劣化模型（通用7篇）
劣化模型 篇1
0 引言
为保障桥梁状态的长期稳定, 对桥梁在服役过程中病害劣化规律和维修方案的研究极为重要[1]。桥梁混凝土的裂缝是较为常见且极为严重的1类病害, 此病害严重影响了桥梁的使用寿命, 使桥梁在使用过程中存在安全隐患, 影响铁路运输安全。日本肖邦公司 (SHO-BOND) 提出的“壁可”法 (balloon injection for concrete structures, BICS) [2], 与传统方法相比有了新的突破。“壁可”法利用橡胶注入器自身的内部压力 (约0.3MPa) 将特殊环氧树脂注入材料缓慢地注入到混凝土裂缝中并达到裂缝的微细末端, 自动完成对裂缝的彻底修复。缓慢均匀的压力可以将裂缝中积存的空气压入混凝土的毛细孔中, 并通过混凝土的自然“呼吸”作用排出, 有效地避免产生气阻, 从而确保修补质量。“壁可”注入法的应用解决了桥梁结构裂缝的修补难问题, 既保证质量, 又便于施工, 效果显著。
国内学者对“壁可”法的应用条件、施工流程、使用效果等方面进行了大量研究[3,4,5]。笔者以神朔铁路悖牛川特大桥为研究背景, 根据实际生产中裂缝测量数据, 利用非等时距GM (1, 1) 模型, 研究了裂缝宽度的变化规律, 并对“壁可”法修补桥梁裂缝效果进行了分析。
1 裂缝宽度预测模型
1.1 数据源
根据《铁路桥隧建筑物修理规则》[6], 桥隧检查工区每月对重要桥隧设备检查1遍;每半年至少对管内设备全面检查1遍;在每座桥隧综合维修时, 应进行1次全面检查。因此, 桥梁混凝土的裂缝的测量数据往往不是等时距的, 即测量数据之间的时间间隔不是定值。桥梁混凝土裂缝宽度的测量常用印刷有不同宽度线条的裂缝标准宽度板 (裂缝卡) 与裂缝对比测量, 记录裂缝宽度的测量数据字段见表1。
1.2 裂缝宽度预测模型
1.2.1 非等距GM (1, 1) 模型
灰色系统理论在量化不确定和利用已知信息寻求系统规律方面有较好的适用性[7]。GM (1, 1) 模型是灰色系统理论中应用最广泛的1种灰色动态预测模型。
根据表1的桥梁裂缝宽度的历史测量数据, 采用非等时距GM (1, 1) 模型对每个桥梁裂缝进行个性化建模, 研究每个桥梁裂缝宽度独特的变化规律, 实现对桥梁裂缝宽度未来变化的准确预测。
假设ki为某一裂缝Mj的检查日期, x (0) (ki) 为裂缝Mj在时刻ki的最大裂缝宽度。裂缝Mj宽度的历史测量数据可表示为X (0) (ki) ={x (0) (k1) , x (0) (k2) , …, x (0) (kn) }该数据序列时距Δki=ki-ki-1, i=2, 3, …, n。裂缝的测量数据往往不是等时距的, Δki不为恒定的常数。
对该序列1次累加, 序列的时距 Δki作为乘子, 生成序列
式中:
则非等距GM (1, 1) 模型相应的微分方程为
式中:α为发展灰度;μ为内生控制灰数。
设为带估参数, , 利用最小二乘法求解, 可得
式中:
式中:Z (1) (ki) 称为x (1) (t) 在区间[ki-1, ki]上的背景值, 其计算公式为
求解微分方程, 即可得预测出ki+1时刻裂缝Mj的宽度
式中:为预测出的k时刻的1次累计值。
1.2.2 模型精度检验
为判断已建立的非等时距GM (1, 1) 模型预测的可靠性, 采用统计学中的后验差C和小概率P检验法对模型的精度进行检验。设, i=1, 2, …, n为模型的误差。S1为原始数据列X (0) (ki) ={x (0) (k1) , x (0) (k2) , …, x (0) (kn) }的标准差, S2为误差数据列{ε (0) (k1) , ε (0) (k2) , …, ε (0) (kn) }的标准差。后验差, 小误差概率。
C值较小, 说明预测的拟合性和外推性好;P值较大, 说明预测小误差的概率大、预测精度高。一般根据C、P的值将预测精度分为4级, 见表2[8]。
2 悖牛川特大桥裂缝宽度分析预测
神朔铁路分公司河西运输段管内悖牛川特大桥建成于1991年, 位于神朔铁路上行线 (重车线) , 桥梁编号B-17, 中心里程为K31+524, 全长794.3m, 孔跨结构为24孔32mT形预应力简支梁, 该桥位于直线段, 桥上坡度沿大里程方向为4‰下坡。1#桥墩共有37条裂纹, 表面纵横纵裂多条, 竖横交错;裂缝长度大都在2~3m以上, 最长达6~7m。墩身病害照片见图1。
采用悖牛川特大桥1#桥墩3#裂缝宽度的历次测量数据进行模型验证, 原始数据列无特别异常数据, 见表3。为建模方便, ki取为相对时间, 利用文献[9]统计软件对模型进行编程计算, 并进行精度检验。
注:相对时间的计算是相对于1996-10。
经计算, 非等距GM (1, 1) 模型发展灰度α=-0.031 8, 内生控制灰数μ=0.090 4, 该模型的计算结果见图2。
从图2可以看出, 建立的非等时距GM (1, 1) 模型拟合裂缝宽度变化趋势效果较好, 拟合精度较高, 拟合值平均绝对误差为0.03, 平均相对误差为0.117 2, 与实际情况吻合较好。采用统计学中的后验差C和小概率P检验法对本文算例所建非等距GM (1, 1) 模型的精度进行检验, 结果为:C= 0.058, P=1, 该拟合模型的评价结果为好, 可用于外推预测。
3 “壁可”法应用效果分析
当桥梁裂缝宽度在0.5 ~1.5 mm时, 采用“壁可”法修补较为经济合理。神朔铁路分公司河西运输段通过对悖牛川特大桥裂缝宽度历史数据分析、建模, 于2012年6月安排了该大桥1号桥墩裂缝的修补。采用“壁可”法修补裂缝后, 原先有张合感的裂纹, 张合感消失, 通过近1年的观测, 裂纹没有发展, “壁可”法对混凝土裂纹的修补效果显著。
4 结束语
研究桥梁裂缝宽度的发展规律是实行桥梁预防性计划维修的关键技术, 具有重要的实际意义。笔者采用非等时距GM (1, 1) 模型模拟桥梁裂缝宽度的发展过程, 计算实例表明, 该模型具有较高的模拟和预测精度, 为预测桥梁裂缝宽度变化提供了1种方法。利用该预测模型, 可提前预测出桥梁哪些裂缝会在何时发展成为病害裂缝, 帮助管理者制定合理经济的“壁可”法修补计划。
摘要：铁路桥梁混凝土裂缝是较为常见的病害, 该病害严重影响了铁路桥梁的使用寿命。针对铁路桥梁混凝土裂纹宽度发展, 基于灰色系统理论, 提出裂缝宽度非时距GM (1, 1) 预测模型。利用该预测模型, 对桥梁裂缝劣化情况进行预测, 辅助管理者制定经济合理的“壁可”法修补计划, 进而保障桥梁状态良好、铁路行车安全。为说明预测模型的有效性, 以神朔铁路悖牛川特大桥19962012年的桥梁裂缝测量数据进行验证, 结果表明该预测模型可较为准确地预测桥梁裂缝宽度的变化, 对桥梁养护维修管理有着重要意义。同时, 分析了"壁可"法在悖牛川特大桥的应用, 其对混凝土裂纹的修补效果显著。
关键词：桥梁裂缝,非等时距,灰色模型,“壁可”法
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劣化模型 篇2
