一种多损伤因素耦合的实验装置及方法

技术领域

本发明涉及实验装置技术领域，特别是涉及一种多损伤因素耦合的实验装置及方法。

背景技术

为适应汽车尾气排放标准的严格要求，越来越多的商用柴油汽车都安装了尿素选择性催化还原技术(以下简称“SCR”)尾气后处理装置。SCR技术的本质是利用尿素在高温下分解出NH

随着SCR后处理系统的逐渐推广，汽车排气系统工作环境也在逐渐复杂化和恶化，一方面，尿素分解产物或反应副产物对排气管等不锈钢构件的腐蚀性能产生较大影响；另一方面SCR的使用增加了排气系统的工作温度，使得工作温度达到900℃以上。汽车的启动与停止对排气管也会产生热疲劳效应。

发明人发现，目前上述影响因素的叠加损伤机制还没有被深入研究，例如，专利CN201721705500.0公布了一种抗金属试样高温氧化设备可以利用低熔点低成本易氧化金属或高熔点低成本抗氧化金属形成密封空间,进而避免位于密封空间内的金属试样在高温试验时吸收外界的氧气被氧化。其主要用于研究温度变化对金属试样的影响；

专利CN201510999424.8公布了一种快速实现不锈钢点蚀发生和发展的腐蚀试验方法及装置，该试验方法是先利用电化学工作站开路电位测量模式测得不锈钢工作电极的腐蚀电位,再用动电位扫描模式测得不锈钢工作电极的点蚀电位和再钝化电位,使不锈钢工作电极在动电位扫描阶段产生的点蚀继续生长，在不同的极化时间内得到不同深度的点蚀坑。该方法无法在900°的高温下使用。

目前已有的设备如上两例只能单独进行一项因素的试验，对多损伤因素耦合条件下构件的失效研究还很缺乏。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种多损伤因素耦合的实验装置及方法，在反应炉的外壁上缠绕了感应线圈，并在反应炉的炉盖上安装了与腐蚀液供给机构连接的喷头，能够在反应炉内制造一个高温腐蚀环境，以对反应炉内的试样进行高温腐蚀模拟，解决了现有模拟装置无法模拟多损伤因素耦合条件下构件失效的问题。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

第一方面，本发明提供了一种多损伤因素耦合的实验装置，包括一端开口的反应炉，反应炉的外壁上缠绕有用于对反应炉内金属试样加热的感应线圈，反应炉的开口端可拆卸安装有炉盖，所述炉盖的内表面中心位置处设有用于安装试样的第一安装槽，炉盖还设有若干通过管道与腐蚀液供给机构和废气收集机构连接的通孔，炉盖与腐蚀液供给机构连接的管道上安装有喷管，以通过喷管向反应炉内的试样表面均匀的喷洒腐蚀液。

作为进一步的实现方式，所述反应炉横向水平放置在支架上。

作为进一步的实现方式，所述反应炉内表面底部的中心位置处设有第二安装槽，以用于配合第一安装槽限制试样的自由伸长。

作为进一步的实现方式，所述炉盖上开设有用于排气的第一通孔和用于喷管安装的第二通孔，第一通孔与第二通孔相对设置在第一安装槽宽度方向的两侧，且第一通孔、第二通孔的中心线均与第一安装槽的中心线相重合。

作为进一步的实现方式，所述腐蚀液供给机构由腐蚀液罐、蠕动泵组成，喷管通过管道依次与蠕动泵、腐蚀液罐连接。

作为进一步的实现方式，所述喷管的管身靠近试样的一侧沿其长度方向均匀设有若干喷水孔。

作为进一步的实现方式，所述炉盖、反应炉以及喷管均由陶瓷制成。

作为进一步的实现方式，所述试样为瘦腰型的板状结构，试样的两端与其中间部分之间设有弧形过渡。

第二方面，本发明提供了一种多损伤因素耦合的实验方法，具体如下：

组装装置并将试样横向水平安装在反应炉内；

加热试样并打开腐蚀液供给机构，由喷管将腐蚀液均匀的喷洒到试样表面，在反应炉内生成高温腐蚀环境；多余的腐蚀液被收集在试样的下方，与高温试样、炉壁接触蒸发后从第一通孔排出并收集到废气收集机构中；

加热完成后停止加热和腐蚀液的喷洒工作，将试样冷却至室温后完成一个热疲劳循环；

等到试样冷却至室温后，打开感应线圈和蠕动泵，继续下一个热疲劳循环试验，等到达到指定循环次数后试验完成，关闭所有设备的电源。

作为进一步的实现方式，开始工作时首先将感应线圈通电加热至设定温度并在设定温度下持续加热设定时间。

上述本发明的有益效果如下：

(1)本发明在反应炉的外壁上缠绕了感应线圈，能够对反应炉内的金属试样直接加热，提高了热转化效率，并在反应炉的炉盖上安装了与腐蚀液供给机构连接的喷头，能够在反应炉内制造一个高温腐蚀环境，以对反应炉内的试样进行高温腐蚀模拟，多因素耦合模拟保证了模拟试验的真实性。

