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CN108414360A - 模拟深海高压腐蚀疲劳三点弯曲试验装置 - Google Patents

模拟深海高压腐蚀疲劳三点弯曲试验装置 Download PDF

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CN108414360A CN201810048920.9A CN201810048920A CN108414360A CN 108414360 A CN108414360 A CN 108414360A CN 201810048920 A CN201810048920 A CN 201810048920A CN 108414360 A CN108414360 A CN 108414360A
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魏世丞
梁义
苏宏艺
王玉江
郭蕾
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Abstract

模拟深海高压腐蚀疲劳三点弯曲试验装置属于金属材料腐蚀技术研究领域。装置，由水循环系统、试样固定装置、压头执行机构、固定架、温控箱和控制主机组成；水循环装置连接如下：蓄水箱中的海水通过输水管线与增压泵的入口连接，增压泵的出口通过输水管线与高压釜的釜体的入水口连接；高压釜釜体底部的出水口通过输水管线与蓄水箱连接；本发明可以在模拟深海高静水压环境下进行材料的三点弯曲腐蚀疲劳试验、可通过控制主机调控压头的运动速度和运动方式，可采用多种波形(正弦波，方波、三角波)对试样进行疲劳加载。本发明采用分压板减少承压轴的负荷，通过分压板与高压釜体的固定，提高试验装置的可靠性。本发明成本低廉、操作便捷。

