CN216411024U - 一种高强钢丝腐蚀疲劳加速试验与寿命评价装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种高强钢丝腐蚀疲劳加速试验与寿命评价装置，属于金属腐蚀疲劳试验技术领域。该装置包括加速腐蚀系统和疲劳加载系统，疲劳加载系统包括疲劳试验机、上夹具和下夹具，加速腐蚀系统置于疲劳加载系统的上夹具和下夹具之间，加速腐蚀系统连接电化学工作站，电化学工作站和疲劳加载系统由工控机控制。该装置构造高强钢丝表面局部微小暴露区作为工作电极，同时钢丝两端施加疲劳荷载实现钢丝加速腐蚀疲劳，根据钢丝实际服役环境与荷载条件采用相似原理控制钢丝腐蚀速率、疲劳应力幅和疲劳荷载频率，建立与拉吊索真实服役条件的映射关系，并通过重复试验，建立概率分布模型，根据给定的服役年限确定高强钢丝腐蚀疲劳的可靠性或失效概率。

Description

一种高强钢丝腐蚀疲劳加速试验与寿命评价装置

技术领域

本实用新型涉及金属腐蚀疲劳试验技术领域，特别是指一种高强钢丝腐蚀疲劳加速试验与寿命评价装置。

背景技术

大跨径桥梁缆索系统内高强钢丝腐蚀疲劳性能评价是缆索系统拉吊索服役寿命预测的基础，与悬索桥主缆相比，斜拉桥斜拉索、悬索桥吊索及拱桥吊杆所受活荷载变幅较大，且服役过程中不可避免地发生腐蚀，因此拉吊索发生腐蚀疲劳的风险显著增加。拉吊索用钢丝多采用5mm或7mm直径珠光体高强钢丝，经多道冷拉制成，其抵抗裂纹萌生能力强，抵抗裂纹扩展能力差，一旦发生腐蚀在荷载作用下引起显著的应力集中，此时高强钢丝抵抗裂纹萌生的能力显著降低，极大地缩短高强钢丝的疲劳寿命，特别地应力作用会提高自然状态下钢丝的腐蚀速率，加快裂纹成核，裂纹成核后腐蚀还会进一步加速裂纹扩展速率。自然状态下钢丝在服役过程中腐蚀发展过程较为缓慢，拉吊索设计使用年限超过20年，采用原位腐蚀试验很难对高强钢丝的腐蚀疲劳性能进行评价。试验室主要通过高强钢丝加速腐蚀，对加速腐蚀后不同腐蚀程度的高强钢丝开展疲劳试验研究腐蚀后剩余疲劳寿命，并不能真实地反映高强钢丝腐蚀疲劳耦合作用下的疲劳寿命；还有通过钢丝进行预制裂纹，浸泡于腐蚀溶液中并通过施加应力幅研究不同溶液、不同疲劳频率下钢丝腐蚀疲劳裂纹扩展速率，该方法仅能获得不同溶液条件、不同应力幅、不同加载频率下腐蚀疲劳耦合裂纹扩展速率，相对于腐蚀疲劳裂纹扩展寿命而言，高强钢丝腐蚀疲劳裂纹萌生寿命占总寿命的比例更高，而一旦裂纹萌生，腐蚀疲劳裂纹扩展寿命所占比例较小，无法完整地获得腐蚀疲劳耦合作用下钢丝的寿命预测；此外可以采用电化学加速腐蚀并耦合疲劳荷载研究钢丝腐蚀疲劳寿命，将钢丝暴露于溶液内，采用三电极体系进行加速腐蚀（恒电位加速腐蚀、恒电流加速腐蚀），但是电化学加速腐蚀过程中暴露于溶液内的钢丝表面发生溶解，形成类似均匀腐蚀的状态，沿溶液内钢丝表面的截面均匀减小，且钢丝破坏易发生在溶液界面处，因为溶液界面处钢丝截面均匀减小，该处存在显著的应力集中，无法真实地反映局部腐蚀与疲劳耦合作用下钢丝的疲劳寿命。

