CFS應力腐蝕試驗設備

設備概述：

Cor-Force腐蝕試驗系統為在高溫高壓、常溫常壓、高溫常壓、低溫等介質環境下的慢應變速率拉伸試驗（SSRT）、恒載荷應力腐蝕開裂（SCC）試驗、腐蝕疲勞（CF）試驗、蠕變（Creep）試驗、蠕變疲勞（Creep Fatigue）試驗、應變疲勞（Strain Fatigue）試驗、持久強度（Creep Rupture Strength）試驗、氫致延遲開裂（HIC）試驗等，能對SCC裂紋擴展、腐蝕疲勞裂紋擴展在線、離線測量等多種試驗提供實現方案。

腐蝕試驗系統采用模組化設計，不同實驗功能配置不同的實驗模塊，具有的維護性和可擴展性。該系統的單元有：應力加載單元、實驗釜單元、水化學測量循環回路、DCPD裂紋擴展測量單元、應變測量單元、溫度控制單元、氣體增壓循環單元、真空系統、超純水制備系統等。

材料的腐蝕實驗，尤其是高溫高壓水環境下的長期SCC、CF等實驗系統的穩定性、可靠性、安全性有很高的要求，從材料的選用及制造工藝、結構設計、耐用性設計、部件的選購、測試軟件的設計等，要綜合進行系統考慮，以使系統的各個單元匹配運行。重要的部件，選用國際上行業內的，這些部件在多年的實際應用中運行穩定，尤其應力加載的核心單元－伺服系統，全時自適應控制、加載平滑，在長期連續運行狀況下，表現出優良的率。

設備特點：

  ●  高強度重載主機架，測試軟件可設定機架剛度補償量。

  ●  全數字伺服驅動系統，自適應調整，速度平穩、控制精度高。

  ●  雙核32bit測控系統，實時閉環控制IP核，響應迅速、準確。

  ●  雙側光柵位移傳感器伸長測量，提升試樣變形量測量準確度。

  ●  按需選擇的不同冷卻方式，以Z經濟實用的方式有效降溫。

  ●  安全的聯動保護機制，消除設備危險狀態的出現。

  ●  計算機集成測試操作，數據、日志實時記錄。

  ●  腐蝕介質環境下DCPD方法試樣腐蝕裂紋擴展測量。

  ●  腐蝕介質環境下試樣標距內伸長量直接測量。

試驗功能：

  ●  慢應變速率拉伸試驗

  ●  腐蝕疲勞試驗

  ●  應變疲勞試驗

  ●  蠕變試驗

  ●  持久試驗

  ●  CT試樣裂紋萌生及裂紋擴展速率測量試驗

  ●  K控制試驗

技術參數：

  ●  Z大載荷：50kN、100kN，可訂制特殊規格

  ●  力值測量范圍：0.4%～99%F.S.

  ●  力值準確度：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（慢拉伸應力加載單元）：1mm/s～1x10^-7mm/s

  ●  加載位移速率范圍（裂紋擴展應力加載單元）：10mm/s～1x10^-6mm/s

  ●  位移示值準確度：0.3%

  ●  位移分辨率（慢拉伸應力加載單元）：0.0005µm

  ●  位移分辨率（裂紋擴展應力加載單元）：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

主機單元：

應力腐蝕試驗設備的主機框架為四立柱落地式結構，較靈活的安裝方式允許根據試驗需求對實驗釜進行上置固定或者下置固定。載荷架有兩倍以上的設計強度冗余，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。

伺服驅動系統采用一代超高速、超精密控制以及可在嚴酷環境下使用的節能型伺服，其的“免調整功能”，Z大可承受30倍負載不發生震動，即使運行中負載發生變化，也能夠穩定運行。新一代伺服系統配置高分辨率24bit編碼器，伺服電機每轉可反饋出1677萬脈沖，實現精確控制微小的轉動步距，在極低應變速率時保證加載的平穩性。