三效催化器劣化诊断是车载自动诊断系统(on-board diagnostics, OBD)重要诊断项目。国-Ⅲ/国-Ⅳ 排放法规要求监测HC排放物来判断三效催化器的效率下降[1]。对于正常行驶的汽车,很难直接测量其三效催化器HC转化能力,需要找到与催化器HC转化能力相关的某个指标来诊断催化器劣化程度。考虑到监测系统的可靠性和经济性,在原有三效催化器和电控汽油喷射系统上的催化器后安装一个后氧传感器,与原催化器前氧传感器组成双氧传感器。通过监测三效催化器的储氧能力(oxygen storage capability, OSC) 对催化器劣化进行监测[2,3,4]。随着三效催化器的老化,三效催化器的HC转化率和储氧能力都会下降,研究发现二者存在着一定的对应关系[5]。所以,在三效催化器劣化诊断的设计上,将催化器OSC作为判断催化器是否失效的技术指标。氧传感器因成本低、结构简单且技术成熟在三效催化器的劣化诊断中广泛应用。所有当代三效催化器在线监测都基于双氧传感器对催化器OSC的测量。
目前国际上最常用三效催化器劣化诊断算法通过测量混合气由稀变浓时下游氧传感器相对上游氧传感器的信号反应时间来评价三效催化器[6],以此为依据衡量催化器的OSC,从而诊断催化器是否存在故障。三效催化器储氧能力强时,空燃比由稀变浓过程中下游氧传感器信号曲线滞后于上游氧传感器曲线,反馈延迟时间较长。随着三效催化器的老化,其储氧能力会逐渐减弱,下游氧传感器对空燃比变化的反馈延迟时间也会逐渐减小。
本文立足于目前轿车上普遍装配的阶跃型氧传感器,基于三效催化器的储氧能力,建立了三效催化器的化学反应动力学模型,并设计了三效催化器的劣化诊断算法。通过发动机台架试验,证明建立的化学反应动力学模型能够较为精确地反映三效催化器的储氧能力,设计的三效催化器的劣化诊断算法能够有效诊断三效催化器的老化程度。
1三效催化器氧储存率模型
许多研究机构对三效催化器的储氧能力进行了研究。文献[7]通过对进入和排出三效催化器的氧总量进行积分来确定催化器的储氧能力,催化器需要经历一个空燃比浓稀转换的完整测试循环。积分的结束时间以三效催化器上游和下游空燃比测量值大致相同为标志,此时催化器在氧存储和释放之间达到平衡。文献[8]对三效催化器的裂化过程进行了数值模拟,建立了催化器的氧储存和释放模型方程。文献[9]在文献[8]的基础上,基于三效催化器内的化学反应,以催化器前空燃比为输入,建立了催化器的简化化学模型,并把该模型与内燃机燃烧方程结合起来,可以较为精确地预测三效催化器排出尾气浓度。上述研究都需要安装线性氧传感器测量空燃比值,本文立足于目前轿车上普遍装配的阶跃型氧传感器,对文献[9]中模型进行了改进,使该模型不需要线性氧传感器即可直接应用于三效催化器的劣化诊断。
1.1三效催化器氧储存率模型建立
温度达到300 ℃以上时,三效催化器在贵金属铂、铑、钯的催化作用下,首先还原发动机排气中NOx,然后利用释放的氧来氧化CO和HC,生成无害的CO2、H2O和N2。三效催化器的涂层中含有铈氧化物。铈氧化物随着排气中氧含量的变化会在2种化合物CeO2和Ce2O3之间转换,同时吸收和释放氧气,其作用相当于氧气储存器。当发动机空燃比较稀时,燃烧尾气中会有过量氧。这些过量氧一部分用来氧化CO和HC,另一部分通过与铈氧化物反应储存在催化器中。其反应方程式为
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三效催化器的氧储存能力是有限的,一旦催化器储存氧达到饱和,即使发动机尾气较稀,也不能再储存氧。通过试验数据分析,随着三效催化器储存氧的增加,三效催化器储存氧的速度会越来越慢,直到饱和。定义三效催化器氧储存率为
undefined (2)
式中,Omax为三效催化器的最大氧储存量;Ostore为三效催化器的实际氧储存量。当三效催化器储存氧达到饱和时,ω=1;当三效催化器完全释放氧时,ω=0。在三效催化器工作时,ω是在[0,1]不断变化的无量纲变量。
根据化学反应动力学,在发动机空燃比处于较稀状态时,三效催化器氧储存率微分方程为
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式中,[O2]为三效催化器前氧浓度;k1为铈氧化物氧化反应速率常数;ϕ为过量空气系数。
当发动机空燃比较浓时,三效催化器通过铈氧化物会释放氧,用来氧化发动机尾气的CO和HC。铈氧化物释放氧的反应方程式为
undefined (4)
通过试验数据分析,在发动机空燃比由稀变浓过程中,催化器后CO排放浓度从很低水平快速升到较高水平,而催化器后HC排放浓度上升则较为平缓,因此在由稀变浓催化器释放氧过程中,CO氧化起主导作用,催化器前CO浓度是决定催化器氧释放率的主要因素之一。由此可得在发动机空燃比由稀变浓过程中三效催化器的氧释放率微分方程为
undefined (5)
式中,[CO]为催化器前CO浓度;k2为铈氧化物还原反应速率常数。
1.2三效催化器氧储存率模型实现
图1为在发动机空燃比处于较稀状态时,三效催化器氧储存率微分方程(式(3))的Simulink图。三效催化器前氧浓度随着空燃比变化而变化。在满足三效催化器劣化诊断使能条件下,当空燃比为定值时,前氧浓度近似为一常数。铈氧化物氧化反应速率常数k1由具体催化器型号决定,新鲜三效催化器的k1典型值为1。
在空燃比AFR=15.6模式下,由排气分析仪测得三效催化器前氧浓度(以体积百分比计)近似为1.2%,反应速率常数k1取1,则三效催化器氧储存率ω仿真结果如图2所示。在AFR=15.6模式下,经过14 s左右三效催化器氧储存率ω由0→1,即经过14 s左右三效催化器储存氧达到饱和。
图3为在发动机空燃比处于较浓状态时,三效催化器氧储存率微分方程(式(5))的Simulink图。
三效催化器前CO浓度随着空燃比变化而变化。在满足三效催化器劣化诊断使能条件下,当空燃比为定值时,前CO浓度近似为一常数。铈氧化物还原反应速率常数k2由具体催化器型号决定,新鲜三效催化器的k2典型值为1。
在AFR=13.6模式下,由排气分析仪测得三效催化器前CO浓度(以体积百分比计)近似为1%,反应速率常数k2取1,则三效催化器氧储存率ω仿真结果如图4所示。在AFR=13.6模式下,经过8 s左右三效催化器氧储存率ω由1→0,即经过8 s左右三效催化器完全释放氧。
2三效催化器劣化诊断算法
为了减小对排放影响,三效催化器劣化诊断在怠速工况下进行。三效催化器劣化诊断使能条件为: (1) 发动机处于怠速工况;(2) 发动机运转时间超过440 s;(3) 燃油系统处于闭环控制状态;(4) 节气门关闭;(5) 进气温度>-7 ℃,<105 ℃;(6) 发动机冷却液温度>70 ℃,<110 ℃;(7) 空气质量流量2～8 g/s;(8) 进气压力>72 kPa;(9) 催化器体温度400～900 ℃;(10) 车速<3 km/h。
在满足诊断使能条件下,先调整空燃比变稀,使AFR=15.6,此时通过方程(3)开始计算氧储存率ω值(此时[O2]为常数),当ω→1时,三效催化器储存氧达到饱和;然后调整空燃比变浓,使AFR=13.6,此时通过方程(5)计算氧释放率ω值(此时[CO]为常数),当ω→0时,三效催化器完全释放氧,这时计算出的催化器下游后氧传感器相对催化器上游前氧传感器的反馈延迟时间就是三效催化器的OSC时间。将计算的三效催化器的OSC时间与临界三效催化器的OSC阈值进行比较,如果OSC时间小于OSC阈值,则本次诊断确认三效催化器存在故障。
