CN104931407B - 一种多轴盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多轴盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展测试系统。本系统包括通过拉‑剪‑扭多轴加载夹具向试样提供试验所需的I型、II型、III型及复合型疲劳载荷的疲劳试验机；本系统还包括盐雾腐蚀环境箱，所述盐雾腐蚀环境箱包括通过管道彼此连通的盐雾腐蚀箱体和盐雾预发生箱体，盐雾预发生箱体向盐雾腐蚀箱体中输送形成盐雾所需的空气和盐水，盐雾腐蚀箱体为疲劳裂纹扩展试验提供所需的盐雾环境，拉‑剪‑扭多轴加载夹具和所述疲劳裂纹扩展试样均位于所述盐雾腐蚀箱体之中。本系统能够较好地测量多轴载荷与盐雾腐蚀环境共同作用下的疲劳裂纹扩展速率等断裂力学参量，为服役于盐雾腐蚀环境和复杂受力状态下海工装备的选材设计和寿命评价提供支撑。

Description

一种多轴盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展测试系统

技术领域

本发明属于材料性能测试技术领域，涉及一种多轴盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展测试系统。

背景技术

随着社会经济的不断发展，陆地资源日益紧张，人们已经将开发目标逐渐转向资源丰富的海洋，且近年来呈加速发展态势，各种海工装备也不断推陈出新。由于许多海工装备(如油气资源开采、加工、储运设备等)内含有易燃、易爆、有毒物质，一旦失效往往并发火灾、中毒、环境污染等灾难性事故，为了提高可靠性，越来越多的海工装备采用了基于断裂力学等原理的损伤容限设计方法。此类设备的典型特点是长期服役于海洋环境，受盐雾或海水等腐蚀影响较大，而且受力状态较为复杂，为了进行优化选材设计和准确的寿命评价需要开展相应腐蚀环境下的断裂力学参量测试，其主要参量之一是多轴载荷与盐雾腐蚀环境共同作用下的疲劳裂纹扩展速率。

虽然目前现有的中国专利文献《一种腐蚀环境下疲劳裂纹扩展速率试验环境装置》(授权号：CN101358929A)、《一种腐蚀环境下的疲劳试验测试系统》(公开号：CN103439202A)、《弹簧盐雾疲劳试验装置》(公开号：CN102944511A)、《一种用于疲劳性能试验的盐雾环境装置》(公告号：CN201589746U)、《高温盐雾试验装置》(公告号：CN202994631U)等已经公开了一些腐蚀疲劳性能测试和盐雾环境模拟装置，但仍无法满足测试多轴载荷与盐雾腐蚀环境共同作用下的疲劳裂纹扩展速率的实际需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种多轴盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展测试系统，本系统能够较好地测量多轴载荷与盐雾腐蚀环境共同作用下的疲劳裂纹扩展速率等断裂力学参量，为服役于盐雾腐蚀环境和复杂受力状态下海工装备的选材设计和寿命评价提供支撑。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：

一种多轴盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展测试系统，包括疲劳试验机、疲劳裂纹扩展试样、盐雾腐蚀环境箱，本系统还包括拉-剪-扭多轴加载夹具，所述疲劳试验机提供单轴疲劳载荷，通过所述拉-剪-扭多轴加载夹具转换为试验所需的I型、II型、III型及复合型疲劳载荷施加到所述疲劳裂纹扩展试样上进行试验；

盐雾腐蚀环境箱包括通过管道彼此连通的盐雾腐蚀箱体和盐雾预发生箱体，所述盐雾预发生箱体向盐雾腐蚀箱体中输送形成盐雾所需的空气和盐水，所述盐雾腐蚀箱体为疲劳裂纹扩展试验提供所需的盐雾环境，所述拉-剪-扭多轴加载夹具和所述疲劳裂纹扩展试样均位于所述盐雾腐蚀箱体之中。

优选的，所述盐雾预发生箱体中自上而下依次设置有盐水箱、预热水箱和空压机，所述空压机输出的压缩空气经过所述预热水箱预热后与由所述盐水箱输出、经所述预热水箱预热的盐水在喷嘴内汇合，并喷射至所述盐雾腐蚀箱体内形成盐雾；所述盐水箱底面高于所述喷嘴所处的高度。

优选的，所述空压机的出口端之间自所述喷嘴之间设置有压缩空气管,所述盐水箱的底部开口至所述喷嘴之间设置有盐水管，所述压缩空气管与盐水管在所述预热水箱中均呈弯折状设置。

优选的，所述盐雾腐蚀箱体的顶部和底部均设有与所述疲劳试验机固接并密封的波纹管，所述盐雾腐蚀箱体内靠近所述疲劳裂纹扩展试样处设有热电偶，所述盐雾腐蚀箱体的一侧壁板上喷嘴，另一侧壁板上设有驱动盐雾在盐雾腐蚀箱体内扩散和弥漫的风机。

