环境失效（精选9篇）
环境失效 篇1
正常运行的市场机制是资源在不同用途之间和不同时间序列上有效配置的机制。然而, 就环境领域而言, 市场之所以失效, 其根本原因主要是由于环境本身不同于一般商品的特殊性而造成的。
一、环境问题的外部性
外部性是指在没有市场交换的情况下, 一种消费或生产活动对其他消费或生产活动所产生的外部影响。如果这种外部影响是有利的, 私人成本小于社会成本而私人收益却大于社会收益, 则称为“外部经济性”;如果是不利的, 私人成本大于社会成本而私人收益小于社会收益, 则称为“外部不经济性”。这里所强调的“在没有市场交换的情况下”, 是指这种影响并没有通过市场价格机制反映出来, 即当存在“外部经济性”时, 行为主体没有因为其产生的外部利益而得到报酬, 受影响者也没有因得到外部利益而支付报酬;当存在“外部不经济性”时, 行为主体也没有因其行为所产生的外部不利影响而支付报酬, 受影响者也没有因受到损害而得到报酬, 无偿损害, 无偿受益。外部性的例子很多, 如上游居民植树造林, 保护水土, 下游居民得到质量和数量有保障的生产和生活用水, 即产生外部经济性;一居民开大音响, 所有邻居享受噪音;一家工厂污染空气, 所有居民受害等, 则产生外部不经济性。环境问题多为外部不经济性。
二、环境质量的公共物品性
公共物品是具有外部性的物品。每个人对公共物品的消费取决于该公共物品向社会提供的总量。与私人物品不同, 个人对公共物品的消费不影响其他消费者对同一公共物品的消费。虽然公共物品的生产包含着失去生产其他产品的机会成本, 但公共物品的消费却没有机会成本。例如一个人对空气的消费并不影响其他人对空气的消费。公共物品的另一个特性是供给的不可分性, 为一个消费者生产公共物品就必须为所有的消费者生产该物品。在许多情况下, 个人不论付钱与否都不能将其从公共物品的消费中排除出去。既然不能被排除出去, 消费者就不会为消费公共物品而付费, 即所谓“免费乘车”。在环境经济领域, 环境产品多属于公共物品, 例如:环境提供的多种服务, 包括清洁的空气、干净的水、优美的环境景观、物种的多样性等, 都是公共物品。甚至可以这样认为, 地球生态系统本身就是由多种公共资源组成的。而正是由于这些公共资源的上述特性的存在, 使得资源被使用过度, 环境被破坏, 并造成生态失衡, 破坏可持续发展的资源环境基础。
三、环境资源产权不清
环境质量之所以恶化, 关键是由于人们所使用的资源的所有权规定的不够严密不够周全。大气、水体和大量公有土地传统上就是公共拥有的财产。公共拥有权, 如果要更清楚地勾划出它的特征, 实际上就是不存在任何所有权。所以, 人们早已可以随意地将这些资源用于各种目的, 对它们忽视或过度使用。大气已经成为化石燃料燃烧所产生的废气的排放场地, 海洋已经成为运输废物、石油污染物、核废料、生活污水, 以及其他废物的排放场。当然, 如果这些公共财产资源是无限的, 或者相对于全部需求具有充裕的容量的话, 社会分享并利用这些资源时, 就不会产生任何经济上的问题。然而, 当需求上升到某种程度, 超过了环境本身自然调节恢复能力时, 容量就会越来越少, 环境质量就会恶化, 经济效率会遭受损害, 就需要合理配置资源和界定财产权。
四、环境资源无市场、薄市场、市场竞争不足
在现实经济活动中, 许多环境资源的市场尚未发育起来或根本不存在, 资源市场处于“缺位”状态;环境资源的价格为零, 因而被过度使用, 日益稀缺。如果一些环境资源的市场虽然存在, 但资源的市场价格偏低, 只反映了劳动和资本成本, 没有反映生产中资源耗费的机会成本, 也会使资源浪费。如果一些资源的市场上买者和卖者的数量很少, 他们之间的竞争很弱, 这种市场也是一种失效的市场。
五、未来的不确定性和短视行为
自然资源的保护涉及未来。未来存在不确定性和风险。不确定性和风险的区别在于, 不确定性指不知道可能结果出现的概率;风险指知道可能结果出现的概率。如果某种行为的结果不具惟一性, 就存在不确定性。不确定性有两种:一是由于决策者不能控制的因素例如天气变化引起的不确定性, 二是市场价格信息虚假即市场扭曲所引起的不确定性。时间越长, 不确定性越大, 不确定性影响到很多部门, 尤其是以自然资源使用为条件的农业部门受到的影响为甚。
自然资源的保护和可持续发展在某种程度上意味着为了未来利益而牺牲当前消费。因为人们偏好当前消费, 未来利益被打折扣, 特别高的折扣率 (贴现率) 可能会导致对保护某一资源的忽视。在一般情况下, 由于缺乏价格信息等原因, 人们特别是那些贫困的人们, 更关心的是为了生存而指望眼前能从自然资源中得到什么, 而不是为了未来而保护自然资源, 结果总是与保护自然资源而不使其遭到破坏背道而驰, 导致森林和土壤的过度开发。人们常常用利率作为贴现率, 而高利率和低的资源增长率可能使某一物种灭绝。在此情况下, 如果利率能够反映社会在时间上的正确选择, 倒无所谓。而与此相反, 如果市场利率不能反映社会真正的时间选择, 就会导致生态环境恶化。
摘要：市场失效是环境退化的重要根源。环境经济中市场失效的主要原因包括:环境问题的外部性;环境的公共物品性;环境资源产权不清;环境资源无市场、薄市场、市场竞争不足;未来的不确定性和短视行为等。
关键词：市场失效,环境经济,外部性,公共物品,产权
参考文献
[1]杨云彦:人口资源于环境经济学[M].北京:中国经济出版社, 1999:315[1]杨云彦:人口资源于环境经济学[M].北京:中国经济出版社, 1999:315
[2]曹明宏张光宏陈祖海:环境领域市场失灵的机理及其宏观调控方略[J].华中农业大学学报:社会科学版, 2000 (4) :11-13[2]曹明宏张光宏陈祖海:环境领域市场失灵的机理及其宏观调控方略[J].华中农业大学学报:社会科学版, 2000 (4) :11-13
环境失效 篇2
摘要:本文从材料疲劳断裂的研究发展，破坏特点及断口分析材料疲劳断裂的原因，并介绍材料疲劳断裂的预防。
关键词： 疲劳断裂 断口 预防
前言
作为科技支柱之一的材料技术的发展直接关系到国家经济、科技的发展水平，材料失效问题普遍存在于各类材料中，它直接影响着产品的质量，关系到企业的信誉和生存。材料失效分析的建立是发达国家工业革命的一个重要起点，材料的失效分析和预测预防工作在经济发展中占有十分重要的地位，对于材料失效问题的判断和解决能力，代表了一个国家的科学技术发展水平和管理水平。磨损、腐蚀和断裂是材料失效的3种主要形式。材料的疲劳断裂失效的研究和发展
材料的疲劳与断裂研究试图寻找材料宏观疲劳断裂行为与微观组织形貌的关系。试图探求材料疲劳与断裂的微观机制。
金属(非金属)材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫疲劳；虽然在一般情况下，这个术语特指那些导致开裂或破坏的性能变化。
机械构件由于材料疲劳损伤导致的断裂往往没有明显的征兆，因此经常引起巨大的灾难性事故，造成人民生命财产损失。因此各个先进的工业化国家都非常重视疲劳与断裂的研究。
材料疲劳与断裂的研究经历了几个阶段。目前，人们已经认识到在循环载荷作用下，金属多晶材料的许多晶粒内部会出现滑移带。这些滑移带会在疲劳形变中继续变化，并导致形成裂纹，而试样的突然破坏是由某条起主导作用的裂纹向前扩展造成的。现在，人们可以较好的定量描述裂纹扩展的速率，但是，用材料显微组织的特性可靠的预测其宏观的疲劳断裂性能，还有大量的极具挑战性的工作需要开展，特别是在新材料迅猛发展的时代。
虽然恒定循环应力幅作用下的疲劳破坏是疲劳基本研究的主要内容，但由于工程应用中的服役条件不可避免的含有变幅载荷谱，苛刻环境，低温或高温及多轴应力状态，因此建立能够处理这些复杂服役条件下的可靠寿命预测模型是疲劳研究中最棘手的挑战之一。材料疲劳与断裂的研究是材料科学与工程研究领域中的一个重要分支。
疲劳破坏的特点
尽管疲劳载荷有各种类型，但它们都有一些共同的特点。第一，断裂时并无明显的宏观塑性变形，断裂前没有明显的 预兆，而是突然地破坏。
第二，引起疲劳断裂的应力很低，常常低于静载时的屈服强 度。
第三，疲劳破坏能清楚地显示出裂纹的发生、扩展和最后断裂三个组成部份。
疲劳断裂断口组成
