CN106248562B - 高炉煤气管道膨胀节用橡胶使用寿命预测方法 - Google Patents

高炉煤气管道膨胀节用橡胶使用寿命预测方法 Download PDF

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本发明涉及材料老化试验领域，尤其涉及一种膨胀节用橡胶老化试验方法。一种高炉煤气管道膨胀节用橡胶使用寿命预测方法，所述老化试验的介质采用高炉煤气管道膨胀节内的沉积物水浸出液，所述沉积物水浸出液的配置方式为，首先在更换下来的高炉煤气管道膨胀节内随机采集若干份等质量的沉积物份，并用研钵研磨均匀得到沉积物样品；然后在最大工作温度下将沉积物样品在去离子水中浸泡一定时间；最后用滤纸过滤掉沉积物样品，得到的滤液作为沉积物水浸出液。本发明用沉积物进行处理后得到的浸出液作为老化试验介质，使得实验环境与材料现场工作环境更加匹配，提高了预测的准确性，变向提高了高炉煤气管道膨胀节的使用寿命，降低了生产成本。

Description

高炉煤气管道膨胀节用橡胶使用寿命预测方法
技术领域
本发明涉及材料老化试验领域，尤其涉及一种膨胀节用橡胶老化试验方法。
背景技术
目前非金属膨胀节的应用非常广泛，橡胶材料是非金属膨胀节中的重要部件。橡胶材料的老化失效将会造成非金属膨胀节的损坏破漏。某些高炉煤气管道采用了非金属膨胀节，若由于橡胶材料的老化失效造成煤气泄露，将会对人员和生产的安全造成极大的危害和损失，因而对高炉煤气管道采用的橡胶材料的使用寿命进行预测是非常重要的。
对于橡胶材料使用寿命的进行预测，主要依据橡胶的老化试验数据，这类试验通常采用人工加速老化的方法。人工加速老化试验一般有烘箱加速老化、人工海水老化、臭氧加速老化、湿热老化试验、盐雾试验等，但是以上人工加速老化方法模拟的老化环境与高炉煤气管道的实际情况差异较大。高炉煤气经过湿法除尘等工艺后，随着煤气温度的下降，酸性腐蚀气体和水会在管道中凝结析出，造成金属管道的腐蚀。在管道中和膨胀节处存留有强腐蚀性的冷凝液和金属管道的腐蚀产物等，这对非金属膨胀节橡胶的老化具有显著的影响，而通常的人工加速老化方法没有对此情况进行模拟，因此需要一种适合于高炉煤气管道非金属膨胀节用橡胶的人工加速老化试验方法，并可依据得到的试验数据对橡胶材料的使用寿命进行预测。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高炉煤气管道膨胀节用橡胶使用寿命预测方法，该方法对高炉煤气管道膨胀节内的沉积物进行处理后得到的浸出液作为老化试验介质，使得实验环境与材料现场工作环境更加匹配，提高了预测的准确性，变向提高了高炉煤气管道膨胀节的使用寿命，降低了生产成本。
本发明是这样实现的：一种高炉煤气管道膨胀节用橡胶使用寿命预测方法，选用标准橡胶进行老化试验，设定平均工作温度和加速温度后，分别在平均工作温度和加速温度下进行老化试验得到试验倍数，最终对被检测橡胶在加速温度下进行老化试验，得到被检测橡胶的性能参数，根据被检测橡胶的性能参数得到使用寿命预测值，所述老化试验的介质采用高炉煤气管道膨胀节内的沉积物水浸出液，所述沉积物水浸出液的配置方式为，设定最大工作温度，首先在更换下来的高炉煤气管道膨胀节内随机采集若干份等质量的沉积物份，并用研钵研磨均匀得到沉积物样品；然后在最大工作温度下将沉积物样品在去离子水中浸泡一定时间；最后用滤纸过滤掉沉积物样品，得到的滤液作为沉积物水浸出液；所述沉积物样品与去离子水的质量比为2：1~1:3。
所述进行老化试验的具体步骤为，设定试验温度、试验时间和性能参数阈值，
S1：将橡胶裁剪为标准试验尺寸的橡胶试样；
S2：将橡胶试样放入水热反应釜中，并加入沉积物水浸出液浸没橡胶试样；
S3：封闭水热反应釜后置于烘箱中加热至试验温度并保温试验时间；
S4：将加热保温完毕的水热反应釜从烘箱中取出，自然冷却到室温后，打开水热反应釜，取出橡胶试样，用去离子水洗净并干燥后对橡胶试样进行检测，得到在该试验温度和试验时间下橡胶试样的性能参数；
S5：设定一组试验时间，分别在平均工作温度和加速温度下重复步骤S1~S4，得到在各个试验时间对应的性能参数，用试验时间对性能参数进行拟合分别得到在平均工作温度和加速温度下的时间-性能方程Q(t)，Q为性能参数，t为试验时间；