优选的，所述盐雾腐蚀箱体中还设置有对盐雾进行二次加热以达到试验所需温度的加热装置。

优选的，所述盐雾预发生箱体在所述预热水箱的下侧设置有废液回收箱，所述盐雾腐蚀箱体的底部与所述废液回收箱之间设置有废液回收管，且所述盐雾腐蚀箱体底面高于所述废液回收箱的顶面。

优选的，所述盐雾预发生箱体的箱体外侧设置有连接螺杆，所述盐雾腐蚀箱体通过其箱体外侧的连接部可转动地设置在所述连接螺杆上。

优选的，所述连接螺杆与盐雾预发生箱体的箱体之间构成螺纹连接，所述连接螺杆上设置有便于调节器连接螺杆高度的手轮。

优选的，所述连接部与所述连接螺杆之间构成螺纹连接。

优选的，所述盐雾预发生箱体底部安装有移动脚轮。

对现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1)、本发明在中国专利文献《一种测试复合型疲劳裂纹扩展速率的装置》(公开号：CN104237007A)的基础上，将拉-剪-扭多轴加载夹具和疲劳裂纹扩展试样、盐雾腐蚀环境箱和疲劳试验机集成为多轴盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展测试系统，用于测试多轴载荷与盐雾腐蚀环境共同作用下的疲劳裂纹扩展速率等断裂力学参量，试验结果可为服役于盐雾腐蚀环境和复杂受力状态下海工装备的选材设计和寿命评价提供支撑。

2)、本发明中的盐雾腐蚀环境箱包括较小的盐雾腐蚀箱体和较大的盐雾预发生箱体，所述盐雾预发生箱体中设置有压缩空气和盐水，压缩空气和盐水分别经相应管路输送至盐雾腐蚀箱体中的喷嘴处，从而在盐雾腐蚀箱体中形成试验所需要的盐雾环境。本发明中的这种大、小两箱体的结构设计一方面使得形成盐雾的原料能够提前配制并贮存在较大的盐雾预发生箱体中，确保了盐雾能够持续稳定可靠的供给，另一方面则在较小的盐雾腐蚀箱体中形成易于扩散和弥漫的盐雾环境，由于盐雾腐蚀箱体的体积相对较小，因此盐雾腐蚀箱体中的盐雾浓度分布较为均匀，从而有利于获得准确的测试结果。

3)、本发明在较大的盐雾预发生箱体中设有预热水箱，空压机输出的压缩空气和盐水箱流出的盐水均经过预热水箱充分预热后，再经由喷嘴喷射至盐雾腐蚀箱体内形成盐雾，从而有效地降低了盐雾的温度波动，有利于进行试验温度控制。

4)、本发明的盐雾预发生箱体中的盐水箱底面高于盐雾腐蚀箱体中的喷嘴的设置高度，使得盐水在重力作用下便可顺利自流到达喷嘴处，有利于获得更好的喷雾效果；此外，盐雾腐蚀箱体的底面高于废液回收箱的顶面，保证了盐雾腐蚀箱体中的废液在重力作用即可自流至废液回收箱；本发明中这种结构设计运用了非能动设计理念，充分发挥自然本性来实现系统功能，实现了良好的节能环保效果。

5)、本发明中盐雾腐蚀箱体的顶部和底部均通过波纹管与疲劳试验机上的法兰盘相连并实现密封，这种连接结构不仅改善了密封效果，而且提高了设备长周期运行的可靠性。

6)、本发明中的盐雾腐蚀箱体内靠近疲劳裂纹扩展试样处设有热电偶，可较好地反映疲劳裂纹扩展试样周围的温度，且盐雾腐蚀箱体相对应的左、右内壁板上分别设有风机和喷嘴，所设置的风机可有效地增强盐雾流动和弥漫效果，从而进一步提高了盐雾腐蚀箱体内的盐雾浓度分布的均匀性。

7)、本发明中的盐雾腐蚀箱体内设置有加热装置，加热装置可以对盐雾腐蚀箱体内的盐雾进行加热以达到试验所需的温度，从而扩展了本测试系统的测试范围。

8)、在工作时，盐雾腐蚀箱体和盐雾预发生箱体通过连接部与连接螺杆实现转动连接，便于实现盐雾腐蚀箱体和盐雾预发生箱体之间的相互转动；连接螺杆底部安装有手轮，便于调整盐雾腐蚀箱体和盐雾预发生箱体之间的相对高低；此外，盐雾预发生箱体的底部安装有移动脚轮，便于盐雾预发生箱体移动以调整盐雾腐蚀环境箱与疲劳试验机的相对位置，从而实现盐雾腐蚀环境箱与疲劳试验机之间的四自由度调整。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图。