(1)疲劳源：由于材料质量缺陷、加工缺陷等原因，使得零件局部地区应力集中，这些区域即为疲劳裂纹产生之处，成为疲劳源。零件表面的裂纹源多是表面上有油孔、过渡圆角、台阶、粗大刀痕等应力集中处在交变应力作用下形成的微裂纹；零件近表面材料内部由于冶炼和冷、热加工的缺陷、晶体滑移和晶界缺陷等在交变应力作用下产生的微型纹。
(2)裂纹扩展区：裂纹产生之后，随着应力循环周期增加，裂纹逐渐扩展成贝壳状或光滑状条纹，即为疲劳辉纹。由于载荷的间断和改变，裂纹时而扩展，时而停滞。零件裂开处的两个面时而闭合，时而分开，以致在两个断面上形成“贝纹状”弧线。这种弧线就叫疲劳裂纹前沿线，其大小与工作应力有关，工作应力小，裂纹寿命长，断口大。
(3)最后断裂区域：或称脆断区，由于疲劳裂纹的扩展，使得零件的有效断面越来越小，应力逐步增加，当最终超过材料强度极限时，零件瞬间突然断裂，断口晶粒较粗大，与发暗的裂纹扩展区明显不同。脆性材料呈结晶状断口；塑性材料呈纤维状，断口呈灰色。
疲劳断裂断口分析
疲劳断口上的三个区域的状况与零件工作时的载荷、应力状态、零件材料性能及加工情况等有关。根据断口形貌可以定性分析零件所受载荷、材料性能和寿命等，有助于分析零件疲劳断裂产生的原因：
(1)疲劳源大多分布于零件表面，一般有1-2个。
(2)疲劳裂纹扩展呈贝纹状时，贝纹细密、间距小，表示材料抗疲劳性能好，疲劳强度高。贝纹稀疏、间距大。表示材料疲劳强度低。(3)最后断裂区所占面积很大，甚至超过断面的一半以上，说明零件严重过载；若所占面积较小或小于断面一半时，说明零件无过载或过载很小。
在相同条件下，高应力状态零件的最后断裂区的面积大于低应力状态零件的最后断裂区的面积；承受单向弯曲的零件仅有l个疲劳源，承受双向弯曲的零件有2个疲劳源；承受单向弯曲的零件与承受扭转弯曲的零件的最后断裂区的形状不同，后者的疲劳源与最后断裂区的相对位置发生偏转，并由于零件上缺口应力集中的影响较大，使最后断裂面积很小且与零件断面呈同心状。
疲劳断裂的预防
延缓疲劳断裂的时间，延缓金属零件疲劳断裂的萌生时间的措施及方法主要有喷完强化、细化材料的晶粒尺寸及通过形变热处理使晶界成锯齿状或使晶粒定向排列并与受力方向垂直等。
降低疲劳裂纹的扩展率，对于一定的材料及一定形状的金属零件，当其已经产生疲劳裂纹后为了防止和降低疲劳裂纹的扩展，可采用以下措施：对板材零件上的表面局部裂纹可采取止裂孔法，即在裂纹扩展前沿钻孔已组织裂纹进一步扩展；对于零件内表面裂纹可采取扎孔法进行消除；对于表面局部裂纹可采取刮磨修理法等是行之有效的。除此之外，对于零件局部表面裂纹，也可以采用局部增加有效截面或补金属条等措施以降低应力水平，从而达到组织裂纹继续扩展之目的。
环境失效 篇3
关键词：耐候性,整车自然暴露试验,老化,腐蚀
1前言
乘用车作为一种使用频率较高的户外交通工具,在服役期内会遭遇阳光暴晒、高温、潮湿、雨水、气候骤变等各种气候环境,从而产生老化、腐蚀等失效现象,不仅影响消费者对汽车的观感和使用舒适性,还会影响到汽车的使用寿命,严重时可导致汽车功能失效,对消费者生命和财产的安全形成隐患[1]。
乘用车耐候性是指乘用车整车在使用过程中耐受自然环境中的阳光、雨水、气温变化等环境因素综合破坏作用的能力,通常以将整车静置于标准湿热自然暴露试验场和(或)干热自然暴露试验场试验1年后的缺陷数量及缺陷程度作为衡量乘用车耐候性的依据,是乘用车耐用性的重要标志。工业产品环境适应性国家重点实验室作为国内唯一一家开展汽车耐候性技术研究的国家级科研机构,10余年来一直致力于我国汽车耐候性方面的研究,已经积累了百余辆不同品牌车型整车在我国海南琼海湿热自然暴露试验场的耐候性试验数据。本文通过对这些试验数据进行初步的统计分析,总结了试验车的耐候性失效现状,旨在为汽车企业采取措施、提升乘用车耐候性提供参考。
2试验
2.1汽车整车大气暴露试验
根据QC/T 728-2005[2]《汽车整车大气暴露试验方法》的要求,将汽车整车置于海南琼海热带环境研究所自然暴露试验场内进行静置暴露试验。
2.2数据处理
试验车试验1年后,任何可察觉的外观及功能变化均记为1次失效并记录失效等级。
3结果与讨论
3.1耐候性状况整体分布
综合耐候性失效数量和失效程度,借鉴行业先进标准[3]将整车耐候性按优、良、中、差、极差进行分级,所有试验车耐候性状况整体分布规律如图1所示。数据表明:耐候性良好以上的试验车占总比25%左右,大多数试验车(约75%)的耐候性还有待提高。
3.2主要失效形式分布
按试验车耐候性失效后导致的后果将失效形式分为存在安全隐患的失效、导致功能丧失的失效、单纯外观改变的失效以及雾翳沉积等4种主要失效形式[4],不同失效形式占总失效数量的比例如图2所示。由图2看出,部分车辆(约5%)出现存在安全隐患的失效,在整改合格之前应不允许出厂销售,其余依次是导致功能丧失的失效(8%)、雾翳沉积失效(17%)和外观改变的失效(70%)。后3种失效数量众多,对汽车品牌质量口碑的影响不容忽视。
3.3不同试验车失效比较
根据乘用车制造企业是否建立完善的汽车耐候性质量控制体系并在整车制造过程中遵循材料、零部件及整车三级耐候性控制原则将不同品牌试验车区分为“未进行耐候性控制的整车”和 “已进行耐候性控制的整车”。从表1不同试验车失效差异可以看出:相比于已进行耐候性控制的整车,未进行耐候性控制的整车存在失效程度严重、明显失效出现周期短、失效数量多等问题。说明合理的耐候性控制技术可以大幅度提升乘用车耐候性质量。
3.4主要失效部件
乘用车在海南湿热自然暴露试验场试验过程中暴露出的耐候性问题,存在一些失效较为集中的部件,以下问题具有普遍性。
3.4.1安全带扣
安全带扣除普遍存在出现锈点、褪色等影响外观的失效现象外,还存在多起安全带扣塑料出现裂纹的耐候性失效现象,属于存在安全隐患的重大失效。安全带扣出现裂纹主要是由于在注塑生产过程中没有完全消除内应力引起的,对生产工艺加以改进可以消除。
3.4.2仪表板
汽车仪表板总成也是极为常见的失效部件, 其失效形式主要表现为仪表板台面发粘、脱胶、中控台红色安全警示按钮褪色等。仪表板与使用者直接频繁面对或接触,任何明显失效都会使消费者的情绪受到影响;特别是一些比较严重的耐候性失效,会直接影响消费者的操控感受,容易引起质量投诉。
3.4.3车灯
汽车车灯主要的失效问题是车灯罩膜粉化、车灯罩发黄等。一些比较严重的失效现象为:车灯系统由多种材料组合而成,相互之间容易出现脱胶、 离缝、松动等配合不佳问题,容易引起车灯内积水,甚至出现昆虫进入车灯的现象,这都会导致车灯使用寿命缩短。
3.4.4密封胶条
密封胶条粉化是乘用车极为常见的老化失效现象之一。密封胶条老化影响汽车车厢密封性, 车内空气相对湿度升高,会导致车内金属件腐蚀生锈,严重的还会引起车厢积水,车内地毯长霉。
3.4.5电镀件
电镀件是海南湿热环境自然暴露试验过程中最常出现腐蚀失效的部件,这表明目前大多数乘用车企业所采用的电镀件耐腐蚀控制标准与实际服役环境的相关性还有待进一步加强。
4结论
根据以上对海南10余年来近百辆汽车外观及功能失效数据的统计分析,可以得出以下结论。
a.大多数试验车的耐候性还有待进一步提高;
b.应用耐候性控制技术的乘用车整车耐候性质量明显较好;
锚杆锚固失效因素分析 篇4
[论文摘要]锚杆主要是通过置入围岩内部发挥其支护作用。随着巷道围岩状态不同，锚杆支护也具有不同的作用基理。文章介绍了锚杆支护基理，并对锚杆锚固失效因素进行了分析。
随着矿井支护技术的发展，锚杆支护已经成为井下最为普遍，效果高，操作过程比较容易的一种支护方式，但是这种支护在实际过程中也面临着一些问题，如，不清楚是悬吊作用还是组合梁作用，锚杆长度和锚固长度不够，导致锚杆失效。一根锚杆失效而影响到周围锚杆，进而发生不良连锁反应，三径的不合理选择引起“手套反应”。锚杆承载过程中预应力损失导致锚杆失效。在作业过程中不合理的操作导致锚固失效。
1.锚杆支护的作用基理
锚杆主要是通过置入围岩内部发挥其支护作用，随着巷道围岩状态不同，锚杆支护也具有不同的作用基理，经典的锚杆基理有悬.吊理论、组合梁(拱)理论。现代的支护理论则强调锚杆与围岩共同作用原理，它们共同变形，由于锚杆的刚度远大于周围围岩，从而在锚杆对围岩施加作用时，一方面改善围岩应力状态，另一方面通过对裂隙岩体施加挤压作用，从而提高围岩抗剪，抗压强度、极大地提高了围岩自身承载能力。
