Устройство для испытания образцов материалов на кручение в ядерном реакторе

 

Использование: изобретение относится к области изучения прочностных свойств материалов при воздействии различных внешних факторов и может быть использовано в радиационном материаловедении при испытаниях в облучательной ячейке ядерного реактора. Цель: повышение достоверности результатов испытания. Сущность изобретения: устройство снабжено калиброванным торсиометром с двумя фиксированными значениями нагрузки на заданном интервале его деформирования. Торсиометр включает в себя втулку с выполненной в последней по дуге прорезью на одном конце, подвижно установленную на конце втулки посредством размещенного в прорези штыря первую ступицу, вторую ступицу, жестко связанную с другим концом втулки, осесимметричные предварительно нагруженные упругие пластины, своими концами жестко соединенные со ступицами. Одна ступица соединена с датчиком крутящегося момента, а другая - с силопередающим валом. В процессе выхода на рабочий режим при внутриреакторном испытании проходят три фиксированных значения крутящих моментов: нулевую нагрузку и два значения опорных величин крутящих моментов, что позволяет в течение всего периода испытания производить периодическую корректировку сигнала с прибора, показывающего величину крутящего момента. 4 ил.

Устройство для испытания образцов материалов на кручение в ядерном реакторе относится к технике проведения длительных механических испытаний в труднодоступных условиях при воздействии различных внешних факторов и может быть использовано преимущественно в радиационном материаловедении при испытаниях в канале (облучательной ячейке) ядерного реактора.

Известно, что характеристики измерительных электрических преобразователей (тензорезисторных, емкостных, индуктивных и т.п.) в условиях длительных реакторных экспериментов существенно изменяются, т.к. кроме влияния механических нагрузок температур и т.п. подвержены еще и воздействию ионизирующего излучения. При длительном использовании подобных электрических преобразователей в условиях практически недоступных для их обслуживания отсутствие контроля и учета изменений нагрузочных характеристик в процессе эксперимента приводит к появлению неконтролируемых погрешностей результатов испытания.

Известно устройство для исследования ползучести материалов кручением в радиационном поле ядерного реактора /1/, состоящее из трубчатого корпуса с пассивным захватом образца, механизма нагружения электромеханического типа, датчика крутящегося момента (тензорезисторного измерительного преобразователя), силопередающего вала (активной тяги) с активным захватом образца.

Недостатком известного устройства при длительных внутриреакторных экспериментах является отсутствие в системе измерения нагрузки возможности проверки соответствия сигнала, поступающего с датчика крутящегося момента, установочной (реперной) величине.

Известно устройство для испытания трубчатых образцов в условиях гидростатического давления /2/. Устройство содержит корпус (камеру), механизм нагружения, вал, пассивный и активный захваты образца, датчик крутящегося момента, измерителя угла закручивания (деформации) образца.

Недостатком устройства /2/ является отсутствие контроля за изменением характеристик измерительных преобразователей, в частности, датчика крутящегося момента.

Близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является известное устройство /3/. Независимая часть устройства, предназначенная для возбуждения крутящего момента, содержит корпус с пассивным захватом образца, силовозбудитель (гидроцилиндр, поршень с винтовым штоком), систему подачи жидкости, возвратную пружину, тягу (вал) с резьбовыми витками и активным захватом образца, образец и системы контроля и регистрации усилия. Шток поршня и тяга с резьбовыми витками образуют винтовую пару качения преобразователь осевого усилия в крутящий момент. Крутящий момент оценивается по давлению жидкости в гидроцилиндре.

Недостатком устройства /3/ является не поддающееся контролю в процессе длительной эксплуатации присутствие погрешности в оценке нагружающего образец рабочего крутящего момента из-за наличия в винтовой паре и опорных подшипниках трения, величина которого зависит от действующего переменного осевого усилия, развиваемого гидравлическим силовозбудителем, от состояния контактирующих поверхностей и от сопротивления в средствах уплотнения подвижных элементов гидроцилиндра.

Для решения поставленной задачи устройство для испытания образцов материалов на кручение в ядерном реакторе, содержащее корпус с пассивным захватом для образца, активный захват для образца, выполненный в виде силопередающего вала, датчик крутящего момента и механизм нагружения образца, связанный с последним, авторы предлагают снабдить калиброванным торсиометром с двумя фиксированными значениями нагрузки на заданном интервале его деформирования, включающего в себя втулку с выполненной в последней по дуге прорезью на одном конце, подвижно установленную на конце втулки посредством размещенного в прорези штыря первую ступицу, вторую ступицу, жестко связанную с другим концом втулки, осесимметричные предварительно нагруженные упругие пластины, своими концами жестко соединенные со ступицами, одна ступица соединена с датчиком крутящего момента, а другая с силопередающим валом.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство, снабженное калибровочным торсиометром, с помощью собственной контрольно-измерительной системы в процессе внутриреакторного эксперимента обеспечивает периодический контроль достоверности показаний датчика крутящего момента путем сравнения с установочной (реперной) величиной.

На фиг. 1 дан общий вид устройства; на фиг. 2 контролирующий узел, а именно калибровочный торсиометр; на фиг. 3 вид графического изображения записи выхода на исходную или повторную нагрузку; на фиг. 4 пример записи графика выхода на рабочий режим действующего устройства.

