一种带有外部引压式压力平衡结构的加载装置及加载方法技术领域：
本发明属于金属材料在高温高压环境中试验研究领域，具体涉及一种带有外部引
压式压力平衡结构的加载装置及加载方法。
背景技术：
金属材料在高温高压环境中的力学化学交互作用开裂(如应力腐蚀、腐蚀疲劳)是
很多领域面临的重要问题。典型的如核电站循环回路及蒸汽发生器传热管、火电站锅炉水
冷壁、汽轮机金属部件、石油化工工业的压力容器等，都经常因材料发生应力腐蚀或腐蚀疲
劳而导致安全事故，所以，在实验室中利用高压釜模拟高温高压环境来研究金属材料的力
学化学交互作用问题具有重要意义。而传统的力传感器无法安装在试验用高压釜内，现有
技术中加载机的载荷通过加载轴传递到高压釜的内部，试样所承受的载荷值通过高压釜外
部的力传感器测量。然而，此时力传感测量值并非加载到试样上的实际载荷，要想得到加载
在试样上的实际载荷，还需要去除高压釜内压作用在加载轴上的静力。在实际进行试验时，
当试样尺寸较小，或者材料强度较低，或者高压釜压力较高时，高压釜内压对加载轴施加的
载荷会较大，严重影响试验结果的准确性。
为了在试验过程中平衡高压釜内压所产生的有害拉力，日本东伸公司设计了一种
在高温高压环境下带有中空式压力平衡结构的高压釜加载装置(参见日本发明专利：
1219480)。其基本原理如下：加载轴开有引压中心孔，将高压釜中压力引入压力平衡腔中，
则两者内部压强相等。加载轴伸入高压釜中的直径为d，加载轴中间段直径为则加载
轴中间段横截面积等于两倍加载轴深入高压釜端的面积，两者之差恰好等于加载轴深入高
压釜端的面积，此时，压力平衡腔内压作用于加载轴中间段轴肩上的力恰好等于高压釜内
压作用于加载轴上的力，两者相互平衡抵消，从而自动消除了高压釜内压力所产生的有害
力。
带有中空式压力平衡结构的加载装置虽然解决了高压釜内金属试样载荷精确测
量的问题，但此方法也存在以下弊端：首先，加载轴需要在中心钻深孔，当加载轴较长或直
径较小时，加工非常困难；其次，加载轴中心钻孔需要90度变换方向，加载轴加工很难一次
成型，通常加工过程中将加载轴分为两段分别加工，之后通过焊接连接，焊接缺陷会导致加
载轴强度可靠性降低，最后，这种加载装置对加载轴和各部件之间的对中性要求很高，一旦
在对中性不好，会产生巨大摩擦力，导致加载轴或者其他部件损坏，而且该装置在加载轴上
安装了三套密封圈用于加载轴动态密封，更换密封圈需要大量操作，而且也会增加系统自
身的摩擦了，导致试验载荷测量结果误差较大。
发明内容：
本发明的目的是为了克服现有高温高压环境下加载技术中的以上弊端，提供了一
种带有外部引压式压力平衡结构的加载装置及加载方法。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：
一种带有外部引压式压力平衡结构的加载装置，包括密封冷却结构、压力平衡结
构、连接螺杆、加载轴、加载机连接结构和外部引压结构；其中，密封冷却结构的一端与高压
釜盖密封连接，另一端通过连接螺杆与压力平衡机构连接，加载轴贯穿于密封冷却结构和
压力平衡结构内部，加载机连接结构一端与加载轴螺纹固定连接，另一端连接加载机，外部
引压结构一端连接压力平衡结构的引压孔，另一端与高压釜入口三通连接，使得高压釜内
压力同压力平衡结构中的压力相等，自动抵消了高压釜内压力所产生的有害应力。
所述密封冷却结构包括轴套、空冷叶片、密封圈Ⅰ、轴套盖板和密封螺栓；其中，所
述轴套通过螺纹旋紧在高压釜盖上，其外设有多级空冷叶片用于冷却，所述轴套与所述加
载轴之间通过密封圈Ⅰ动密封连接，所述轴套盖板通过密封螺栓与所述轴套固接。
所述压力平衡结构包括压力平衡桶、压力平衡桶盖板、密封圈Ⅱ、压力平衡腔和压
力平衡腔密封螺栓；其中，所述压力平衡桶与所述加载轴之间通过密封圈Ⅱ动密封连接，所
述压力平衡桶盖板与通过所述压力平衡腔密封螺栓与压力平衡桶固接。
所述密封冷却结构和所述压力平衡结构之间通过一组连接螺杆螺纹连接。
所述加载机连接结构包括加载框、防滑螺母加载机连接接头；其中，所述加载框一
端与所述加载轴螺纹连接，利用所述防滑螺母固定，另一端连接所述载机连接接头。
所述压力平衡结构的压力平衡桶一侧设有引压孔，引压接头一端与所述压力平衡
桶螺纹密封连接，另一端与金属引压管通过金属卡套密封连接，金属引压管的另一端与高
压釜入口处三通通过金属卡套密封连接，使得高压釜内压力同压力平衡结构中的压力相