巷道开掘后，巷道围岩中应力状态，由原来的三向应力变成二向应力，顶板下位岩层受水平应力作用，岩层容易失稳破坏，锚杆的作用就是在失去一向应力的方向上，给岩层提供一个约束力，来提高岩石强度，使岩层形成能承载的支护结构，锚杆对岩体的加固作用比较复杂，主要体现在:
(1)锚杆与岩体组合在一起，提高了岩石的抗变形能力，增强了岩体的整体性。提高了岩体承载作用。
(2)由于锚杆的抗拉作用，当锚杆穿破碎岩石，深入稳定层中，对不稳定岩层起悬吊作用。
(3)由于锚杆抗剪作用对岩层离层产生一定阻碍作用，增强了岩层间摩擦力，阻止岩层相对位移，使各岩层形成组合梁作用。
2.锚杆失效因素分析
锚杆支护设计参数选定的不合理性、地质条件的变化、支护材质不合格、施工质量不达设计要求等都是造成锚杆失效的因素。因为支护参数计的合理性直接影响到锚杆支护的效果。所以本文只对锚杆支护设计参数选定的不合理性导致锚杆失效因素进行分析。
2.1锚杆支护参数设计不合理
锚杆支护参数设计包括:锚杆种类选择、锚杆几何参数、锚杆力学参数、锚杆密度(锚杆间、排距)、锚杆安装角度,钻孔直径、孔深、锚固方式和锚固长度、锚杆预紧扭矩等。
锚杆长度根据普通的梁的理论，梁越厚，单层的梁越牢固。那么，通过层与层之间完美粘接的，具有界面的，由多层组成复合梁的结论也是如此。实际中的顶板锚固是处在一个介于有着完善的粘合界面的梁和每一个分层都独立弯曲的梁之间的某个位置。然而，在某种情况下，通过利用较长的锚杆来增加梁的厚度也许不会建立产生任何效果，依据已发现的研究结果，它也许能决定全部的顶板控制。
造成这个状态的两个原因:1.假如梁的厚超出某一限制，它就不再是一个正常的习惯上的梁，而且普通梁的概念也不再适用。2.假如锚杆系统赖于长度的增加来提供载荷于顶板。那么，锚杆越长，锚杆中的伸长量也越大，接下来于顶板。那么，描杆越长，锚杆中的伸长量也越大，接下来，大的顶板的变形或分离便会产生，特别是在纹理发育的顶板中。
在锚杆的支护密度方面，岩层稳定程度、完整程度不同，支护密度也应该有所区别。因为，锚杆在施工时，锚杆的锚固力还是有差别的，形成锚杆单个作用，在不同锚固力的锚杆的作用下，会使顶板受到剪切而损坏，不能形成完整的支护体。在同等岩性的条件下，每根锚杆的支护半径不同，这就要求有合适的支护密度。如果锚杆密度过大，不但不会加强锚杆的支护效果，还会对顶板造成破坏。锚杆密度过小，则达不到应有的支护效果。
锚杆间排距确定的原则主要包括:巷道断面维持原设计不变，保证正常通风、运输;控制支护成本，在现有支护材料不变的前提下仅改变支护参数，确保支护稳定的基础上降低支护成本，提高经济效益;保持现施工方法不变，适当增加间排距，提高单进水平和工效;支护设计必须保证理论成熟、安全可靠、结构合理;先进行方案、设计可行性研究，经研究同意后方可进行试验，分段进行;建立可靠的锚杆监测监控系统，观测锚杆支护体系的稳定性，以便及时修改锚杆支护系统。
锚杆直径的选择要做到“三径匹配”，即锚杆直径、钻孔直径、钻头直径三者匹配。三径不匹配，锚杆的锚固长度、锚杆和围岩的结合程度就会偏离设计值，降低锚杆的承载力，当围岩来压时，锚杆易造成失效。
由此看出，锚杆支护设计不合理，很难保证锚杆的支护效果，同时，煤矿井下的地质条件是随时变化的，所以，在施工过程中要根据实际情况，及时地修定锚杆支护设计参数。
3.锚杆支护预应力导致锚杆失效的因素
（1）锚杆预应力小，预应力扩散效果差，支护刚度低，致使锚杆主动支护作用不能充分发挥，不能有效控制围岩离层与破坏锚杆螺纹加工精度低；
（2）不同程度地出现锚杆被拉断、剪断和弯曲断裂的现象，表明锚杆强度偏低锚杆受力状态不佳；
（3）锚杆虽然实现了加长与全长锚固预应力，不能实现全长预应力锚固，影响锚杆支护；
（4）组合构件强度、刚度被拉断、剪断、压穿等现象.但只有锚杆自由段施加、护表面积不够，出现被拉断、剪断、压穿等现象；
4.锚固失效因素分析
锚固剂又称作胶泥，由不饱和高分子聚脂树脂、固化剂、填充材料等配比组成，可分为油基锚固剂和水基锚固剂2种，有很多因素导致锚固失效。但本文只对油基树脂锚固剂和预应力锚杆在使用过程中造成锚固失效因素做分析。
锚固剂通常包装成圆柱状，内用聚脂薄膜分隔开来的两部分，只有充份搅拌后才能迅速固化，生成锚固力。
4.1 油基树脂锚固剂失效因素
（1）搅拌时间控制。树脂锚固剂充分搅拌均匀后进行化学反应，并通过逐渐固化，体积有微量收缩，伴随着放热现象，当开始固化瞬间，锚固剂不能受外力搅拌，否则会彻底破坏了锚固剂的力学性能，形成碎砾状固化颗粒，没有粘结力，造成锚固失效。
（2）水对锚固剂的影响。树脂锚固剂是一种不溶于水的化学物质，当锚固剂中混入水后，在固化过程中，水由重力作用从胶泥中渗出，固化体中形成很多人小不等的细小气孔，这种气孔减少了锚固剂抗拉强度，抗弯强度、弹性模量和粘结力，氏时间经水浸泡，锚固剂逐步老化，造成失效。因此井下巷适遇含水破碎带时不宜采川树脂锚杆支护。
4.2 预应力锚杆的锚固失效因素
预应力锚杆由杆体、托盘、螺纹圈组成，树脂锚杆用于巷道支护，除具有一般锚杆悬吊、加拱、围岩加固作用，主要作用是通过锚杆给围岩增加预应力。
（1）油脂对锚固剂影响，树脂锚固剂不溶于油脂，锚杆杆体表而由于制造过程中，被油脂污染，降低锚固剂的粘结强度，造成锚固失效。因此，应该严格控制杆体中油脂含量。
（2）合理的安排锚杆间距、排距、材质、直径对锚杆支护效果起着决定性作用。
（3）钻孔直径，钻孔大，搅拌锚固剂时从钻孔中流出，造成锚固剂固化疏松，减少粘结强度，减少锚固力。钻孔小，锚杆对锚固剂搅拌困难，难以推进药卷至钻孔底，甚至途中固化。
（4）“手套效应”锚固剂直径大于杆体直径，杆体插入药卷中，没能搅破外包膜而固化，药膜将孔壁与固化剂完全分开造成失效。
（5）安装后应从杆体尾部螺纹施加不小于100 N?m的预应力，保证顶板有足够承载能力，随着地质变化，螺母松弛，造成预应力损失，导致失效。因此定期紧固螺母保持设计预应力。
结论
环境失效 篇5
中国自“十二五”规划以后,进入了全新的利用和开发风能阶段。目前,风机机组维护中更换最频繁、最多的零件就是变桨系统蓄电池,风机变桨系统中阀控式铅酸蓄电池应用最广泛,但是应用中逐渐体现这种电池的高成本、故障多、寿命短等缺陷。研究变桨系统蓄电池的相关内容对于降低维护费用、延长设备期限、减少更换次数具备一定作用。
1 变桨系统基本概述
1.1 变桨系统组成
一般来说,风机变桨系统主要包括三个轴控制柜、一个中心控制柜、三台直流电机、三个电池柜及相关附件。从功能上来说,变桨系统主要包括主供电电源、后备供电电源、伺服机构、编码器、控制机构。变桨控制器作为控制机构关键设备,能够控制质量、调节桨叶角,也能够为系统提供实时信息,此外变桨系统还能够及时监控设备死机问题。如果变桨控制器死机或PLC故障,监控器不能获得PLC脉冲信号,继电器输出故障信息,此时变桨系统会在安全位置进行紧急收桨。伺服机构主要包括伺服电机和伺服驱动器,变桨驱动器能够及时接受变桨控制器为系统输送的电压值,并且驱动伺服电机在指定角度上转动桨叶。后备电源包括铅酸电池组及相关充电器,并且有机结合主电源为风机变桨系统提供运行所需要的动力,主电源实现机组正常运行的变桨功能。如果系统故障或电网失电时,变桨系统会自动切换,此时工作在后备蓄电池上,并且蓄电池能直接控制电流或为系统提供动力,确保能够风机系统可以顺利回桨。
1.2 变桨系统运行原理
变桨系统实际上是用来安全停机和调节功率的。变桨系统运行在调节工作情况下运行原理是:依据当前风速,机舱主控制器有机结合机组设定转速及实际转速来计算变桨角度,并且依据串口通讯线为变桨控制器输送变桨指令,在接收到变桨角度设定值后,变桨控制器需联合编码器体现系统实际角度,然后计算出设定的变桨速度值,此时能够为电机伺服驱动器提供变桨指令。驱动器接受指令后,联合编码器体现系统速度,并且最后形成变桨驱动电压,此时能够形成闭环控制系统,可以提高系统稳定性和可靠性。安全停机情况下运行原理为:如果系统断开电源或电网出现故障,系统能够自动切换供电方式,并且后备蓄电池能够控制电流和动力,保证风机安全、可靠回桨。如果系统出现紧急停机或一些极端情况时,变桨系统会及时切断外部连接的电源,自动变为畜电池方式供电,促使叶片安全回到设定位置,安全归位后利用限位开关来完成中断供电的过程[1]。
