一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验装置及方法

1.本发明涉及金属腐蚀防护领域，具体涉及一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验装置及方法。


背景技术：

2.钢材的应力腐蚀是指钢材在应力(尤其是拉应力)和特定腐蚀介质共同作用下发生腐蚀，并最终导致钢材发生脆性断裂的行为。钢材的应力腐蚀断裂不同于普通的拉伸破坏与单纯的钢材腐蚀：当钢材接触敏感的腐蚀介质时，在较低应力情况下即可发生断裂；而在浓度较低的敏感腐蚀介质中，钢材的腐蚀速率会由于应力作用而显著提高。特别的对于不锈钢，例如奥氏体不锈钢，其在无应力作用下具有良好的耐腐蚀性，但在氯离子腐蚀介质中却易于发生应力腐蚀。应力腐蚀断裂是一种脆性断裂，发生时没有任何预兆，一旦微裂纹扩展成为临界裂纹即会迅速扩展而导致突然断裂，严重威胁结构的安全。
3.周期浸润腐蚀试验是模拟海洋浪溅区腐蚀环境最有效的试验方法之一，能够实现钢材试件在腐蚀介质中的周期性干湿循环。然而，以往的周期浸润腐蚀试验装置大多是针对无应力试件设计的，进行恒载荷应力腐蚀试验所需的荷载监控设备无法直接放入传统的周期浸润试验箱中。目前，尚缺乏一种将钢材的恒载荷应力腐蚀试验与周期浸润腐蚀试验相结合的试验装置及试验方法。本发明所提出的是一种周期浸润条件钢材应力腐蚀试验装置及相应的试验方法，能够对钢材进行周期浸润条件下的应力腐蚀试验研究。


技术实现要素：

4.本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供了一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验装置及方法，可以通过对受恒定拉应力作用的钢材试件进行在腐蚀介质中的周期浸润，模拟海洋浪溅区的干湿循环状态，从而进一步研究钢材在腐蚀介质中的应力腐蚀现象。
5.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
6.本发明第一方面提出一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验装置，包括周期浸润单元和至少一个应力加载单元；
7.各所述应力加载单元均分别包括钢材试件，卧式加载反力架，力传感器，以及l形拉杆、导向套筒和加载螺母各两个；两个所述l形拉杆的短边端头分别勾住所述钢材试件一端，两个所述l形拉杆的长边分别通过内置于所述卧式加载反力架中的所述导向套筒以穿过所述卧式加载反力架的相应侧，穿出所述卧式加载反力架后，一侧的所述l形拉杆上依次套设所述力传感器和一个所述加载螺母，另一侧的所述l形拉杆上套设另一个所述加载螺母并将其位置固定；通过旋紧并固定设有所述力传感器一侧的所述加载螺母，对所述钢材试件进行恒定拉应力的加载，加载荷载由所述力传感器读出；
8.所述周期浸润单元包括总控系统，容纳有腐蚀溶液的溶液补给箱，液压升降台，以及与所述应力加载单元个数相同的腐蚀试验槽、液位控制开关、加热灯组和测温传感器；各
所述加热灯组分别布设于相应的一个所述卧式加载反力架上方，加载完成后的各所述钢材试件分别悬挂在相应的一个所述腐蚀试验槽中，各所述腐蚀试验槽分别通过导管与所述溶液补给箱连通，所述溶液补给箱放置在所述液压升降台上，由所述总控系统控制所述液压升降台进行周期性的升、降以及加热灯组进行周期性地关、开，使腐蚀溶液周期性地流入、流出腐蚀试验槽，实现所述钢材试件在腐蚀溶液浸润、高温干燥之间的周期性循环；各所述液位控制开关安装在相应的一个所述腐蚀试验槽内壁，监测所述腐蚀试验槽中腐蚀溶液的液面高度并反馈给所述总控系统；所述温度传感器安装在所述腐蚀试验槽上方，监测加热灯组开启后的环境温度并反馈给所述总控系统。
9.进一步地，所述钢材试件为由原始钢材经过切割后形成多个交替布设的夹持段和标定段构成的一体成型结构，由一个标定段和其两端的夹持段构成一个小试件，所述钢材试件内的各小试件彼此串联。