S6：将性能参数阈值分别带入到平均工作温度和加速温度下的时间-性能方程内，得到平均工作温度和加速温度下的使用寿命，比较两个使用寿命后得到在加速温度下的老化试验时间倍数；
S7：设定一组试验时间后，将被检测橡胶在加速温度下重复步骤S1~S4，得到在各个试验时间对应的性能参数，用试验时间对性能参数进行拟合得到被检测橡胶的时间-性能方程；将性能参数阈值带入到被检测橡胶的时间-性能方程中得到被检测橡胶的使用寿命预测值。
所述步骤S4中，对橡胶试样进行干燥的具体方式为，先将橡胶试样放置在吸水纸上吸干表面的去离子水，然后在变色硅胶干燥器中存放24小时。
所述的性能参数包括拉伸强度、邵氏硬度。
所述的最大工作温度为60℃。
所述沉积物样品在去离子水中浸泡的时间为24小时。
本发明高炉煤气管道膨胀节用橡胶使用寿命预测方法对高炉煤气管道膨胀节内的沉积物进行处理后得到的浸出液作为老化试验介质，在具有四氟乙烯内衬的不锈钢水热反应釜中对橡胶材料进行用人工加速老化试验，依据试验数据推测橡胶材料的使用寿命，使得实验环境与材料现场工作环境更加匹配，提高了预测的准确性；根据精确的预测值，就可以实现在保证生产安全的情况下降低安全的冗余量，变向提高了高炉煤气管道膨胀节的使用寿命，降低了生产成本。
附图说明
图1为在各个试验温度下标准橡胶的时间-拉伸强度的拟合曲线图；
●为40℃，▲为100℃，■为150℃
图2为在各个试验温度下标准橡胶的时间-邵氏硬度的拟合曲线图；
●为40℃，▲为100℃，■为150℃
图3为被检测橡胶的在150℃下时间-拉伸强度的拟合曲线图；
图4为被检测橡胶的在150℃下时间-邵氏硬度的拟合曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明表述的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
一种高炉煤气管道膨胀节用橡胶使用寿命预测方法，选用标准橡胶进行老化试验，设定平均工作温度和加速温度后，分别在平均工作温度和加速温度下进行老化试验得到试验倍数，最终对被检测橡胶在加速温度下进行老化试验，得到被检测橡胶的性能参数，根据被检测橡胶的性能参数得到使用寿命预测值，所述老化试验的介质采用高炉煤气管道膨胀节内的沉积物水浸出液，所述沉积物水浸出液的配置方式为，设定最大工作温度，首先在更换下来的高炉煤气管道膨胀节内随机采集若干份等质量的沉积物份，并用研钵研磨均匀得到沉积物样品；然后在最大工作温度下将沉积物样品在去离子水中浸泡一定时间；最后用滤纸过滤掉沉积物样品，得到的滤液作为沉积物水浸出液；所述沉积物样品与去离子水的质量比为2：1~1:3，在本实施例中，该重量比为1:1，最大工作温度为60℃，沉积物样品在去离子水中浸泡的时间为24小时；
所述进行老化试验的具体步骤为，设定试验温度、试验时间和性能参数阈值，本实施例中对橡胶的拉伸强度和邵氏硬度这两项性能参数分别进行检测，拉伸强度阈值与邵氏硬度的阈值均设为样品老化前数值与理论老化极限数值之间的60%处，对比试验温度分别为40℃、100℃、150℃；其中40℃为高炉煤气管道膨胀节用橡胶的平均工作温度，100℃和150℃为加速老化温度；
S1：将橡胶裁剪为标准试验尺寸的橡胶试样；将橡胶材料剪裁成长度为100mm，宽为20mm，厚度为1mm±0.1mm的橡胶试样；
S2：将橡胶试样放入水热反应釜中，并加入沉积物水浸出液浸没橡胶试样；本试验用的水热反应釜为HZ200型不锈钢水热反应釜，此水热反应釜采用聚四氟乙烯内衬，容量为200mL，此容量下加入100mL的沉积物水浸出液以完全浸没橡胶试样；
S3：封闭水热反应釜后置于烘箱中加热至试验温度并保温试验时间；
S4：将加热保温完毕的水热反应釜从烘箱中取出，自然冷却到室温后，打开水热反应釜，取出橡胶试样，用去离子水洗净并干燥后对橡胶试样进行检测，得到在该试验温度和试验时间下橡胶试样的性能参数；
对橡胶试样进行干燥的具体方式为，先将橡胶试样放置在吸水纸上吸干表面的去离子水，然后在变色硅胶干燥器中存放24小时；