由上可知，现有的高强钢丝腐蚀疲劳寿命试验方法无法真实地获得其腐蚀疲劳寿命，均存在一定的局限性。通过加速腐蚀后疲劳试验获得的疲劳寿命忽略加速腐蚀过程中应力幅的作用，应力幅作用会增加加速腐蚀速率，且腐蚀后疲劳过程无法考虑腐蚀速率和应力幅耦合作用对裂纹萌生的贡献，获得的腐蚀疲劳寿命用于拉吊索服役性能评价时将得到偏于危险的结果。将带有预制裂纹的钢丝暴露于腐蚀溶液的方法可以获得腐蚀疲劳耦合对裂纹扩展速率的影响，但无法获得腐蚀疲劳耦合全过程结果，无法对钢丝腐蚀疲劳寿命进行评价。直接将钢丝暴露于溶液内采用电化学加速腐蚀与疲劳耦合的试验方法，无法准确获得钢丝腐蚀疲劳寿命，暴露于溶液内的钢丝截面均匀减小，显著增加溶液暴露范围内钢丝的真实应力幅，且在溶液界面处形成较大的应力集中，钢丝疲劳断裂发生在溶液界面处，与实际情况不符。可见，现有高强钢丝腐蚀疲劳耦合加速试验方法均存在一定的局限性，无法准确获得高强钢丝的腐蚀疲劳寿命，且无法根据实验数据对高强钢丝腐蚀疲劳性能与服役寿命进行可靠性评价，无法为拉吊索腐蚀疲劳评价提供支撑。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种高强钢丝腐蚀疲劳加速试验与寿命评价装置，解决高强钢丝在原位或自然状态下腐蚀疲劳过程缓慢，无法实现腐蚀疲劳性能快速评估的问题。

本装置将钢丝表面局部微小区域暴露于腐蚀溶液，通过电化学三电极体系实现对钢丝表面局部微小区域的加速腐蚀，同时在钢丝两端施加往复荷载实现腐蚀与疲劳耦合作用，通过施加给定的腐蚀电位或腐蚀电流、疲劳应力幅及加载频率研究不同因素对缆索高强钢丝腐蚀疲劳损伤的影响规律，揭示高强钢丝腐蚀疲劳损伤的发生、发展及其演化规律，探究高强钢丝腐蚀疲劳破断过程各阶段腐蚀与疲劳的交互作用机制，确定高强钢丝腐蚀疲劳损伤的主要控制因素；进一步采用相似原理根据桥梁缆索钢丝实际腐蚀速率、设计疲劳应力幅与疲劳荷载频率建立加速腐蚀疲劳试验与真实服役状态的对应关系，确定加速腐蚀疲劳试验中各控制参数取值，再采用相似原理根据加速腐蚀疲劳试验获得的钢丝腐蚀疲劳寿命确定对应实际服役条件下的拉吊索内钢丝的寿命，通过一定数量的重复试验建立实际服役环境下钢丝腐蚀疲劳寿命的概率分布，研究缆索实际服役状态下的疲劳可靠性，为缆索腐蚀疲劳寿命预测及耐久性评价提供基础。

本装置包括加速腐蚀系统和疲劳加载系统，疲劳加载系统包括疲劳试验机、上夹具和下夹具，加速腐蚀系统置于疲劳加载系统的上夹具和下夹具之间，加速腐蚀系统连接电化学工作站，电化学工作站和疲劳加载系统由工控机控制。

其中，加速腐蚀系统采用三电极电化学系统，包括腐蚀溶液池、对电极、参比电极和工作电极，

腐蚀溶液池上部开三个孔，分别安装对电极、工作电极和参比电极，且三个开孔处均通过橡胶塞密封，对电极、工作电极和参比电极分别通过导线连接电化学工作站；

腐蚀溶液池底部开孔，供钢丝样本穿过，开孔处由橡胶塞密封。

工作电极为暴露的钢丝样本的表面局部微小区域，即暴露区域，钢丝样本在腐蚀溶液池中的其他部分表面覆盖密封硅胶；钢丝样本穿过腐蚀溶液池，钢丝样本上端固定在上夹具，下端固定在下夹具，腐蚀溶液池通过橡胶塞固定在钢丝样本上。