(2)本发明反应炉内的第二安装槽与第一安装槽配合可限制试样，使得试样被固定于反应炉内被加热后不能自由伸长，在加热以及冷却的循环中可对试样产生热疲劳效应。

(3)本发明反应炉横向水平放置，使得试样横向水平放置，一方面能够有效防止腐蚀液在试样上的均匀喷洒，避免腐蚀液在重力作用下滑落，另一方面可增大腐蚀液与反应炉炉壁的接触面积，加快腐蚀液的蒸发，避免在冷却过程中腐蚀液堆积而出现冷凝腐蚀的现象。

(4)本发明试样为瘦腰型的板状结构，试样的两端与其中间部分之间设有弧形过渡，大大方便了试样的拆装。

(5)本发明炉盖开设有用于排气的第一通孔，能够将反应炉内的气体向外排出，有效防止了腐蚀液挥发导致反应炉内气压过高。

(6)本发明炉盖、反应炉以及喷管均由陶瓷制成，有效保证两了感应加热时只对金属试样加热，大大降低了热能损失。

(5)本发明开始工作时首先将感应线圈通电加热至设定温度并在设定温度下持续加热设定时间，保证了试验加热时能够在所需的环境温度下，大大提高了试验结果的准确性。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的一种多损伤因素耦合的实验装置的整体结构示意图；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的反应炉的安装结构示意图；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的炉盖外表面的结构示意图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的炉盖内表面的结构示意图；

图5是本发明根据一个或多个实施方式的反应炉的内部结构示意图；

图6是本发明根据一个或多个实施方式的试样的结构示意图；

图7是本发明根据一个或多个实施方式的喷管的结构示意图；

图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意使用；

其中，1、控制机构；2、感应线圈；3、反应炉；3.1、第二安装槽；4、支架；5、炉盖；5.1、第一通孔；5.2、第二通孔；5.3、第一安装槽；6、第一送水管；7、蠕动泵；8、第二送水管；9、腐蚀液罐；10、废气收集罐；11、排气管；12、喷管；12.1、喷水孔；13、试样。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

正如背景技术所介绍的，目前已有的设备如上两例只能单独进行一项因素的试验，对多损伤因素耦合条件下构件的失效研究还很缺乏，且模拟环境无法与实际环境相符合的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了一种多损伤因素耦合的实验装置。

实施例1

本发明的一种典型的实施方式中，如图1-图7所示，提出一种多损伤因素耦合的实验装置，包括，反应炉3，反应炉3的外壁上缠绕有水冷式的感应线圈2，感应线圈2与控制机构1连接，以利用感应线圈2直接对反应炉3内的金属试样13进行加热，提高其热转化率，降低热能损失；

反应炉3为一端开口结构，反应炉3横向水平放置在支架4上，反应炉3的开口端可拆卸安装有炉盖5，炉盖5的内表面上设有用于安装试样13的第一安装槽5.3，炉盖5上还设有若干通孔，炉盖5上的通孔通过管道与腐蚀液供给机构和废气收集机构连接，其中，炉盖5与腐蚀液供给机构连接的管道上安装有喷管12，以用于通过喷管12向反应炉3内的试样13表面均匀的喷洒腐蚀液。

反应炉3的外壁上缠绕有感应线圈2，感应线圈2通过管路与冷却系统连接，从而利用循环水对感应线圈2进行降温。

具体的，冷却系统包括水箱和水泵，水泵通过抽水管与水箱连接，水泵还通过管路与感应线圈2的进水端连接，以用于向感应线圈2内供水，感应线圈2的出水端通过排水管与水箱连接。

反应炉3的开口端主要用于将试样13插装在反应炉3内，反应炉3的开口端设有外螺纹，炉盖5设有内螺纹，从而可通过螺纹连接的方式实现炉盖5与反应炉3之间的可拆卸连接。

具体如图4、图5所示，炉盖5的内表面的中心位置处设有用于安装试样13的第一安装槽5.3，反应炉3内表面的底部中心位置处设有第二安装槽3.1，在炉盖5安装在反应炉3上后，第一安装槽5.3和第二安装槽3.1相对设置，以使得试样13横向水平放置在反应炉3内。

相对于竖向放置，试样13横向水平放置，一方面能够有效防止腐蚀液在试样13上的均匀喷洒，避免腐蚀液在重力作用下滑落，另一方面可增大腐蚀液与反应炉炉壁的接触面积，加快腐蚀液的蒸发，避免在冷却过程中腐蚀液堆积而出现冷凝腐蚀的现象。

试样13为金属材质，如图6所示，试样13为瘦腰型的板状结构，即试样13两端的宽度大于其中间部分的宽度，试样13两端的尺寸与第一安装槽5.3、第二安装槽3.1相匹配，便于试样13的两端卡装在第一安装槽5.3、第二安装槽3.1内，试样13的两端与其中间部分之间设有弧形过渡，以便于试样13的拆卸。