图2是疲劳试验机的结构示意图。

图3是拉-剪-扭多轴加载夹具和疲劳裂纹扩展试样相连接后的结构示意图。

图4是盐雾腐蚀箱体的结构示意图。

图5是图4的A-A向剖视图。

图6是盐雾预发生箱体的结构示意图。

图7是图6的A-A向剖视图。

图8是图6的B-B向剖视图。

图中标记的含义如下：

10—疲劳试验机 11A—上法兰盘 11B—下法兰盘

20—拉-剪-扭多轴加载夹具 21—疲劳裂纹扩展试样

30—盐雾腐蚀箱体 31A—上波纹管 31B—下波纹管

32—螺纹连接部 33—风机 34—热电偶 35—喷嘴

40—盐雾预发生箱体 41—连接螺杆 42—手轮

43A—废液回收管 43B—废液回收箱 44A—盐水管

44B—盐水箱 45A—压缩空气管 45B—空压机

46—移动脚轮 47—预热水箱

具体实施方式

下面结合附图对本发明的工作过程做进一步说明。

本多轴盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展测试系统包括如下组成部分：疲劳试验机10、拉-剪-扭多轴加载夹具20、疲劳裂纹扩展试样21、盐雾腐蚀箱体30、盐雾预发生箱体40，如图1～8所示。

所述疲劳试验机10上设有上法兰盘11A和下法兰盘11B，分别与所述盐雾腐蚀箱体30的上波纹管31A和下波纹管31B连接并进行密封，如图2所示。

所述拉-剪-扭多轴加载夹具20将所述疲劳试验机10提供的单轴疲劳载荷转换为试验所需的I型、II型、III型及复合型疲劳载荷施加到所述疲劳裂纹扩展试样21上进行试验，如图3所示。

所述盐雾腐蚀箱体30通过连接部32与所述盐雾预发生箱体40上的连接螺杆41相连接，所述连接部32套设在连接螺杆41的杆身上，且连接部32与连接螺杆41之间构成转动配合；所述盐雾腐蚀箱体30的前侧还可以设置有观察窗。本发明中优选连接部32为螺纹连接部，连接螺杆41的杆身上设置有与螺纹连接部相连接的外螺纹吗，如图4、6所示。

所述盐雾腐蚀箱体30内靠近所述疲劳裂纹扩展试样21处设有热电偶34，所述盐雾腐蚀箱体30的相对设置的左、右内壁板上分别设有风机33和喷嘴35，如图5所示。

所述盐雾预发生箱体40上的所述连接螺杆41底部安装有手轮42，所述盐雾预发生箱体40底部安装有移动脚轮46；所述盐雾预发生箱体40内下层设有废液回收箱43B和空压机45B、中层是预热水箱47、上层是盐水箱44B，所述空压机45B输出的压缩空气经过所述预热水箱47预热后与由所述盐水箱44B输出、经所述预热水箱47预热的盐水在所述喷嘴35内汇合，并喷射至所述盐雾腐蚀箱体30内形成盐雾，且所述盐雾腐蚀箱体30可对盐雾进行二次加热，以达到试验所需温度，如图6、7、8所示。

所述空压机45B的出口端之间自所述喷嘴35之间设置有压缩空气管45A,所述盐水箱44B的底部开口至所述喷嘴35之间设置有盐水管44A，所述压缩空气管45A与盐水管44A在所述预热水箱47中均呈弯折状设置，以提高预热效果，如图8所示。

下面结合图1～8对本发明的试验过程做详细说明。

1、如图1、2所示，将疲劳试验机10的上法兰盘11A和下法兰盘11B，与盐雾腐蚀箱体30的上波纹管31A和下波纹管31B连接，并保证密封；通过手轮42转动连接螺杆41以调整盐雾腐蚀箱体30的高度，通过移动盐雾预发生箱体40的移动脚轮46、绕连接螺杆41转动盐雾腐蚀箱体30来调整盐雾腐蚀箱体30相对于疲劳试验机10的水平位置，保证盐雾腐蚀箱体30的上波纹管31A和下波纹管31B不发生扭曲和大的拉压变形；按图3所示，将疲劳裂纹扩展试样21和拉-剪-扭多轴加载夹具20相连后，再与疲劳试验机10相连，组成多轴盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展测试系统。

2、按试验要求配置所需浓度的盐水，并注入盐水箱44B，并检查从盐水箱44B至喷嘴35之间的盐水管44A是否通畅；开启空压机45B，并检查从空压机45B至喷嘴35之间的压缩空气管道45A是否通畅；将预热水箱47内注满蒸馏水，并检查预热水箱47中的加热系统是否正常；开启盐雾腐蚀箱体30的电源开关，检查风机33、喷嘴35能否正常工作，热电偶34显示是否正常；检查盐雾腐蚀箱体30与废液回收箱43B之间的废液回收管43A是否通畅，待上述部件均显示正常时，可进行下一步工作。

