腐蚀寿命（精选5篇）
腐蚀寿命 篇1
引言
飞机等重大工程结构腐蚀损伤及定量评估方法的研究,是保证结构安全运转并充分发挥军机战斗力的关键,同时为研制长寿命、高可靠性、低维修成本飞机以及老龄机的延寿提供理论和技术支撑。腐蚀环境中飞机结构表面,由于环境介质和材料元素间的化学与电化学反应会形成大量随机、貌似半球或半椭球的广布蚀坑,这些腐蚀坑在外界载荷作用下容易形成应力集中并伴有微裂纹产生,相邻微裂纹在疲劳载荷作用下会出现强烈的相互作用并发生贯通,从而形成一个主裂纹,主裂纹继续扩展将引起结构破坏.对于这一复杂的损伤演化过程,至今还没有建立具有短裂纹扩展特性的裂纹长度上限和恢复常规的长裂纹扩展特性之间的关系.针对含腐蚀坑的结构在寿命分析中,无法采用宏观裂纹扩展规律来描述结构在短裂纹阶段的发展,文献[1,2,3]中提出将蚀坑沿垂直于最大主应力方向投影,使其成为对应尺寸的表面裂纹,从而为定量评估含腐蚀坑结构的强度开辟了一条途径。然而,这些工作主要集中在单点腐蚀损伤引起结构破坏分析中,而对于多点损伤造成结构性能降低的研究较少.为了定量评估含广布腐蚀坑的结构强度,本文在前人工作的基础上,采用等效裂纹方法将腐蚀坑沿垂直外界载荷方向进行投影处理,使其转化为具有相同寿命的表面初始裂纹,然后采用参数化有限元方法,求解等效裂纹前沿的应力强度因子、裂纹扩展方向和裂纹扩展增量,建立并应用应力强度因子变化历程,采用循环接循环损伤累积方法,对含广布等效表面裂纹结构在疲劳载荷作用下的寿命进行预测.预测结果为复杂环境中含有广布腐蚀损伤的飞机结构的寿命预测提供了参考.
1 广布腐蚀损伤评估理论
1.1 腐蚀坑等效处理
等效裂纹技术是通过将结构表面的腐蚀坑沿垂直外界载荷方向进行投影处理,使其转化为具有相同寿命的表面裂纹(如图1),该裂纹会通过沿表面长度2c和沿厚度方向长度a唯一地确定下来,其中2c和a已利用合适的断裂力学模型得到了相应的解[4]从而使含腐蚀坑老龄结构的分析转化成对含表面裂纹结构的分析.
1.2 等效表面裂纹的应力强度因子
采用等效裂纹方法,使含广布腐蚀坑的损伤结构转化为含广布疲劳裂纹的结构。在含广布等效裂纹结构分析中,应力强度因子的求解是结构疲劳寿命预测的关键。在三维表面裂纹的应力强度因子求解中,通常采用有限元法、边界元法、混合法、解析变分法、权函数法和局部整体法等.在这些方法中,由于有限元法不受解析方法常遇到的因裂纹体几何或载荷复杂性限制,所以在断裂分析中得到了广泛应用.在用有限元法求解裂纹问题时,除了某些特殊单元外,一般不能直接解出应力强度因子,需要由有限元计算输出结果做一步推导才能最终确定应力强度因子.在用有限元结果推导应力强度因子时,采用的主要方法有:裂纹张开位移方法、力法、虚裂纹扩展法、虚裂纹闭合法和等效区域积分法,而Henshell与Shaw[5]以及Barsoum[6]构造的奇异单元1/4位移处的应力强度因子,由于其形式简单,并便于在程序中实现而被广泛应用。
式中,E为弹性模量;v为泊松比;r为1/4中间节点到裂纹前沿的距离.
1.3 等效广布裂纹扩展分析
用有限元方法并结合1/4节点位移法得到裂纹前缘的应力强度因子后,求解裂纹前缘点的扩展增量和裂纹扩展方向,就可得到裂纹前缘点的新位置,然后采用样条曲线对新裂纹前缘进行拟合,如图2.
当拟合得到新裂纹前缘后,进行有限元分析,重新计算应力强度因子和裂纹扩展增量.最后一直重复裂纹扩展到极限尺寸bc,整个分析过程按如下步骤完成:
(1)设定每条裂纹的初始尺寸和位置坐标;
(2)采用有限元方法求解各裂纹前缘设定点处应力强度因子[7];
(3)根据式(2)确定各点处裂纹的扩展方向
(4)以尺寸较大的裂纹为对象,设定其前缘点I型应力强度因子Kimax最大点的裂纹扩展增量△bmax,然后结合式(3)求解其他点处的裂纹扩展增量[8]
(5)根据式(4)判断相邻裂纹间是否连通[9]其中,s表示裂纹临近表面点距离;d表示两个裂纹面之间的距离,如果相邻裂纹满足条件,则对其进行合并处理,用一个新裂纹代替原来两个裂纹,新裂纹的尺寸大小由式(5)和式(6)确定。如果不满足合并条件,继续步骤(6)
(6)累积各条裂纹长度bi=b0+,并判断结构是否破坏(比较裂纹的尺寸是否达到极限尺寸bc,其中bc由极限应力强度因子Kcrit确定)
式中,KIC为平面应变断裂韧性(模型I),AK和BK是参数,(在NASA材料库中,通常取AK=5,BK=1),t是结构厚度,t0是平面应变状态下的参考厚度;
(7)重复步骤(2)～(6),一直达到结构极限破坏尺寸。
在每一步扩展分析后,将计算结果(包括每条裂纹前缘设定点的位置坐标,应力强度因子和裂纹扩展增量)记录在一个结果文件中。整个扩展完成后,选择一个参考点处的应力强度因子值和裂纹尺寸的变化,来绘制应力强度因子的变化历程.