2 风机变桨电池失效分析
变桨后备电源包括充电器和铅酸蓄电池,可以从以下方面分析变桨电池。
2.1 蓄电池技术指标
风机后备电源中蓄电池是最重要的,同时也是气动刹车的主要方式,蓄电池实际上是在变桨系统严重安全故障或电网掉电时,能够迅速强迫风机桨叶停止转动。为了保证安全可靠运行,需要构建独立蓄电池收桨回路。因为直接控制硬件开关,也就是直流电机直接进行后备电源供电,促使2 MW及以下风机变桨系统具备大于7°的回桨速度,以便于能够在最短时间内计算桨叶恢复速度。为了满足以上目标,一般都是把铅酸阀控式蓄电池作为风机蓄电池,具备7.2 AH容量、12 V额定电压,每只叶片上存在6个串联的蓄电池。为了促使紧急状态下风机具备足够支撑快速回桨的残余能量,基本都是利用电池电压对变桨系统进行实时监控,也就是实时测量电压中合理应用单相电压检测模块。如果出现低于限值的电池电压,系统需要报错,并且能够及时定位伴随性故障点,此外,也应该定期测试电池程序,一般情况下都是一周检测一次[2]。
2.2 阀控式铅酸蓄电池
近年来,不同领域中大量应用和推广阀控式铅酸蓄电池。阀控式铅酸蓄电池具备免维护的特点,已经取代传统防爆电池应用在新领域中。自从使用阀控式铅酸蓄电池以后,因为轻便、免维护、使用寿命长、易于安装等特点,广泛应用在电信、电力、UPS中。经过大量实践可以发现阀控式铅酸蓄电池放电能力和电压没有关系。运行阀控式铅酸蓄电池时,随着不断提高使用时间,会导致增大个别电池内阻而出现电池老化的问题。衡量阀控式铅酸蓄电池容量的标准为木桶原理,即最差电池容量,并不是额定值。当具备90%以下额定容量的电池容量,电池处于衰退期,降低到80%以下时电池开始急剧衰退,此时阀控式铅酸蓄电池具备很大隐患。为了有效解决使用阀控式铅酸蓄电池中的不足和缺陷,国内外专家不断改进相关技术,提出维护和检修阀控式铅酸蓄电池的技术及方法。目前国内已经普遍使用风电机组变桨蓄电池,急需快速准确维护和检测蓄电池的技术。国内外经过大量研究和分析可以发现容量和电压没有关系,电压只是能够体现电池表面参数。国际电工部门为维护阀控式铅酸蓄电池构建了定期测试电池内阻、预测寿命的规范。国内信息产业部质量检测中心也对此提出相应检测标准和规范,其中决定蓄电池容量实际情况的是蓄电池内阻。如果具备高于初始值的电池内阻,不能测量电池容量,如果高于两倍初始值时,具备额定容量80%以下的电池容量。
3 风机变桨蓄电池故障
实际使用阀控式铅酸蓄电池时经常出现一些故障:a)过充电。电池过充电会导致电池外壳鼓胀,出现参差不齐的变形和电压。如果实际应用中出现轻微变形和鼓胀是正常的;如果蓄电池运行在高于45℃环境中不能依据实际标准来降低浮充电压,标准温度是25℃,每提高1℃,会降低3 m V电压;b)过放电。过放电促使长时间出现低于正常范围的浮充电压,电池长期亏损、长期未充电、长期未使用;c)短路。阀控式铅酸蓄电池只有一节均衡充电或出现低电压,其它都正常,此时还不能满足额定发电需求,并且出现严重发热情况。
风机机组紧急收桨过程中,出现不及时回桨或慢回桨,都会导致蓄电池不能满足一次回浆指令需求。充电器不报警并且正常运行时,已经断开主回路充电器,但是Battery OK灯一直亮,报警系统输出控制回路始终处于低高电平,导致不能为电池正常充电。对第一种情况来说,电池电压反应电池容量,电池组具备过低电压,电池容量不足以支持桨叶回收,此时故障是因为过低电池电压导致的,但是运行中没有形成最低电池电压警报临界值,基于此可以表明系统不能提前预警电池失效情况,同时也不能顺利完成一次顺桨。对于第二种情况来说,充电器实施监控输出、输入电压,电压检测失效是唯一的故障原因[3]。
4 风机变桨电池对环境的适应性
4.1 风机变桨电池运行环境和安装方式
不管是国产蓄电池还是进口蓄电池,应用中都需要分析固定电池紧密性,防止电池松动,所以,固定蓄电池时利用夹件或粘连的方式来处理系统结构。这种方式固定蓄电池,不方便电池散热,促使电池出现热失控现象导致损坏阀控式铅酸蓄电池。野外安装风机机组时,风机轮毂中安装变桨电池,如果夏季高温中运行,会影响蓄电池散热,所以变桨电池不适合上述运行方式。
4.2 依据风电场实际情况选择蓄电池
蓄电池性能受到温度影响,不同风电场中具备不同温度,不仅是昼夜温差,也存在地域温差。经过大量实践可以发现,如果蓄电池运行在高于25℃标准环境温度时,每提高10℃,就会降低一半使用寿命,需要频繁更换电池,所以实际选择蓄电池型号时应该充分掌握风场情况,对于常年温度偏高的区域,使用优越高温性能的蓄电池;常年温度偏低的区域,使用低温型蓄电池。
4.3 铅酸蓄电池存储条件
温度极大程度上会影响电池性能。在25℃的情况下,电池放电率是0.1%,随着提高温度,会明显提高放电率,并且每升高10℃,会降低一半寿命,因此,阀控式铅酸蓄电池适合存储在低温环境中。因为不同原因风电场机组不能并网,长时间搁置蓄电池,并且不能控制存储环境和温度,长达1 a时间都处于40℃环境中,已经严重损坏蓄电池,不但会提高风机机组运行成本,也会提高工作量,因此,风机机组并网之前应该严格控制存放蓄电池的环境及放置时间。
4.4 蓄电池不合理维护和监控
依据国家相关标准的规定来说,阀控式铅酸蓄电池投入使用以后需要每2 a~3 a进行一次充放电试验,超过6 a以上的设备需要每年试验一次。但是由于运行阀控式铅酸蓄电池的不同设备和实际条件,不能完全满足实际规定需求,所以导致出现不合理的阀控式铅酸蓄电池维护和试验,导致降低使用期限。现阶段,不少铅酸蓄电池还是仅仅只能监控蓄电池整组电压,不能监控单体蓄电池电压,以至于不能完全满足社会发展需求。
5 延长风机机组电池使用寿命和降低故障的措施
5.1 做好现场保管工作
风机机组蓄电池应该存放在阴凉、通风、干燥环境中,避免雨淋、风吹、日晒、受潮等。存储蓄电池时避免阳光直射,温度控制在0℃~35℃,蓄电池存储时不可以受到外力损伤。
5.2 做好维护和监控的工作
a)蓄电池正式存放之前需要充满电,并且需要每三个月补充一次电;b)安装风机机组蓄电池之前,需要对蓄电池进行充放电试验,此时具备100%容量,并且应该测量蓄电池单个内阻、电压,检测是否能够满足标准需求;c)为保障安全使用蓄电池,应该定期检查充电器、蓄电池;d)风机紧急变桨出现问题时,如果充电器、蓄电池异常或报警,此时应该停机处理,并且直到消除系统问题后才能再次启动;e)禁止混合使用内阻差距大、容量差距大的新旧电池;f)投入使用蓄电池以后需要每2 a~3 a对其进行一次充放电检测,超过6 a的风机蓄电池需要每年检测一次,并且及时更换容量低于80%的风机机组蓄电池。
5.3 三段式充电策略
为了保障风机机组蓄电池安全可靠运行,设计变桨系统时需要合理分析充电器电池亏损情况,并且合理利用三段式方式进行充电,第一充电阶段是利用大恒流对蓄电池进行充电,以便于迅速提高电压,确保能够充满蓄电池的50%~60%;第二充电阶段是利用恒电压对蓄电池进行充电,在降低水解析度情况下提高电池容量和电压;第三充电阶段是利用小电流恒流对蓄电池进行充电,直到完全充满电池容量为止。电池基本上都是处于浮充状态,以此来弥补小电量放电。
6 结语
随着社会经济和科学技术快速发展,面对资源短缺和过快消耗不可再生资源的现象,开发利用新能源十分重要,不但能够降低资源消耗,也能够达到节能减排的目的。现阶段电厂发电中风力成为最具前景、发展迅速的新能源,已经被大量应用在各领域中。变桨系统是风机机组利用风能的主要形式,因此需要进一步分析风机变桨系统电池,保证能够全面提高电池安全性和稳定性,保证为人们日常生活提供安全高效的电能。
参考文献
[1]樊磊明,荆丽,谢少洲,等.浅谈风力发电厂风机变桨电池的维护[J].科技情报开发与经济,2011,21(22):212-214.
[2]孔屹刚,徐大林,顾兆丹,等.水平轴风力机变桨载荷分析与计算[J].江苏大学学报(自然科学版),2010,31(6):635-639.
