一种用于中子衍射的腐蚀环境试验装置的制作方法

本发明涉及中子衍射领域，具体涉及一种用于中子衍射的腐蚀环境试验装置。

背景技术：

研究腐蚀裂纹内部残余应力通常有两种方法，一种是利用xrd(x射线衍射)测量试样表面裂纹的残余应力，其缺点是无法测量深入表面内部裂纹的残余应力分布情况。还有一种方法是利用中子测量已经被腐蚀样品内部裂纹的残余应力分布状态，其缺点是无法对裂纹生长过程中应力变化进行跟踪研究，只能测量已成型裂纹的内应力分布状态，难以达到研究裂纹生长机理的目的。

目前，还没有相关的装置产品，能较好地对试样腐蚀裂纹的残余应力变化状态进行实时观察和跟踪研究。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于中子衍射的腐蚀环境试验装置，其通过设计腐蚀液体循环回路为力学加载装置提供高压高温的腐蚀液体环境，力学加载装置对试样施加载荷，使样品产生腐蚀裂纹，从而可配合使用中子衍射设备对裂纹的内部残余应力变化情况进行测量。

本发明通过以下的技术方案来实现：

一种用于中子衍射的腐蚀环境试验装置，包括：腐蚀液体循环回路，包括依次连接的液体储罐、循环泵、蓄能器、加热器、流量计、温度计、样品加载装置、离子测量仪、酸度测量仪、背压阀、精过滤器以及连接管路；同时，所述精过滤器还连接所述液体储罐以形成回路；所述样品加载装置包括力学加载部件和样品环境箱；所述力学加载部件包括作动器、框架、载荷传感器以及拉杆；所述样品环境箱用于固定待检测的样品，并设于所述框架内，所述样品环境箱上开设有用于腐蚀液体流通的进液口及出液口；所述样品环境箱的两外侧各连接一个所述拉杆，两所述拉杆的外侧均连接有一个载荷传感器，两所述载荷传感器的外侧各连接有一个作动器；所述样品环境箱包括箱体、样品固定杆以及密封板；所述箱体内具有一个用于容纳样品的空腔，两所述样品固定杆分别插接于所述箱体两侧，两所述样品固定杆同时固定夹持所述样品的两侧，所述样品固定杆连接两侧的所述拉杆，所述密封板密封固定在所述箱体的空腔开口处。

进一步地，所述力学加载部件还包括两个调整套筒；所述调整套筒的两端分别连接所述样品固定杆和所述拉杆。

进一步地，所述力学加载部件还包括一个对中装置；所述对中装置的两端分别连接一所述拉杆和一所述载荷传感器，所述对中装置、所述样品固定杆、所述拉杆同轴设置。

进一步地，所述箱体内所述空腔的内侧壁与所述样品的间隙不大于1mm。

进一步地，所述箱体的外侧壁上开设有便于中子通过的凹槽。

进一步地，所述样品环境箱还包括堵头和密封圈；所述样品固定杆通过螺栓固定所述样品，所述箱体上对应开设有便于放入螺栓的螺栓开槽，所述堵头密封设置在所述螺栓开槽内；所述密封圈密封设置在所述样品固定杆和所述箱体侧壁的间隙内。

进一步地，所述腐蚀液体循环回路还包括单向阀；所述单向阀设置在所述循环泵的出液端。

进一步地，所述腐蚀液体循环回路还包括冷却器；所述冷却器连接在所述背压阀和所述精过滤器之间。

进一步地，所述液体储罐还同时连接有加液装置、原液过滤器以及放液阀；所述加液装置包括加液口和加液截止阀，所述加液口、所述加液截止阀、所述液体储罐依次连接；所述原液过滤器同时连接所述加液截止阀和所述循环泵；所述放液阀设置在所述液体储罐底部。

进一步地，所述液体储罐还设置有压力调整装置；所述压力调整装置包括压力表、气体净化器以及出气截止阀；所述压力表连接所述液体储罐，所述出气截止阀连接所述液体储罐的顶部，所述气体净化器连接于所述出气截止阀。

相比于现有技术，本发明能达到的有益效果为：通过设计腐蚀液体循环回路，为样品加载装置提供持续的高温高压腐蚀液体环境，样品加载装置内安装有待检测的样品，并通过力学加载部件可对样品进行拉、压、疲劳载荷加载，使样品产生初始裂纹及模拟裂纹载荷状态；同时，可以实时检测腐蚀环境变化，控制腐蚀液体条件，通过调整流体速度，可实现低速层流和高速湍流状态，模拟不同流体环境。在此过程中，配合利用中子发射器发生出中子束，中子束穿过样品并衍射后被中子探测器所接收到，可测量裂纹生长过程中的应力分布情况，达到在原位腐蚀条件下对样品腐蚀裂纹进行内部应力测量，用于裂纹生长机理研究的目的。