腐蚀溶液池内盛装NaCl溶液。

对电极为金属铂电极，参比电极为饱和甘汞电极。

暴露区域为表面沿钢丝长度方向直径小于1mm，暴露区域面积小于0.79mm²。

该装置的应用方法，包括步骤如下：

S1：取待试验高强钢丝作为钢丝样本，在钢丝样本中间部位涂覆密封硅胶，涂覆硅胶时，预留一小块暴露区域；

S2：将S1中涂覆密封硅胶后的钢丝样本穿过腐蚀溶液池，且与腐蚀溶液池之间通过橡胶塞密封固定；

S3：向腐蚀溶液池内注入腐蚀溶液，并安装对电极和参比电极，将对电极、参比电极和工作电极均通过导线连接电化学工作站；

S4：通过工控机控制腐蚀电位，电化学工作站进行加速腐蚀时同步采集腐蚀电流，用于计算工作电极钢丝表面局部微小区域溶解的铁离子的总量，根据溶解的铁离子的总量以及暴露区域面积，确定蚀坑深度和腐蚀速率；

S5：通过电化学工作站控制工作电极处于某一腐蚀电位或腐蚀电流，同步控制疲劳试验机施加在钢丝样本上的疲劳应力幅与加载频率，直至钢丝样本在溶液中暴露的表面局部微小区域发生破断，根据破断时的疲劳循环次数或总时长确定此加速腐蚀条件下腐蚀疲劳寿命；总的疲劳循环次数即为腐蚀疲劳寿命，因为此时腐蚀疲劳耦合在一起，同理有总的时长也可以通过疲劳荷载加载频率换算为相应的循环次数；

S6：通过改变工作电极的腐蚀电位、钢丝样本的疲劳应力幅和加载频率确定不同加速腐蚀疲劳条件下钢丝的腐蚀疲劳寿命，确定腐蚀电位、疲劳应力幅及加载频率对钢丝腐蚀疲劳损伤的影响规律。

上述，S4中蚀坑为球体与钢丝圆柱的交集，其中，球体为以暴露区域为界面形成的。

S5中腐蚀电位或腐蚀电流以及疲劳应力幅与加载频率的确定过程如下：

根据具体大跨径桥梁实际服役环境条件确定拉吊索内钢丝每年的腐蚀速率、拉吊索设计疲劳应力幅及每年的循环次数，采用相似原理确定对应加速腐蚀疲劳试验单位时间下的腐蚀速率与疲劳循环次数，确定加速腐蚀疲劳试验对应的加速腐蚀电位与疲劳加载频率，其中加速腐蚀疲劳试验的应力幅取为拉吊索设计疲劳应力幅。

S6中得到钢丝的腐蚀疲劳寿命后，根据相似原理确定对应实际服役条件下的拉吊索内钢丝的寿命。具体的，通过重复试验获得钢丝腐蚀疲劳寿命样本，建立钢丝腐蚀疲劳寿命的概率分布模型，采用钢丝腐蚀疲劳寿命的累积分布函数，能够确定给定服役年限时高强钢丝腐蚀疲劳的可靠性或失效概率。

本实用新型的上述技术方案的有益效果如下：

上述方案中，可实现桥梁缆索高强钢丝加速腐蚀疲劳试验与寿命评价，通过设置不同腐蚀电位或腐蚀电流、疲劳应力幅及加载频率等参数取值获得不同条件下高强钢丝腐蚀疲劳损伤演化全过程，确定不同影响因素对高强钢丝腐蚀疲劳寿命的影响规律，进一步根据缆索钢丝实际服役环境下腐蚀速率及相关疲劳荷载设计条件，采用相似原理设计加速腐蚀疲劳试验中控制参数的取值，确定该加速腐蚀疲劳条件下高强钢丝腐蚀疲劳寿命，通过相似比确定实际服役条件下高强钢丝的服役寿命，并通过一定数量的重复试验数据建立高强钢丝腐蚀疲劳寿命概率分布，得到具有概率保证率条件下高强钢丝腐蚀疲劳寿命，并可进一步确定实际服役条件下指定服役年限时高强钢丝腐蚀疲劳可靠性，为桥梁拉吊索提供加速腐蚀疲劳试验与寿命评价方法。