10.根据本发明第一方面提出的一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验装置，其优点及有益效果如下：第一、试验装置原理简单，受力明确，试验过程中钢材试件和加载反力架均只受轴心拉力和压力的作用，传力路径明确。第二、装置体积小、可通过增设多个纵向方钢管空间，同时对多个试验组进行试验，节约试验时间；第三、采用各自独立工作的应力加载单元与周期浸润单元协同工作的形式，l形拉杆及导向套筒的设计解决了带电工作设备(例如力传感器)无法直接放入传统的周期浸润腐蚀试验箱的问题，可在试验过程中实现对钢材试件受力状态的实时监控。第四、通过应力加载单元与周期浸润单元间的不同组合方式，可进行多种类型的钢材腐蚀试验研究，若对所述钢材试件加载后关闭周期浸润单元，使所述腐蚀试验槽中充满腐蚀溶液，即可进行全浸润条件下的钢材应力腐蚀试验；若开启周期浸润单元而不对所述钢材试件加载，即可进行周期浸润条件下的常规钢材腐蚀试验。第五、钢材试件采用整体切割为多个沿纵向串联的小试件，试验结束后再将各小试件切割分离，方法简单，受力明确，可得到受力状态、腐蚀条件完全相同的一组平行试件，保证试验精度。第六，传统的串联加载方式需在各小试件之间设置连接装置，本发明提出的钢材试件形式可省略这类复杂的连接装置，减小由于腐蚀溶液对连接装置的腐蚀对试验结果的影响。
11.本发明第二方面提出一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验方法，所述试验方法包括以下步骤：
12.装置组装：将所述卧式加载反力架、所述腐蚀试验槽、所述溶液补给箱和所述加热灯组摆放定位后，调整所述液压升降台的高度，使得所述腐蚀试验槽内无腐蚀溶液，使所述加热灯组处于关闭状态；安装所述导向套筒，将两个所述l形拉杆的长边从所述卧式加载反力架的内侧穿过相应的所述导向套筒穿出所述卧式加载反力架；在一个所述l形拉杆的外侧安装对应的所述力传感器以及所述加载螺母，并调整两个所述l形拉杆之间的距离后，将所述钢材试件两端头位置的圆孔套在两个所述l形拉杆的短边端头上，并在调整所述钢材试件水平后将其与两个所述l形拉杆的短边端头固定；
13.加载：保持所述液压升降台的高度不变并保持所述加热灯组关闭；旋紧设有所述力传感器一侧的所述加载螺母，对所述钢材试件施加拉力，通过所述力传感器实时监控荷载值，加载至设计荷载后，固定设有所述力传感器一侧的所述加载螺母使所述钢材试件达到恒载荷状态；
14.周期浸润试验：在所述总控系统中设定试验设计的浸润周期以及干燥温度；其中，浸润阶段：所述总控系统控制所述液压升降台上升、所述加热灯组关闭，腐蚀溶液从所述溶液补给箱中流入所述腐蚀试验槽中，腐蚀溶液触及所述液位控制开关时所述液压升降台停止上升，使处于拉应力作用下的所述钢材试件浸润在腐蚀溶液中；干燥阶段：所述总控系统控制所述液压升降台下降至最低、所述加热灯组开启，腐蚀溶液从所述腐蚀试验槽中流回所述溶液补给箱中，使处于拉应力作用下的所述钢材试件干燥，干燥过程中所述加热灯组根据所述测温传感器的反馈进行温度调节；浸润阶段与干燥阶段按照预先设定的浸润周期进行循环，从而实现所述钢材试件在周期浸润条件下的恒载荷应力腐蚀试验。
15.本发明第二方面提出的一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验方法，其优点及有益效果如下：将钢材的恒载荷应力腐蚀试验与钢材的周期浸润腐蚀试验相结合，能够较好地模拟受恒定拉应力作用的钢结构在海洋浪溅区环境中工作的腐蚀环境，进而使钢材应力腐蚀规律的研究更具有实际意义。
16.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
17.本发明的上述、附加的方面和优点结合下面的附图的描述将变得明显和容易理解，其中：
18.图1为本发明第一方面提出的一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验装置整体工作示意图。
19.图2的(a)、(b)分别为图1所示试验装置中一个应力加载单元的俯视图和右视图。
20.图3的(a)、(b)、(c)分别为图1所示试验装置中卧式加载反力架的主视图、右视图和俯视图。
21.图4为图1所示试验装置中导向套筒和l形拉杆的结构示意图。
22.图5的(a)、(b)分别为为图1所示试验装置中液压升降台的主视图和俯视图。