等。
所述加载轴与所述轴套配合处开有凹形槽，所述密封圈Ⅰ安装在加载轴的凹形槽
内；所述加载轴与所述压力平衡桶配合处开有凹形槽，所述密封圈Ⅱ安装在加载轴的凹形
槽内。
一种带有外部引压式压力平衡结构的加载方法，该方法基于一种带有外部引压式
压力平衡结构的加载装置，包括如下步骤：
1)配合安装密封冷却结构、压力平衡结构、连接螺杆、加载轴、加载机连接结构和
外部引压结构；
2)在试验过程中所述压力平衡结构内部压同高压釜内压强相等由于加载轴伸入
高压釜一端和位于压力平衡腔内一端的横截面积相同，因此压力平衡腔内压作用于加载轴
的力恰好等于高压釜内压作用于加载轴上的力，两者相互平衡抵消，自动平衡了高压釜内
压力所产生的力；外部试验加载机通过加载机连接结构和加载轴相连接，此时，外部加载机
所加载的载荷与加载轴上的载荷相等，即为试样所受实际载荷
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明装置中无需在加载轴上开中心孔或者进行是加载轴焊接，大大简化了加
载轴的加工过程，同时提高了加载轴的强度可靠性及使用寿命。
2、本发明采用外部引压式压力平衡结构，加载轴上的密封圈由原来的三组减少到
两组，简化了密封圈更换操作，同时还降低了系统自身的摩擦力，使得载荷测量结果更加精
确。
3、本发明采用外部引压式压力平衡结构，压力平衡结构和密封冷却结构通过外部
引压结构连接，大大降低了加载轴和各部件之间的对中性要求，易于安装及维护。
综上所述，本发明设计巧妙，应用范围广，可安装于实验室常见的各种高温高压环
境的试验机，包括高温高压慢拉伸应力腐蚀试验机、高温高压恒载荷应力腐蚀试验机、高温
高压腐蚀疲劳试验机等，均能准确实时测量试样载荷。
附图说明：
图1为发明所述一种带有外部引压式压力平衡结构的加载装置的正视图。
图2为加载框与加载轴连接位置局部的侧视图。
图中：101为轴套；102为空冷叶片；103为密封圈Ⅰ；104为轴套盖板；105轴套密封螺
栓；106为连接螺杆；107为加载轴；108为压力平衡桶；109为压力平衡桶盖板；110为压力平
衡桶密封螺栓；111为密封圈Ⅱ；112为压力平衡腔；113为加载框，114为防滑螺母，115为加
载机连接接头；116为金属引压管，117为引压接头，118为高压釜盖。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种带有外部引压式压力平衡结构的加载装置，包括密封冷却
结构、压力平衡结构、连接螺杆、加载轴、加载机连接结构和外部引压结构。具体安装步骤如
下：
密封冷却结构包括轴套101、空冷叶片102、密封圈Ⅰ103、轴套盖板104和密封螺栓
105。将轴套101旋紧在高压釜盖118上，将密封圈Ⅰ103安装在加载轴107的凹槽内，将加载轴
缓慢推入轴套101内，调节好加载轴的位置后，安装轴套盖板104，并用密封螺栓105将其与
轴套101固接。
将加载框113安装于加载轴107上，并用防滑螺母114将二者相对位置固定。
将密封圈Ⅱ111安装在加载轴107的凹槽内，依次将压力平衡桶盖板109和压力平
衡桶108套装于加载轴上，并用压力平衡桶密封螺栓110将两者固接。调节压力平衡结构和
密封冷却结构的相对位置，利用一组连接螺杆106将二者固定连接。图2为加载框与加载轴
连接位置局部的侧视图，由图可见密封螺栓105和连接螺杆106及加载框113的相对位置。连
接螺杆106四根间隔90度排开。将引压接头117旋紧在压力平衡桶108上，将金属引压管一端
插入引压接头117，利用金属卡套密封连接，将金属引压管一端与高压釜入口或出口处的三
通连接，使得高压釜内压力桶压力平衡腔内的压力相等。在试验过程中，由于加载轴107伸
入高压釜一端和位于压力平衡腔内一端的横截面积相同，因此压力平衡腔112内压作用于
加载轴107的力恰好等于高压釜内压作用于加载轴上的力，两者相互平衡抵消，自动平衡了
高压釜内压力所产生的力。外部试验加载机通过加载机连接结构和加载轴相连接，此时，外
部加载机所加载的载荷与加载轴上的载荷相等，即为试样所受实际载荷。
本发明设计巧妙，应用范围广，可安装于实验室常见的各种高温高压环境的试验
机，包括高温高压慢拉伸应力腐蚀试验机、高温高压恒载荷应力腐蚀试验机、高温高压腐蚀
疲劳试验机等，均能准确实时测量试样载荷。