1.4 寿命预测
通过参数化过程得到裂纹前缘的应力强度因子变化历程后,就可采用循环接循环损伤累积方法来求解结构的疲劳扩展寿命。分析中设裂纹初始长度为b0,断裂时的临界损伤用临界裂纹长度bc表示,而每次载荷循环产生的损伤增量则用该次载荷循环(第i次)产生的裂纹扩展增量△bi表示。因此,损伤累积公式可写成
而△bi即为第i次载荷循环的(db/dN)i,于是
按照循环接循环的损伤累积方法计算疲劳裂纹扩展寿命的过程,以b0为起点,当裂纹长度b达到bc时,所经历的载荷循环次数就是疲劳裂纹扩展寿命(循环数)Nc.
2 飞机下缘条疲劳寿命的预测
对一服役了24年,飞行了700余小时,1246次起落的某型飞机进行了分解检测,结果发现机翼前梁腐蚀情况尤为严重,如图3所示。其中有5个蚀坑(分别为6,8,9,10,11号)处在下缘条与腹板相连接的部位,它们的尺寸大小和位置坐标见表1.利用腐蚀坑与等效裂纹间的当量关系[4]得到这5个蚀坑所对应等效裂纹的尺寸和位置坐标,见表2.
得到每个等效裂纹尺寸之后,就可采用有限元方法对含等效裂纹的下缘条进行网格划分,如图4所示。然后采用参数化有限元方法求解裂纹前沿的应力强度因子和对应的应力强度因子变化历程,如图5所示.由于下缘条上等效裂纹之间的距离较大,所以,每条裂纹的扩展都是相互独立的,没有发生裂纹合并,首先是裂纹1达到极限尺寸。建立应力强度因子变化历程后,按照循环接循环的损伤累积的方法对前梁下缘条的寿命进行了评估,如图6所示。
3 结论
针对含腐蚀坑、以及由腐蚀坑引起含广布损伤结构破坏机理的复杂性和实际问题的多样性.本文采用等效裂纹方法将腐蚀坑沿垂直外界载荷方向进行投影处理,使其转化为具有相同寿命的等效表面初始裂纹,从而使含广布腐蚀坑的损伤结构转化为含宏观广布疲劳裂纹的结构,然后采用参数化有限元方法,通过求解等效裂纹前沿的应力强度因子、裂纹扩展方向和裂纹扩展增量,建立了预测结构寿命的应力强度因子变化历程,应用该应力强度因子变化历程并结合循环接循环损伤累积方法,对一服役了24年,飞行了700余小时,1246次起落的某型飞机腐蚀损伤进行了定量评估分析,评估结果为高温、高湿等腐蚀环境中老龄化飞机维修和管理提供了参考.
摘要：为了定量评估含广布腐蚀损伤老龄化飞机结构的剩余强度,采用等效裂纹方法将腐蚀坑沿垂直于外界最大主应力方向进行投影处理,使其转化为具有相同寿命的等效初始表面裂纹,然后采用参数化有限元方法,求解等效裂纹前沿的应力强度因子、裂纹扩展方向和裂纹扩展增量,建立并应用应力强度因子变化历程,采用循环接循环的损伤累积方法对含广布等效表面裂纹在疲劳载荷作用下的寿命进行了预测.预测结果为复杂环境中含广布腐蚀坑的飞机结构寿命预测提供了参考.