23.图6为图1所示试验装置中钢材试件的形成过程示意图。
24.图7为本发明第二方面提出的一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验方法的流程图。
25.附图标记：
26.应力加载单元：1—钢材试件；2—卧式加载反力架；3—l形拉杆；4—导向套筒；5—力传感器；6—加载螺母；15—高台；
27.其中，1
‑
1—原始钢材；1
‑
2—夹持段；1
‑
3—标定段，1
‑
4—小试件；2
‑
1—纵向方钢管；2
‑
2—横向方钢管；2
‑
3—脚托；3
‑
1—长螺杆；3
‑
2—实心钢棒；3
‑
3—加劲肋板；3
‑
4—试件定位螺母；
28.周期浸润单元：7—总控系统；8—腐蚀试验槽；9—溶液补给箱；10—导管；11—液压升降台；12—液位控制开关；13—加热灯组；14—温度传感器；
29.其中，11
‑
1—液压千斤顶；11
‑
2—钢平台；11
‑
3—导向轨道；11
‑
4—滑轮。
具体实施方式
30.下面详细描述本发明，所述示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
31.下面结合图1至图5来描述本发明第一方面提出的一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验装置。
32.如图1所示，本发明第一方面提出的一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验装置，包括周期浸润单元和至少一个应力加载单元。其中，各应力加载单元的结构相同，均分别包括钢材试件1、卧式加载反力架2、l形拉杆3、导向套筒4、力传感器5以及加载螺母6；所述周期浸润单元包括总控系统7、腐蚀试验槽8、溶液补给箱9、导管10、液压升降台11、液位控制开关12、加热灯组13以及测温传感器14。
33.具体而言，如图2所示，应力加载单元包括沿卧式加载反力架2的纵轴线方向依次串联的加载螺母6、力传感器5、l形拉杆3、钢材试件1、l形拉杆3以及加载螺母6，力传感器5和位于其另一侧的加载螺母6之间夹住卧式加载反力架2，l形拉杆3通过导向套筒4穿过卧式加载反力架2，导向套筒4能够保证l形拉杆3仅沿水平方向位移。钢材试件1可采用薄板状或棒状试件，钢材试件1的两端头位置处分别开设有圆孔。应力加载单元的传力路径为：旋紧有力传感器5一侧的加载螺母6时，该侧的力传感器5和另一侧的加载螺母6对卧式加载反力架2施加压力，当卧式加载反力架2的刚度足够大时，加载螺母6施加至力传感器5的压力将等大反向地传递至钢材试件1，从而使钢材试件1承受拉力。该加载过程中通过力传感器5时刻监控着施加在钢材试件1上的荷载变化，当加载至设计荷载时，紧固设有力传感器5一侧的加载螺母6，实现对钢材试件1施加恒定不变的拉伸荷载。在持荷过程中，仍可以通过力传感器5对持荷过程中的荷载变化进行监控并及时调整荷载值。腐蚀试验槽8放置在卧式加载反力架2的矩形框架结构的下方，其高度需满足当腐蚀溶液充满其中时，能够完全浸没过完成加载后的钢材试件1。腐蚀试验槽8的底部与溶液补给箱9的底部均开孔并通过导管10连通，溶液补给箱9放置在液压升降台11上，根据连通器原理，可以通过调整溶液补给箱9的高度来实现腐蚀溶液流入、流出腐蚀试验槽8。液压升降台11、加热灯组13均由总控系统7统一控制，总控系统7控制液压升降台11进行周期性地升、降以及加热灯组13进行周期性地关、开，实现所述钢材试件1在腐蚀溶液浸润、高温干燥之间的周期性循环。液位控制开关12和温度传感器14能够分别将腐蚀试验槽8中的液面高度和干燥条件下的环境温度反馈给总控系统7，液位控制开关12安装在腐蚀试验槽8内壁，温度传感器安装14在腐蚀试验槽8上方，总控系统7可以根据两者的反馈分别调整液压升降台11的高度和加热灯组13开启加热灯的数量。