Устройство (фиг. 1) состоит из механизма нагружения 1, например, электромеханического типа, корпуса 2, являющегося одновременно пассивным захватом испытуемого образца 3, активный захват 4 для образца, выполненный в виде силопередающего вала, датчика крутящегося момента 5 и калибровочного торсиометра 6, выполненного в виде втулки 7 (фиг. 2), внутри которой размещены две ступицы 8 и 9, упругие пластины 10. Упругие пластины 10 расположены осесимметрично и жестко соединены своими концами со ступицами 8 и 9, например, сваркой. Втулка 7 с помощью, например, винтов 11 и резьбовых отверстий 12 соединена со ступицей 8, прорезь 13 втулки 7 совмещена со штырем 14, расположенным на ступице 9.

При сборке калиброванного торсиометра 6 производят его предварительное тарирование, т.е. нагружают упругие пластины 10 путем приложения к ступицам 8 и 9 первого контрольного крутящего момента M₁ (т.е. поворота ступиц относительно друг друга) и фиксации этого положения штырем 14 ступицы 9 в прорези 13 втулки 7. При этом между штырем 14 и стенкой прорези 13 предусмотрен зазор 15. При дальнейшем нагружении до полного выбора зазора 15 фиксируют вторую контрольную величину крутящий момент M₂.

Устройство работает следующим образом.

Собранное устройство (фиг. 1) помещают в облучательный канал ядерного реактора, подсоединяют к соответствующим системам обеспечения, контроля, регулирования и регистрации параметров эксперимента, с помощью механизма нагружения 1 производят нагружение образца 3 крутящим моментом через силопередающие элементы: датчик крутящего момента 5, калиброванный торсиометр 6, активный захват 4 силопередающего вала, образец 3 и пассивный захват корпуса 2. Процесс нагружения до рабочей величины крутящего момента M₃ (фиг. 3) записывают в виде графика (O₁. M₁. M₂. M₃) в координатах "деформация крутящий момент" по показаниям датчика крутящего момента 5. Часть графика (O₁.M₁) представляет собой начальный участок упругой характеристики всех последовательно соединенных силопередающих деталей устройства до первой контрольной нагрузки M₁. Прорезь 13 втулки 7 остается в первоначально установленном положении относительно штыря 14. Дальнейшее нагружение вызывает деформирование упругих пластин 10 в пределах предусмотренного зазора 15, что приводит к изменению наклона графика на участке (M₁.M₂) до второго контрольного момента M₂. При этом штырь 14 упирают в противоположную сторону прорези 13. От крутящего момента M₂ до рабочей нагрузки M₃ график повторяет первоначальный участок (O₁.M₂) и обусловлен жесткостью конструктивных элементов устройства (в этот момент из процесса деформирования исключаются упругие пластины 10).

Если при повторном нагружении (например, через сотни, тысячи часов, фиг. 3) график будет выглядеть, как (O₂.M_a.M_b.M_c, то разница значений ΔM₁= M₁-M_a или ΔM₂= M₂-M_b будут представлять собою погрешность нагружения, возникающую при длительных внутриреакторных экспериментах, которая должна или может быть учтена в виде поправки к рабочей нагрузке в процессе испытания или при обработке результатов.

Таким образом, в процессе выхода на рабочий режим испытания по нагрузке проходят три фиксированных значения: нулевая нагрузка M₀, крутящие моменты M₁ и M₂, что позволяет с помощью собственной контрольно-измерительной системы в процессе внутриреакторного эксперимента обеспечить периодический контроль достоверности показаний датчика крутящего момента путем сравнения с установочной (реперной) величиной и производить корректировку сигнала с прибора, показывающего величину крутящего момента.

Предложенное техническое решение осуществлено в устройстве "Сигма-30" (Э.039/043.6478.ПС, инв. N 47-39/904, 21.09.93 г.) Устройство для реакторных испытаний трубчатых образцов на длительную прочность и ползучесть разработано для загрузки его в материаловедческий канал реактора БР-10 (ГНЦ РФ ФЭИ). Калиброванный торсиометр, конструкция которого представлена на фиг. 2, содержит четыре упругих пластины с размерами 110·12·0,8 мм, изготовленных из пружинной стали ЗОХГСА. Остальные выполнены из нержавеющей стали. На фиг. 3 дан график выхода на рабочий режим, т.е. до одной из заданных величин крутящего момента M₃.

Значения контрольных моментом M₁ и M₂ получены в процессе стендовой тарировки калиброванного торсиометра.

Формула изобретения

Устройство для испытаний образцов материалов на кручение в ядерном реакторе, содержащее корпус с пассивным захватом для образца, активный захват для образца, выполненный в виде силопередающего вала, датчик крутящего момента и механизм нагружения образца, связанный с последним, отличающееся тем, что оно снабжено калиброванным торсиометром с двумя фиксированными значениями нагрузки на заданном интервале его деформирования, включающим в себя втулку с выполненной в последней по дуге прорезью на одном конце, подвижно установленную на конце втулки посредством размещенного в прорези штыря первую ступицу, вторую ступицу, жестко связанную с другим концом втулки, осесимметричные предварительно нагруженные упругие пластины, своими концами жестко соединенные со ступицами, одна ступица соединена с датчиком крутящего момента, а другая с силопередающим валом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4