关键词：广布腐蚀坑,等效裂纹,有限元方法,应力强度因子,疲劳寿命
参考文献
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腐蚀寿命 篇2
埋地输气管道发生腐蚀将会导致输气管道的穿孔、泄漏甚至破裂, 造成巨大的财产生命损失, 有必要对存在腐蚀缺陷的输气管道进行检测并对其剩余寿命的预测。以输气管道为研究对象, 分析其管道的腐蚀特征及防护措施, 并结合各检测技术的优缺点, 采用CIPS与DCVG互相结合的手段对输气管道腐蚀实施检测。另外引用灰色理论预测跟人工神经网络两者互相结合的手段来预测输气管道的剩余寿命[1,2,3,4]。
1管道腐蚀特征及防护
埋地管道的电化学腐蚀创造了有利的条件, 同时地层水中含有O2、H2S、CO2等溶解腐蚀性气体, 加强了土壤的腐蚀性, 而由于输送的输气都采取了脱硫、脱碳和脱水工艺技术, 达到符合要求的标准, 管道内的腐蚀程度不高。因此, 外腐蚀就是造成输气管道腐蚀的最重要原因。
外部防腐蚀技术手段常用的是把阴极保护和输气管道外腐蚀层互相结合实施保护作用。而阴极保护技术方法的基本技术方案:对输出电流阴极技术完成强制性保护, 牺牲阳极技术保护。此系统保护的范围也相对比较大, 受周围一些环境的影响比较小。因此在电力供给很足的单位, 输气管道的外防腐技术方式都常常运用强制电流阴极保护手段[5,6,7,8]。
2输气管道常用的腐蚀检测技术
输气管道发生腐蚀的最主要原因就是其外部被腐蚀, 所以输气管道腐蚀的检测相关技术首先是对集输管道的外部覆盖层面及阴极保护情况进行检测研究, 当下集输管道的外腐蚀主要检测技术大概分为两类, 第一类方法是对集输管道的外部覆盖层保护情况进行检测研究, 第二类方法是对阴极保护效果的分析检测, 例如密间距电位测量法[9,10]。
现在的国内输气管道发生腐蚀主要是外部腐蚀, 防护技术一般都引用CIPS跟DCVG两种技术互相联合检测的方式实施对管道外涂层及阴极保护联合防护的地面检测技术, 它的检测技术方式如下。
(1) 运用DCVG的检测方法对输气管道外部的防腐层进行技术检测, 找到输气管道外部防腐层上的基本破损位置, 以及破损位置的大概破损面积大小。研究破损位置的腐蚀活性, 分析输气管道的外部防腐层是不是已经发生腐蚀或者局部位置发生了腐蚀。记录下全部的检测数据。
(2) 运用DCVG方式研究判断输气管道外部防腐层发生破损的级别以及优先修复的等级。
(3) 通过CIPS密间隔电位检测方式可以削弱土壤IR降的作用, 进而评价阴极保护装置的性能。
这项技术能准确找到发生腐蚀缺陷的地方, 并对发生缺陷的地方实施预测, 确定缺陷位置的面积, 分析发生腐蚀的级别, 进而就能减小开挖。这项检测方法的技术的在逐步进行更新、实际使用也越来越广泛。
3输气管道腐蚀理论的分析
输气管道的电化学腐蚀分为2类:析氢腐蚀和吸氧腐蚀。
4试片试验方法
在试验设定的条件下, 将试片悬挂入腐蚀溶液浸泡一定时间, 由于试片发生腐蚀导致试验前后产生质量差, 用下式计算腐蚀速率:
这里面v是腐蚀的速度, 单位是mm/a;K数值为87600, m是试片试验前的重量;m1是试验后试片的重量, 单位是mg;s是试验所用试片的面积, 单位是cm2;t为腐蚀持续周期, 单位为h;d为试片的材料密度, 单位是g/cm3。
4.1试验使用材料和器材
试验所用的腐蚀试片的材料是21#的钢, 试片面积大小是30×45×2.6 mm, 挂片孔的直径大小是4 mm。
试验前期条件: (1) 试验的周期大概为6天; (2) 进行高压反应, 然后模拟出发生腐蚀时的周围环境压力。 (3) 实验所用试片的外部面积需求液量在22ml/m3以上、液面和试片距离大于0.88 cm。试验数据分析如表1。
试验步骤: (1) 去除试片表面油污; (2) 用无水乙醇擦洗试片, 用吹风机吹干, 然后干燥称量至恒重; (3) 在试验条件下, 将试片悬挂在介质溶液里6天; (4) 从溶液中拿出试片, 选取典型试片开展电镜扫描研究, 对腐蚀产物类型进行研究; (5) 把试验用过的试片上面的腐蚀产物清理掉, 沉在介质溶液里面大概6分钟; (6) 从溶液中拿出试片, 冲洗试片, 将试片滤干后, 再将它浸入Na OH溶液里面1分钟, 再此冲洗试片, 重复进行2次操作; (7) 将试片上用滤纸弄干净然后放在真空中干燥器里面, 一天以后在对其进行称量, 记录下数据; (8) 分析计算试片的平均腐蚀速度。