三效催化器诊断算法的流程图如图5所示。
3试验验证
三效催化器诊断试验的目的是验证建立的三效催化器氧储存率模型的正确性,并验证基于氧储存率模型的三效催化器劣化诊断算法的有效性。
试验在奇瑞公司试验技术中心进行。试验用发动机为奇瑞477F发动机,采用奥地利AVL公司的台架控制系统、AVL AMA i60排气分析仪、德尔福公司的氧化锆式阶跃型氧传感器和奇瑞公司自主开发的ECU,ECU数据用ETAS公司的INCA产品读取。排气分析仪和INCA采集数据的采样时间都是10 ms。图6为试验系统方框图。
试验采取逐渐逼近方法来测试三效催化器储存氧是否达到饱和。试验操作过程为: 在发动机处于怠速工况并满足所有诊断条件时,改变空燃比,使发动机由闭环空燃比模式进入开环稀空燃比模式(AFR=15.6),分别停留2、4、6、8、10、12、15、20 s,然后加浓混合气,使发动机由开环稀空燃比模式进入开环浓空燃比模式(AFR=13.6),并分别停留2、4、6、8、10、12、15、20 s,最后使发动机回到怠速空燃比闭环控制模式。其中,停留12 s时前、后氧传感器信号变化试验结果如图7所示;停留15 s时试验结果如图8所示。
发动机由闭环空燃比模式进入开环稀空燃比模式时,当三效催化器储存氧达到饱和时,后氧传感器信号电压会与前氧传感器信号电压完全重合[8]。图7中后氧传感器电压信号在由闭环切换到开环稀空燃比模式下没有下降到与前氧传感器电压信号重合,说明三效催化器在AFR=15.6模式下经过12 s后储存氧没有达到饱和。图8中后氧传感器电压信号在由闭环切换到开环稀空燃比模式下下降到与前氧传感器电压信号完全重合,说明三效催化器在AFR=15.6模式下经过15 s后储存氧达到饱和。
因此,在发动机由闭环切换到AFR=15.6模式下三效催化器储存氧达到饱和的时间在12～15 s之间,与图2中的仿真结果一致。
计算图8中空燃比由稀变浓过程中ω→0时后氧传感器信号与前氧传感器信号穿过化学计量比基准电压(0.45V)的时间差,如图9所示。后氧传感器相对前氧传感器对空燃比变化的反馈延迟时间,即新鲜三效催化器的OSC时间为8 s左右,与图4中的仿真结果一致。
为了验证图5中基于氧储存率模型的三效催化器劣化诊断算法的有效性,使用同型号劣化的三效催化器替换图6中原试验用的新鲜三效催化器进行诊断试验,如图10所示。
计算图10中空燃比由稀变浓时后氧传感器信号与前氧传感器信号穿过化学计量比基准电压(0.45 V)的时间差,如图11所示。后氧传感器相对前氧传感器对空燃比变化的反馈延迟时间(即劣化的三效催化器的OSC时间)为3 s左右,比新鲜三效催化器的OSC时间(8 s)明显缩短。新鲜和劣化的三效催化器的OSC时间有较好区分度。
4结论
(1) 本文立足于目前轿车上普遍装配的阶跃型氧传感器,建立的三效催化器氧储存率模型能够较为精确地反映三效催化器储存和释放氧的能力,模型结构简单,可以直接应用于车载三效催化器的劣化诊断算法中。
(2) 基于氧储存率模型设计的三效催化器劣化诊断算法能够有效诊断三效催化器是否劣化。该算法在三效催化器储存氧达到饱和或完全释放氧的第一时间进行空燃比切换,使诊断对排放造成的影响最小。
摘要：立足于当前轿车普遍装配的阶跃型氧传感器,基于化学反应动力学,建立了三效催化器的氧储存率模型,并利用MATLAB/Simulink软件对建立的模型进行了仿真实现。依据所建模型设计了三效催化器的劣化诊断算法。通过发动机台架试验数据分析,验证了建立的三效催化器的氧储存率模型能够较为精确地反映三效催化器储存和释放氧的能力,设计的劣化诊断算法能诊断三效催化器是否劣化。
关键词：内燃机,三效催化器劣化诊断,氧储存率模型,化学反应动力学
参考文献
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视频会议图像质量劣化分析 篇3
1 故障情况
2010年12月, 在召开省公司年度安全生产总结电视电话会议前的视频会议系统联调中, 视频会议专责发现县公司、生产基地的画面都不同程度出现马赛克, 甚至有停顿现象。
2 故障分析
南京供电公司视频会议系统是两套会议电视标准混合的集成系统。原市辖的五个区县公司视频终端设备通过市县传输网以H.320标准协议接入位于市公司老大楼视频会议核心设备MCU (多点控制单元) E1板;城北、雨花等生产基地, 以及市公司新老大楼各会场视频终端设备则是通过城区接入层传输网络以H.323标准协议接入位于市公司老大楼视频会议交换机, 并由此连接至核心设备MCU (多点控制单元) 。从下面的视频会议系统图我们可以逐段分析故障产生的原因 (如图1) 。
2.1 视频终端设备原因
视频会议系统设备主要为分布在各个会场的视频终端设备, 它是用来接收远端会议信号至会场并发送本端会议音视频信号至远端会场。由于这次故障在各会场都不同程度的出现, 我们以画面质量劣化程度最高的城北会议室进行测试。我们用备用终端替代原来的终端接入系统, 劣化程度并没有改善。由此说明该故障不是因外部站点设备问题引起的。同样的方法, 我们更换了位于公司主会场的视频会议终端。因为该终端是用来接收外部站点音视频信号至主会场的, 同样也是用来发送主会场音视频信号至下级站点。将其更换后, 图像质量也没有改善。
2.2 MC U (多点控制单元) 设备原因
MCU是视频会议系统的核心部分, 为用户提供群组会议、多组会议的连接服务。我们检查了该设备相关告警指示灯, 一切运行正常。至此, 我们排除了由系统硬件设备造成图像质量劣化的可能。
2.3 传输线路原因
主会场与各分会场是通过公司电力通信传输网络相连的, 我们通过资料查找了视频会议系统所用通道, 在传输设备侧并没有相关告警, 说明视频会议系统的传输层通道不存在问题。
2.4 接入层网络原因
由于接入会议电视系统的站点数量不断增加, MCU的接入板卡接口数量已不能满足要求。我们通过一台24口的数据交换机将各站点信号接入并与MCU的NET8板互联。我们看到在会议进行时, 与部分会场连接的交换机端口时常出现黄灯闪烁现象, 这说明端口有错误数据包。进一步观察, 我们发现黄灯闪烁的端口也就是图像劣化的站点。至此, 我们确定此次故障源为交换机这一侧的网络问题。
3 故障处理
在会议电视系统建设初期, 只有市公司中心节点以及5个县公司。我们将各点信号接入MCU的E1板, 通过H.320协议进行视频的传输 (H.320作为一个传统的电视会议标准, 过去几年中已被广泛地用在窄带ISDN网以及专线上的窄带可视电视终端及系统中) 。公司专业化、扁平化的发展, 城北、雨花基地、老大楼602和607会议室相继接入公司视频会议系统。省公司根据工作需要, 也将线路器材厂等三个直属单位接入南京的视频会议系统, 加上近期新大楼电视电话会议室、大会议室、202晨会室的接入, 该系统逐渐庞大。