34.需要说明的是，应力加载单元需放置在一高台15上，其高度位于液压升降台11顶升溶液补给箱9的最高点与最低点的中间高度。腐蚀溶液通过溶液补给箱9与腐蚀试验槽8之间的相对高差实现其在溶液补给箱9与腐蚀试验槽8之间的交换。当溶液补给箱9降至最低点时，腐蚀溶液在重力作用下完全流回溶液补给箱9；当溶液补给箱9升高时，根据连通器原理腐蚀溶液缓慢流入腐蚀试验槽8中，并在液面触碰到液位控制开关12时溶液补给箱停止上升。加热灯组13由多个加热灯泡组成，通过测温传感器14监测环境温度并反馈给总控系统7，控制加热灯组13中开启的加热灯泡的数量。当监测温度较高时，关闭加热灯组13中
的部分加热灯泡，当监测温度较低时，开启加热灯组13中更多的加热灯泡，从而实现试验过程中稳定的温度控制。
35.如图3所示，本发明第一方面提出的一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验装置的卧式加载反力架2，其主体为由两根横向方钢管2
‑
2与两根纵向方钢管2
‑
1焊接制成的矩形框架结构，矩形框架的四个角点位置分别焊接脚托2
‑
3，将矩形框架抬高至略高于腐蚀试验槽8的位置。两根横向方钢管2
‑
2的中点位置开圆孔，用以放置导向套管4。
36.如图4所示，本发明第一方面提出的一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验装置的l形拉杆3和导向套筒4，l形拉杆3的长边为一根长螺杆3
‑
1，短边为一实心钢棒3
‑
2。实心钢棒3
‑
2的一端与长螺杆3
‑
1焊接固定，并设置加劲肋版3
‑
3；实心钢棒3
‑
2的另一端通过一变截面段缩小杆径至与钢材试件1端头开孔的孔径大小相同。实心钢棒3
‑
2的小杆径段下端刻有螺纹，用以在张拉钢材试件1时放置试件定位螺母3
‑
4，保证试验过程中钢材试件1的水平放置、防止钢材试件1掉落。导向套筒4固定在卧式加载反力架2的横向方钢管2
‑
2中，其外径与卧式加载反力架2的横向方钢管2
‑
2的开孔的孔径相同，内径与l形拉杆3的长边螺杆3
‑
1的杆径相同。
37.如图5所示，本发明第一方面提出的一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验装置的液压升降台11，包括液压千斤顶11
‑
1、钢平台11
‑
2、以及配套的导向轨道11
‑
3和滑轮11
‑
4，液压千斤顶11
‑
1放置在钢平台11
‑
2的下方中心位置，钢平台11
‑
2的四个角点位置分别设置滑轮11
‑
4并卡住相应的导向轨道11
‑
3，在钢平台11
‑
2与溶液补给箱9的对应位置处开设圆孔以供导管10穿过后连接至腐蚀试验槽8，实现腐蚀溶液的流入与流出。液压千斤顶11
‑
1受总控系统7控制，实现钢平台11
‑
2及置于其上的溶液补给箱9在垂直方向的上升与下降。
38.本发明第一方面提出的一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验装置具有如下优点：第一、试验装置原理简单，受力明确，试验过程中钢材试件1和卧式加载反力架2均只受轴心拉力和压力的作用，传力路径明确。第二、装置体积小、可通过增设多个纵向方钢管空间，同时对多个试验组进行试验，节约试验时间；第三、采用各自独立工作的应力加载单元与周期浸润单元协同工作的形式，l形拉杆3及导向套筒4的设计解决了带电工作设备(例如力传感器5)无法直接放入传统的周期浸润腐蚀试验箱的问题，可在试验过程中实现对钢材试件1受力状态的实时监控。第四、通过应力加载单元与周期浸润单元间的不同组合方式，可进行多种类型的钢材腐蚀试验研究，若对所述钢材试件1加载后关闭周期浸润单元，使所述腐蚀试验槽8中充满腐蚀溶液，即可进行全浸润条件下的钢材应力腐蚀试验；若开启周期浸润单元而不对所述钢材试件1加载，即可进行周期浸润条件下的常规钢材腐蚀试验。
39.进一步地，本发明还对钢材试件1的截面形式进行了优化，可实现腐蚀试验中多试件的串联加载。
40.如图6所示，钢材试件1为由原始钢材1
‑
1经过切割后形成多个交替布设的夹持段1
‑
2和标定段1
‑
3构成的一体成型结构，由一个标定段和其两端的夹持段构成一个小试件1
‑
4，钢材试件1内的各小试件彼此串联。腐蚀试验过程中直接在钢材试件1两端加载并将其放入腐蚀试验槽8中，腐蚀试验结束后将钢材试件1取出，再沿每个夹持段1
‑
2的中线将钢材试件1切割为多个独立的小试件1
‑
4，来自于同一个钢材试件1的小试件为相同试验条件下的
