液態金屬旋轉腐蝕實驗裝置的發展及創新設計

彭 湃，郭騰蛟，王延宇，龐永強，田書建

（華北水利水電大學，河南 鄭州 450045）

引言

受控核聚變具有清潔安全、儲量豐富、輸出能量高等突出優點，是目前能解決當前社會能源危機的主要途徑之一。目前限制核聚變技術進展的問題是材料問題，特別是耐輻照、耐高溫、高強度的新型材料。包層是實現能量轉換、氚自持及輻照屏蔽的主要部件，滿足包層苛刻環境要求結構材料的開發及性能檢測成為目前研究的熱點[1]。

目前國際上普遍關注的聚變堆包層設計方案為液態金屬鋰鉛包層方案，這同時也是中國在聚變堆設計及在國際聚變實驗堆（ITER）測試包層模塊（TBM）的主要方案，即雙功能液態鋰鉛測試包層方案DFLL.TBM[2]。液態金屬鋰鉛在包層中流動將帶來很多具有挑戰性的技術問題，如液態金屬鋰鉛與包層材料的相容性、液態金屬鋰鉛的流動特性、鋰鉛純化技術與氚工藝研究、關鍵儀器設備與工藝研制等[3]。液態金屬在聚變堆包層中得到了廣泛的應用，特別是液態鋰鉛合金因其獨特的中子和傳熱特性而成為氚增殖包層的主要增殖劑和冷卻劑。然而液態鋰鉛合金動力粘度較大[4]，在氚增殖包層回路中的流動單單依靠溫差的流動是非常緩慢的，必須采用液態金屬電磁泵進行輸送。然而，由于高溫高流速的液態鋰鉛合金對泵壁材料的沖刷作用以及液態鋰鉛合金與金屬材料的相容性問題，泵結構材料將會受到腐蝕破壞，對泵的安全運行帶來一定隱患，降低了核主泵的使用壽命，還有可能引起突發事故造成嚴重后果和經濟損失。因此，尋找一種裝置能夠模擬液態金屬的高速流動對結構材料的沖蝕、腐蝕方面的實驗研究具有重要意義。

1 國內外研發現狀

1.1 靜態腐蝕實驗裝置

靜態腐蝕實驗裝置是將樣品材料放置在一定溫度條件下的實驗腔中（如反應釜、高溫腐蝕容器等）開展的腐蝕實驗。此類裝置相對于動態回路腐蝕裝置具有結構簡單，易于拆卸等優點。一般用于開展早期的腐蝕實驗研究，為下一步開展動態腐蝕實驗提供數據支撐。實驗方法為：將試樣固定于試樣架上，然后將樣品架放入盛有高溫液態合金的實驗腔中，經過相應的設定時間后，將試樣取出來分析腐蝕情況。缺點是這種靜態的腐蝕實驗裝置不能模擬出實際流動管道中液態金屬對樣品材料的沖蝕、腐蝕過程。

1.2 動態腐蝕實驗裝置

為了研究清楚液態金屬的流動狀態對結構材料沖蝕、腐蝕行為的影響，人們通過模擬動態的液態介質腐蝕試驗裝置，一般有兩種方法：一是研究試樣旋轉，如旋轉圓盤法、旋轉圓柱體法；二是研究試樣固定不動，如管道流動法，噴射法。目前，研究液態介質動態腐蝕行為的裝置主要有液態介質回路實驗裝置和旋轉腐蝕實驗裝置兩種。

旋轉腐蝕實驗裝置是將試樣固定在密封容器中或者固定在旋轉圓盤（葉輪）上通過電機帶動圓盤（葉輪）旋轉，從而帶動實驗試樣在介質中的旋轉，使液態介質與試樣間產生相對速度，用來模擬開展結構材料在特定流速液態介質中的腐蝕實驗。在常用的旋轉裝置中有機械式旋轉裝置，電能式旋轉裝置和磁能式旋轉裝置。通過磁力耦合器驅動內磁轉子的方法，實現靜密封結構的非接觸力矩傳遞，根據相對運動原理，帶動樣品固定架在液態介質中旋轉，開展低活化鋼及其焊縫在液態介質中的持續流動腐蝕實驗。相對于液態介質實驗回路，通過磁力驅動實現內罐體的完全靜密封,避免了液態介質回路中存在的結構失效和管道泄漏等安全風險。但是這種傳統的磁力攪拌裝置的磁力攪拌轉子在旋轉時與容器之間的摩擦為滑動摩擦，摩擦阻力大，且極易使磁力攪拌轉子磨損，尤其不適于腐蝕試驗環境惡劣及試驗周期較長的攪拌需求。另外，如果磁力攪拌轉子旋轉攪拌的截面積大，阻力就會很大，不利于攪拌子與動力同步，進而影響攪拌效果，又如果磁力攪拌轉子旋轉攪拌的截面積小，則其在旋轉過程中不利于測量周圍液體的轉速并且容易跳出正常區域而不轉動。