随着新技术的出现以及通信网络结构的演变。H.320系统已经越来越表现它固有的局限性。它仅仅是窄带可视电视终端的定义, 主要应用于电视交换的网络上, 和传输网络本身有着密切的关系, 传输网不同, 每一台H.320终端 (包括MCU) 需要更换网络接口卡, 而且有时需要在第二层协议上做相应的修改, 造成软硬件的更换, 升级成本增加。因此, 在后来的会议电视系统扩容中, 我们均采用了更为先进的H.323 (基于包的多媒体通信系统) 协议进行信号传输。我们将采用该协议的站点信号全部接入一台数据交换机上, 并将该交换机与MCU的net8板 (采用H.323协议) 相连, 从而保证采用不同协议站点、不同速率站点之间信号的有效传输。
端口数据丢包的现象, 根据工作经验判断应该是端口设置的问题。我们通过命令查看交换机端口当前的双工模式为百兆半双工。在这种情况下网络就会出丢包等问题, 导致画面出现马赛克, 甚至画面停顿现象。我们随即通过软件查看了交换机和终端的网络端口设置, 交换机端口为自动协商, 视频终端为百兆全双工。
查阅了相关资料我们了解到交换机为了维护链路的正常可用, 接口要定期发送脉冲, 如果在规定时间内, 接口没有收到脉冲, 就进入down状态, 如果两次收到脉冲, 就转为up状态, 这种脉冲就是normal link pulse, 简称nlp.其发送脉冲的间隔是16 ms。百兆接口发送flp时, 如果在规定时间内收到了响应, 那接口可以进入百兆模式, 如果超时没有收到flp, 只收到nlp, 转而向下兼容, 发送nlp, 转为10兆模式, 而双工问题是在flp中进行的, 在一对接口中, 相互发送flp, 在flp中有个“速率双工能力”字段, 2个接口就是靠这个字段来协商双工问题的而要能保证两者进行协商, 前提是任何一方都不能手工指定双工, 否则这个“速率双工能力”将被忽略, 可能造成无法协商正确的双工结果。
该故障 (100兆半双工) 中, 100兆是因为双方都发送flp, 而半双工的原因是手工指定全双工的一端将flp中“速率双工能力”字段滞空, 另外自动协商一端无法就双工能力进行协商, 转为半双工。找到了故障原因, 我们随即将交换机端口也设为百兆全双工, 与终端匹配, 很快解决了问题。
4 故障总结
此次视频会议图像劣化的故障十分典型, 从故障原因来看, 是由于交换机端口配置不正确造成的。但究其本质, 我认为是通信专业人员把学习的重点放在物理层, 对上层设备的理论知识和实践能力相对欠缺。随着公司电网智能化的有序推进, 通信设备种类也会有不断增加, 只有掌握广泛的通信知识才能适应公司发展需要。
参考文献
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[2]视频通信系统使用指南[M].电子工业出版社.
劣化淬火油的絮凝实验研究 篇4
目前劣化淬火油的再生方法主要有:酸洗、絮凝、吸附、沉降、过滤等,相对于酸洗的腐蚀设备、酸渣多等缺点,絮凝法则二次污染小,反应温和。而目前市场上的絮凝剂多为水处理用,与非极性的油往往产生不相溶、生成絮体困难等问题,需要寻找适用于油的絮凝剂。笔者通过大量实验筛选出适用于样品劣化淬火油的絮凝剂,进行两次絮凝脱色处理,并得出最佳的絮凝工况条件,后期再辅以吸附处理,以达到辅助劣化油再生的目的。
1 实验
本文将通过单因素实验分别对两次絮凝的最佳工况条件进行研究讨论。
1.1 两次絮凝药剂及工艺流程
通过大量实验,筛选出两种对本油样絮凝效果较好的药剂,即碳酸钠水溶液和二乙烯三胺絮凝剂,两次絮凝的工艺流程如下:
一次絮凝(碳酸钠水溶液)→沉降分离→二次絮凝(二乙烯三胺)→沉降分离
1.2 实验方法
将装有100 m L油样的烧杯置于一定温度的恒温水浴锅中,加入一定量的一次絮凝剂,加热搅拌一段时间,并恒温沉降8 h,取上清液再进行同样的二次絮凝。絮凝结果取沉淀后的上清液,以石油醚稀释一定倍数,在721型分光光度计中,560 nm条件下,石油醚作参比,测其吸光度,通过油品吸光度的变化情况反应絮凝沉淀的处理效果[3,4]。
2 结果与讨论
2.1 一次絮凝
2.1.1 碳酸钠水溶液浓度的影响
在反应温度为80℃、反应时间10 min、絮凝剂加量2%的条件下对油样进行絮凝处理,碳酸钠水溶液浓度对絮凝效果的影响见图1。由图1可见,碳酸钠水溶液浓度高于25%时,吸光度下降有限,即25%为碳酸钠水溶液最佳浓度。
2.1.2 碳酸钠水溶液加量的影响
在反应温度为80℃、反应时间10 min、碳酸钠水溶液浓度25%的条件下对油样进行絮凝处理,碳酸钠水溶液加量对絮凝效果的影响见图2。由图2可见,絮凝剂用量少絮凝效果差,而絮凝剂过多则出现再稳现象导致絮凝效果反弹。碳酸钠水溶液加量为3%(体积分数)时,吸光度最低,即3%为碳酸钠水溶液最佳加量。
2.1.3 反应温度的影响
在反应时间10 min、碳酸钠水溶液浓度25%、加量3%的条件下对油样进行絮凝处理,反应温度对絮凝效果的影响见图3。由图3可见,温度低,油样黏度大,影响絮体生成和沉淀;温度过高,油品会进一步氧化。反应温度为80℃时,吸光度最低,即80℃为最佳反应温度。
2.1.4 反应时间的影响
在反应温度为80℃、碳酸钠水溶液浓度25%、加量3%的条件下对油样进行絮凝处理,反应时间对絮凝效果的影响见图4。由图4可见,搅拌时间不足则絮凝剂不能和油样充分接触,而搅拌时间过长则会把已生成的絮体搅碎,反应时间为10 min时,吸光度最低,即10 min为最佳反应时间。
2.2 二次絮凝
2.2.1 二乙烯三胺加量的影响
在反应温度为80℃、反应时间10 min的条件下对一次絮凝后的油样进行二次絮凝处理,二乙烯三胺加量对絮凝效果的影响见图5。由图5可见,絮凝剂用量少絮凝效果差,而絮凝剂过多则出现再稳现象导致絮凝效果反弹。二乙烯三胺加量为1.5%(体积分数)时,吸光度最低,即1.5%为二乙烯三胺最佳加量。
2.2.2 反应温度的影响
在反应时间10 min、二乙烯三胺加量1.5%的条件下对油样进行二次絮凝处理,反应温度对絮凝效果的影响见图6。由图6可见,温度低,油样黏度大,影响絮体生成和沉淀;温度过高,油品会进一步氧化。反应温度为80℃时,吸光度最低,即80℃为最佳反应温度。
2.2.3 反应时间的影响
在反应温度为80℃、二乙烯三胺加量1.5%的条件下对油样进行二次絮凝处理,反应时间对絮凝效果的影响见图7。由图7可见,搅拌时间不足则絮凝剂不能和油样充分接触,而搅拌时间过长则会把已生成的絮体搅碎,反应时间为6 min时,吸光度最低,即6 min为最佳反应时间。
4 结论
通过单因素实验得出两次絮凝对该劣化淬火油的最佳絮凝工况条件分别为:(1)碳酸钠水溶液一次絮凝:碳酸钠水溶液浓度25%、加量3%(体积分数),反应温度80℃,反应时间10 min;(2)二乙烯三胺二次絮凝:二乙烯三胺加量1.5%(体积分数),反应温度80℃,反应时间6 min。在两次絮凝后结合吸附脱色处理可对本劣化油取得较好的净化效果。
参考文献
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[2]刘先斌,廖兰.热处理油的使用状况及劣化油的再生处理[J].金属热处理,2010,35(6):106-108.