4.2试验的影响因素
(1) 试验周围温度。试验研究在各种温度前提下21#钢的腐蚀基本速率。其温度和腐蚀基本速率的关系如图1。
由图1了解, 随着周围温度的逐步上升, 腐蚀速率随之慢慢变大, 因为42~81℃差不多就是21#钢管工作时的温度, 所以在这个温度范围内, 21#钢管的发生腐蚀的速度很快。电极的反应也跟着钢管周围温度的提升而加快, 这也加快了钢管的腐蚀反应;同时氧的溶解度也跟着周围温度的提升而变低, 腐蚀速率也降低, 但针对封闭集输管道系统, 氧的浓度不变, 温度的提升反而加剧了21#钢的腐蚀速度, 而且周围温度太高也会损害钝化膜。
(2) Cl-含量的作用。固定的介质溶液, 试验分析了在不同温度下、不同Cl-浓度对21#钢的腐蚀速率的作用, 试验数据资料能了解, 81℃时钢管的腐蚀速率为最高, 溶液中Cl-浓度在3 010 mg/L以内, 则钢管的腐蚀速率跟着溶液中Cl-浓度的增多而变大;而溶液中Cl-浓度高过3 000 mg/L外, 溶液中的Cl-浓度越大, 则钢管的腐蚀速率随之逐渐变缓。主要原因是随着Cl-浓度的变大, 在钢管金属表面附着的一些去极化剂离子被Cl离子替代, 阻碍钢管的腐蚀反应持续, 进而对钢管的腐蚀起到了减缓。Cl-浓度对钢管腐蚀的作用如图2所示。
(3) HCO3-含量对腐蚀的作用。HCO3-含量对钢管的金属腐蚀的作用相对比较大, 试验研究分析了中转站掺水温度在51℃、61℃、72℃、83℃前提下HCO3-浓度含量对钢管腐蚀速率影响。两者关系如图3。
(4) 矿化度的作用。试验研究不同矿化度前提下21#钢的钢管腐蚀速率, 做试验发现, 溶液中矿化度变大, 则21#钢管的腐蚀速率也随之变大, 矿化度为20 050 mg/L时, 则钢管的腐蚀速率为最高值, 主要原因是跟着矿化度的逐步变大, 溶液中的一些离子浓度也随之增大, 这样就造成溶液中电导率越来越强, 溶液中的电化学反应速度也加快, 从而腐蚀速率就慢慢增大。然后到达一定数值, 它又跟着溶液中矿化度的变大, 反而逐步减少。其首要原因是个别离子浓度增加达到固定数值后会加强离子的结垢作用, 所以腐蚀速率逐步减少。
(5) 溶液p H值。试验的溶液介质p H数值在8.2~8.9之间, PH值对其腐蚀速率的作用并不是很大。
5剩余寿命预测
输气管道发生腐蚀后, 管道的壁厚就会慢慢变薄, 造成输气管道对压力的承受能力慢慢变弱, 造成输气管道对泄漏和破裂的抵抗性能减弱。所以对输气管道的工作剩余寿命实施分析预测, 而对管道的剩余预测要知道金属腐蚀管道的厚度大小、相对剩余厚度数值及相对腐蚀速率的均值。
预测方法: (1) 测量管壁的最小允许壁厚。 (2) 腐蚀速率的确定。 (3) 通过方程式 (2) 就能求出输气管道腐蚀剩余寿命。
6总结
(1) 动态腐蚀速率试验数据资料分析跟现场实际情况更为贴切, 大概是静态下的2~8倍, 试验介质腐蚀情况能知道中转站的介质大部分都是高级腐蚀, 其余的则是中级腐蚀。
(2) 试验能谱结构图可以看出, 21#钢的腐蚀情况比较严重, 腐蚀的大体状况主要是均匀腐蚀。
(3) Cl-、HCO3-浓度及介质温度是影响该地区腐蚀的主要原因。掺水钢质管线可采用环氧粉末涂层作为内防腐涂层, 对于腐蚀性强的重点部位可选用3RE60作为管线材质;针对输气管道的腐蚀穿孔情况比较严重的地方, 就使用环氧粉末涂层作为内防腐涂层。
(4) 目前对输气金属管道的相对剩余寿命预测技术的条件下, 把灰色原理预测技术和人工智能神经网络两者结合的办法对输气金属管道的剩余寿命实施研究预测。
参考文献
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腐蚀寿命 篇3
关键词：钻杆应力,疲劳寿命,CO2腐蚀疲劳
钻杆在井下承受内外压力、轴向力、弯曲应力和扭应力等多种载荷的联合作用, 因此在钻进过程中常常发生失效, 尤其容易发生载荷与腐蚀介质联合作用下的疲劳失效[1,2,3,4]。钻杆在石油开采过程中受到交变应力, 并且井眼中还存在酸性腐蚀介质, 因此在其使用过程中受到疲劳、腐蚀等一系列复杂环境的影响。由于氢原子的渗入以及表面腐蚀坑的形成, 对钻杆的疲劳应力产生重大影响。统计表明:钻柱失效80%[5,6,7]与疲劳相关, 钻杆工作时的疲劳断裂强度远远低于设计的疲劳强度。开采油气的生产过程中, CO2主要来自以下几个方面: (1) 油气开钻过程中伴生的CO2; (2) 向油气层中注入CO2提高原油采收率; (3) 随着开采中气压的降低, 油气水中的碳酸根离子减压分解。