附图说明

图1所示为样品加载装置的应用环境示意图；

图2所示为腐蚀液体循环回路的连接示意图；

图3所示为样品加载装置的正视图；

图4所示为样品加载装置的立体图；

图5所示为样品环境箱的整体示意图；

图6所示为样品环境箱的分解示意图。

图中：10、液体储罐；20、循环泵；30、蓄能器；40、加热器；50、流量计；60、温度计；70、力学加载部件；71、作动器；72、框架；73、载荷传感器；74、拉杆；75、调整套筒；76、对中装置；77、底座；78、导向座；80、样品环境箱；81、箱体；811、凹槽；82、样品固定杆；83、密封板；84、堵头；85、密封圈；86、进液口；87、出液口；88、样品；90、离子测量仪；100、酸度测量仪；110、背压阀；120、精过滤器；130、中子发生器；140、准直器；150、中子探测器；160、单向阀；170、冷却器；180、加液口；190、加液截止阀；200、原液过滤器；210、放液阀；220、压力表；230、气体净化器；240、出气截止阀。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

本发明公开了一种用于中子衍射的腐蚀环境试验装置，包括腐蚀液体循环回路。

其中，参阅图2，腐蚀液体循环回路用于为样品加载装置提供持续的高压高温腐蚀液体环境，包括依次连接的液体储罐10、循环泵20、蓄能器30、加热器40、流量计50、温度计60、样品加载装置、离子测量仪90、酸度测量仪100、背压阀110、精过滤器120以及连接上述各部件的相应连接管路，同时，精过滤器120还连接液体储罐10以形成回路。液体储罐10用于储存腐蚀液体，循环泵20用于泵送液体储罐10内的腐蚀液体，蓄能器30用于平衡管路内的液体压力波动，加热器40用于加热腐蚀液体；流量计50和温度计60分别用于检测腐蚀液体的流量及温度，从而根据检测数值来调整循环泵20的控制压力和加热器40的控制温度；样品加载装置内装有待检测的样品88，高压高温腐蚀液体输入到样品加载装置后流出，依次经离子测量仪90和酸度测量仪100，离子测量仪90和酸度测量仪100分别用于检测液体的离子浓度和酸度；背压阀110用于保持样品加载装置内的液体压力，精过滤器120用于将流经样品88后的腐蚀液体进行过滤，使其能重新进入到液体储罐10内。

参阅图1，本装置配合中子衍射谱仪使用。中子衍射谱仪包括中子发生器130、准直器140以及中子探测器150，本实施例中采用两个中子探测器150，能对拉伸裂纹的轴向(加载方向)及径向方向(加载方向的垂直方向)的内部应力进行测量。其中，中子发生器130用于发射出中子束，两个中子探测器150布置在与中子束发射方向垂直的轴向上，两个中子探测器150相对设置；每个中子探测器150前均配有一个准直器140。

基于中子的衍射原理，为了保证中子探测器150能顺利接收到中子束，中子衍射谱仪和样品加载装置的平面布置关系为：样品加载装置布置在与中子束发射方向呈45°的方向上，并与两个中子探测器150所在轴线成45°夹角，样品88、准直器140、中子探测器150同轴对中设置。

需要说明的是，中子衍射谱仪为现有部件，可以直接从市场上购得，其本身不在本发明的改进范围内，因此不再对其具体结构及衍射原理进行赘述。

参阅图3-图6，样品加载装置包括力学加载部件70和样品环境箱80，样品环境箱80用于装夹待检测的样品88，力学加载部件70用于给样品88施加外载荷。力学加载部件70包括作动器71、框架72、载荷传感器73以及拉杆74；样品环境箱80上开设有用于腐蚀液体流通的进液口86和出液口87，以便于腐蚀液体覆盖样品88。样品环境箱80设置在框架72内的中心位置处，其两外侧各连接有一根拉杆74，两根拉杆74的外侧均连接有一个载荷传感器73，两个载荷传感器73的外侧各连接有一个作动器71。样品环境箱80包括箱体81、样品固定杆82以及密封板83，箱体81内具有一个用于容纳样品88及腐蚀液体的空腔，两样品固定杆82分别插接在箱体81的两侧并同时固定夹持样品88的两侧，样品固定杆82连接两侧的拉杆74，密封板83密封固定在箱体81的空腔开口处。具体地，进液口86开设在密封板83上，出液口87开设在箱体81上。