[3]张贤明,焦昭杰.废润滑油絮凝脱色试验研究[J].环境污染与防治,2007,29(11):809-811,815.
光电传感器检测劣化绝缘子 篇5
根据我国的实际情况, 国家对输变电设备的绝缘及检测作了严格的要求。但是, 目前世界上还没有一种能够在线地、准确而简便地检测出超高压输电线上含有缺陷的复合绝缘子的方法或仪器。
绝缘子串周围空间电场分布特征可用来检测线路中的劣化绝缘子, 在众多的绝缘子劣化检测方法中相对具有操作简便、检测时间短、试验结果可靠的特点。
采用一种新型劣化绝缘子监测方法, 即采用“光电场传感器”对绝缘子串的电场分布进行检测, 通过对绝缘子串电场分布的分析, 进而找出劣化绝缘子。
1 试验概况
1.1 光电传感器应用原理及优势
通过光纤作为数据传输通道, 绝缘杆作为传感头运动载体, 使电场传感器的传感头在绝缘子表面以各种不同距离沿悬挂方向做直线运动, 通过绝缘子劣化检测仪记录绝缘子表面沿线电场强度分布, 通过分布曲线本身以及其与绝缘子电场分布仿真结果对比, 判断绝缘子的劣化情况。
绝缘子电场测试仪的传感头是其核心器件, 基于Pockels效应的光学电场传感器。绝缘子电场测试仪的传感头是其核心器件, 基于Pockels效应的光学电场传感器。
电光晶体作为电场传感器或者电压互感器的核心器件, 其绝缘优势使其可以轻易的承受高电压和强电场。通过简单地放置在绝缘外壳中增加合适的爬距就可以完成安装。不但节省了造价, 也节省了占地面积。
响应频率特性是测量高频电场变化的核心问题, 即雷电流波形和侵入波波形探测的核心问题。也是除了其绝缘性能好之外, 相比传统电磁式电压电流互感器最大的优势所在。
将高压侧采用绝缘性能好的电光晶体作为传感元件, 以及通过绝缘强度极高的光纤作为信号传输通道, 使其绝缘结构大大简化, 同时没有铁心和线圈, 不存在磁饱和、铁磁谐振等问题。消除了磁饱和及铁磁谐振现象而使互感器运行的暂态响应好, 稳定性高, 保证了系统运行的高可靠性。
1.2 劣化绝缘子电场法判断依据
根据电磁场理论, 由于高压输电线路上传输的是50Hz的高压电, 因此, 它在周围环境将产生一个时变电磁场。把绝缘子看成形状不规则的非均匀填充电介质, 在高压作用下, 它有微弱的泄漏电流, 由于电流很小, 不会对电场强度产生较大影响, 故可以忽略。上述问题归结起来, 就是求解形状不规则的非均匀填充电介质在时变电磁场中的电场分布情况。
基本理论:
曲线A是根据电磁场理论计算出的电场强度沿绝缘子轴向的变化曲线。正常情况下该曲线是光滑的, 呈“U”形。当绝缘子存在导通性缺陷时 (见图中黑点) , 此处的电位变为一常数, 由于电场强度是电位沿长度的变化率, 因此此处的电场强度将突然降低, 作出的电场分布曲线也不再光滑, 而是在相应的位置上有畸变 (中间下陷, 两端上升) , 见图1中曲线B。
由此可见, 通过测量绝缘子串的轴向电场分布, 可以找出绝缘子的绝缘导通性故障。
1.3 基础实验
(1) 两种不同的调制方式
以大型平板电极作为高电位, 试验台面为地, 分别以不同高度的绝缘柱做支撑, 使平板电极和桌面平行。平板电极1m x1m, 厚度2mm, 不锈钢材料。桌面不锈钢材料, 长方形, 尺寸略大于上极板。晶体通光方向长度d=5cm, 折射率n0=2, 介电常数ε=16, 有效电光系数记为γ约1pm/V。
试验的2种方式调制为:
1) 直接放在地极板表面, 极板间隔23cm
2) 横向放置于塑料杯顶部, 高度约为23cm, 极板间隔43cm。
实验数据:如表格1
试验数据分析:
由电光效应导致的偏振态附加相位差的测量值
Δδ测=U/U0, Δδ1=0.050, Δδ2=0.022
电场强度测量值由下式计算:
Δδ1= (2π/λ) n03γE1d= (2π/1.55um) x23γE1x5cm得E1=30.8k V/m
Δδ2= (2π/λ) n03γE2d= (2π/1.5 5 u m) x23γE2x5cm得E2=13.6k V/m
由于晶体本身介电常数为16, 理想情况下, 如果晶体和空气之间界面为无限大, 则其感应电场应为临近空气中电场的1/16=0.0625, 但实际上, 晶体本身的尺寸是有限的, 而且其形状也会影响附近的空间电场分布, 而相关研究表明, 晶体尺寸越小, 其内电场感应强度越接近于空气中的实际电场。
标度因数F定义为:电场强度测量值/电场强度实际值, 标度因数的大小反映了改调制方式晶体对空间电场的感应能力, 也就是该调制方式的灵敏度, 标度因数根据传感头尺寸和形状以及调制方式相关
F1=30.8/196=0.157
F2=13.6/116=0.117
试验结果分析:
1) 晶体悬空和晶体贴近地电极的感应电场灵敏度有较大区别, 原因是由于平板电极形成的空间电场在靠近上下极板的位置有较大的畸变, 因此需要以悬空测量的数据作为标定量。
2) 由于条件限制, 传感头是固定在塑料杯的顶部, 杯子虽然有很小的介电常数, 但在高电压, 表面的感应电荷也会对测量结果造成影响。
(2) 线性度和重复性的试验
试验方法:
不改变调制方式, 将传感头放在平板电极中部高度处固定好, 将电压从0升高到50k V, 再从50k V降低到0, 记录电压在上升和下降时读数变化的同步过程。
实验数据:如表格2
根据数据拟合函数观察线性度:如图2
试验结果分析:
0~2.5k V/cm的电场强度内, 测量结果线性度高, 重复性好, 上升和下降过程中有完全相同的系数。
2 220k V复合绝缘子劣化仿真对比分析
为了查找复合绝缘子和瓷绝缘子串中, 以及含有零值绝缘子的瓷绝缘子串的故障定位, 通过相关仿真计算查看理想状态下的劣化定位和实际劣化的关系。通过仿真将高压试验大厅操作环境完整再现, 将试验结果和仿真结果进行对比, 查看基于该检测方法的实际应用效果。
试验中使用15片瓷绝缘子, 导线离地高度为5m。绝缘子上端为高压端, 下端接地为低压端。根据试验布置的实际参数建立220k V瓷绝缘子串电场分布研究试验的三维静电场模型, 包括导线、瓷绝缘子串、联接金具、均压环等。所有实体被两个空气体包围, 第一层空气体为长8.4m, 宽1m, 高5m的长方体;第二层空气体为长45m, 宽30m, 高25m的长方体模拟试验大厅。对于良好瓷绝缘子串, 根据试验情况对最上端绝缘子铁帽、导线、联接金具和均压环加载高电位Um=220/=127.017 k V, 对最下端绝缘子钢脚和试验大厅的六个面加载0电位。对绝缘子串上下相扣的铁帽和钢脚进行电位耦合, 瓷绝缘子伞裙的介电常数取6。
仿真结果:如图3所示
3 结论
本文通过对光电传感器对绝缘子串周围电场强度进行检测, 并根据实验大厅的实际情况进行仿真并通过试验数据进行了分析, 得出以下结论:
(1) 良好绝缘子整体表面轴向电场分布呈现U型, 高压端最高, 低压端其次, 中间最低, 和点位分布规律近似, 在出现缺陷的位置, 电场强度出现下降, 在曲线上表现为谷值。
(2) 瓷绝缘子外表面最大场强值出现在靠近伞裙表面附近的空气中, 劣化时电场值减小;测量距离越远, 劣化绝缘子引起空间电场的变化率越小。
(3) 在空间三维电场中, 绝缘子劣化对绝缘子串空间轴向电场分量的影响最明显, 且其影响与劣化绝缘子位置有关, 高压端和横担端较为明显, 中部影响较小。
(4) 连续劣化对其空间电场变化率的影响大于间断劣化, 且劣化绝缘子对空间电场的影响互不干扰。
综合上述分析, 可以得出结论:通过光电传感器对绝缘子劣化检测能够得到很好的实验效果, 可以有效地解决以往传统检测方式的不足之处。
参考文献
[1]王少敏.瓷绝缘子劣化应对措施探讨.电瓷避雷器, 2006, (5) :6-8.