Description

模拟深海高压腐蚀疲劳三点弯曲试验装置
技术领域
本发明属于金属材料腐蚀技术研究领域，涉及一种模拟深海环境腐蚀疲劳三点弯曲试验装置。
背景技术
许多海洋工程结构和装备例如海洋钻井平台、海底输送管道、舰艇、深潜器、水下机器人，其结构件大多由金属材料制成。在海洋环境中，由于受到洋流运动、深海压力以及设备运作所引起的机械载荷，金属结构件在海水的侵蚀作用的同时，还受到交变应力的影响。在腐蚀性介质和交变载荷协同作用下，腐蚀疲劳是海洋金属结构件的主要失效形式，若不加以控制，易酿成重大事故，给国家和社会造成巨大经济损失。目前，国内外对于海洋环境下金属材料三点弯曲腐蚀疲劳的研究大多集中于常压环境，只能研究浅海环境因素对金属腐蚀疲劳失效行为的影响，而不能综合考虑到深海压力及温度对金属腐蚀疲劳的作用。对金属结构件腐蚀疲劳强度的预判将可能导致深海装备过早损坏，造成经济浪费，严重时可造成人员伤亡。近期研究表明，深海静水压力可影响海水中氯离子的活性以及对金属表面的渗透性，直至影响金属的腐蚀疲劳强度。因此，研制模拟深海高静水压环境下的腐蚀疲劳三点弯曲试验装置具有非常重要的实际应用需求和学术价值。
发明内容
本发明在于克服现有技术的缺陷，提供一种可以模拟深海环境材料腐蚀疲劳三点弯曲试验装置，由水循环系统、试样固定装置、压头执行机构、固定架、温控箱和控制主机组成；
水循环装置连接如下：蓄水箱中的海水通过输水管线与增压泵的入口连接，增压泵的出口通过输水管线与高压釜的釜体的入水口连接；高压釜釜体底部的出水口通过输水管线与蓄水箱连接；
高压釜由高压釜釜体和高压釜覆盖组成；
连接高压釜釜体和蓄水箱的输水管线中设有出水阀；
输水管线外侧包覆有保温套；
高压釜釜体外侧包覆有隔热板。
试样固定装置的连接如下：内承压杆有四根，顶部带有钉帽，钉帽部位通过垫圈固定于高压釜盖的外侧，起到承压作用。内承压杆与釜盖开口连接部位加工出5度的锥度，外侧包覆有相同锥度的配套橡胶密封套，保证高压釜的密封性和固定装置的稳定性。四个垫圈底部放置一块应力缓冲片，缓冲片开口部分与垫圈的内径相同，防止应力集中导致高压釜盖变形。内承压杆下端带有销孔，通过销钉与内承压板固定，承压板上表面通过焊接工艺固定两个挟持端，两夹持端平行放置，上部装有相同的圆柱形滚轮，试验时将规定尺寸的试样对称放置于两滚轮上；
内承压杆材质为高强钢，外侧喷有防腐漆；滚轮材质为不锈钢，表面打磨光滑压头；
两夹持端平行放置，试样尺寸为长条形矩形试样。
压头执行机构由油泵电机、油箱、液压推杆、连杆、压头组成。压头通过连杆与液压推杆连接，液压推杆固定在油箱的一侧，另一侧固定油泵电机，液压油可在液压推杆、油箱和液压泵之间流动；压头上设有压力传感器，可将压力信号实时输送到控制主机，液压推杆上设有压力传感器，当高压釜盖承压超过规定数值时自动停止液压杆的运动。
压头材质为TC4合金，底部为圆弧形，底部表面打磨光滑。
固定架由底座、外承压杆、下承压板、分压板、上承压板组成；外承压杆有四根，分别固定于四个底座上，下承压板固定于承压杆底端，通过螺母与底座连接，承压轴通过螺母固定于下承压板上；液压推杆为双套筒结构，外套筒通过橡胶套固定于高压釜盖，内套筒可沿推杆轴线做往复运动；
分压板通过上下螺母固定于外承压杆中部，高压釜釜体外开口边缘突出部分通过螺母固定于分压板上，高压釜釜体底端与承压轴上表面接触；
上承压板通过螺母固定于外承压杆上部，压头执行装置中的油箱通过螺母固定于上承压板的下表面。
温控箱内放置储水箱，储水箱内装有海水，温控箱可在一定范围内调节储水箱中海水的温度；
控制主机调控压头执行机构的运动方式及高压釜内的水压值；
所述装置的方法，其特征在于，运作方式如下：首先，将装有海水的蓄水箱置于温控箱内，待蓄水箱中的海水温度与温控箱设置的温度一致时，关闭出水阀，使高压釜内的水不能流入到蓄水箱中，在控制主机上设置好压力值之后，点击增压泵开关按键，增压泵启动，将海水从蓄水箱中抽到高压釜内，高压釜内压头上设有压力传感器，实时将压力值信号传输给控制主机，当高压釜内压力达到设定值后，增压泵停止运转；此时，设置波形、频率、幅值、载荷比这四个参数，设置好后，点击压头执行机构启动开关，压头执行机构开始运转，液压推杆在油泵电机的驱动下沿推杆的轴线做往返运动，使与液压推杆连接的压头能够向试样施加交变载荷；控制主机实时显示压头执行机构的运转时间和运转周期次数，当试样断裂或人工按下压头执行机构的停止按键时，压头执行机构停止运转；实验完成后，打开出水阀，排掉高压釜内的水，卸下连接高压釜釜体和分压板的螺母和承压轴，将高压釜釜体挪开，取下试样。
本发明的有益效果是：
1、本发明将装有海水的储水箱置于温控箱内，通过温控箱的恒温可精确控制海水的温度(0-35℃)，高压釜釜体外的隔热板可防止釜内水温的变化过快，保持釜内水温的恒定。
2、本发明的水循环系统可以控制海水的成分、压力(0-20MPa)、可根据实验要求加入特殊溶质，以模拟实际服役环境。