环境失效 篇6
聚氨酯涂料具有优良的耐磨性、耐化学药品、耐油性、附着力强及高装饰性能,在汽车、航空、海洋、建筑、石化等领域有着广泛的应用。
对于研究聚氨酯涂层在加速条件下的失效机理较多,姚敬华研究盐雾和紫外-冷凝室内人工加速老化循环环境下聚氨酯失效机理,杨丽霞等研究丙烯酸聚氨酯涂层在大气环境下户外降解规律,朱永华等采用氙灯UV照射和盐雾的人工加速老化方法对聚氨酯进行老化试验,朱永华等采用氙灯UV照射的方式对涂料进行人工加速老化,而对于在模拟实际海洋环境下的失效机理较少。
本文用电化学交流阻抗谱研究聚氨酯涂层在3.5%氯化钠溶液浸泡作用下的性能变化,用FTIR对究涂层失效前后的组成进行分析,用SEM研究涂层表面形貌变化,用能谱研究腐蚀产物的成分。1实验部分
1.1 实验材料
金属基材为5083铝合金;涂料为上海海悦涂料有限公司生产的SRF2088海灰聚氨酯热反射船壳漆。
1.2 试样制备
将铝合金加工成规格为4.5cm×4.5cm×2mm的试样,先用丙酮除油,采用120#砂纸手工打磨,然后依次用乙醇和丙酮清洗试样表面,待试样干燥后将涂料分别刷涂在铝合金基底上,涂层在室温下充分固化。并在干燥器中放置2周后使用。
1.3 试样腐蚀环境
室温敞开环境下,将制备的涂层试样浸泡于3.5%氯化钠溶液液面下3 cm处。
1.4 试样性能测试
每隔一段时间对涂层试样进行电化学阻抗谱测试。电化学阻抗谱测试采用美国普林斯顿公司的Parstat 2273电化学工作站,在开路电位下进行,频率范围为0.01～105Hz,测量信号为频率为10mV的正弦波。电解池采用三电级体系,涂层/铝合金试样为工作电极,试样有效面积为10.17cm2。工作电极用铝丝连接丝孔,参比电极选用饱和甘汞电极,辅助电极为铂电极。测试介质为3.5%(质量分数)的氯化钠溶液。EIS测试在室温下进行,实验所得数据用ZSimpWin软件进行分析处理。
用LEO-1450扫描电子显微镜观察表面形貌。KEVEX Sigma能谱微分析系统分析腐蚀产物成分。用Nexus 670傅立叶变换红外光谱仪研究涂层在老化过程中结构及组成变化。
2结果与讨论
2.1 铝合金/聚氨酯涂层体系在3.5%氯化钠溶液中浸泡后的电化学阻抗谱
图1～2为聚氨酯涂层在3.5%氯化钠溶液中的电化学阻抗谱图。由图1～2可看出,浸泡0.5 h后,聚氨酯涂层在测试频率为0.01Hz时的阻抗模值(以下简称|Z|0.01)为1.47×1011Ω·cm2,Nyqusit图为倾斜角接近90°的一条直线,此时涂层对铝合金基体有很好的保护作用,能有效地屏蔽水分子、氧等腐蚀介质的侵入。336 h后聚氨酯涂层的|Z|0.01为1.45×1010Ω·cm2,此时Nyquist图由高频区的小容抗弧和低频区的大容抗弧组成,表现为两个时间常数,说明腐蚀介质通过涂层孔隙到达铝合金表面并发生电化学反应,金属/涂层界面的电化学反应成为控制步骤。由图1知,浸泡504 h后,聚氨酯涂层的|Z|0.01为2.46×109Ω·cm2;696 h后,|Z|0.01为1.47×107Ω·cm2,随浸泡时间增加,涂层的|Z|0.01有所减小,说明聚氨酯涂层的保护作用逐渐减弱。浸泡1224 h后,聚氨酯的|Z|0.01为1.71×106Ω·cm2,Nyquist图由两个容抗弧和一个Warburg扩散尾组成,此时铝合金表面的腐蚀反应继续进行,腐蚀产物不断增多并阻挡腐蚀介质的扩散。1512 h后,聚氨酯涂层的|Z|0.01为1.31×106Ω·cm2,Nyquist图由三个容抗弧组成,Warburg扩散尾转变为一个半径较大的容抗弧。此时扩散系数较小的氯离子到达金属/涂层界面,并于可溶性腐蚀产物反应形成氯盐膜,和铝合金的溶解阻抗并存。浸泡3744 h后,聚氨酯涂层的|Z|0.01为1.53×106Ωl·cm2。肉眼观察到此时聚氨酯涂层表面出现鼓泡,涂层失效。
a.0.5 h;b.336 h;c.1224 h;d.1512 h
由图3可看出,随着浸泡时间增加,|Z|0.01逐渐下降,呈现两段特征。从0.5 h到1032 h,迅速从1.47×1011Ω.cm2下降到2.34×106Ω·cm2,随后下降缓慢并趋于稳定。结合图2,在浸泡开始至1032 h,腐蚀介质通过涂层的孔隙不断渗入,并引起铝合金基体发生电化学反应,造成体系的|Z|0.01迅速下降;在1032 h后,腐蚀产物的增加造成对涂层孔隙的阻塞并抑制电解质溶液的继续渗入,另外,由于环氧涂层的吸水溶胀使颜料添料游离出来吸附在金属基体表面,对金属基体表面的腐蚀起到延缓作用。这两种因素造成|Z|0.01下降缓慢并趋于稳定。
图4为铝合金/聚氨酯涂层在3.5%氯化钠溶液中浸泡后的EIS图谱对应的等效电路图。图4a为0.5～216 h后的等效电路;图4b浸泡336～1036h后的等效电路;图4c为浸泡1224 h后的等效电路;图4d)浸泡1512～3744h后的等效电路。其中,Rs代表溶液电阻,Rc代表涂层电阻,Cc代表涂层电容,Rct代表电化学反应电阻,Cdl代表双电层电容,Rsf代表氯盐膜反应电阻,Csf代表氯盐膜电容。
a.0.5～216h;b.336～1036h;c.1224h;d.1512～3744h
根据图4中的等效电路,利用ZSimpwin软件对图2中的Nyqusit图进行拟合,可以得到涂层电阻和涂层电容等表征涂层性能的电化学参数。根据拟合结果,可以得到聚氨酯涂层电阻和聚氨酯涂层电容随浸泡时间变化曲线。
2.2 利用孔隙率和饱和吸水率研究聚氨酯涂层失效情况
涂层孔隙率计算公式
其中,P代表涂层孔隙率,Rpt代表孔隙率无限大的涂层的理论电阻,Rp代表实测涂层孔隙电阻,d代表涂层厚度,A代表工作面积,k为电解质电导率。25℃时3.5%氯化钠溶液电导率为0.01S×m”。
有机涂层吸水体积百分率公式其中,Xv为有机涂层吸水体积百分率,Cc(0)为初始浸泡时涂层电容,Cc(t)为浸泡时间为t时的涂层电容。根据图5和相关数据可计算出各个浸泡时间下的孔隙率和涂层吸水体积百分率,同时可以得到聚氨酯涂层孔隙率和吸水体积百分率随浸泡时间变化曲线(见图5)。
由图5可看出,随着浸泡时间增加,聚氨酯涂层孔隙率逐渐增大,曲线呈现两段式特征。从浸泡开始到1512 h后,孔隙率从8.17×10-12逐渐增大到1.72×104。随后孔隙率逐渐稳定,3744 h后,聚氨酯涂层孔隙率为4.60×10-4。
由图5还可看出,聚氨酯涂层吸水体积百分率随浸泡时间增加逐渐增大,呈现三段式特征。从浸泡开始到144 h,涂层吸水体积百分率增加到0.116%。随后吸水体积百分率增加速度稍微减小,到1512 h后为0.469%。然后保持稳定,到3744 h后,聚氨酯涂层吸水体积百分率为0.479%。
2.3 利用扫描电镜和能谱研究聚氨酯涂层失效机理
图6为聚氨酯涂层失效前后的数码照片。由图6可看出,聚氨酯空白样表面均匀致密;浸泡3744h后涂层表面出现大面积起泡,起泡是十分严重而普遍的涂层失效形式,可以判断聚氨酯涂层失效。
由图7可看出,铝合金空白样表面只有前处理的磨痕,整洁没有杂物;浸泡3744 h剥离涂层后的铝合金表面有大量的腐蚀产物,腐蚀严重
a.空白样;b.浸泡3744 h剥离涂层后
表1为具体的元素分析结果。由图8和表1可以看出,本文所用铝合金基材为镁铝合金,其中铝元素含量为94.13%(质量分数),镁含量为5.87%。浸泡3744h剥离涂层后的铝合金表面有两层腐蚀产物,直接接触表面的一层为氧化物,第二层为氧化物和氯化物。另外第二层上面还有少量的氯化钠。这与2.1中对阻抗谱的分析得出的结论一致。
a.空白样;b.图6b腐蚀产物较多位置;c.图6b腐蚀产物较少位置
2.4 利用红外光谱分析聚氨酯涂层失效前后组成及结构变化
图9可看出,3026.54cm-1处是苯环上-CH的吸收振动峰;2928.75cm-1和2856.44cm-1处为-CH2振动峰;1729.78cm-1处为酯的C=O吸收振动峰;1687.04cm-1处为-NH-COO-的吸收振动峰;1547cm-1处是-NH和-CN的吸收振动峰;1453.38cm-1处为苯环上C=C的吸收振动峰;1209.08 cm-1、1165.69 cm-1处是C-O的吸收振动峰。浸泡3744 h后的聚氨酯涂层红外光谱图大部分特征振动峰强度减弱,1547cm-1处的峰消失。说明浸泡过程中-CN键发生断裂,生成氨基自由基和烷基自由基并生成二氧化碳。
根据对图9的解析,聚氨酯涂层在浸泡过程中-CN键发生断裂,化学键的断裂造成涂层各组分间结合力下降,使涂层孔隙率增加,导致对腐蚀性离子阻挡作用的下降,促使电解质溶液不断渗入,使涂层电阻下降和电容增加。这与前面对阻抗谱的分析及孔隙率的分析是一致的。
3 结论
根据聚氨酯涂层在3.5%氯化钠溶液中浸泡后的电化学阻抗谱,从0.5 h到3744 h,铝合金/聚氨酯涂层体系的|Z|0.01从1.47×1011Ω·cm2下降到1.53×106Ω.cm2;聚氨酯涂层电阻从1.08×1012Ω.cm2下降到1.92×104Ω·cm2;涂层电容从8.8×10-11 F·cm-2增加到7.18×10-10F·cm-2;涂层孔隙率从8.17×10-12增加到4.60×10-4;涂层吸水体积百分率增加到0.479%。
根据观察和能谱分析,浸泡3744 h后,聚氨酯涂层表面鼓泡严重,涂层失效。腐蚀产物为铝的氧化物和氯化物。
红外光谱解析表明,在浸泡过程中,聚氨酯涂层中的-CN键发生断裂生成不稳定的基团,最终导致涂层失效。