[2]王学跟.电晕放电使复合绝缘子劣化.中国电力2009, (10) :76-76.
[3]张战龙.劣质绝缘子电场问题优化算法.重庆大学学报2009, (11) .
[4]姚境.传感器在高压输电线路绝缘子检测中的应用.传感器与微系统, 2010, 29 (10)
磷酸酯抗燃油劣化影响因素分析 篇6
这种高温高压的环境, 易发生事故, 造成严重的经济损失, 矿物型的汽轮机油由于燃点较低已经不适合在大容量机组中的应用。磷酸酯抗燃油有非常好的润滑性能和抗燃性, 作为控制油已经被广泛应用于非常大型汽轮机组的调速系统, 对提高发电机组的防火安全性也有相当重要的作用。
1 磷酸酯抗燃油使用现状
随着电力系统大容量、高参数汽轮发电机组的发展, 对其工作介质的要求也越来越高;所用的矿物油的自燃点为350℃左右, 而发电厂汽轮机的调节系统大多靠近过热的蒸汽管道 (蒸汽温度在540℃) ;所采用矿物油作为液压调节工作介质, 一旦发生泄露, 产生火灾的危险性极大。
据统计, 电厂火灾中有90%发生在汽轮机的油系统[1]。因此, 为了保证高参数机组的安全经济运行, 调节系统的控制液普遍采用了磷酸酯抗燃油。其自燃点一般在530℃, 可以很大程度减小因油泄露而引起火灾的危险性[2]。
磷酸酯抗燃油在使用过程中容易产生酸值升高、含水量增加、电阻率下降等问题, 进一步使油中杂质颗粒增加, 造成机组系统部件的腐蚀和卡涩, 威胁机组的安全运行。
目前, 国内电厂使用的抗燃油基本为国外引进, 价格大约在138kg/3万元, 300MW机组使用抗燃油的费用大约是20万元。所以减缓及降低油品的劣化, 即保证了系统的安全运行, 也降低了机组的运行成本, 同时减轻了报废油品对环境的污染。
2 磷酸酯抗燃油劣化的影响因素
2.1 酸值
酸值是抗燃油非常重要的一项化学性能指标, 运行机组的抗燃油酸值通常控制在0.20mg KOH/g。酸值升高表明抗燃油品质降低, 产生了酸性物质, 发生了劣化。酸值升高同时加速了抗燃油的水解, 加剧了对金属部件的腐蚀, 导致油泥的形成和沉积;另外, 还会不同程度的影响空气释放值、电阻率、颗粒度等性能, 对汽轮机调速系统的安全运行构成较大的威胁。
2.2 水分
磷酸酯抗燃油的水解过程是一个能让水解产物迅速分解的过程。一旦出现了水解, 抗燃油的劣化速度就会加剧。磷酸酯抗燃油在酸碱盐中最容易发生水解, 所以水分是磷酸酯抗燃油酸值升高的主要原因, 更加快了磷酸酯抗燃油的老化, 使抗燃油发生水解, 而且还会促使运行机组的零部件遭到腐蚀, 严重影响运行机组的安全运行。
根据文献报道[3,5], 在一定条件下磷酸酯抗燃油的使用寿命是5~10年, 但在大多数运行过程中, 不到一年抗燃油中的含水量就超过了标准。抗燃油中含水量的升高加速了抗燃油的劣化, 会影响抗燃油中的空气释放值、电阻率和泡沫特性。根据抗燃油运行守则, 油中的水含量必须<0.1%。
2.3 温度
抗燃油的抗燃性主要体现在抗燃油的高燃点, 不容易燃烧而且不容易产生易燃产物使其在突发火灾的情况下也不会沿着油的方向传递火苗, 这主要是由于抗燃油在合成过程中加入了抗燃剂。另外研究发现, 磷酸酯抗燃油的阻燃效果也很好, 主要是磷酸酯在燃烧过程中产生偏磷酸聚合物, 从而隔绝了空气使可燃物无法进入。磷酸酯产生的偏磷酸聚合物还可以阻止火势的蔓延。虽然磷酸酯抗燃油具有较好的抗燃性, 但在高温的条件下, 同样会加快磷酸酯抗燃油的劣化速度。
抗燃油在较高的温度下就会发生氧化, 一旦发生氧化油中的酸值就会升高, 磷酸酯抗燃油中的酯类就会把运行机组零部件管线融化掉, 导致抗燃油泄露。由此可以看出温度对于磷酸酯抗燃油来说是一个关键的因素。
研究表明, 未使用的抗燃油保存温度应该30℃左右, 一旦被启用, 磷酸酯抗燃油的温度就要保持在55℃左右。磷酸酯抗燃油会因为温度的升高而发生氧化反应, 使油中酸值升高, 水分增加, 影响磷酸酯抗燃油的正常运行。
3 结束语
目前在东北电网已有30多台机组采用该磷酸酯抗燃油作为调速系统的工作介质。抗燃油在运行过程中极易受到酸值、水分、空气释放值、颗粒物等的污染而导致其油品降低, 发生老化。近年来, 我国多家发电企业频频发生抗燃油油质劣化现象, 严重影响了机组的安全稳定运行。所以, 加强抗燃油的监督和维护, 在线处理老化磷酸酯抗燃油使其达到运行油的标准, 延长抗燃油的使用时间, 防止调速系统卡涩、保障机组的安全经济运行就显得尤为重要。
现在对于严重劣化的抗燃油仅依靠油循环系统中的精密过滤装置, 通过过滤保证抗燃油油质正常, 但对于劣化非常严重的抗燃油仅依靠精密的滤装置是远远不够的。因此研究磷酸酯抗燃油劣化的原因并迅速加以处理将成为彻底根治抗燃油劣化的最好的办法。
摘要：磷酸酯抗燃油具有良好的抗燃性, 已经取代矿物汽轮机油成为电力系统高参数机组调节保护系统和旁路系统的工作介质。近年来磷酸酯抗燃油劣化的情况日益增多, 致使磷酸酯抗燃油品质下降, 严重影响了使用性能。本文主要分析了酸值、水分、温度的对磷酸酯抗燃油劣化的影响, 从而能预防及减缓抗燃油劣化速度, 延长抗燃油使用时间。
关键词：磷酸酯抗燃油,酸值,脱酸脱水
参考文献
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[2]汪红梅.国产ZR-881型抗燃油热稳定性能的研究[J].长沙电力学院学报, 2002.