附图说明

图1为本实用新型的高强钢丝腐蚀疲劳加速试验与寿命评价装置结构示意图；

图2为本实用新型的高强钢丝腐蚀疲劳加速试验与寿命评价装置的腐蚀系统示意图；

图3为本实用新型的高强钢丝腐蚀疲劳加速试验与寿命评价装置的腐蚀系统剖面图；

图4为本实用新型实施例中重复15次高强钢丝腐蚀疲劳加速试验得到的对应实际服役条件下的寿命估计得到两参数Weibull分布的概率密度函数；

图5为本实用新型实施例中重复15次高强钢丝腐蚀疲劳加速试验得到的对应实际服役条件下的寿命估计得到两参数Weibull分布的累积分布函数。

其中：1-钢丝样本；2-疲劳试验机；3-上夹具；4-下夹具；5-腐蚀溶液池； 6-橡胶塞；7-对电极；8-参比电极；9-工作电极；10-密封硅胶；11-3.5%的NaCl溶液；12-导线；13-电化学工作站；14-工控机。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型提供一种高强钢丝腐蚀疲劳加速试验与寿命评价装置。

如图1、图2和图3所示，该装置包括加速腐蚀系统和疲劳加载系统，疲劳加载系统包括疲劳试验机2、上夹具3和下夹具4，加速腐蚀系统置于疲劳加载系统的上夹具3和下夹具4之间，加速腐蚀系统连接电化学工作站13，电化学工作站13和疲劳加载系统由工控机14控制。

加速腐蚀系统采用三电极电化学系统，包括腐蚀溶液池5、对电极7、参比电极8和工作电极9，

腐蚀溶液池5上部开三个孔，分别安装对电极7、工作电极9和参比电极8，且三个开孔处均通过橡胶塞6密封，对电极7、工作电极9和参比电极8分别通过导线12连接电化学工作站13；

腐蚀溶液池5底部开孔，供钢丝样本1穿过，开孔处由橡胶塞密封。

工作电极9为暴露的钢丝样本1的表面局部微小区域，即暴露区域，钢丝样本1在腐蚀溶液池5中的其他部分表面覆盖密封硅胶10；钢丝样本1穿过腐蚀溶液池5，钢丝样本1上端固定在上夹具3，下端固定在下夹具4，腐蚀溶液池5通过橡胶塞固定在钢丝样本1上。

腐蚀溶液池5内盛装NaCl溶液。

对电极7为金属薄片电极，参比电极8为饱和甘汞电极。

暴露区域为表面沿钢丝长度方向直径小于1mm，暴露区域面积小于0.79mm²。

该装置的应用方法，包括步骤如下：

S1：取待试验高强钢丝作为钢丝样本1，在钢丝样本中间部位涂覆密封硅胶10，涂覆硅胶时，预留一小块暴露区域；

S2：将S1中涂覆密封硅胶后的钢丝样本穿过腐蚀溶液池5，且与腐蚀溶液池5之间通过橡胶塞6密封固定；

S3：向腐蚀溶液池5内注入腐蚀溶液，并安装对电极7和参比电极8，将对电极7、参比电极8和工作电极9均通过导线12连接电化学工作站13；

S4：通过工控机14控制腐蚀电位，电化学工作站13进行加速腐蚀时同步采集腐蚀电流，用于计算工作电极9钢丝表面局部微小区域溶解的铁离子的总量，根据溶解的铁离子的总量以及暴露区域面积，确定蚀坑深度和腐蚀速率；