美国石油协会 (API) 在1925年的时候首次提出“CO2腐蚀”。在美国德州的油田中首次出现公认的CO2腐蚀。1961-1962年苏联在开发拉斯诺尔边疆地区首次发现, CO2腐蚀对设备产生了严重的腐蚀, 其腐蚀速率达到5~8mm/a。美国的Litter Creek油田使用的CO2驱油实验中发现, 在没有采用任何防护措施的情况下, 其腐蚀速率为12.7mm/a[8]。这样的腐蚀事故, 在国内的油田开采中也是经常发生。塔里木油田LN204井P105油管在仅仅使用了21个月就由于CO2腐蚀发生了破坏事故[9]。从1995年以来, 中国石化中原油田分公司在油气开采过程中, CO2腐蚀就造成10口井的管柱穿刺和脱落事故[10]。在国内的其他油田也存在CO2腐蚀的现象。
在进行钻杆强度设计时, 通常是基于静载荷, 并没有考虑疲劳等因素。在动载荷的情况下, 钻杆的表面会形成微裂纹, 内部形成核, 扩展直致钻杆的断裂, 因此预测钻杆的疲劳极限也是保证钻井安全的重要方面。笔者对钻井中常用的S135钻杆CO2腐蚀后的疲劳寿命进行实验研究, 中短寿命区采用的是成组法实验, 长寿区采用的是配对升降法。运用数理统计和安全可靠性的理论, 计算出日常使用中表征钻杆疲劳寿命的S-N曲线。通过对S135钢CO2腐蚀后的疲劳力学性能研究, 对工程中的CO2腐蚀疲劳性能评价奠定一定的基础。
1 实验设计
高强度钢断裂的本质是试样表面的基体组织所含有的缺陷和内部夹杂物相互竞争的结果。 (1) 当试样的表面被加工的光滑度很高的情况下, 疲劳断裂是表面基体缺陷 (晶内滑移带, 晶界, 相界) 和内部非金属夹杂物竞争的结果; (2) 当试样表面比较粗糙, 表面有腐蚀产物或者是打磨的过程中不是很光滑的情况下, 疲劳断裂是起源于表面粗糙度和内部非金属夹杂物竞争的结果。
在工程实际应用中, 由于外界环境变化的复杂化, 所产生的腐蚀影响也是各不相同。材料的疲劳和腐蚀相结合的基础上, 必须对整个实验流程有个缜密的构思, 才能对材料在经过CO2腐蚀后的疲劳性能的影响做出评价, 这样才能具有一定的工程意义。
CO2对钢铁腐蚀的主要产物是Fe CO3, 在温度升高的时, 其在水中的溶解度随之而降低, 从而易形成保护膜[11]。文献表明[12,13]: (1) T<60℃, 在钢铁的表面生成了一层比较松散的Fe CO3, 腐蚀速率达到极大值, 发生的是均匀腐蚀; (2) 钢铁在60℃以上的环境中, 局部腐蚀较为严重, 这样疲劳实验得出的寿命分散性较大;在50h以上的腐蚀时间, 腐蚀速率迅速降低。故选择24h, 96h作为2个不同的时间段, 在60℃的恒压密封环境中, 来研究材料的疲劳性能受到CO2腐蚀的影响。
2 实验材料及方法
2.1 实验材料
实验所用的疲劳试样取自S135钻杆材料, 常见的疲劳实验机有伸压缩疲劳实验机和旋转弯曲疲劳实验机2种。笔者采用旋转弯曲疲劳实验机进行实验。实验材料为S135钢, 是一种高强度钢, 实验选用的S135钻杆材料的化学成分如表1所示。材料的原始热处理状态为860℃油中淬火和650℃高温回火调质态, 其微观显微组织为回火索氏体。
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2.2 实验方法
2.2.1 实验材料处理
疲劳实验同样采用的PQ-6型旋转弯曲疲劳实验机进行, 试件分为三组:第一组未腐蚀的试件记为C0;腐蚀实验设备为密封性的高温高压釜, 设定温度为60℃, 在釜内充满水, 里面充入CO2, 在恒定的压力下进行实验;第二组浸泡24h, 记为C24;第三组浸泡96h, 记为C96。
2.2.2 对材料的数据处理
当应力降到某一极限值的时候, S-N曲线 (S疲劳实验机施加应力, N断裂时的旋转次数) 接近水平线, 当应力不超过极限值的时候, 疲劳寿命无限增大, 该极限值为材料的疲劳极限。采用升降法预测疲劳极限, 经验公式为:
式中:σ为第一次加载应力, MPa;σb为材料抗拉强度, MPa。