[3]赵娟, 韦藤幼等.碱性白土的制备及其脂肪酸脱除机理研究[J].广西大学学报 (自然科学版) , 2011.
[4]张贤明, 袁健等.磷酸酯抗燃油劣化机理及脱水净化技术研究[J].环境科学与技术, 2012.
劣化模型 篇7
关键词：滨海地区,桥梁,地下水,腐蚀,耐久性
0 引言
2006年,天津滨海新区的开发开放被正式纳入国家总体发展战略。随着滨海新区作为我国北方经济发展引擎地位的确立和经济的快速发展,新区范围内工程建设规模也持续扩大。在这些建设投资中,基础的市政交通工程是初期建设的重点,而这些工程的结构直接接触沿海水土,造成了结构的过早劣化,特别是桥梁,处于最为恶劣的环境,因为,研究本区域的桥梁劣化模式、有针对性地进行应对,是保障桥梁耐久性的关键。
1 侵蚀性地下水对钢筋混凝土的腐蚀
滨海地区侵蚀性地下水对钢筋混凝土结构的腐蚀主要体现在以下几方面。
1.1 地下水对混凝土的腐蚀
地下水对混凝土的侵蚀作用主要可归纳为三种:溶出性侵蚀、结晶性侵蚀和化学侵蚀。
在地下水环境下,使混凝土材料侵蚀或造成损伤的环境作用主要有冻融循环、干湿交替以及水、土中的硫酸盐、镁盐、酸等化学介质的作用。
1)溶出性侵蚀。
当混凝土长期与一些暂时硬度较小的水接触时,水泥石中的Ca(OH)2溶解析出,当为静水和无压水时,溶出反应仅限于混凝土表面,影响不大,但在流水及压力水作用下(如结构发生渗漏),会不断流失,随着浓度不断降低,碱度降低,水泥石中的C-S-H凝胶等随着碱度的降低而不断分解,使得混凝土内的孔隙增加、强度降低直至瓦解,进而造成混凝土中钢筋的腐蚀加剧。
2)结晶性侵蚀。
在污水处理池外壁地表附近,由于毛细作用,混凝土孔隙中充满了液体,当地下水位及环境温度变化时,液相中的盐分析出,在一定温度和湿度下转化为体积膨胀的结晶水化物,体积膨胀,从而破坏混凝土结构[1]。
3)化学侵蚀。
地下水中的硫酸盐、镁盐还会和混凝土中的CaO·Al2O3和Ca(OH)2反应。
Ca(OH)2+MgSO4+2H2O→CaSO4·2H2O+Mg(OH)2
4CaO·Al2O3·12H2O·2H2O+3CaSO4+20H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O+Ca(OH)2
MgSO4起镁盐和硫酸盐的双重腐蚀作用,Mg(OH)2疏松无胶凝性,同时高硫型水化硫铝酸钙含有大量结晶水,且难溶于水,比原体积膨胀1.5倍以上,在混凝土内产生很大的膨胀应力,从而导致混凝土的开裂。
Ca(OH)2+MgCl2→CaCl2+Mg(OH)2
生成的CaCl2易溶于水,Mg(OH)2疏松无胶凝性。
在温度低于15 ℃条件下,在硫酸盐、碳酸盐共同作用下,还可能形成碳硫硅钙石(Ca3(SO4)(CO3)[Si(OH)6]×12H2O),其结果是生成的碳硫硅钙石毫无胶结能力,致使结构破坏。
在京津地区还可能发生的一种反应是碱骨料反应,是指混凝土中的碱或来自地下水中的碱与某些活性骨料发生化学反应,引起混凝土膨胀开裂,甚至破坏。包括碱、硅酸反应和碱、碳酸反应,不同类型碱、骨料反应的共同特征是:骨料发生膨胀和开裂。
1.2 侵蚀性地下水对钢筋的腐蚀
钢筋腐蚀破坏被确认为是导致钢筋混凝土结构过早破坏的一个最主要的原因。
混凝土中钢筋的锈蚀过程是电化学过程,在金属表面进行任何一种化学腐蚀过程都必须具备四个条件:1)金属表面各处之间有电位差;2)组成原电池的电解质溶液的电阻较小;3)阳极区的金属表面处于活性状态,能发生电离阳极反应;4)阳极区金属表面上的电解质具有足够数量的氧化剂(通常是水和氧),能够进行还原阴极反应。
研究结果表明,氯离子的侵蚀则是引起钢筋腐蚀的首要因素。虽然对氯离子的腐蚀机理还存在许多不同观点,但普遍认为,氯离子半径小,活性大,进入混凝土到达钢筋表面后,对钢筋表面的钝化膜具有破坏作用,促使钢筋表面电化学反应的进行,而氯离子本身在钢筋腐蚀过程中并不参加反应,只是不停地强化离子通道,降低阴极和阳极之间的电阻,加快电化学反应的过程。
滨海环境的地下水,由于受海水的影响,大多富含氯离子、硫酸根离子、镁离子等对钢筋混凝土有害的物质。随着地下水水位的频繁变化,特别是在近海处地下水水位受潮涨潮落变化影响的区域,钢筋混凝土结构受到的腐蚀将最为严重,是结构耐久性设计应该重点考虑和解决的问题。
1.3 冻融和盐冻作用破坏模式
冻融破坏形式是受潮混凝土在负温条件下,由于水分结冰—融化反复作用造成的混凝土的破坏形式。混凝土受冻破坏的原理是水分结冰膨胀和相伴的由于水分迁移形成的渗透压作用。当水分中含有盐分时,这种破坏作用会显著加剧。
盐冻作用是指在负温条件下盐水对混凝土的冻融破坏作用。通常情况下,氯盐对混凝土结构的腐蚀主要是通过腐蚀混凝土中的钢筋形成的,但盐冻作用是氯盐对混凝土本体形成的腐蚀作用。
对于桥梁工程而言,盐冻作用通常是由于冬季雨雪天喷洒化冰盐水造成的,当地下水中氯离子含量较高时,也可能造成盐冻破坏。盐冻破坏和普通的混凝土冻融破坏在原理上并没有本质的区别,破坏的形态也相同,但盐冻作用更为严酷,因为氯离子的存在加速了冻融破坏的进程。可以认为盐冻破坏是混凝土冻融破坏的一种特殊形式。
在天津的大量调查结果表明,如果桥面防水功能不良,由于桥面水下渗,泄水孔外壁缝隙下沿、梁的翼板下沿、腹板水流经处,以及盖梁顶部等处经常处于潮湿状态,为冻融破坏提供了条件。在和天津地区具有基本相同桥梁形式、气候和使用条件的北京地区有关技术人员曾对北京市政桥梁因化冰盐引起的腐蚀情况进行过比较系统的调查,其结果对研究天津地区桥梁受除冰盐腐蚀的状况具有同样的指导性:“通过对北京地区某些立交桥混凝土结构的观测发现,在有落水口或伸缩缝的墩柱处存在钢筋腐蚀阳极区、顺筋裂缝或层裂,墩柱根部也有不同程度的混凝土剥落现象。在负温条件下,以上工程部位可能发生混凝土受冻破坏,以背阳面更为明显。冬季使用化冰盐水时加速了破坏的进程。”
2 提高钢筋混凝土桥梁抗腐蚀性的方法
2.1 合理选择水泥品种
