液态金属旋转腐蚀实验装置的发展及创新设计

彭 湃，郭腾蛟，王延宇，庞永强，田书建

（华北水利水电大学，河南 郑州 450045）

引言

受控核聚变具有清洁安全、储量丰富、输出能量高等突出优点，是目前能解决当前社会能源危机的主要途径之一。目前限制核聚变技术进展的问题是材料问题，特别是耐辐照、耐高温、高强度的新型材料。包层是实现能量转换、氚自持及辐照屏蔽的主要部件，满足包层苛刻环境要求结构材料的开发及性能检测成为目前研究的热点[1]。

目前国际上普遍关注的聚变堆包层设计方案为液态金属锂铅包层方案，这同时也是中国在聚变堆设计及在国际聚变实验堆（ITER）测试包层模块（TBM）的主要方案，即双功能液态锂铅测试包层方案DFLL.TBM[2]。液态金属锂铅在包层中流动将带来很多具有挑战性的技术问题，如液态金属锂铅与包层材料的相容性、液态金属锂铅的流动特性、锂铅纯化技术与氚工艺研究、关键仪器设备与工艺研制等[3]。液态金属在聚变堆包层中得到了广泛的应用，特别是液态锂铅合金因其独特的中子和传热特性而成为氚增殖包层的主要增殖剂和冷却剂。然而液态锂铅合金动力粘度较大[4]，在氚增殖包层回路中的流动单单依靠温差的流动是非常缓慢的，必须采用液态金属电磁泵进行输送。然而，由于高温高流速的液态锂铅合金对泵壁材料的冲刷作用以及液态锂铅合金与金属材料的相容性问题，泵结构材料将会受到腐蚀破坏，对泵的安全运行带来一定隐患，降低了核主泵的使用寿命，还有可能引起突发事故造成严重后果和经济损失。因此，寻找一种装置能够模拟液态金属的高速流动对结构材料的冲蚀、腐蚀方面的实验研究具有重要意义。

1 国内外研发现状

1.1 静态腐蚀实验装置

静态腐蚀实验装置是将样品材料放置在一定温度条件下的实验腔中（如反应釜、高温腐蚀容器等）开展的腐蚀实验。此类装置相对于动态回路腐蚀装置具有结构简单，易于拆卸等优点。一般用于开展早期的腐蚀实验研究，为下一步开展动态腐蚀实验提供数据支撑。实验方法为：将试样固定于试样架上，然后将样品架放入盛有高温液态合金的实验腔中，经过相应的设定时间后，将试样取出来分析腐蚀情况。缺点是这种静态的腐蚀实验装置不能模拟出实际流动管道中液态金属对样品材料的冲蚀、腐蚀过程。

1.2 动态腐蚀实验装置

为了研究清楚液态金属的流动状态对结构材料冲蚀、腐蚀行为的影响，人们通过模拟动态的液态介质腐蚀试验装置，一般有两种方法：一是研究试样旋转，如旋转圆盘法、旋转圆柱体法；二是研究试样固定不动，如管道流动法，喷射法。目前，研究液态介质动态腐蚀行为的装置主要有液态介质回路实验装置和旋转腐蚀实验装置两种。

旋转腐蚀实验装置是将试样固定在密封容器中或者固定在旋转圆盘（叶轮）上通过电机带动圆盘（叶轮）旋转，从而带动实验试样在介质中的旋转，使液态介质与试样间产生相对速度，用来模拟开展结构材料在特定流速液态介质中的腐蚀实验。在常用的旋转装置中有机械式旋转装置，电能式旋转装置和磁能式旋转装置。通过磁力耦合器驱动内磁转子的方法，实现静密封结构的非接触力矩传递，根据相对运动原理，带动样品固定架在液态介质中旋转，开展低活化钢及其焊缝在液态介质中的持续流动腐蚀实验。相对于液态介质实验回路，通过磁力驱动实现内罐体的完全静密封,避免了液态介质回路中存在的结构失效和管道泄漏等安全风险。但是这种传统的磁力搅拌装置的磁力搅拌转子在旋转时与容器之间的摩擦为滑动摩擦，摩擦阻力大，且极易使磁力搅拌转子磨损，尤其不适于腐蚀试验环境恶劣及试验周期较长的搅拌需求。另外，如果磁力搅拌转子旋转搅拌的截面积大，阻力就会很大，不利于搅拌子与动力同步，进而影响搅拌效果，又如果磁力搅拌转子旋转搅拌的截面积小，则其在旋转过程中不利于测量周围液体的转速并且容易跳出正常区域而不转动。