S5：设定一组试验时间，即老化时间，分别在平均工作温度和加速温度下重复步骤S1~S4，得到在各个试验时间对应的性能参数，用试验时间对性能参数进行拟合分别得到在平均工作温度和加速温度下的时间-性能方程Q(t)，Q为性能参数，t为试验时间；本实施例中，性能参数为拉伸强度σ和邵氏硬度HA
试验得到的数据如下表1、表2、表3
老化时间t（天） 0 30 60 90 120 150 180 210
拉伸强度σ（兆帕） 5.93 5.36 3.78 3.45 2.51 2.39 1.86 1.61
邵氏硬度A，HA（度） 75.5 70 66 64 61 — — —
表1 橡胶在40oC下不同老化时间的拉伸强度和邵氏硬度
老化时间t（天） 0 0.5 1 2 4 6
拉伸强度σ（兆帕） 5.93 5.33 4.4 3.52 1.94 1.35
邵氏硬度A，HA（度） 75.5 73.5 72.25 70.75 67.5 66.25
表2 橡胶在100oC下不同老化时间的拉伸强度和邵氏硬度
老化时间t（天） 0 0.5 1 2 4 6
拉伸强度σ（兆帕） 5.93 4.82 3.6 1.74 0.5 0.25
邵氏硬度A，HA（度） 75.5 69.5 68.5 66.5 64.5 61.75
表3 橡胶在150oC下不同老化时间的拉伸强度和邵氏硬度
如图1所示，根据表1、2、3中的数据进行拟合得到时间-拉伸强度方程（1）
σ=σ0+ae-t/b （1）
式中，σ0为拉伸强度拟合值，e为欧拉常数，a、b为拟合系数；得到标准橡胶的时间-拉伸强度的拟合曲线图；
试验温度 σ<sub>0</sub> a b
40℃ 0.0114 5.921 156.4
100℃ 0.3353 5.595 3.394
150℃ -0.1537 6.057 1.918
表4 不同温度下拉伸强度-老化时间关系曲线拟合数值表
如图2所示，根据表1、2、3中的数据进行拟合得到时间-邵氏硬度方程（2），
HA=HA0+ce-t/d （2）
式中，e为欧拉常数，HA0为邵氏硬度拟合值，c、d为拟合系数；得到标准橡胶的时间-邵氏硬度的拟合曲线图；
试验温度 HA<sub>0</sub> c d
40℃ 62.15 13.29 45.70
100℃ 63.74 12.01 0.9801
150℃ 61.12 13.84 0.5935
表5 不同温度下硬度-老化时间关系曲线拟合数值表
由表1、2、3中的数值可知在150℃下的进行老化试验的速度明显高于100℃，因此本实施例中，采用150℃作为加速温度；
S6：将性能参数阈值分别带入到平均工作温度和加速温度下的时间-性能方程内，得到平均工作温度和加速温度下的使用寿命，比较两个使用寿命后得到在加速温度下的老化试验时间倍数；
拉伸强度阈值设为3.68【拉伸强度阈值：σL=σ0’-(σ0’-σ0)*(1-60%) ，其中，σ0’为样品老化前测定值（此时为5.93）；σ0为实验数据拟合公式值的极大值（此时为0.3353）】，邵氏硬度的阈值设为70.8【硬度阈值：HAL= HA0’-(HA0’-HA0)*(1-60%)，其中，HA0’为样品老化前测定值（此时为75.5）；HA0为实验数据拟合公式值的极大值（此时为63.74）】，分别带入公式1、2得到：
以拉伸强度为指标在40℃下的使用寿命为74.9天，在150℃下的使用寿命为0.88天；
以邵氏硬度为指标在40℃下的使用寿命为19.6天，在150℃下的使用寿命为0.21天；
在150℃下拉伸强度的老化试验时间缩短倍数为74.9/0.88=85.1倍，邵氏硬度的老化试验时间缩短倍数为19.6/0.21=93.3倍；
S7：设定一组试验时间后，将被检测橡胶在加速温度下重复步骤S1~S4，得到在各个试验时间对应的性能参数，用试验时间对性能参数进行拟合得到被检测橡胶的时间-性能方程；将性能参数阈值带入到被检测橡胶的时间-性能方程中得到被检测橡胶的使用寿命预测值；
在150℃下被检测橡胶的试验数据如下表6所示，
老化时间t（天） 0 0.21 0.42 0.63 0.83 1.67
拉伸强度σ（兆帕） 2.75 1.80 1.30 1.08 0.95 0.34
邵氏硬度A，HA（度） 75.5 69.5 68.5 66.5 64.5 61.7
表6被检测橡胶在150oC下不同老化时间的拉伸强度和邵氏硬度
用公式1、2对表6中的数据进行拟合得到如图3、4所示的被检测橡胶时间-性能拟合曲线；