两个作动器71固定设置在框架72的两侧，用于给样品88施加两边的拉伸或向内的压缩，载荷传感器73反馈作动器71的真实拉力或压力。作动器71通过拉杆74和样品固定杆82将载荷传递至样品88处，同时腐蚀液体经进液口86进入样品环境箱80内，使样品88在腐蚀液体环境下受力产生裂纹。在裂纹形成的过程中，通过中子衍射谱仪对裂纹的内部残余应力进行持续测量，对裂纹生长进行实时观察和跟踪分析。采用这种单轴双向拉伸装置，可保证样品88中心位置不动。

通过更换腐蚀液体、控制液压和温度，还可以模拟不同类型的腐蚀环境。

具体地，参阅图3-图4，力学加载装置还包括底座77和导向座78。底座77固定连接在框架72的底部，用于支承框架72；导向座78固定连接在底座77上，并套接于框架72，通过调整框架72和导向座78之间的相对位置，即可以调整框架72的宽度，以适应不同长度的样品88。

优选地，力学加载部件70还包括两个调整套筒75，调整套筒75的两端分别连接样品固定杆82和拉杆74，起到转接的作用。

优选地，力学加载部件70还包括一个对中装置76，对中装置76的两端分别连接同一侧的拉杆74及载荷传感器73，用于调整拉杆74和样品固定杆82的同轴度，对中装置76具体可为对中环，为现有部件。对中装置76、样品固定杆82、拉杆74同轴设置。

优选地，参阅图5-图6，箱体81内空腔的内侧壁和样品88的间隙不大于1mm，在保证样品88能完全处于腐蚀液体环境的前提下，最大限度地降低腐蚀液体对中子的衰减作用。

优选地，箱体81的外侧壁上开设有便于中子通过的凹槽811，凹槽811相当于减薄了箱体81外壁的厚度，降低对中子的衰减影响，提升检测效果。

优选地，为了保证样品环境箱80的密封性，样品环境箱80还设有堵头84和密封圈85。两样品固定杆82通过螺栓固定样品88，以对其进行两侧拉伸或压缩；为了便于在箱体81内装入螺栓，箱体81上需对应开设有螺栓开槽，堵头84密封设置在螺栓开槽内。由于样品固定杆82是插接在箱体81侧壁上的，因此样品固定杆82在箱体81侧壁的安装位置处存在着间隙，密封圈85则密封设置在该间隙内。

优选地，参阅图2，为了防止腐蚀液体倒流，腐蚀液体循环回路还包括单向阀160，单向阀160设置在循环泵20的出液端。

优选地，腐蚀液体循环回路还包括冷却器170，冷却器170连接在背压阀110和精过滤器120之间。由于腐蚀液体是经加热后再进入到样品环境箱80内的，因此液体从箱内出来后，需经冷却器170进行冷却再重新进入到液体储罐10内，以降低回流液体温度，改善储罐环境。

优选地，液体储罐10还同时连接有加液装置、原液过滤器200以及放液阀210。加液装置用于给液体储罐10添加腐蚀液体，包括加液口180和加液截止阀190，加液口180、加液截止阀190和液体储罐10依次连接；原液过滤器200用于过滤罐内液体，其同时连接加液截止阀190和循环泵20；放液阀210设置在液体储罐10底部，用于放出液体储罐10内的液体，以便于更换不同类型的腐蚀溶液。

优选地，液体储罐10还设置有压力调整装置。压力装置包括压力表220、气体净化器230和出气截止阀240。压力表220连接在液体储罐10上，用于检测罐内气体的压力大小，当罐内气压过高时，通过打开出气截止阀240使气体经气体净化器230排出到外界，保证复合排气标准。

通过对上述实施例的详细阐述，可以理解，本发明通过设计腐蚀液体循环回路，为样品加载装置提供持续的高温高压腐蚀液体环境，样品加载装置内安装有待检测的样品88，并通过力学加载部件70可对样品88进行拉、压、疲劳载荷加载，使样品88产生初始裂纹及模拟裂纹载荷状态；同时，可以实时检测腐蚀环境变化，控制腐蚀液体条件，通过调整流体速度，可实现低速层流和高速湍流状态，模拟不同流体环境。在此过程中，配合利用中子发射器发生出中子束，穿过样品88并衍射后被中子探测器150所接收到，可测量裂纹生长过程中的应力分布情况，达到在原位腐蚀条件下对样品88腐蚀裂纹进行内部应力测量，用于裂纹生长机理研究的目的。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。