为探究锂铅合金对泵壁材料的冲刷腐蚀性与相容性，采用冲刷腐蚀实验装置进行研究。国内冲刷腐蚀实验装置大多采用的让冲刷工质与样品间发生相对运动的方法是管流法。一个完整的液态金属实验回路,一般包括一个主回路和净化、充铅锂合金、排放铅锂合金、保护气体等辅助回路,实验系统复杂,建造与实验成本高,周期长。欧洲、美国、日本等在20世纪80年代已建立了多个液态铅锂实验回路,如法国的ALCESTE回路、意大利的LIFUSII回路、日本京都大学的实验回路。如中科院FDS团队早期成功设计和研发了DRAGON系列液态锂铅实验回路，开展了抗辐射结构材料与液态锂铅相容性实验研究[5]。管流法的优点很多，特别是能够较好地模拟管道冲刷的实况，实验结果的参考价值较高，与实际工况更加接近，同时也尤其无法避免的缺点，如设备占据空间较大，管道内部实验样品难于固定和控制，管道内部工质流速调节手段单一，运行成本高等不足[6]。

2 旋转腐蚀实验装置的新型设计

本文设计的装置致力于克服以上问题，提出一种可升降式一体化液态金属旋转腐蚀实验装置，对装置样品夹具的固定方式提出了创新性方案。

液态金属旋转腐蚀实验装置结构如图1所示，由电动机、升降装置、温度传感器、主罐罐盖、主罐罐体、样品固定架和搅拌器等组成。实验装置运行时，液态锂铅合金在搅拌器的带动下围绕搅拌器轴旋转，液态锂铅合金与固定在样品固定架上的样品产生相对运动，使得样品发生冲刷腐蚀。根据实验需要，可以通过调节搅拌器转速灵活调节样品表面流速。与传统装置相比本装置拥有以下三个优点。

1）考虑到传统磁力搅拌装置的磁力搅拌转子在旋转时与容器之间有较大摩擦，导致上下两转子转速不匹配，对实验造成较大误差，且由于存在转子磨损，因此传统磁力驱动装置不符合腐蚀实验恶劣的环境的要求及实验周期较长的要求。本装置采用动力轴一体化设计，在起始段连接可调节转速的电动机，末端装有搅拌器叶轮。通过计算机软件的流速模拟选择合适的电动机及叶轮的尺寸，实现装置系统在腐蚀实验环境下持久性、稳定性地工作并且保证液态LiPb的高流速状态，不存在磁力驱动时有转速差的缺点，能够精确地测试出结构材料在液态金属腐蚀和侵蚀协同作用下的耐腐蚀性能，准确地体现结构材料耐腐蚀的性能指标。

2）考虑到传统实验装置中往往采用金属丝缠绕腐蚀材料的固定方法，不仅费时费力而且固定用的金属丝在高温、高压、高流速的状态下容易熔断，存在样品固定不牢，脱离样品固定架的问题。本装置在装有液态LiPb的容器壁上设计出来能够承载耐腐蚀材料的凹槽，如图2所示，在壁厚1.2 cm，高度9 cm的内罐体圆周上设置2个相同的10 cm×14 cm×10 cm梯形凹槽，实验前，只需将相似尺寸的形状的耐腐蚀材料塞入凹槽内。即可利用榫卯式结构定位住样品，加以螺丝固定即可，并使得样品一面暴露于液态金属中。这种设计代替了传统的铁丝固定方法，实验装置容易加工，样品材料固定方便，减少了实验的成本并节约时间，提高了实验效率。

3）考虑到用传统的装置开展实验时需要将固态的LiPb合金在外部加热熔融为液态后辗转倒入储液罐中，对实验人员的实验素养要求极高，这也使实验变得危险难以操作，并且也会因液态的LiPb暴露于空气中氧化变质，造成无法模拟出核主泵内部的真实腐蚀情况而对实验精度造成影响。本装置的样品固定架可升降设计，轴中部平台采用四个相同的固定螺栓，搭配不锈钢波纹管，与样品固定架相连套于主轴外部，与装置主轴共轴线。实验可调节平台的螺纹旋合长度来控制样品固定架的浸入和提出液体，在实验进行中，还可以实时升降样品固定架，实验结束后只需旋转升降螺丝，使样品架露出液态金属，方便拿取样品。

3 结语

在调研了国内外发展现状后，与其他类似装置对比，自主设计的旋转腐蚀装置的优点是利用不锈钢波纹管的变形量实现旋转部件110 mm行程的高低调节。设计升降旋转电机部件，使装置制造、维修更加简单方便，便于操作；同时也大大降低了装置的建造成本，不用再额外添加相关的升降电机。本装置的可升降式一体化设计完美避免了传统磁力旋转的转速不匹配问题。容器壁上设计出来能够承载耐腐蚀实验材料的凹槽代替了传统的铁丝捆绑腐蚀材料的固定方法，能够精确地测试出结构材料在液态金属腐蚀和侵蚀协同作用下的耐腐蚀性能，准确地体现结构材料耐腐蚀的性能指标。