應力加載為剛性傳遞，伺服電機輸出直連無間隙行星輪減速機、減速機輸出連接預緊式精密滾珠絲杠、滾珠絲杠絲母帶動加載平臺移動、再通過高強合金材料拉桿給試樣加載。

測控系統：

全數字嵌入式測控系統，專為實時性測量和數據處理而設計。雙32bit CPU高速運行，可以快速響應計算機指令、高速傳輸測量數據、實時高頻閉環控制調節、及時狀態及故障信息檢測。

測控系統的設計適合應力腐蝕試驗系統的使用要求。主控板為多層PCB，專門的地線層進行大面積銅皮敷設，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，采用貼片機自動貼裝，并經過了冷熱循環測試及48小時不間斷通電測試，以及后期產品調試、試驗時的長期考核。

測控系統設計了應力腐蝕試驗時傳感器的擴展連接通道，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“設備概述”中闡述的全部試驗方法的測試要求。

基于全數字化設計理念，測控系統的工作參數通過計算機上安裝的調試軟件進行設置、備份、管理。這種設計利于產品的維護和安裝服務，在產品調試檢驗完成后，將所有參數存儲于計算機進行資料歸檔管理，如果以后更換一臺測控系統，只需連接計算機將歸檔的參數全部寫入新的測控系統，便會和原來一樣的狀態正常工作。

對于慢應變速率拉伸測試，結合伺服系統的數字指令接口，測控系統設計了的數字指令輸出功能，以指令脈沖方式均勻平穩的發送給伺服系統。數字指令的輸出建立在精確的定時基礎上，精度的晶體時基芯片提供了準確的定時，這會有效消除在極低速拉伸時非連續平穩問題，保證了慢應變速率拉伸時速度的準確性。

測控系統通過網口與計算機通信連接，網口提供了高速通信，滿足了大數據量的傳輸和計算機指令的迅速響應。

環境容器（實驗釜）：

環境容器的型式和材質是依據不同的測試介質進行設計制造的，通常選用的材質有：625、C-276、316L、DSS2205、P91、耐熱玻璃、有機玻璃等，除須滿足測試的溫度、壓力條件，對于測試介質類型有較強的抗腐蝕性能是主要參數。

環境容器模擬材料實際使用的環境條件，有核反應堆回路、火電回路、石油化工領域（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境。

環境容器與主機單元結合，可實現SSRT、SC、CF、Creep、Creep Fatigue、Strain Fatigue、Stress Rupture、HIC、SCC、DCPD裂紋擴展測量等材料方法測試。

常規的實驗釜是由316L不銹鋼制造，滿足較高溫度和壓力的介質環境模擬。對于更惡劣的腐蝕介質環境，能夠提供C-276、625等鎳基合金的高溫高壓實驗釜，實驗條件可以達到600℃、30MPa。高溫高壓實驗釜采用金屬密封和高強度螺栓鎖緊，并配置安全閥（爆破閥）和壓力傳感器提供安全保護。

對于常壓或微正壓條件，在常溫、微高溫（不大于100℃）、微低溫等溫度介質環境，可使用耐熱玻璃容器。

環境容器內設計多點溫度監測，由配置人工智能溫度儀表的控制單元進行溫度設定與控制。在有壓力的環境容器外，安裝高精度壓力傳感器監測釜內壓力。溫度、壓力儀表都帶有超限報警功能。

所有環境容器的釜蓋上，設計有外部管路連接預留接口，用于環境介質循環、溫度測量、電化學測試、及慢拉伸或腐蝕疲勞測試等。

溫度控制單元：

環境容器內通常安裝兩個測溫點，分布于試樣的兩端，并分別連接溫控儀表。實驗釜通過電熱絲加熱，外邊包裹厚厚的隔熱保溫層，Z外層為不銹鋼保護殼。獨立的測溫點對應獨立加熱控制，溫控儀表AI調節使整個試樣區域內的溫度趨于一致。

溫控儀表可設置溫度上限、下限報警功能，報警輸出時切斷加熱。同時溫控單元有報警輸出端口，連接外部保護機構，在報警時切斷外部關聯動作，比如可停止水化學循環回路的高壓泵。