一般在预估疲劳极限附近3~5级应力水平下进行实验, 应力增量取20MPa。试样寿命超过1.0×107时记为“越出”, 试样寿命小于1.0×107时记为“破断”, 试样“破断”或“越出”即停止实验。第一对相反的结果在以后数据的应力波动范围之类的话, 如果高一级应力水平试样“破断”, 则降低应力水平再做一个试样;对于传统的疲劳实验中短寿命区用成组法确定疲劳寿命, 对于长寿区则采用配对升降法, 然后根据Basquin方程得出S-N曲线。
3 实验结果
3.1 疲劳实验的数据整理
在长寿区用配对升降法来预测S135的疲劳极限, 在664.3MPa应力下试件全部断裂, 644.3MPa下的应力的在做到第三根的时候, 发现试件越出, 利用已有的实验数据 (表2) , 用配对升降法得出疲劳极限, 如表3所示。
这样得到654.3MPa下的数据4个, 634.1MPa下的数据1个, 614.0MPa下的数据2个见表4~表7。得到S135高强度钢的疲劳极限范围为:614.0~654.3MPa, 即钢在这个范围内有可能断裂, 这跟实验试样的内部不均匀性和加工误差造成的同轴度的不同有关, 这个区间也被称为疲劳断裂的突变区, 在小于这个区间的最低值614.0MPa, 寿命达到107, 可以认为是平稳安全的。疲劳极限的最大值为654.3MPa, 此数值为疲劳断裂和不断裂的分界点。
当疲劳与寿命数据符合正态分布的时候, 取子样平均值作为母体中值的估计值, 疲劳极限值S0等于以n为权的Sri的加权平均值:
将上表中的数据代入上式, 得到S0=639.9MPa。
子样的标准差为:
当取置信度为95%[14]的时候, 上式得到的变异系数满足的数据个数为4个, 而实际的数据个数为6个, 故疲劳极限S0=639.9MPa作为母体中值的估计量, 是满足置信度为95%的要求。
3.2 C24腐蚀试件的结果
试样在高温高压釜中恒压浸泡24h后, 分别测量并计算各组试样的疲劳值及相应的寿命特征值 (表2、表3) 。
由表5的变异系数可知, 在数据满足95%的置信度下, 做出基于Basquin方程的表达式:
由S-N方程得出的材料疲劳极限强度510.5MPa, 同样基于Basquin方程做出腐蚀状态下的S-N曲线, 并和未腐蚀状态的S-N曲线进行对比, 见图1。
在氢对材料疲劳寿命影响的机理研究中, Kuromoto[15]认为:当外界是高应力状态下的时候, 所有材料疲劳断裂的行为方式都是一致的, 即裂纹的生长都在一个较短的时间内完成且很快材料断裂。从曲线中可以看出, 同等应力条件下C24组的疲劳寿命是低于C0的疲劳寿命, 这符合正常状态下的疲劳寿命变化的规律, 即任何腐蚀均会降低疲劳寿命。随着应力的降低C24组的疲劳寿命与C0组的疲劳寿命差距越来越大。
3.3 C96腐蚀试件的结果
试样在高温高压釜中恒压浸泡96h后, 分别测量并计算各组试样的疲劳值及相应的寿命特征值, 如表4和表5所示。
由表5中的变异系数可知, 实验数据的数量是满足置信度95%时所需要的数量, 做出基于Basquin方程下的S-N曲线方程:
由S-N方程得出的材料疲劳极限强度为284.4MPa, 同样基于Basquin方程做出腐蚀状态下的S-N曲线, 并和未腐蚀状态的S-N曲线进行对比, 见图2。
由图2可以知, 随着应力的降低, 2个曲线之间的差距越来越大, 且在经历了CO296h腐蚀后, 材料表面出现了不规则的腐蚀坑。由于腐蚀后对材料的表面产生了较大的影响, 这时表面的腐蚀坑是影响疲劳寿命的决定因素。
3.4 同等寿命下疲劳强度的降低
3.4.1 C0和C24组的比较
对于中短寿命区的S-N曲线描绘最好的方程是Basquin方程, 做同等寿命下C0和C24的应力差S-N曲线, 见图3。
由图3可知, 同等寿命区的应力差随着寿命的增大而增大, 在105次的寿命区差距为7.5MPa, 在106次寿命区的差距为50MPa。由于24h腐蚀试件表面包裹一层致密的腐蚀膜, 故在低应力下影响疲劳寿命的最主要的因素为渗透层。
3.4.2 C0和C96组的比较
同等寿命下C0和C96的应力差S-N曲线, 见图4。
由图4可知, 在105次左右的疲劳应力差距为140MPa, 在106次寿命区的疲劳应力差距为239MPa。由于其表面的腐蚀状况较为严重, 故材料表面腐蚀坑是影响材料疲劳的关键因素。
3.5 CO2腐蚀疲劳结果分析
将两种不同腐蚀时间的S-N曲线和之前的未经腐蚀的S-N曲线对比, 见图5。
由图5可以看出, 同等寿命下, 经过腐蚀后的疲劳应力均低于未经过腐蚀的疲劳应力, 这符合腐蚀后疲劳寿命降低的基本规律。在高应力下, C0和C24组的疲劳应力相差不大, C96组和C0组的疲劳应力相差较大。