3、开启疲劳试验机10，通过拉-剪-扭多轴加载夹具20对疲劳裂纹扩展试样21进行疲劳裂纹预制，为减少预制疲劳裂纹所用时间，先采用较高的载荷产生疲劳裂纹，之后分级降载，每级下降率不得大于20％，预制疲劳裂纹最后一级的最大力值不得超过开始记录试验数据时的最大力值。

4、预制完疲劳裂纹后，通过疲劳试验机10设定相应的试验频率、波形、周次，通过拉-剪-扭多轴加载夹具20调整试验所需的I型、II型、III型及复合型疲劳载荷类型与比例；通过盐雾腐蚀环境箱设定预热温度、试验温度，之后全面启动多轴盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展测试系统进行所需的复合型腐蚀疲劳裂纹扩展试验，获得服役于盐雾腐蚀环境和复杂受力状态下海工装备的选材设计和寿命评价所需的疲劳裂纹扩展速率等断裂力学参量。

Claims (5)

1.一种多轴盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展测试系统，包括疲劳试验机(10)、疲劳裂纹扩展试样(21)、盐雾腐蚀环境箱，其特征在于：本系统还包括拉-剪-扭多轴加载夹具(20)，所述疲劳试验机(10)提供单轴疲劳载荷，通过所述拉-剪-扭多轴加载夹具(20)转换为试验所需的I型、II型、III型及复合型疲劳载荷施加到所述疲劳裂纹扩展试样(21)上进行试验；

盐雾腐蚀环境箱包括通过管道彼此连通的盐雾腐蚀箱体(30)和盐雾预发生箱体(40)，所述盐雾预发生箱体(40)向盐雾腐蚀箱体(30)中输送盐雾，所述盐雾腐蚀箱体(30)为疲劳裂纹扩展试验提供所需的盐雾环境，所述拉-剪-扭多轴加载夹具(20)和所述疲劳裂纹扩展试样(21)均位于所述盐雾腐蚀箱体(30)之中；

所述盐雾预发生箱体(40)中自上而下依次设置有盐水箱(44B)、预热水箱(47)和空压机(45B)，所述空压机(45B)输出的压缩空气经过所述预热水箱(47)预热后与由所述盐水箱(44B)输出、经所述预热水箱(47)预热的盐水在喷嘴(35)内汇合，并喷射至所述盐雾腐蚀箱体(30)内形成盐雾；所述盐水箱(44B)底面高于所述喷嘴(35)所处的高度；

所述空压机(45B)的出口端至所述喷嘴(35)之间设置有压缩空气管(45A),所述盐水箱(44B)的底部开口至所述喷嘴(35)之间设置有盐水管(44A)，所述压缩空气管(45A)与盐水管(44A)在所述预热水箱(47)中均呈弯折状设置；

所述盐雾腐蚀箱体(30)的顶部和底部均设有与所述疲劳试验机(10)固接并密封的波纹管，所述盐雾腐蚀箱体(30)内靠近所述疲劳裂纹扩展试样(21)处设有热电偶(34)，所述盐雾腐蚀箱体(30)的一侧壁板上设有喷嘴(35)，另一侧壁板上设有驱动盐雾在盐雾腐蚀箱体(30)内扩散和弥漫的风机(33)；

所述盐雾预发生箱体(40)的箱体外侧设置有连接螺杆(41)，所述盐雾腐蚀箱体(30)通过其箱体外侧的连接部(32)可转动地设置在所述连接螺杆(41)上；

所述连接螺杆(41)与盐雾预发生箱体(40)的箱体之间构成螺纹连接，所述连接螺杆(41)的底部安装有手轮(42)；

所述盐雾腐蚀箱体(30)体积较小，盐雾预发生箱体(40)体积较大。

2.根据权利要求1所述的多轴盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展测试系统，其特征在于：所述盐雾腐蚀箱体(30)中还设置有对盐雾进行二次加热以达到试验所需温度的加热装置。

3.根据权利要求2所述的多轴盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展测试系统，其特征在于：所述盐雾预发生箱体(40)在所述预热水箱(47)的下侧设置有废液回收箱(43B)，所述盐雾腐蚀箱体(30)的底部与所述废液回收箱(43B)之间设置有废液回收管(43A)，且所述盐雾腐蚀箱体(30)底面高于所述废液回收箱(43B)的顶面。

4.根据权利要求1所述的多轴盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展测试系统，其特征在于：所述连接部(32)与所述连接螺杆(41)之间构成螺纹连接。

5.根据权利要求1所述的多轴盐雾腐蚀疲劳裂纹扩展测试系统，其特征在于：所述盐雾预发生箱体(40)底部安装有移动脚轮(46)。