溫控單元通過RS485接口連接至計算機，測試軟件實時采集實驗釜內的溫度和壓力數據。一方面這些數據被實時記錄存儲，以后可調閱查看。另一方面測試軟件實時監控溫度和壓力，當超出測試軟件設置的溫度、壓力的上限和下限后，執行相應的保護動作。

水化學測量循環回路系統：

測量循環回路系統在測試過程中對實驗釜內的試驗介質進行持續循環更新，以使釜內環境介質參數穩定。測量循環回路系統實現了腐蝕介質循環、化學參數測量、釜內壓力保持、介質預熱、離子過濾、雜質過濾、紫外線殺菌、化學參數調節等功能。

測量循環回路系統由蓄水罐、循環泵、高壓泵、蠕動泵、化學測量、過濾、背壓、壓力監測、質量流量控制等單元部件組成。測量循環回路是依據需求量身定做的，以滿足所模擬介質環境的運行參數和技術規格。

測量循環回路系統常見于模擬核電、火電、石化、海洋等領域材料的性能試驗。不同的介質環境，回路系統選用耐腐蝕材質，例如：不銹鋼、鈦、化學聚合物等。超臨界水環境測量循環回路中，存在高溫高壓條件，需要控制水的溫度和壓力穩定，同時腐蝕環境在循環水中形成溶解物，需要凈化處理。在石油、天然氣領域使用的測量循環回路設計有H₂S（硫化氫）、C₂O（二氧化碳）氣體腐蝕介質環境，回路系統提供抽真空、沖氬氣、沖實驗氣體、增壓、加熱等功能，滿足NACE標準的試驗要求。

測量循環回路系統中，控制、測量的各儀表配置有RS485接口，實現與計算機的通信，化學參數、氣體流量控制等直接在計算機測試軟件上顯示與設置。為測量循環回路系統所開發的專門軟件，能夠實時顯示各種參數和測量數據，對所有數據隨時記錄保存，可以控制質量流量開口量，可以設置蠕動泵的轉速，可設置各參數的報警閥值。

DCPD裂紋擴展測量系統：

應力腐蝕測試，對于高溫高壓、有毒介質環境條件而言，以往的中斷試驗、取出試樣手工進行裂紋擴展長度測量，顯得異常不方便，而且存在可能的危害性。隨著科學技術的發展，直流電壓降法（DCPD）在腐蝕介質環境下的裂紋擴展長度測量得到普及應用，這種在線式測量在試驗過程中可以實時連續進行，直接測量出裂紋擴展長度，并可計算出裂紋長度擴展速率。

DCPD測量系統由精密恒流源、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，試樣上點焊鉑金絲進行前端電位和參考電位測量，當試樣出現腐蝕裂紋時會產生直流電阻變化，進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，通過裂紋擴展測量軟件計算得到試樣上裂紋的長度。

裂紋擴展測量軟件綜合了多項功能：裂紋長度測量、慢應變速率加載、恒載荷保持、疲勞加載、半波加載等，實現裂紋擴展速率計算、升K控制、恒K控制、降K控制、裂紋萌生等。裂紋測量軟件實時顯示裂紋長度a/W、裂紋擴展曲線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，并在試樣過程中實時記錄測量數據。

DCPD測量系統選用美國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。

應力腐蝕系統輔助部件：

  ●  高溫高壓參比電極：Ag/AgCl、Cu/Cu₂O參比電極可用于高溫高壓環境中水化學測量。

  ●  光柵位移傳感器：安裝在釜外測量拉桿位移量，是一種較容易實現的測量釜內試樣伸長量的方式，但需要用參比的方式進行數 值修正。選用歐洲進口光柵位移傳感器，回彈靈活、性能穩定、分辨率高。

  ●  LVDT傳感器：應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變量，能夠進行應變疲勞控制加載，可實現高溫高壓（350℃/15MPa）腐蝕介質環境下的應變過零疲勞試驗。選用美國進口傳感器，可滿足高溫高壓腐蝕介質環境的測量需求。

  ●  負荷傳感器：選用美國VISHAY高精度輪輻式負荷傳感器，具有線性精度高、長期蠕變小、滯后小、回零快、溫漂小等優點。