為探究鋰鉛合金對泵壁材料的沖刷腐蝕性與相容性，采用沖刷腐蝕實驗裝置進行研究。國內沖刷腐蝕實驗裝置大多采用的讓沖刷工質與樣品間發生相對運動的方法是管流法。一個完整的液態金屬實驗回路,一般包括一個主回路和凈化、充鉛鋰合金、排放鉛鋰合金、保護氣體等輔助回路,實驗系統復雜,建造與實驗成本高,周期長。歐洲、美國、日本等在20世紀80年代已建立了多個液態鉛鋰實驗回路,如法國的ALCESTE回路、意大利的LIFUSII回路、日本京都大學的實驗回路。如中科院FDS團隊早期成功設計和研發了DRAGON系列液態鋰鉛實驗回路，開展了抗輻射結構材料與液態鋰鉛相容性實驗研究[5]。管流法的優點很多，特別是能夠較好地模擬管道沖刷的實況，實驗結果的參考價值較高，與實際工況更加接近，同時也尤其無法避免的缺點，如設備占據空間較大，管道內部實驗樣品難于固定和控制，管道內部工質流速調節手段單一，運行成本高等不足[6]。

2 旋轉腐蝕實驗裝置的新型設計

本文設計的裝置致力于克服以上問題，提出一種可升降式一體化液態金屬旋轉腐蝕實驗裝置，對裝置樣品夾具的固定方式提出了創新性方案。

液態金屬旋轉腐蝕實驗裝置結構如圖1所示，由電動機、升降裝置、溫度傳感器、主罐罐蓋、主罐罐體、樣品固定架和攪拌器等組成。實驗裝置運行時，液態鋰鉛合金在攪拌器的帶動下圍繞攪拌器軸旋轉，液態鋰鉛合金與固定在樣品固定架上的樣品產生相對運動，使得樣品發生沖刷腐蝕。根據實驗需要，可以通過調節攪拌器轉速靈活調節樣品表面流速。與傳統裝置相比本裝置擁有以下三個優點。

1）考慮到傳統磁力攪拌裝置的磁力攪拌轉子在旋轉時與容器之間有較大摩擦，導致上下兩轉子轉速不匹配，對實驗造成較大誤差，且由于存在轉子磨損，因此傳統磁力驅動裝置不符合腐蝕實驗惡劣的環境的要求及實驗周期較長的要求。本裝置采用動力軸一體化設計，在起始段連接可調節轉速的電動機，末端裝有攪拌器葉輪。通過計算機軟件的流速模擬選擇合適的電動機及葉輪的尺寸，實現裝置系統在腐蝕實驗環境下持久性、穩定性地工作并且保證液態LiPb的高流速狀態，不存在磁力驅動時有轉速差的缺點，能夠精確地測試出結構材料在液態金屬腐蝕和侵蝕協同作用下的耐腐蝕性能，準確地體現結構材料耐腐蝕的性能指標。

2）考慮到傳統實驗裝置中往往采用金屬絲纏繞腐蝕材料的固定方法，不僅費時費力而且固定用的金屬絲在高溫、高壓、高流速的狀態下容易熔斷，存在樣品固定不牢，脫離樣品固定架的問題。本裝置在裝有液態LiPb的容器壁上設計出來能夠承載耐腐蝕材料的凹槽，如圖2所示，在壁厚1.2 cm，高度9 cm的內罐體圓周上設置2個相同的10 cm×14 cm×10 cm梯形凹槽，實驗前，只需將相似尺寸的形狀的耐腐蝕材料塞入凹槽內。即可利用榫卯式結構定位住樣品，加以螺絲固定即可，并使得樣品一面暴露于液態金屬中。這種設計代替了傳統的鐵絲固定方法，實驗裝置容易加工，樣品材料固定方便，減少了實驗的成本并節約時間，提高了實驗效率。

3）考慮到用傳統的裝置開展實驗時需要將固態的LiPb合金在外部加熱熔融為液態后輾轉倒入儲液罐中，對實驗人員的實驗素養要求極高，這也使實驗變得危險難以操作，并且也會因液態的LiPb暴露于空氣中氧化變質，造成無法模擬出核主泵內部的真實腐蝕情況而對實驗精度造成影響。本裝置的樣品固定架可升降設計，軸中部平臺采用四個相同的固定螺栓，搭配不銹鋼波紋管，與樣品固定架相連套于主軸外部，與裝置主軸共軸線。實驗可調節平臺的螺紋旋合長度來控制樣品固定架的浸入和提出液體，在實驗進行中，還可以實時升降樣品固定架，實驗結束后只需旋轉升降螺絲，使樣品架露出液態金屬，方便拿取樣品。

3 結語

在調研了國內外發展現狀后，與其他類似裝置對比，自主設計的旋轉腐蝕裝置的優點是利用不銹鋼波紋管的變形量實現旋轉部件110 mm行程的高低調節。設計升降旋轉電機部件，使裝置制造、維修更加簡單方便，便于操作；同時也大大降低了裝置的建造成本，不用再額外添加相關的升降電機。本裝置的可升降式一體化設計完美避免了傳統磁力旋轉的轉速不匹配問題。容器壁上設計出來能夠承載耐腐蝕實驗材料的凹槽代替了傳統的鐵絲捆綁腐蝕材料的固定方法，能夠精確地測試出結構材料在液態金屬腐蝕和侵蝕協同作用下的耐腐蝕性能，準確地體現結構材料耐腐蝕的性能指標。