摘要：本文采用电化学交流阻抗谱研究聚氨酯涂层在3.5％氯化钠溶液浸泡作用下的性能变化,用FTIR对涂层失效前后的组成进行分析,用SEM研究涂层表面形貌变化,用能谱研究腐蚀产物的成分,对聚氨酯涂层在腐蚀环境中的失效机理进行详细的研究和分析。
关键词：涂层,聚氨酯,失效,机理,腐蚀
参考文献
[1] Hui-cheng Yu,Bai-zhen Chen,Xichang Shi,etal.Investigation of the trivalent-chrome coating on 6063 aluminum alloy[J].Materials Letters,2008,62:2828～2831
[2] Fabrizio Girardi,Francesco Graziola,Paolo Aldig-hieri,et al.Inorganic-organic hybrid materials with zirconium oxoclusters as protective coatings on aluminium alloys[J].Progress in Organic Coatings.2008,62:376～381
[3] 曹京宜,张寒露,程文华等.采用电化学测试方法评价防污涂层对铝合金耐蚀性能的影响[J],材料开发与应用,2008,23(3) :1～6,15
环境失效 篇7
1 氯离子在混凝土中的扩散规律
目前普遍采用的讨论氯离子扩散的理论基础为Fick第二定律[3]:
其中:t是时间;x是距混凝土表面的距离;D是氯离子扩散系数;
在水化龄期为t0 (28d) 时测定混凝土的扩散系数为D0, 记t时刻混凝土的氯离子扩散系数为Dt, 则存在以下关系[4]:
tmax为对扩散系数衰减的最大影响时间, 一般取tmax=25~30年。
另外考虑到混凝土在使用过程中发生的性能劣化, 定义K为氯离子扩散性能的劣化效应系数, 扩散系数用等效扩散系数De=KDt表示[5]。
至此得到氯离子扩散性能的计算方程为:
结合初始条件:t=t0, x>0时, Cf=C0;边界条件:x=0, t>t0时, Cf=Cs, 得到混凝土中氯离子浓度的计算公式如下:
(2) K:对普通水泥混凝土, K=1~14;对高性能混凝土, K≥6[7]。
(3) R:对普通水泥混凝土, R=2~4;对高性能混凝土, R=3~15[7]。
D0和Cs显然都应当看作随机变量来处理, 数字特征如表1[8,9]。
2 钢筋锈蚀规律
2.1 锈蚀起始时间Tc
当钢筋表面的氯离子质量浓度达到临界值Ccr时, 钢筋开始生锈。显然钢筋开始锈蚀的时间要<tmax, 因此应当用 (4) 式中的第1式来计算钢筋开始锈蚀时间Tc。
因为t0 (28d) T, 所以在方程左边可略去t0, 解得
2.2 临界值Ccr
Ccr并非定值, 其值随孔溶液的p H值的增加而提高, 随胶凝材料中的C3A、C4AF含量的增加而提高, 随混凝土所用胶凝材料的种类不同而上下波动, 随水灰比的增加而降低。有关它的取值问题已有不少相关研究成果, 可直接采用。例如文献[8]认为Ccr应当作随机变量来处理, 均值可取为0.097 6kg/m3, 变异系数为0.10。
2.3 钢筋的动态直径d (t)
Tc时刻后, 钢筋直径d (t) 将逐渐减小。钢筋锈蚀速率可按下式计算[10]:
式中:i为腐蚀电流密度 (µA/cm2) ;[Cl-]为钢筋周围的氯离子含量 (kg/m3) ;T为钢筋周围的K氏温度;RC为混凝土表面和钢筋之间的电阻值;t为混凝土内钢筋开始锈蚀后的年数。
通过Stern-Geary公式把腐蚀电流密度i换算成单位时间锈蚀量Cc:
其中M=55.85;ρ=7.95g/cm3;z=2。从而可得:
所以锈蚀发生后, 钢筋的动态直径变化为:
d0为钢筋初始直径 (mm) 。
3 考虑多种失效模式的锈蚀钢混构件失效概率分析
对于构件只有一种失效模式的情况, 可其可靠性分析比较简单。但在实际工程中, 一个构件常常存在多个失效模式, 只要其中一个达到极限状态, 构件就失效。例如受弯构件, 既可能因为受弯承载能力不足而破坏, 也可能因为受剪承载力或锚固达到极限而破坏。在《结构设计统一标准》中, 规定了四类承载能力极限状态和正常使用极限状态, 每一种极限状态对应了一个可能的失效模式。
因此, 对这种多失效模式的情况, 需要专门进行分析。
假设某构件具有k个失效模式, 不同的失效模式用不同的功能函数来描述, 任一个失效模式的功能函数可表示为gi (_x;t) [11], 其中x_是由状态变量组成的随机向量, t为时间。每一个失效事件可表示为:
Ei的补事件是安全事件。构件失效是这样一个事件:在该事件k个可能的失效模式中任出现了一个, 即:
这一事件的概率即为构件的失效概率:
值得注意的是, 由于各失效模式之间存在相关性, 即使各失效模式的破坏概率已求得, 也难用上式直接计算构件的失效概率。在这种情况下, 可取失效概率的范围估计值来作为衡量指标[12]。
设第i个失i效模式的失效概率为Pfi, 构件的可靠概率为Pf, 则根据上两式, 可得Pf的界限为:
4 结语
该文研究了氯离子侵蚀下钢混构件的抗力衰减规律及时变可靠度计算问题, 主要做了以下工作: (1) 研究了钢筋锈蚀的规律, 给出了钢筋锈蚀起始时间Tc和动态直径D (t) 的计算模型; (2) 对考虑多种失效模式情况下的构件失效概率进行了分析。
参考文献
[1]Y.S.Petryna, W.B.Kratzig.Computational framework for long-term reliability analysis of RC structures[J].Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 2005 (194) :12-16.
[2]Xianming Shi, Ning Xie, Keith Fortune, et al.Durability of steel reinforced concrete in chloride environments:An overview[J].Construction and Building Materials, 2012 (30) :25-138.
[3]Yung-Ming Sun, Ming-Te Liang, TaPeng Chang.Time/depth dependent diffusion and chemical reaction model of chloride transportation in concrete[J].Applied Mathematical Modelling, 2012, 36 (3) :1114-1122.
[4]Thomas M D A, Bamforth P B.Modeling chloride diffusion in concrete:Effect of fly ash and slag[J].Cement and Concrete Research, 1999 (29) :487-495.
[5]Pigeon M, Garnier F, Pleau R.Influence of drying on the chloride ion permeability of HPC[J].Concr Int, 1993 (2) :65-69.
[6]Steinar H.Assessment and prediction of service life for marine structures:A tool for performance based requirement[M].2nd.Belin:World Publishing Corporation, 1999:8-17.
[7]余红发, 孙伟, 鄢良慧, 等.混凝土使用寿命预测方法的研究Ⅰ-理论模型[J].硅酸盐学报, 2002 (6) :688-689.
[8]Enright MP, Frangopol DM.Probabilistic analysis of resistance degradation of Reinforced Concrete Bridge beams under corrosion[J].Engineering Structures, 1998 (11) :960-971.
[9]Hoffman P C, Weyers R E.Predicting critical chloride levels in concrete bridge decks.Structural safety and reliability:Proceedings of ICOSSAR’93[J].Rotterdam, 1994:957-959.
[10]Liu T, Weyers R W.Modeling the Dynamic Corrosion Process in Chloride Contaminated Concrete Structures[J].Cement and Concrete Rsearch, 1998, 28 (3) :365-379.
[11]Mark G.Stewart, David V.Rosowsky.Time-dependent reliability of deteriorating reinforced concrete bridge decks[J].Structural Safety, 1998 (20) :91-109.