S5：通过电化学工作站13控制工作电极9处于某一腐蚀电位或腐蚀电流，同步控制疲劳试验机2施加在钢丝样本1上的疲劳应力幅与加载频率，直至钢丝样本1在溶液中暴露的表面局部微小区域发生破断，根据破断时的疲劳循环次数或总时长确定此加速腐蚀条件下腐蚀疲劳寿命；

S6：通过改变工作电极9的腐蚀电位、钢丝样本1的疲劳应力幅和加载频率确定不同加速腐蚀疲劳条件下钢丝的腐蚀疲劳寿命，确定腐蚀电位、疲劳应力幅及加载频率对钢丝腐蚀疲劳损伤的影响规律。

本实用新型中疲劳加载系统通过夹持钢丝两端沿钢丝轴向施加疲劳荷载。通过控制恒电位或恒电流、疲劳应力幅与疲劳加载频率实现不同工况下高强钢丝腐蚀疲劳加速试验，根据不同控制参数取值确定不同条件下高强钢丝腐蚀疲劳损伤演化历程，获得不同条件下高强钢丝腐蚀疲劳寿命。根据缆索实际服役环境下高强钢丝腐蚀速率、缆索设计应力幅及疲劳荷载频率采用相似原理确定加速腐蚀疲劳试验参数，获得高强钢丝加速腐蚀疲劳寿命，再根据相似比确定实际服役条件下高强钢丝的服役寿命，通过一定数量钢丝样本的寿命数据建立其概率分布模型，获得具有指定概率保证率下的高强钢丝腐蚀疲劳寿命，进而评价实际服役条件下高强钢丝腐蚀疲劳可靠性。

在具体试验中，按如下步骤进行：

取待试验直径5mm、长500mm的1770MPa级高强钢丝作为钢丝样本1，在钢丝样本中间部位涂覆密封硅胶10，涂覆硅胶时，将直径1mm的圆片预先贴在钢丝样本表面，然后进行涂覆硅胶，涂覆完成后，将圆片取下，形成暴露区域；将涂覆密封硅胶后的钢丝样本穿过腐蚀溶液池5，且与腐蚀溶液池5之间通过橡胶塞6密封固定；向腐蚀溶液池5内注入3.5%的NaCl溶液11，并安装对电极7和参比电极8，将对电极7、参比电极8和工作电极9均通过导线12连接电化学工作站13；通过工控机14控制腐蚀电位，电化学工作站13进行加速腐蚀时同步采集腐蚀电流，用于计算工作电极9钢丝表面局部微小区域溶解的铁离子的总量，根据蚀坑形貌确定腐蚀速率和任意时刻腐蚀深度；通过电化学工作站13控制工作电极9处于某一腐蚀电位或腐蚀电流，同步控制疲劳试验机2施加在钢丝样本1上的应力幅与加载频率，直至钢丝样本1在溶液中暴露的表面局部微小区域发生破断，根据破断时的疲劳循环次数或总时长确定此加速腐蚀条件下腐蚀疲劳寿命；通过改变工作电极9的腐蚀电位、钢丝样本1的疲劳应力幅和加载频率确定不同加速腐蚀疲劳条件下钢丝的腐蚀疲劳寿命，确定腐蚀电位、疲劳应力幅及加载频率对钢丝腐蚀疲劳损伤的影响规律。

由钢丝样本1疲劳断口进行扫描电镜观察确定不同加速腐蚀疲劳条件下高强钢丝腐蚀疲劳损伤的发生、发展及其演化规律，根据不同加速腐蚀疲劳试验条件确定钢丝腐蚀疲劳破断过程各阶段腐蚀与疲劳的交互作用机制及其各自贡献。