3.6 CO2腐蚀对疲劳寿命分散性的影响
将2种不同腐蚀时间后试件的变异系数和未经腐蚀试件的变异系数曲线对比, 见图6。
当数据满足正态分布, 疲劳应力降低时, 应力对应的变异系数增大。由图6可知, 三组试件的变异系数在高应力下变化都很小, 原因是相对于各自的疲劳断裂强度都是处于较高的应力水准。
4 结论
综上所述, CO2腐蚀对材料的疲劳寿命造成了以下几个方面的影响
1) 完全未腐蚀试件的疲劳强度为639.9MPa, 经过CO224h腐蚀后的疲劳强度为510.5MPa, 经过CO296h腐蚀后的疲劳强度为284.4MPa, 经过CO2腐蚀造成了材料的疲劳强度降低, 且腐蚀时间越长, 疲劳强度降低的越多。
2) 对于表面腐蚀均匀且致密的情况下, 当H+作为影响疲劳主要因素的情况的时候, 氢渗透造成了材料疲劳寿命分散性增大。
3) 疲劳断裂经过裂纹源形成、裂纹扩展、断裂3个过程。经过的96h CO2腐蚀后的试件, 试件表面腐蚀严重, 腐蚀坑底应力集中并导致裂纹的形成, 多个裂纹形成断裂裂纹, 材料表面是影响材料寿命的最关键性因素。
腐蚀寿命 篇4
采用钢筋混凝土为原料所建设的公共基础设施, 腐蚀性一直是影响使用安全的重要因素, 随着使用年限增加, 风雨侵袭以及其他原因造成的腐蚀会逐渐堆积, 最终造成严重的安全性下降问题, 同时也是十分不利于公共设施使用功能实现。腐蚀会降低设施的安全使用时间, 在功能上也会出现障碍, 并且与全寿命经济之间存在着动态变量的关系, 当腐蚀侵害逐渐严重后, 全寿命经济也会因此而下降, 从而引发严重的安全性问题, 十分不利于现场建设任务的进行。全寿命经济是从设施投入使用后开始计算的, 当进入到腐蚀期后, 经济价值也会因此受到影响, 并随着腐蚀的严重而降低, 这也是现阶段公共设施发展所遇到的主要问题。通过协调两者之间的关系, 能够帮助节省大量的建设资源, 避免公共资金浪费的现象出现。使用期间的公共设施中存在大量的威胁, 除自然原因之外, 人为因素造成的腐蚀也是十分明显的。对全寿命经济都会带来不同程度的影响, 下面文章将针对这一问题进行详细的分析, 帮助解决所遇到的问题。
2 全寿命经济分析所用方法以及依据
2.1 法律依据
我国已经出台了有关于全寿命经济的相关规定, 通过规定能够更彻底的了解现场所遇到的问题, 并通过法律制度来彻底的解决。法律法规的形成需要一个长期过渡时间, 在此期间内会不断的完善, 并对其中的内容进行补充, 达到调节控制的效果。对钢筋混凝提腐蚀现象进行分析比较时, 同样是参照法律依据来进行, 在此过程中观察腐蚀的速度与严重程度是否在合理范围内, 以及与原材料选择之间的关系, 通过这种方法能够避免出现不合理的内容, 并积极的配合原材料选择避免将质量不达标的材料投入到使用中去, 观察现场所存在的问题, 并通过法律方法来解决, 由此可见法律依据的重要意义, 以及对现场的促进作用。
2.2 LCCA法
该法令属于基础条款, 也是必须要执行, 钢筋混凝土材料的腐蚀性与使用环境之间存在很大的关系, 在一些盐碱地区在所建设的公共设施中, 使用会受土质环境的影响, 从而造成严重的安全下降问题。法律法规中这对这一环境的公共设施腐蚀性有一套约束体系。法律方面的监管体系在落实过程中需要群众支持, 并参与到监督管理过程中, 这样才能够避免造成法律制度落实困难或者难以解决现场问题的情况, 一些比较常见的腐蚀现象大部分与建设区域相关, 此类问题中大部分都能够通过材料加强来环节, 法律法规中会对材料的使用标准进行严格的规定, 发现问题也能通过这种法律法规来进行更深层次的约束。对于现场一些比较常见的技术性问题, 会规定一个范围, 这样也能够更好的进行现场约束, 避免造成严重的质量安全下降问题。
2.3 全寿命经济分析方法实际案例
对于全寿命经济的分析, 在工作任务开展期间, 首先要对现场存在的影响因素进行分析, 并深入观察所存在的问题, 钢筋混净土材料施工也受季节性影响, 因此在分析期间, 也需要观察现场是否存在严重的质量安全问题, 当发现现场出现比较严重的质量情况时, 可以从更加深层的角度出发, 运用函数分析公式来解决所遇到的问题, 根据所得到的函数结果来判断公共基础设施是否能够在安全使用年限内充分发挥价值。全寿命经济的分析要从公共设施建设阶段开始, 最初受到腐蚀影响的情况不会很明显, 但随着工作任务不断的开展, 这种影响作用也会更加的深入, 最终造成严重的安全性下降, 甚至基础公共设施无法继续投入到使用中。分析方法运用需要选择适合的公共设施范围, 对公共设施的腐蚀程度进行分析判断, 在此基础上不断的观察腐蚀的来源以及严重程度, 这样即使基层相互配合期间出现功能受阻的情况, 也能将其规划到全寿命经济的分析中去。
