УСТАНОВКА ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАЩИТНЫХ СВОЙСТВ СОЗДАВАЕМЫХ ОКСИДНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОБРАЗЦАХ ИЗ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

Полезная модель относится к реакторостроению и может быть использована для создания на поверхности конструкционных сталей оксидных покрытий. Установка также относится к испытательной технике и может быть использована для испытаний покрытий, создаваемых на конструкционных сталях.
При создании новых реакторных установок, ориентированных на повышенные потребительские свойства, повышаются требования к используемым конструкционным сталям. Для защиты их поверхности создают специальные покрытия, которые должны удовлетворять как общим, так и специфическим требования:
- обладать высокой сопротивляемостью внешним воздействиям и устойчивостью относительно процессов, приводящих к его отслаиванию;
- обладать коррозионной стойкостью в расплавах свинца и свинца-висмута;
- быть устойчивыми к циклическим температурным воздействиям;
- обладать устойчивостью к механическому воздействию потока тяжелого теплоносителя;
- обладать свойством самозалечивания непосредственно в теплоносителе
Учитывая возросшие требования к использованию конструкционных сталей, задача создания соответствующих защитных покрытий и их тестирование становится все более актуальной.
Известна установка для термоциклических испытаний, содержащая камеру для размещения испытуемого объекта и систему подачи воздуха в камеру (Патент RU 2205388, G01N 25/58, 19.04.2001). Недостатком этой установки является отсутствие возможности исследования качества получаемых образцов в жидкометаллической среде.
Известно устройство для ввода образца в вакуумную камеру, включающее камеру с фиксатором, магнитный механизм перемещения, соединенный со штоком, выполненным с возможностью соединения с держателем образца, шлюзовую камеру (Патент RU 2389004, G01J 3/00, 11.01.2009). Недостатком является отсутствие возможности получения покрытий из газовых сред с заданными характеристиками и возможностью исследования их с качества.
Наиболее близким по технической сути к заявляемой установке является установка для исследования защитных свойств создаваемых оксидных покрытиях на образцах из конструкционных сталей (RU 2424506. G01N 25/00, 2011). Данное техническое решение принято за прототип. К недостаткам прототипа можно отнести низкое качество формируемых покрытий и высокую погрешность при определении характеристик защитных свойств покрытия.
Задачей настоящей модели является создание установки для создания оксидных покрытий на конструкционных сталях и их испытаний, лишенной указанных недостатков.
Техническим результатом является повышение качества формируемых покрытий и их испытаний.
Указанный технический результат достигается тем, что установка позволяет:
(а) осуществлять отработку непосредственно технологических процессов создания покрытий на образцах конструкционных сталей;
(б) исследовать образцы покрытий в жидкометаллическом теплоносителе в контролируемых условиях.
Для решения поставленной задачи и достижения заявленного технического результата предлагается установка для исследования защитных свойств создаваемых оксидных покрытий на образцах из конструкционных сталей.
Отличительной особенностью предлагаемой установки является то, что она содержит реакционную емкость с размещенным в ней штоком с образцами и шлюзовую камеру, при этом реакционная емкость выполнена с крышкой с фланцевым соединением для обеспечения возможности извлечения штока с образцами из реакционной емкости и возможностью размещения в ее полости стакана с жидкометаллическим расплавом, между шлюзовой камерой, предназначенной для отсадки и замены образцов, и реакционной емкостью размещен шаровой клапан, обеспечивающий перемещение штока с закрепленными на нем образцами, при этом к реакционной емкости и к шлюзовой камере подведены трубопроводы подачи и отвода инертного газа или газовой окислительной смеси.
Дополнительно предлагается реакционную емкость оснастить средствами контроля температурного режима и давления в газовой и жидкометаллических средах.
Дополнительно предлагается установку снабдить техническими средствами приготовления и контроля реакционных газовых смесей.
Дополнительно предлагается на трубопроводах подвода и отвода инертного газа разместить средства контроля температурного режима и давления, например, на трубопроводе подвода инертного газа разместить газовый коллектор с исходными газами и/или увлажнитель газовых смесей и/или измеритель расхода, а на трубопроводах подвода и отвода инертного газа установить датчики водорода и кислорода.
Также дополнительно предлагается на трубопроводе отвода инертного газа разместить холодильник-конденсатор и/или хроматограф.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором представлена установка для создания покрытий на конструкционных сталях и их испытания.
Основным элементом установки является реакционная емкость 7, в которой размещаются образцы 2 конструкционных сталей. Реакционная емкость снабжена шлюзовой камерой J, предназначенной для обеспечения отсадки и замены образцов без нарушения режима работы установки. Шлюзовая камера отделена от основного объема реакционной емкости шаровым клапаном 4, обеспечивающим беспрепятственное перемещение штока 5 с закрепленными на нем образцами. К верхней части шлюзовой камеры подведены трубопроводы подачи 6 и отвода инертного газа 7 для замены воздушной атмосферы после извлечения образцов.
