CFS應力腐蝕試驗設(shè)備
設(shè)備概述：
Cor-Force腐蝕試驗系統(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(xiàn)方案。
腐蝕試驗系統(tǒng)采用模組化設(shè)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(tǒng)的單元有：應力加載單元、實驗釜單元、水化學測量循環(huán)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(huán)單元、真空系統(tǒng)、超純水制備系統(tǒng)等。
材料的腐蝕實驗，尤其是高溫高壓水環(huán)境下的長期SCC、CF等實驗系統(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、耐用性設(shè)計、部件的選購、測試軟件的設(shè)計等，要綜合進行系統(tǒng)考慮，以使系統(tǒng)的各個單元匹配運行。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際應用中運行穩(wěn)定，尤其應力加載的核心單元－伺服系統(tǒng)，全時自適應控制、加載平滑，在長期連續(xù)運行狀況下，表現(xiàn)出優(yōu)良的率。
設(shè)備特點：
● 高強度重載主機架，測試軟件可設(shè)定機架剛度補償量。
● 全數(shù)字伺服驅(qū)動系統(tǒng)，自適應調(diào)整，速度平穩(wěn)、控制精度高。
● 雙核32bit測控系統(tǒng)，實時閉環(huán)控制IP核，響應迅速、準確。
● 雙側(cè)光柵位移傳感器伸長測量，提升試樣變形量測量準確度。
● 按需選擇的不同冷卻方式，以Z經(jīng)濟實用的方式有效降溫。
● 安全的聯(lián)動保護機制，消除設(shè)備危險狀態(tài)的出現(xiàn)。
● 計算機集成測試操作，數(shù)據(jù)、日志實時記錄。
● 腐蝕介質(zhì)環(huán)境下DCPD方法試樣腐蝕裂紋擴展測量。
● 腐蝕介質(zhì)環(huán)境下試樣標距內(nèi)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(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(shè)備的主機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(shè)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(qū)動系統(tǒng)采用一代超高速、超精密控制以及可在嚴酷環(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倍負載不發(fā)生震動，即使運行中負載發(fā)生變化，也能夠穩(wěn)定運行。新一代伺服系統(tǒng)配置高分辨率24bit編碼器，伺服電機每轉(zhuǎn)可反饋出1677萬脈沖，實現(xiàn)精確控制微小的轉(zhuǎn)動步距，在極低應變速率時保證加載的平穩(wěn)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(tǒng)：
全數(shù)字嵌入式測控系統(tǒng)，專為實時性測量和數(shù)據(jù)處理而設(shè)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(shù)據(jù)、實時高頻閉環(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)計適合應力腐蝕試驗系統(tǒng)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(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、試驗時的長期考核。
測控系統(tǒng)設(shè)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(shè)備概述”中闡述的全部試驗方法的測試要求。
基于全數(shù)字化設(shè)計理念，測控系統(tǒng)的工作參數(shù)通過計算機上安裝的調(diào)試軟件進行設(shè)置、備份、管理。這種設(shè)計利于產(chǎn)品的維護和安裝服務(wù)，在產(chǎn)品調(diào)試檢驗完成后，將所有參數(shù)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(tǒng)，只需連接計算機將歸檔的參數(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，保證了慢應變速率拉伸時速度的準確性。
測控系統(tǒng)通過網(wǎng)口與計算機通信連接，網(wǎng)口提供了高速通信，滿足了大數(shù)據(jù)量的傳輸和計算機指令的迅速響應。
環(huán)境容器（實驗釜）：
環(huán)境容器的型式和材質(zhì)是依據(jù)不同的測試介質(zhì)進行設(shè)計制造的，通常選用的材質(zhì)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(zhì)類型有較強的抗腐蝕性能是主要參數(shù)。
環(huán)境容器模擬材料實際使用的環(huán)境條件，有核反應堆回路、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)境容器與主機單元結(jié)合，可實現(xiàn)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(guī)的實驗釜是由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(zhì)環(huán)境，可使用耐熱玻璃容器。
環(huán)境容器內(nèi)設(shè)計多點溫度監(jiān)測，由配置人工智能溫度儀表的控制單元進行溫度設(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警功能。
所有環(huán)境容器的釜蓋上，設(shè)計有外部管路連接預留接口，用于環(huán)境介質(zhì)循環(huán)、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(huán)境容器內(nèi)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(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(gòu)，在報警時切斷外部關(guān)聯(lián)動作，比如可停止水化學循環(huán)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(nèi)的溫度和壓力數(shù)據(jù)。一方面這些數(shù)據(jù)被實時記錄存儲，以后可調(diào)閱查看。另一方面測試軟件實時監(jiān)控溫度和壓力，當超出測試軟件設(shè)置的溫度、壓力的上限和下限后，執(zhí)行相應的保護動作。
水化學測量循環(huán)回路系統(tǒng)：
測量循環(huán)回路系統(tǒng)在測試過程中對實驗釜內(nèi)的試驗介質(zhì)進行持續(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)實現(xiàn)了腐蝕介質(zhì)循環(huán)、化學參數(shù)測量、釜內(nèi)壓力保持、介質(zhì)預熱、離子過濾、雜質(zhì)過濾、紫外線殺菌、化學參數(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。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、沖實驗氣體、增壓、加熱等功能，滿足NACE標準的試驗要求。
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，實現(xiàn)與計算機的通信，化學參數(shù)、氣體流量控制等直接在計算機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)的報警閥值。
DCPD裂紋擴展測量系統(tǒng)：
應力腐蝕測試，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、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(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(xù)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(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，試樣上點焊鉑金絲進行前端電位和參考電位測量，當試樣出現(xiàn)腐蝕裂紋時會產(chǎn)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(xiàn)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(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(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行數(shù) 值修正。選用歐洲進口光柵位移傳感器，回彈靈活、性能穩(wěn)定、分辨率高。
● LVDT傳感器：應變疲勞用伸長測量傳感器?？芍苯訙y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(xiàn)高溫高壓（350℃/15MPa）腐蝕介質(zhì)環(huán)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(zhì)環(huán)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(yōu)點。