根据具体大跨径桥梁实际服役环境条件确定拉吊索内钢丝每年的腐蚀速率，拉吊索设计疲劳应力幅及每年的循环次数，采用相似原理确定对应加速腐蚀疲劳试验单位时间下的腐蚀速率与疲劳循环次数，确定加速腐蚀疲劳试验对应的加速腐蚀电位与疲劳加载频率，其中加速腐蚀疲劳试验的应力幅可取为拉吊索设计疲劳应力幅，通过加速腐蚀疲劳试验获得高强钢丝的加速腐蚀疲劳寿命，重复该加速腐蚀疲劳试验获取一定数量的钢丝加速腐蚀疲劳寿命，再根据相似原理确定对应实际服役条件下的寿命。

如果实测某大跨径桥斜拉桥拉索内5mm直径1770MPa级高强钢丝表面腐蚀速率为0.02mm/year，拉索的设计疲劳应力幅为200MPa，每年循环2万次，采用相似原理，将该1年腐蚀疲劳工况压缩至单位时间（1小时）完成，应力幅保持不变，根据腐蚀速率确定取用恒电位数值，根据年循环次数确定单位加载次数即加载频率。采用该加速腐蚀试验条件得到钢丝腐蚀疲劳破坏时总的循环次数，再根据相似原理推断对应的实际服役年限（总的循环次数/每年循环次数）。理论上钢丝腐蚀疲劳寿命为一随机变量，钢丝腐蚀疲劳寿命服从标准两参数Weibull分布，采用极大似然估计得到标准两参数Weibull分布的形状参数和特征参数，如图4和图5所示，重复15次高强钢丝腐蚀疲劳加速试验得到的对应实际服役条件下的寿命估计得到两参数Weibull分布的概率密度函数（图4）和累积分布函数（图5），可以确定实际服役条件下高强钢丝在任意指定服役年限下发生腐蚀疲劳破坏的失效概率，同时亦可根据可接受的失效概率确定该服役环境条件下拉吊索内高强钢丝腐蚀疲劳寿命，为缆索腐蚀疲劳寿命预测、耐久性评价及更换拉吊索提供理论基础，当可接受失效概率为2.3%时，如图5虚线所示，此时高强钢丝腐蚀疲劳服役寿命为20.56年。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种高强钢丝腐蚀疲劳加速试验与寿命评价装置，其特征在于，包括加速腐蚀系统和疲劳加载系统，疲劳加载系统包括疲劳试验机、上夹具和下夹具，加速腐蚀系统置于疲劳加载系统的上夹具和下夹具之间，加速腐蚀系统连接电化学工作站，电化学工作站和疲劳加载系统由工控机控制。

2.根据权利要求1所述的高强钢丝腐蚀疲劳加速试验与寿命评价装置，其特征在于，所述加速腐蚀系统采用三电极电化学系统，包括腐蚀溶液池、对电极、参比电极和工作电极，

腐蚀溶液池上部开三个孔，分别安装对电极、工作电极和参比电极，且三个开孔处均通过橡胶塞密封，对电极、工作电极和参比电极分别通过导线连接电化学工作站；

腐蚀溶液池底部开孔，供钢丝样本穿过，开孔处由橡胶塞密封。

3.根据权利要求2所述的高强钢丝腐蚀疲劳加速试验与寿命评价装置，其特征在于，所述工作电极为暴露的钢丝样本的表面局部微小区域，即暴露区域，钢丝样本在腐蚀溶液池中的其他部分表面覆盖密封硅胶；钢丝样本穿过腐蚀溶液池，钢丝样本上端固定在上夹具，下端固定在下夹具，腐蚀溶液池通过橡胶塞固定在钢丝样本上。

4.根据权利要求2所述的高强钢丝腐蚀疲劳加速试验与寿命评价装置，其特征在于，所述腐蚀溶液池内盛装NaCl溶液。

5.根据权利要求2所述的高强钢丝腐蚀疲劳加速试验与寿命评价装置，其特征在于，所述对电极为金属铂电极，参比电极为饱和甘汞电极。

6.根据权利要求3所述的高强钢丝腐蚀疲劳加速试验与寿命评价装置，其特征在于，所述暴露区域为表面沿钢丝长度方向直径小于1mm，暴露区域面积小于0.79mm²。

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