环境失效 篇8
在上述场景,数据分发技术呈现出以下特点:在地震、海啸等灾害性事件发生后,系统中的节点大规模失效,这些大量失效的节点存在系统中成为虚假节点严重影响数据分发的可靠性与分发效率,这就要求应急场景下的数据分发方法在系统中大量节点失效时能够快速地检测出失效节点并将这些失效节点从系统中存活节点的邻居列表中剔除。当前的数据分发方法在节点大规模失效的情况下无法快速检测出所有的失效节点。
本文提出了一种基于邻居交换和失效区域预测的节点失效检测方法NEFAP。NEFAP基于邻居交换的方式通过逐步剔除邻居列表中“年龄”较大的邻居以达到检测失效节点的目的,为加快节点失效信息在系统中的扩散,NEFAP在交换邻居信息的同时交换失效节点信息,最后,NEFAP设计失效区域预测的算法,节点根据当前已知的失效节点网络坐标预测失效区域并通过对比节点坐标与失效区域边界坐标判断节点是否有较大概率失效,通过向具有较大失效概率的节点发送心跳消息快速检测节点存活状态。相对于已有方法,NEFAP在系统中节点大规模失效的情况下能够快速地检测出所有失效节点。
1相关研究
当前对大规模节点失效检测的研究可以分为集中式节点失效检测和分布式节点失效检测。
集中式节点失效检测是指系统采用一个或者多个节点作为中心节点。中心节点的作用主要有:(1)向系统中所有的节点发送探测消息测试并判断其是否失效;(2)收集系统中节点的失效情况,将系统中节点的失效信息发送给所有的未失效节点。典型的集中式的节点失效检测方法包括Gulfstream[3]、ISIS[4]。集中式的节点失效检测方法部署简单,由中心节点负责探测、收集、统计系统中的节点失效情况并传播失效消息,减少了失效消息同步的开销。但是,中心节点由于承担了检测节点失效和收集并传播失效消息的任务,往往会成为热点从而造成单点失效的问题,可扩展性不高,不适合大规模节点失效的检测。
与集中式节点失效检测相反,分布式节点失效检测方法中,失效检测模块分布式的部署在系统中。分布式的节点失效方法中各失效模块或独立检测节点失效情况或与其他失效模块间协作检测失效节点,各失效模块间需要同步失效信息以便快速准确地将失效信息扩散到系统中其他未失效节点上。分布式的节点失效检测方法按照失效模块间的通信策略的不同,可以分为基于层次化的节点失效检测方法,基于Gossip的节点失效检测方法和基于邻居交换的节点失效检测方法。其中,基于邻居交换的失效检测方法是一种全分布的节点失效检测方法,也即是系统中所有的节点都是失效检测模块。基于邻居交换的节点失效检测方法中每个节点既负责检测节点的失效又负责失效信息的传播。分布式的节点失效检测方法避免了集中式的节点失效检测方法的单点失效的问题,可扩展性较好,适合大规模节点的失效检测。但是,分布式的节点失效检测方法中各失效检测模块间存在异步的问题。为了提高节点失效的正确性,需要各失效检测模块间不断同步失效消息。
2 NEFAP
2.1 NEFAP基本思想
NEFAP的节点周期性交换携带年龄的邻居信息以检测失效节点,通过在邻居交换信息中附加节点已知的失效节点的随机采样信息以快速扩散节点失效信息,采用失效区域预测算法快速检测失效邻居节点。
图1为NEFAP的方法框架。首先,节点S的邻居交换模块从节点S的邻居节点列表和失效节点列表中各选择若干个条目发送给邻居节点D。节点S接收到D返回的邻居节点列表和失效节点列表Buffer。然后,节点S的失效区域预测模块判断Buffer中的邻居节点列表中是否有节点落在该模块已经预测的可能失效的区域内。若Buffer中的邻居节点列表中的节点X落在某个可能失效的区域内,则节点S的失效区域预测模块向节点X发送Heartbeat消息测试节点X是否失效。若超时,节点S的失效区域预测模块则判定节点X失效,将节点X从Buffer中邻居节点列表中删除,并将X加入到S的失效节点列表中;若节点X未失效,则返回Alive消息。最后,节点S的邻居交换模块将Buffer中邻居节点列表中剩余的邻居节点与节点S的邻居节点列表合并,将Buffer中失效节点列表与节点S的失效节点列表合并,启动节点S的失效区域预测模块更新失效区域。图2为NEFAP的算法表示。
2.2附带失效记录的邻居交换算法
为了实现节点失效信息的快速传播,基于CY-CLON[5]邻居交换算法提出附带失效记录的邻居交换算法。该算法的基本思想是:每个节点维护一个邻居节点列表和一个失效节点列表。为每个邻居节点维护一个Age,表示节点的年龄信息,Age越大,代表节点越久没有被更新。每隔一个周期,节点P将邻居列表中所有邻居节点的Age加1,并从中选择Age最大的节点Q作为交换节点,然后将邻居列表按照Age降序排序并选择前一个邻居发送给Q。P在向Q发送邻居列表的同时从失效节点列表中随机选择一个失效节点发送给Q。Q接收到来自节点P的邻居列表和失效节点列表后,首先将该邻居列表和失效节点列表存放在缓冲区内并从自己的邻居列表和失效节点列表中分别选择N个邻居和随机选择的M个失效节点返回给P。对于缓冲区内失效节点列表,Q将其直接与自身的失效节点列表合并;对于缓冲区的邻居列表,Q首先调用失效区域预测模块判断是否有失效节点,若有失效节点则加入到Q的失效节点列表中,并从缓冲区内的邻居列表中删除该节点。最后,Q对比缓冲区中剩余的邻居列表与自身的邻居列表,选择Age较小的节点作为自己的新的邻居。另外,节点P收到Q返回的邻居节点列表和失效节点后,采用与Q相同的操作。附带失效记录的邻居交换算法如图3所示。
附带失效记录的邻居交换算法通过在节点交换邻居的同时附带交换失效节点的信息以提高失效节点信息在网络的传播从而到达快速检测失效节点的目的。
2.3失效区域预测算法
失效区域预测的基本思想是:根据已知的失效节点的位置信息构造密闭的几何图形从而预测失效区域。为了使预测更加的精确,按照已知的失效节点的规模将失效节点按照其地理位置分为K个簇,其中K的大小随已知的失效节点规模变化。对于每个簇,分别用一个最小外接矩阵标记其边界。失效区域预测的示意图如图4所示。
图4中,总共有50个失效节点,将50个失效节点按照其地理位置信息进行分簇,共分为3个簇。其中椭圆形表示节点的分簇情况。每个簇都用一个最小的外接矩形表示,分别记录每个外接矩形的边界坐标。对于每个簇,其边界就可以用一个四元组,
失效区域预测算法通过对失效节点按照其网络坐标进行分簇并采用该簇的最小外界矩阵作为预测的失效区域。通过对比节点坐标与预测出的失效区域边界坐标即可快速判断节点是否具有较大失效概率,然后通过调用检测模块测试其存活状态。
3实验结果与分析
应急场景下的节点失效检测方法目标是在大规模节点区域性失效后,系统中活着的节点能够快速地检测到失效节点并将这些失效节点从节点的邻居列表中剔除。CYCLON[5]采用邻居交换方法检测失效节点,通过逐步剔除“年龄”大的节点以快速检测失效节点并具有较小的通信开销。为了验证NEFAP的有效性,通过模拟实验对比NEFAP与CYCLON的性能。
实验采用开源P2P模拟器Peer Sim[6]构建网络拓扑并模拟节点以不同概率随机失效。本实验中网络节点的规模为3 000,节点间的延迟通过King方法[7,8]在Planet Lab[9]上收集得到。测试的主要性能指标包括:
(1)时间开销:节点从失效到最终被系统中所有活着节点检测到的时间。也即失效节点从系统中所有活着节点的邻居列表中消失的时间。
(2)通信开销:失效节点最终被检测到的过程中系统中的消息量。
由图6—图8可以看出,在不同的节点失效规模下,NEFAP的检测完成时间都要比CYCLON短。这是因为NEFAP采用附带失效节点记录的方式加快了失效节点信息在系统中的传播速度,另外NE-FAP的失效区域预测算法使得节点能够快速检测到有较大概率失效节点状态,因而进一步提高了失效节点的检测速度。
3.1时间开销
对比在节点失效概率分别为1%,10%和50%时,NEFAP和CYCLON的检测完成时间。实验中,每个节点的邻居列表长度设置为20,每个周期交换的邻居列表长度为10,NEFAP每个周期交换失效节点列表长度为5。系统中的节点总数目为3 000,初始设置所有节点都在线,在实验的第20个周期分别设置30个节点,300个节点和1 500个节点失效,失效模型为随机失效。图中的检测周期0即表示了实验中的第20个周期。
3.2通信开销
为了对比NEFAP与CYCLON的通信开销,分别设计实验测试了在不同的节点失效概率下,NE-FAP与CYCLON的通信开销。实验中,NEFAP分别以概率P=0.1和P=0.5向“疑似”失效节点发送心跳测试消息探测节点状态。表1显示了在不同的节点失效概率下NEFAP与CYCLON的通信开销对比。从表1中,可以看出,在节点失效概率一定的情况下,NEFAP的通信开销要高于CYCLON并且随着NEFAP向“疑似”失效节点发送心跳消息的概率p的增大而增大。这是因为NEFAP在区域预测方法中会向“疑似”失效节点发送心跳测试消息,从而增大了通信开销并且通信开销随P的增大而增大。表1中还可以看出,随着节点失效的概率的增加,NEFAP相比CYCLON的通信开销增加量逐渐减少,这是因为虽然NEFAP引入心跳探测和失效节点列表增大了通信开销,但是随着节点失效概率的增加,CYCLON需要更多的检测周期来完成失效节点的检测从而增大通信开销。因此,随着节点失效概率的增大NEFAP与CYCLON的通信开销会逐渐缩小。