3、本发明可以在模拟深海高静水压环境下进行材料的三点弯曲腐蚀疲劳试验、可通过控制主机调控压头的运动速度和运动方式，可采用多种波形(正弦波，方波、三角波)对试样进行疲劳加载。
4、本发明采用分压板减少承压轴的负荷，通过分压板与高压釜体的固定，提高试验装置的可靠性。
5、本发明成本低廉、操作便捷。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2是本发明局部示意图。图中：1蓄水箱；2海水；3输水管路；4外承压杆；5夹持端；6承压轴；7下承压板；8底座；9内承压板；10试样；11压头；12连杆；13内承压杆；14分压板；15高压釜盖；16液压推杆；17油泵电机；18上承压板；19油箱；20高压釜釜体；21增压泵；22出水阀；23控制主机；24温控箱；25-固定螺母；26-垫片；27-应力缓冲片；28-橡胶密封套。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种模拟深海高压腐蚀疲劳三点弯曲试验装置，由水循环系统、试样固定装置、压头执行机构、固定架、温控箱24和控制主机23组成；
水循环装置连接如下：18L的蓄水箱1中的海水在增压泵21的驱动下，通过输水管路3流入高压釜釜体20中。打开出水阀22时，高压釜内的海水可在重力作用下通过输水管路流入位于低处的蓄水箱1中，实现水循环装置中海水的循环流动；关闭出水阀22时，海水在高压釜内只进不出，此时可通过调节海水的进水量来控制高压釜内的静水压力。
输水管路3外侧包覆有保温套，对管内流动的海水起到隔热作用；输水管的进水端和出水端均用橡胶套分别密封固定于高压釜釜体的上端接口和下端接口；
高压釜由内径为320mm的高压釜釜体20和外径为580mm的高压釜釜盖15组成；高压釜釜体内部空间主体形状为圆柱形，底部打磨成弧形，以减少应力集中；高压釜釜体和釜盖的材质均采用TC4合金；
高压釜釜体20外侧包覆有隔热板。
试样固定装置的连接如下：内承压杆13设有四根，直径均为10mm；顶部带有直径为18mm的钉帽，钉帽部位通过垫圈固定于高压釜盖的外侧，起到承压作用。内承压杆与釜盖开口连接部位具有5-10度锥度，外侧包覆有相同锥度的橡胶密封套，保证高压釜的密封性和固定装置的稳定性。四个垫圈底部放置一块直径500mm圆形应力缓冲片，缓冲片开口部分与垫圈的内径相同，防止应力集中导致高压釜盖变形。内承压杆13外侧包覆有密封橡胶套，防止加压时水溢出高压釜。内承压杆下端带有销孔，通过销钉与内承压板9固定，承压板9上表面通过焊接工艺固定两个挟持端5，两夹持端平行放置，相距60mm；挟持端上部装有直径为5mm的圆柱形滚轮，试验时将规定尺寸的试样10对称放置于两滚轮上；
内承压杆13的材质为高强钢，外侧喷有防腐漆；
压头执行机构由油泵电机17、油箱19、液压推杆16、连杆12、压头11组成。压头11通过连杆与液压推杆16连接，液压推杆16固定在油箱19的一侧，另一侧固定油泵电机17，液压油可在液压推杆16、油箱18和液压泵17之间流动；液压推杆16为双套筒结构，外套筒通过橡胶套固定于高压釜盖，内套筒可沿推杆轴线做往复运动。压头11上设有压力传感器，可将压力信号实时输送到控制主机，液压推杆16上设有压力传感器，当高压釜盖承压超过800MPa值时自动停止液压推杆的运动。
压头11采用TC4合金，底部为圆弧形，底部表面打磨光滑。
固定架由底座8、外承压杆4、下承压板7、分压板14、上承压板18组成；外承压杆4设有四根，分别固定于四个底座8上，下承压板7固定于外承压杆4低端，通过螺母与底座8连接，承压轴8通过螺母固定于下承压板7上；
分压板14通过上下螺母固定于外承压杆3中部，高压釜釜体20外开口边缘突出部分通过螺母固定于分压板14上，高压釜釜体20底端与承压轴6上表面接触；
上承压板18通过螺母固定于外承压杆4上部，压头执行装置中的油箱19通过螺母固定于上承压板18的下表面。
温控箱24内放置储水箱1，储水箱内装有海水2，温控箱24可在一定范围内调节储水箱中海水的温度；
控制主机23调控压头执行机构的运动方式及高压釜内的水压值；
系统运作方式如下：
首先，将装有海水2的蓄水箱1置于温控箱24内，待蓄水箱1中的海水温度与温控箱设置的温度一致时，关闭出水阀22，使高压釜内的水不能流入到蓄水箱1中，在控制主机上设置好压力值之后，点击增压泵开关按键，增压泵21启动，将海水从蓄水箱1中抽到高压釜内，高压釜内设有压力传感器，可实时将压力值信号传输给控制主机，当高压釜内压力达到设定值后，增压泵停止运转。此时，可设置波形、频率、幅值、载荷比这四个参数，设置好后，点击压头执行机构启动开关，压头执行机构开始运转，液压推杆16在油泵电机17的驱动下沿推杆的轴线做往返运动，使与液压推杆连接的压头11能够向薄片试样10施加交变载荷。控制主机可实时显示压头执行机构的运转时间和运转周期次数，当试样断裂或人工按下压头执行机构的停止按键时，压头执行机构停止运转。实验完成后，打开出水阀22，排掉高压釜内的水，卸下连接高压釜釜体和分压板的螺母和承压轴可将高压釜釜体挪开，取下试样。