Реакционная емкость имеет фланцевое соединение с крышкой 8, позволяющее после окончания экспериментов по созданию покрытий в газовых окислительных смесях разместить в полости реакционной емкости стакан с жидкометаллическим расплавом (на чертеже не показан) для проведения экспериментов по определению защитных свойств сформированных покрытий.
Реакционная емкость 7 также снабжена средствами контроля температурного режима 9, давления 10 и датчиками кислорода и водорода 11, соответственно в газовой и жидкометаллических средах.
В состав установки входят технические средства приготовления, контроля, подачи реакционных газовых смесей в реакционную емкость, а также их отвода из установки. Они состоят из газового коллектора 12 с исходными газами, увлажнителя газовых смесей 13, измерителя расхода 14, газовых датчиков водорода и кислорода на входе и на выходе из реакционной емкости, холодильника-конденсатора 15, хроматографа 16, газовых часов 17.
Установка в режиме формирования защитных покрытий на образцах конструкционных сталей работает следующим образом.
Устанавливают режим продувки реакционной емкости 7 заданной реакционной смесью. Для этого устанавливают необходимый расход аргона, либо аргоноводородной смеси через увлажнитель 13 и производят разогрев воды в увлажнителе 13 до требуемой температуры. Состав смеси контролируют датчиками кислорода и водорода 11. Для проверки показаний водородных датчиков периодически используют хроматограф 16.
Производят разогрев реакционной емкости 7 до температуры исследуемого режима окисления стали. Температура контролируют подвижной термопарой, установленной в реакционной емкости. Снимают температурное распределение по высоте реакционной емкости 7 и определяют область одинаковых температурных условий.
С помощью штока 2 исследуемые образцы 5 помещают в найденную область реакционной емкости. Температурный режим образцов контролируют по термопаре, установленной в штоке, в районе расположения образцов.
Через заданное время экспозиции образцов осуществляется отсадка части образцов для дальнейших исследований. Для этого шток 5 с образцами перемещаются в верхнее положение, а шаровой клапан 4 закрывают. Верхнюю крышку 8 реакционной емкости открывают, шток 5 с образцами 2 извлекают из реакционной емкости и производят отсадку последних.
Шток 5 с оставшимися образцами 2 помешают в шлюзовую камеру 3, верхняя крышка 8 герметизируют, после чего воздушную атмосферу в камере замещают инертным газом или реакционной газовой смесью. Открывают шаровой клапан 4, и шток 5 с образцами 2 устанавливают в рабочее положение.
Исследования процессов формирования защитных покрытий проводят в температурном диапазоне 500-7500°С.
Диапазон исследуемых парциальных давлений кислорода с высокой стороны ограничивается давлением диссоциации чистого водяного пара, а с низкой стороны равновесными значениями для используемых пароводородных смесей.
Продолжительность экспозиции образцов 2 в газовых окислительных средах зависит от температуры и составляет от нескольких суток до нескольких десятков минут.
Расход окислительных газовых сред составляет 2-3 нл/ч.
В ходе проводимых испытаний исследуются три вида исходной подготовки поверхности образцов:
- в состоянии поставки (соответствующей отсутствию дополнительного воздействия на поверхность исследуемой стали);
- после обработки поверхности наждачной бумагой (дорнование);
- после ультразвуковой обработки.
Основными исследуемыми конструкционными сталями являются стали аустенитного класса ОХ18Н10Т и ЭП-302. В качестве дополнительного объекта исследований рассматривается сталь феррито-мартенситного класса ЭП-823.
Полученные на первом этапе образцы покрытий в дальнейшем подвергают металлофизическим исследованиям для определения состава, структуры, толщины и других характеристик покрытия.
Исследование защитных свойств созданных покрытий осуществляют в режиме экспозиции образцов 2 в расплаве свинца-висмута. Для этого на экспериментальной установке осуществляют размещение в реакционной емкости 7 стакана с жидкометаллическим расплавом и замену газовых датчиков на жидкометаллические.
Исследование защитных свойств покрытий осуществляют в следующем режиме работы установки.
Сначала отрабатывают режим ускоренных испытаний образцов по единой технологии.
При температуре жидкометаллического расплава 600 и 6500°С образцы в состоянии поставки экспонируют в течение заданного времени при предельном насыщении расплава кислородом с отсадкой образцов.
По результатам испытаний выбирают температуру и продолжительность ускоренных испытаний образцов с покрытиями.
В выбранных условиях проводят испытания кандидатных образцов покрытий на предмет выявления лучших защитных свойств.