在分析过程中, 需要将所调查了解到的数据依次填入到表格中去, 这样才能够更好的解决现场所遇到的问题, 并帮助进一步提升工作任务的完成效率。在材料选择阶段, 要有明确的规定范围, 技术人员严格按照所得到的表格对材料强度质量情况进行检测, 当发现质量下降的严重问题时, 也能够严格的按照法律依据来解决问题, 从而达到理想的工作任务完成效果。分析期间要从全面因素考虑, 当发现所开展的工作任务中出现数据混乱的现象时, 则要重新观察并更加深入的解决, 对数据进行整理, 再通过对数据的函数分析, 来计算出公共基础设施的全生命周期价值。在对公共基础设施进行建设期间, 通过各个区域内的广泛操作, 能够得到更加理想的解决方法, 这也是现场比较常见的技术性问题之一, 无论是分析还是基础设施建设, 都需要确保材料的质量安全, 以及所得到数据的准确程度, 相互配合达到更加理想的工作效果。
分析过程中还需要考虑使用环境的差异性, 由于公共基础设施的建设位置不相同, 在建设过程中, 可能会遇到一些比较严重的腐蚀问题, 混凝土材料的表层会不断出现裂缝, 并且裂缝也逐渐变得明显, 最终造成严重的安全性下降问题, 空气中的潮湿气体进入到其中后, 对钢筋材料造成腐蚀性, 最终钢筋材料的安全性也会因此而下降, 对于现场一些比较常见的技术性问题, 通过加强各部门之间的相互合作, 能够得到更好的解决, 这样无论是技术方面还是理论方面, 都能有一个很好的结合, 形成基层中比较稳定的公共设施使用安全防护体系。全寿命经济的分析也是建立在这一基础上的, 能够帮助提升工作任务的完成效果, 同时也是现场工作任务开展所必须要完成的基础部分内容。
上述文章中分析的内容大部分是有关于全寿命经济分析的参照基础与开展方法, 在具体开展落实过程中, 还需要观察数据方面所存在的误差, 钢筋混凝土材料腐蚀可以通过技术手段来控制, 但所造成的损害确实难以解决的, 面对此类问题, 在现场通过技术方面的合作, 可以很好的解决。但分析过程中不能继续局限在现场的调节控制中, 当发现基础设施中存在严重的经济问题时, 除腐蚀性之外还需要考虑是否存在外力破坏因素, 这样所得到的结果才能够准确地反应现场实际情况, 并帮助提升公共基础设施的使用安全性, 年限自然也能够因此得到提升。分析期间也可以借鉴一些历史工作经验, 但需要特别注意的是是否符合现阶段我国的法律规定, 及时对分析所应用的理论体系做出创新, 当发现基层中存在严重的质量安全下降问题时, 通过各方面的相互配合, 是能够从根源上解决问题的, 这也是现场必须要完成的工作内容之一, 分析得到的最终结果更加贴近真实情况, 掌握方法之后也能了解到从何进行。
3 结语
综上所述, 我国基础设施腐蚀与耐久性问题是大量存在的。我国存在着更为广泛的“盐害”环境, 以往的腐蚀损失也是惊人的。尤其是我国正处在以基础设施投资为重点的大规模建设高潮时期, 高度重视前期防护具有特别重要的意义。我们应以国内外以往的经验教训为鉴, 避免走“眼前少花钱, 尔后花大钱”的老路, 要认真贯彻国务院第279号令, 把保证设计使用年限放在重要位置, 这是真正关系到我国可持续发展和国家长远利益的战略问题。
参考文献
[1]蔺石柱.寒冷地区在役钢筋混凝土结构物剩余寿命的仿真预测[D].西安建筑科技大学, 2011 (06) .
腐蚀寿命 篇5
2016-06-14, 《滨海化学腐蚀环境下桥梁混凝土服役寿命保障与提升关键技术》通过鉴定, 研究成果达到国际领先水平。灌河大桥地处滨海, 大桥北岸规划为化工产业园区, 大气污染较严重, 属于典型的滨海化学腐蚀环境。研究首次建立了氯盐、酸雨、碳化等多种因素共同作用的混凝土耐久性设计方法, 编制了江苏沿海、盐渍和化工污染区高性能混凝土耐久性设计指南, 构建了低温环境下超早强高抗裂混凝土的制备技术, 发明具有多位点吸附的有机分子阻锈技术, 率先有效解决了组合梁桥面板湿接缝开裂通病, 并成功地将阻锈效率从目前的70%提升到98%, 取得了显著的经济效益和社会效益。