0.5℃/s升溫速率加熱升溫到320℃，然后在320℃下保溫300s，最后按照5℃/s升溫速率加熱升溫的情況下，樣品在30.2mpa@1008℃條件下發(fā)生爆破。過程中測溫精度為4.5℃，控溫精度為5.0±0.1℃。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行各種改動和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其同等技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動和變型在內(nèi)。上述實施例或?qū)嵤┓绞街皇菍Ρ景l(fā)明的舉例說明，本發(fā)明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式實施，而不偏離本發(fā)明的要旨或本質(zhì)特征。因此，描述的實施方式從任何方面來看均應(yīng)視為說明性而非限定性的。本發(fā)明的范圍應(yīng)由附加的權(quán)利要求說明，任何與權(quán)利要求的意圖和范圍等效的變化也應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。