试验温度 σ<sub>0</sub> a b
150℃ 0.336 2.41 0.484
试验温度 HA0 c d
150℃ 61.46 13.98 0.529
σ测=0.336+2.41e-t/0.484 （3）
HA测=61.46+13.98e-t/0.529 （4）
拉伸强度阈值设为1.78【拉伸强度阈值：σL=σ0’-(σ0’-σ0)*(1-60%) ，其中，σ0’为样品老化前测定值（此时为2.72），σ0为实验数据拟合公式值的极大值（此时为0.336）】，邵氏硬度的阈值设为69.88【硬度阈值：HAL= HA0’-(HA0’-HA0)*(1-60%)，其中，HA0’为样品老化前测定值（此时为75.5），HA0为实验数据拟合公式值的极大值（此时为61.46）】，分别带入公式3、4得到以拉伸强度为指标的使用寿命为0.248天，以拉伸强度为指标的使用寿命为0.268天；
最终该检测橡胶的使用寿命预测值为0.247*85.1倍=21.0天，或0.268*93.3倍=25.0天，考虑到使用的安全性，该处以各项性能参数中寿命较短的为最终的使用寿命预测值，即21.0天。

Claims (5)

1.一种高炉煤气管道膨胀节用橡胶使用寿命预测方法，选用标准橡胶进行老化试验，设定平均工作温度和加速温度后，分别在平均工作温度和加速温度下进行老化试验得到试验倍数，最终对被检测橡胶在加速温度下进行老化试验，得到被检测橡胶的性能参数，根据被检测橡胶的性能参数得到使用寿命预测值，其特征是：所述老化试验的介质采用高炉煤气管道膨胀节内的沉积物水浸出液，所述沉积物水浸出液的配置方式为，设定最大工作温度，首先在更换下来的高炉煤气管道膨胀节内随机采集若干份等质量的沉积物份，并用研钵研磨均匀得到沉积物样品；然后在最大工作温度下将沉积物样品在去离子水中浸泡一定时间；最后用滤纸过滤掉沉积物样品，得到的滤液作为沉积物水浸出液；所述沉积物样品与去离子水的质量比为2：1~1:3；
所述进行老化试验的具体步骤为，设定试验温度、试验时间和性能参数阈值，
S1：将橡胶裁剪为标准试验尺寸的橡胶试样；
S2：将橡胶试样放入水热反应釜中，并加入沉积物水浸出液浸没橡胶试样；
S3：封闭水热反应釜后置于烘箱中加热至试验温度并保温试验时间；
S4：将加热保温完毕的水热反应釜从烘箱中取出，自然冷却到室温后，打开水热反应釜，取出橡胶试样，用去离子水洗净并干燥后对橡胶试样进行检测，得到在该试验温度和试验时间下橡胶试样的性能参数；
S5：设定一组试验时间，分别在平均工作温度和加速温度下重复步骤S2~S4，得到在各个试验时间对应的性能参数，用试验时间对性能参数进行拟合分别得到在平均工作温度和加速温度下的时间-性能方程Q(t)，Q为性能参数，t为试验时间；
S6：将性能参数阈值分别带入到平均工作温度和加速温度下的时间-性能方程内，得到平均工作温度和加速温度下的使用寿命，比较两个使用寿命后得到在加速温度下的老化试验时间倍数；
S7：设定一组试验时间后，将被检测橡胶在加速温度下重复步骤S2~S4，得到在各个试验时间对应的性能参数，用试验时间对性能参数进行拟合得到被检测橡胶的时间-性能方程；将性能参数阈值带入到被检测橡胶的时间-性能方程中得到被检测橡胶的使用寿命；
最后，被检测橡胶的使用寿命预测值为：步骤S6中所述的老化试验时间倍数乘以步骤S7中所述的被检测橡胶的使用寿命。
2.如权利要求1所述的高炉煤气管道膨胀节用橡胶使用寿命预测方法，其特征是：所述步骤S4中，对橡胶试样进行干燥的具体方式为，先将橡胶试样放置在吸水纸上吸干表面的去离子水，然后在变色硅胶干燥器中存放24小时。
3.如权利要求1或2所述的高炉煤气管道膨胀节用橡胶使用寿命预测方法，其特征是：所述的性能参数包括拉伸强度、邵氏硬度；所述被检测橡胶的使用寿命预测值以性能参数中寿命较短的为最终的使用寿命预测值。
4.如权利要求3所述的高炉煤气管道膨胀节用橡胶使用寿命预测方法，其特征是：所述的最大工作温度为60℃。
5.如权利要求3所述的高炉煤气管道膨胀节用橡胶使用寿命预测方法，其特征是：所述沉积物样品在去离子水中浸泡的时间为24小时。
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