综上可知,相比CYCLON,NEFAP在提高失效节点检测速度的基础上并未增加过多的通信开销。
4结束语
在应急环境下,地震等一些灾害性天气发生后,会造成物理节点损害从而造成大量节点失效。这些大量失效的节点存在于节点的邻居列表中造成路由效率低,路由不可靠的问题。为了能够快速的检测出失效节点并将其从节点邻居列表中剔除,本章提出基于邻居交换和失效区域预测的节点失效检测方法—NEFAP。NEFAP基于邻居交换检测失效节点,通过交换邻居信息逐步剔除“年龄”较大的节点从而达到剔除失效节点的目的;通过在邻居交换中附带失效节点记录以加快节点失效记录在系统的扩散从而达到快速检测失效节点的目标;基于失效区域预测,通过向“疑似”失效节点发送心跳测试消息快速检测出有较大概率失效的节点的状态。实验结果表明,NEFAP在大规模节点区域性失效的情况下,可以快速地检测出失效节点。
参考文献
[1]黄建华,朱才连.战场警觉及数据分发系统研究.计算机应用与软件,2006;23(4):54—55
[2] Ibnkahla M R Q S A.High-speed satellite mobile communications:technologies and challenges.In:Proceedings of the IEEE,2004:312—339
[3] Fakhouri S A,Goldszmidt G S,Gupta I,et al.Gulfstream-a systemfor dynamic topology management in multi-domain server farms.Technical IBM T.J.Watson Research Center,2001
[4] Birman K P.The process group approach to reliable distributed com-puting.Communications of the ACM,1993;36(12):37—53
[5] Voulgaris S,Gavidia D,Van S,et al.Cyclon:Inexpensive member-ship management for unstructured p2p overlays.Journal of Networkand Systems Management,2005;13(2):197—217
[6] PeerSim.http://peersim.sourceforge.net
[7] Gummadi K P,Saroiu S D G S.King:estimating latency between ar-bitrary internet end hosts.In:Proc.ACM SIGCOMM Workshop on In-ternet measurment.2002:5—18
[8] Dabek F,Cox R,Kaashoek F,et al.Vivaldi:a decentralized net-work coordinate system.In:Proc.ACM SIGCOMM.Portland,Ore-gon:2004:15—26
风机轴承失效分析 篇9
1.5RU51涂布风机轴承失效分析
2006年9月3日, 5RU51涂布风机轴承更换。轴承型号由原装的2309K (厂家SNR) 更换为2309K (厂家NSK) 。风机运行第二天, 现场噪声异常, 轴承座振动很大, 温度明显升高。用数据采集仪分析后, 发现风机两端轴承座的振动速度值和加速度包络值都很高, 振动速度值在16mm/s, 加速度包络值高达76.12gE。频谱中有明显的2309K轴承外圈缺陷频率, 且在该频率的两侧还有清晰的风机转频的边频带, 见图1。
2006年9月5日紧急停机检修。拆下的轴承经清洗后, 发现轴承外圈内侧有一圈深约0.8mm、宽约2.1mm的划痕, 保持架变形, 滚动体出现麻点颗粒磨损。
2.5CU13真空风机轴承失效分析
2006年9月设备大修将原轴承SNR 2312K更换为NSK2312K。2007年9月3日, 5CU13真空风机轴承座振动开始增大, 水平方向加速度包络值达到24.1gE。频谱中出现了轴承2312K外圈缺陷频率。随后重点跟踪监测故障的趋势变化情况。2007年11月23日, 振动频谱中轴承外圈缺陷频率更加明显, 见图2。时域图中也出现了轴承外圈缺陷频率的冲击频率。
2007年12月5日计划停机更换轴承。打开驱动侧轴承座时发现该轴承一侧保持架断裂, 滚动体散落。轴承外圈有润滑脂碳化痕迹。清洗后发现该轴承保持架的夹角已研磨平, 轴承外圈有磨损。非驱动侧轴承外圈刮擦研磨。内圈内侧与紧定套之间的配合面有润滑脂碳化痕迹。
3.5 QU51涂布风机轴承失效分析
2006年9月设备大修将原轴承SNR 2309K更换为NSK2309K。2007年11月14日, 5QU51涂布风机振动速度值和加速度包络值大幅上升, 皮带轮侧的垂直、水平及轴向加速度包络值分别上升到了28.82gE、22.95gE和22.58gE, 比上次上升了近三倍。在各频谱中明显捕捉到了轴承2309K外圈缺陷频率。2007年11月26日继续检测, 发现振动速度值和加速度包络值仍持续上升, 皮带轮侧的垂直、水平和轴向加速度包络值分别上升到了46.13gE、43.08gE和43.58gE。频谱中轴承外圈缺陷频率的两侧出现了保持架的边频带, 见图3。现场噪声更加明显。
2007年12月5日计划停机更换轴承。取下驱动侧轴承时保持架松动, 部分滚动体散落。清洗后发现该轴承外圈360°范围摩擦划痕, 其中负荷区的刮擦研磨现象最严重。轴承内圈内侧与紧定套之间的配合面有润滑脂碳化痕迹, 皮带老化。
二、轴承根本失效原因分析
以上三个案例, 都具有类似的轴承故障特征, 即轴承外圈受到保持架的刮擦而失效。
1. 从轴承磨损的表面特征分析
案例1中, 维修人员在拆轴承时发现风机固定端的轴承定位环没有安装, 没有轴向定位, 轴承很容易发生轴向窜动, 使轴承保持架与轴承外圈直接刮啃, 最终造成风机轴承在运行不到48h内严重失效。定位环未安装, 造成轴向窜移是案例1中轴承失效的根本原因。案例2和案例3中, 从轴承内圈与紧定套之间的配合面有润滑脂碳化的痕迹看, 轴承内圈与紧定套之间过盈量不足, 在负荷不稳定的情况下, 轴承容易发生轴向移动, 轴承保持架在受力不均的状态下对轴承外圈进行局部刮啃, 最终产生深槽而使轴承失效。轴承内圈与紧定套之间过盈量不足是案例2和案例3中轴承失效的根本原因。
2. 从轴承结构特征分析
这三个案例中的风机轴承都是23系列的圆锥孔调心球轴承。设备原装轴承厂家为SNR, 后更换的轴承厂家为NSK。虽然两者轴承在规格型号上一样, 但是仔细对照两家轴承, 发现两者轴承的保持架略有不同, 见图4和图5。仅从上述的案例无法明确NSK轴承保持架也是造成该类风机轴承失效的次要原因之一。此外还应注意紧定套与轴承的配合问题。风机原装轴承与紧定套应该是原配组装, 而后来的就是属搭配组装了。在规范的轴承与紧定套组装过程中, 应尽量用同一厂家的产品为好, 那样可保持两者配合面的紧凑性。轴承与紧定套配合不良是轴承失效的次要原因之一。
3. 从轴承运行时间分析
上述三个案例中的轴承是在2006年9月设备大修期间更换, 原轴承当时已基本运行了6年时间。案例1中轴承更换后运行不到48h失效, 案例2和案例3中轴承运行不足15个月失效。如果风机运行状态一直平稳, 就不要因运转时间较长而主观更换轴承, 而应该根据状态监测得到的趋势和频谱体现的特征来确定轴承是否更换。因为, 原装轴承与风机之间的装配应是最好的, 如果刻意更换轴承, 就可能造成过度维修, 会破坏原来的配合状态。如果没有专业化的工具及专业队伍维修, 更换上的轴承就很难达到原来的配合状态。轴承与风机配合状态的不良是导致轴承设计寿命提前结束的次要原因之一。
三、总结
1. 根本失效分析对确定故障原因非常重要
轴承故障根本原因分析在于帮助确定故障的真正原因。没有分析出故障的根本原因, 就不可能采取进一步的纠正和预防措施, 也不能进行纠错验证。
2. 轴承的选择使用要根据设备现场实际需要
三个案例中风机所使用的轴承全为调心球轴承, 该轴承在风机中被普遍使用。调心球轴承适合应用在容易产生安装误差或轴挠曲而可能引起不对心的场合。对于风机, 由于空气处理设备的特性不同, 需要高效、低噪声、稳定运行, 所以对速度和刚度也有较高的要求, 自动调心球轴承的低摩擦和紧凑尺寸应是风机轴承的首选。
3. 严格控制轴承安装过程中的游隙
在轴承的安装中, 轴承内部的游隙测定是非常重要的。特别在把锥孔轴承装在紧定套上的情况下, 由于紧定套的锥度, 轴承的内圈膨胀量增大, 随之轴承的内部游隙减少。因此, 安装轴承时, 设定适当的内圈膨胀量和轴承游隙是很重要的。
4. 轴承状态的准确测定需要借助必要的检测工具
要准确知道设备轴承运行状态, 尽量借助有关检测工具来辅助分析判断, 最好做到有故障就修, 无故障不要修, 以保证设备处在最佳运行状态和工作效率。
摘要：通过对三台风机轴承故障的RCFA分析, 查找出轴承失效的根本原因, 避免事故的再次发生。