不同品种的水泥,其化学成分及制成混凝土后的性能不同,其耐腐蚀程度也不相同,因此正确选择混凝土的水泥品种十分重要。水泥通常分为5大类:硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和特种水泥(如抗硫酸盐水泥等)。
1)普通硅酸盐水泥和硅酸盐水泥性质基本相同,只是硅酸盐水泥比普通硅酸盐水泥纯度更高。其特点是早期强度高、硬化快,制成的混凝土密实性好、碱度高,对钢筋的保护性好。常用水泥中,普通硅酸盐水泥混凝土的密实性最好,碱度最高,碳化速率最慢。2)矿渣水泥的耐水性和耐硫酸盐性能略高。普通硅酸盐水泥耐硫酸根的浓度为250 mg/L,而矿渣水泥耐硫酸根的浓度为450 mg/L。在常用水泥中,矿渣水泥耐氯化物的性能最好。但矿渣水泥混凝土的早期强度低,密实性差,干缩性大,易开裂,碱度也低于普通硅酸盐水泥。3)火山灰质硅酸盐水泥与矿渣水泥基本相同,但综合性能差。火山灰质硅酸盐水泥混凝土吸水性大,不适用于受冻融的工程,也不适用于干燥地区的结构,在一般有腐蚀的建筑工程中不推荐采用。4)抗硫酸盐水泥由于组成中的铝酸三钙和硅酸三钙低,具有较好的耐硫酸盐性能。抗硫酸盐水泥耐硫酸根的浓度可达2 500 mg/L。适用于有硫酸盐腐蚀的地下和港口工程。其抗冻融和耐干湿交替性能都优于普通硅酸盐水泥,但抗氯盐腐蚀能力较差,在氯盐与硫酸盐并存的环境中(如海水),防腐蚀效果不好,容易因钢筋锈蚀而破坏,而且抗硫酸盐水泥产量小,价格较贵。
2.2 合理选择混凝土添加剂
在混凝土中掺加减水剂,可以减少拌合水量,可以达到提高混凝土密实性的目的;掺入引气剂,可以在混凝土搅拌过程中产生大量均匀分布的微小气泡,改善混凝土的和易性,提高混凝土的抗渗性能,达到抑制腐蚀的目的。在混凝土中掺入盐类(如CaCl2),对混凝土具有速凝、快硬作用,但易引起钢筋的锈蚀,特别是对蒸汽养护混凝土。有关资料表明,混凝土中掺有18%的NaCl时,无定电流对钢筋混凝土中钢筋的破坏作用会增加100倍。因此,添加剂种类的选择应该慎重。
在混凝土拌合物中加入外加剂(缓蚀剂)可以有效阻止混凝土中的钢筋锈蚀。亚硝酸钙是目前使用最广的缓蚀剂,其防锈性能很好,用亚硝酸钙与氯离子的摩尔比来表示锈蚀程序,则锈蚀的临界范围在0.07～0.09之间。一般掺混合料的硅酸盐水泥要比纯硅酸盐水泥的抗腐蚀性强,但都不同程度地存在一些缺点,如早期强度偏低,降低混凝土的碱度、自收缩偏大、易开裂等。
对于污水处理厂的给排水构筑物,平面尺寸经常会超出规范伸缩缝的允许尺寸,设计上为防止混凝土开裂,有时会要求在混凝土中添加膨胀剂。不同使用目的下多种添加剂并用时,一定要采取谨慎的态度,根据施工现场试验结果决定添加剂的种类和配比,以期达到最佳的工程效果。
另外,试验证明在混凝土中掺用抗氯离子腐蚀和硫酸盐腐蚀的防腐剂是抑制微生物腐蚀和地下水腐蚀的有效措施。
2.3 严格控制氯离子含量
氯离子是破坏钢筋表面钝化膜,引起钢筋腐蚀的重要原因。混凝土中钢筋腐蚀的氯离子临界浓度与pH值存在着一定的关系,混凝土孔隙溶液的pH值低,则钢筋腐蚀的氯离子临界浓度也低。当混凝土外加剂、骨料、水等原材料的氯离子含量超标时,不得使用,否则必须采取技术措施。而外部环境的渗透则靠提高混凝土密实度、提高抗渗性、加大保护层厚度等措施来防止。
2.4 严格控制水胶比、水泥用量,提高混凝土耐久性能
同一水泥品种的混凝土抗侵蚀性随着水胶比的减小而增强。水泥水化时所需的结合水,一般只占水泥质量的23%左右,混凝土硬化后,多余的水分就残留在混凝土中形成水泡或蒸发形成毛细孔,因此水胶比过大,则混凝土密实性降低,但水胶比过小,则无法保证混凝土浇筑质量,易出现蜂窝、麻面等质量问题。滨海环境受侵蚀性地下水作用的钢筋混凝土构筑物,混凝土的水胶比不宜大于0.5,最好不大于0.45。
2.5 加大保护层厚度
保护层厚度直接影响钢筋的使用寿命,同样条件下(环境介质、水泥用量、水胶比、水泥品种、添加剂、振捣和养护方法等)加大混凝土保护层,能延缓钢筋混凝土的腐蚀。但应当注意,加大保护层厚度意味着加大了结构断面的尺寸,同时当保护层超过一定厚度时,还应采取防止混凝土表面裂缝的构造措施。
2.6 用环氧树脂涂层钢筋
环氧树脂涂层具有很高的化学稳定性和耐腐蚀性,且膜层具有不渗透性,能阻止水、氧、氯盐等腐蚀介质与钢筋接触。且环氧树脂涂层的弹性和耐摩擦性良好。GB 50011-2002混凝土结构设计规范规定:“三类环境下,钢筋混凝土结构宜采用环氧树脂涂层钢筋”。
2.7 混凝土表面涂覆防腐涂层
根据混凝土的高碱性、含水性和多孔性特点,防腐涂层应具备耐碱性、耐久性和浸渍性的性能并且与混凝土有良好的结合力,同时涂料必须是安全、无毒和环保型的,如高渗透改性环氧树脂,改变了以往常规环氧树脂易收缩、不渗透等缺点,在污水处理厂、雨水泵站、地铁等工程的防水防腐得到了广泛应用。
2.8 从系统论角度考虑结构耐久性问题
混凝土耐久性是一个复杂的问题,科学的材料配比是基础,而针对性的施工工艺则是关键,合理的养护制度是保障。针对具体工程,结合工程特点、地域环境等,制定专项工程的《设计、施工、验收规程》,从设计之初,将耐久性问题通盘考虑,实行全过程的质量监控,执行事前控制,事中监控、调整,事后鉴证是最为经济、可靠的措施,在这方面,我们已经取得了很多有益的经验。
3 结语
由于钢筋混凝土结构的复杂性及环境影响因素的不确定性,其腐蚀过程是非常复杂的。目前,随着研究工作的不断深入,混凝土已经从粗放转向精细的定量化设计,污水环境下的混凝土腐蚀与防护技术已经取得了阶段性的成果。耐久性观念已经开始深入人心,并落实到工程的设计、施工、管理等规范中去。污水处理厂等工程耗资巨大,直接影响人们的健康生活,以整体论的角度考虑结构耐久性,是保证结构长期安全健康运营的必要前提,必须引起足够重视。
参考文献
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[2]重庆建筑工程学院,南京工学院.混凝土学[M].北京:中国建筑工业出版社,1981.
[3]杨全兵.去冰盐对混凝土腐蚀的机理[J].上海建材学院学报,1991(4):95-97.