其中，炉盖5安装到位后，第一安装槽5.3的顶部与第二安装槽3.1底部之间的距离与试样13的长度相同，即炉盖5安装到位后，试样13夹持固定在炉盖5的底面与反应炉3的底部之间，使得试样13被固定于反应炉3内被加热后不能自由伸长，在加热以及冷却的循环中可对试样13产生热疲劳效应。

如图3所示，炉盖5上开设有第一通孔5.1和第二通孔5.2，第一通孔5.1的直径小于第二通孔5.2，第一通孔5.1主要用于反应炉3内气体的排出，以防止腐蚀液挥发导致反应炉3内气压过高。

可以理解的是，在其他实施例中第一通孔5.1也可以设置两个、三个、四个等其他数量，具体数量可根据实际需求进行选择，这里不做过多的限制。

第一通孔5.1与第二通孔5.2相对设置在第一安装槽5.3宽度方向的两侧，且第一通孔5.1、第二通孔5.2的中心线均与第一安装槽5.3的中心线相重合。

具体的，第一通孔5.1通过排气管11与废气收集机构连接，本实施例中的废气收集机构为废气收集罐10，以用于废气的收集；第二通孔5.2内插装有喷管12，喷管12通过送水管与腐蚀液供给机构连接。

腐蚀液供给机构由腐蚀液罐9、蠕动泵7组成，插装在第二通孔5.2内的喷管12通过第一送水管6与蠕动泵7连接，蠕动泵7通过第二送水管8与腐蚀液罐9连接，腐蚀液罐9内存储有腐蚀液，可在蠕动泵7的作用下将腐蚀液输送至喷管12内，并通过喷管12将腐蚀液均匀的喷洒到试样13的表面。

如图7所示，喷管12的管身靠近试样13的一侧沿其长度方向均匀设有若干喷水孔12.1，以用于将腐蚀液均匀的喷洒到试样13的表面上进行腐蚀模拟试验。

为了保证感应加热时只对金属试样13加热，炉盖5、反应炉3以及喷管12均由陶瓷制成，以降低热能损失。

实施例2

本发明的另一种典型的实施方式中，提出一种多损伤因素耦合的实验方法，具体如下：

使用时，首先将感应线圈2安装在反应炉3外侧，将试样13的一端插装在反应炉3的第二安装槽3.1内，随后合上炉盖5，试样另一端插装在炉盖5的第一安装槽5.3中，以使得试样13横向水平放置在反应炉3内，炉盖5安装后在第二通孔5.2内安装陶瓷材质的喷管12；

开始工作时感应线圈2通电加热至设定温度并在设定温度下持续加热3min，设置加热温度为900℃，以保证试验13加热时能够在所需的环境温度下，大大保证了试验结果的准确性；

开始加热试样13，同时打开冷却系统，水箱一侧的出水口用抽水管连接到水泵，由水泵通过管路把冷却液输送到感应线圈2中进行冷却，随后冷却液通过排水管从感应线圈2中回到水箱；

同时进行腐蚀试验，打开蠕动泵7，设置腐蚀液流速为200ml/min，使得腐蚀液依次经过腐蚀液罐9、第二送水管8、蠕动泵7、第一送水管6到达喷管12，由喷管12上的喷水孔12.1将腐蚀液均匀的喷洒到试样13表面，在反应炉3内生成高温腐蚀环境，进行高温腐蚀试验；多余的腐蚀液被收集在试样13的下方，与高温试样、炉壁接触蒸发后会从炉盖5上的第一通孔5.1排出并收集到废气收集罐10中，防止反应炉3内气压过高引起危险，且避免了试样13冷却后的冷凝腐蚀；

加热完成后停止感应线圈2和蠕动泵7以停止加热、腐蚀液的喷洒工作，将试样13冷却至室温25℃后即完成一个热疲劳循环；

等到试样13冷却至室温后，打开感应线圈2和蠕动泵7以进行加热和腐蚀液的喷洒工作，继续下一个热疲劳循环试验，等到达到指定循环次数后试验完成，关闭所有设备的电源。

因为有第一安装槽5.3和第二安装槽3.1对试样13进行约束，因此试样13被加热时无法自由伸长产生热应力。

采用感应加热的方式具有加热快，加热均匀等优点，防止加热不均匀产生的热应力，由于感应线圈2是直接对金属材质的试样13进行加热，加热效率高，热转化率高达97％，而传统的电阻加热通过热辐射对工件进行加热，加转化率50％左右，感应加热可以降低热能丧失。

废气收集机构的设置，可防止试验产生的废气污染环境或者对操作人员造成伤害，且能够避免反应炉3内气压过高；喷管12的喷洒，可对试样13进行全面均匀覆盖式喷洒，更加贴近实际工况。

可以理解的是，不仅可以同时进行高温环境和腐蚀环境的耦合模拟试验，也可根据实际需求单独进行试验，具体得可根据实际需求进行确定，这里不做过多的限制。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。