Claims (10)

1.模拟深海高压腐蚀疲劳三点弯曲试验装置，其特征在于：
水循环装置连接如下：温控箱内放置蓄水箱，蓄水箱内装有海水，蓄水箱通过输水管线与增压泵的入口连接，增压泵的出口通过输水管线与高压釜的釜体的入水口连接；高压釜釜体底部的出水口通过输水管线与蓄水箱连接；高压釜由高压釜釜体和高压釜覆盖组成；连接高压釜釜体和蓄水箱的输水管线中设有出水阀；
试样固定装置的连接如下：内承压杆设有四根；内承压杆顶部带有的钉帽，钉帽部位通过垫圈固定于高压釜盖的外侧，起到承压作用；内承压杆外侧包覆有密封橡胶套，防止加压时水溢出高压釜；内承压杆下端带有销孔，通过销钉与内承压板固定，承压板上表面通过焊接工艺固定两个挟持端，两夹持端平行放置；挟持端上部装有圆柱形滚轮，试验时将试样对称放置于两滚轮上；
压头执行机构由油泵电机、油箱、液压推杆、连杆、压头组成；压头通过连杆与液压推杆连接，液压推杆固定在油箱的一侧，油箱的另一侧固定油泵电机，液压油在液压推杆、油箱和液压泵之间流动；液压推杆为双套筒结构，外套筒通过橡胶套固定于高压釜盖，内套筒可沿推杆轴线做往复运动；压头上设有压力传感器，将压力信号实时输送到控制主机；控制主机调控压头执行机构的运动方式及高压釜内的水压值；
固定架由底座、外承压杆、下承压板、分压板、上承压板组成；外承压杆设有四根，分别固定于四个底座上，下承压板固定于外承压杆底端，通过螺母与底座连接，承压轴通过螺母固定于下承压板上；分压板通过上下螺母固定于外承压杆中部，高压釜釜体外开口边缘突出部分通过螺母固定于分压板上，高压釜釜体底端与承压轴上表面接触；上承压板通过螺母固定于外承压杆上部，压头执行装置中的油箱通过螺母固定于上承压板的下表面。
2.根据权利要求1所述装置，其特征在于：
输水管路外侧包覆有保温套，对管内流动的海水起到隔热作用；输水管的进水端和出水端均用橡胶套分别密封固定于高压釜釜体的上端接口和下端接口。
3.根据权利要求1所述装置，其特征在于：
高压釜釜体内部空间主体形状为圆柱形，底部打磨成弧形，以减少应力集中。
4.根据权利要求1所述装置，其特征在于：
高压釜釜体外侧包覆有隔热板。
5.根据权利要求1所述装置，其特征在于：
内承压杆与釜盖开口连接部位具有5-10度锥度，外侧包覆有相同锥度的橡胶密封套，保证高压釜的密封性和固定装置的稳定性。
6.根据权利要求1所述装置，其特征在于：
四个垫圈底部放置圆形应力缓冲片，圆形应力缓冲片开口部分与垫圈的内径相同，防止应力集中导致高压釜盖变形。
7.根据权利要求1所述装置，其特征在于：
内承压杆外侧喷有防腐漆。
8.根据权利要求1所述装置，其特征在于：
压头采用TC合金，底部为圆弧形，底部表面打磨光滑。
9.根据权利要求1所述装置，其特征在于：液压推杆上设有压力传感器，当高压釜盖承压超过800MPa值时自动停止液压推杆的运动。
10.应用如权利要求1-9任意一项所述装置的方法，其特征在于，运作方式如下：
首先，将装有海水的蓄水箱置于温控箱内，待蓄水箱中的海水温度与温控箱设置的温度一致时，关闭出水阀，使高压釜内的水不能流入到蓄水箱中，在控制主机上设置好压力值之后，点击增压泵开关按键，增压泵启动，将海水从蓄水箱中抽到高压釜内，高压釜内压头上设有压力传感器，实时将压力值信号传输给控制主机，当高压釜内压力达到设定值后，增压泵停止运转；此时，设置波形、频率、幅值、载荷比这四个参数，设置好后，点击压头执行机构启动开关，压头执行机构开始运转，液压推杆在油泵电机的驱动下沿推杆的轴线做往返运动，使与液压推杆连接的压头能够向试样施加交变载荷；控制主机实时显示压头执行机构的运转时间和运转周期次数，当试样断裂或人工按下压头执行机构的停止按键时，压头执行机构停止运转；实验完成后，打开出水阀，排掉高压釜内的水，卸下连接高压釜釜体和分压板的螺母和承压轴，将高压釜釜体挪开，取下试样。
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