平行试件，可进行多种钢材材性试验。
41.需要说明的是，整体切割的钢材试件上1串联的小试件1
‑
4的数量可以为2个、3个、4个、5个或6个。若数量过多可能会导致钢材试件1的长细比过大而使试件弯折或产生其他初始缺陷。
42.采用图6所示的钢材试件具有如下优点：第一、腐蚀试件采用整体切割为多个小试件串联的形式，试验结束后再将各小试件切割分离，方法简单，受力明确，可得到受力状态、腐蚀条件完全相同的一组平行试件，保证试验精度。第二，传统的串联加载方式需在各小试件之间设置连接装置，本发明提出的试件形式可省略这类复杂的连接装置，减小由于腐蚀溶液对连接装置的腐蚀对试验结果的影响。
43.下面结合图7来描述本发明第二方面提出的一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验方法。
44.如图7所示，本发明提出的一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验方法，其试验步骤如下：
45.首先，加工一批钢材试件1并合理保存，注意试件保存过程中的防腐。试验开始前，先将卧式加载反力架2与腐蚀试验槽8摆放定位后，将导向套筒4安装到卧式加载反力架2的横向方钢管2
‑
2的开孔中，再将两个l形拉杆3的长边螺杆3
‑
1从卧式加载反力架2的内侧穿过导向套筒4穿出卧式加载反力架2。在一侧的l形拉杆3的外侧安装对应的力传感器5以及加载螺母6，，在另一侧的l形拉杆3的外侧仅安装加载螺母6，并调整两个l形拉杆3之间合适的距离后，将钢材试件1两端头位置的圆孔套在l形拉杆3的短边端头上，并在调整钢材试件1水平后旋上试件定位螺母3
‑
4，完成应力加载单元的组装。之后，旋紧有力传感器5一侧的加载螺母6，对所钢材试件1施加拉力，通过力传感器5实时监控荷载值，加载至设计荷载后，固定加载螺母6使钢材试件1达到恒载荷状态。进而，开启周期浸润单元，在总控系统7中设定试验设计的浸润周期以及干燥温度，开启电机使周期浸润单元开始工作：浸润阶段，总控系统7控制液压升降台11上升、加热灯组13关闭，腐蚀溶液从溶液补给箱9中流入腐蚀试验槽8中，当腐蚀溶液触及液位控制开关12时液压升降台11停止上升，使处于拉应力作用下的钢材试件1浸润在腐蚀溶液中；干燥阶段，总控系统7控制液压升降台11下降至最低、加热灯组13开启，腐蚀溶液从腐蚀试验槽8中流回溶液补给箱9中，使处于拉应力作用下的钢材试件1干燥，干燥过程中加热灯组13根据测温传感器的反馈进行温度调节。浸润阶段与干燥阶段按照预先设定的浸润周期进行循环，从而实现钢材试件1在周期浸润条件下的恒载荷应力腐蚀试验。
46.试验过程中，若有钢材试件1发生断裂，该组试验停止，记录所述钢材试件1的断裂时间，并对断口处进行金相观察。若至试验预定结束时间时，钢材试件1仍未发生断裂，则停止试验，对钢材试件1进行卸载并关闭周期浸润系统，取下钢材试件1，并将钢材试件1沿每个夹持段的中线切割为多个独立的小试件，来自于同一钢材试件1的小试件为同组平行试件，对各小试件进行不同的材料性能试验，可检验钢材在经过应力腐蚀后的材料性能变化。
47.本发明第二方面提出的一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验方法具有如下优点：将钢材的恒载荷应力腐蚀试验与钢材的周期浸润腐蚀试验相结合，能够较好地模拟受恒定拉应力作用的钢结构在海洋浪溅区环境中工作的腐蚀环境，进而使钢材应力腐蚀规律的研究更具有实际意义。
48.下面以一个具体的例子来描述本发明提出的一种周期浸润条件下钢材恒载荷应力腐蚀试验装置，该具体例子如下：
49.本发明的一个实施例为进行316l不锈钢的周期浸润条件下的恒载荷应力腐蚀试验研究。钢材试件1采用316l不锈钢，每个小试件的长度为160mm，标定段长度为24mm，标定段宽度为6mm，试件厚度3mm。采用3个小试件串联的形式加工钢材试件1，钢材试件1的总长度为480mm，两端开孔的孔径为10mm。l形拉杆3同样采用316l不锈钢，长螺杆3
‑
1的杆径为16mm，实心钢棒3
‑
2的直径为20mm，经过一段变截面段后直径缩小至10mm。卧式加载反力架2的纵、横向方钢管3
‑
1、3
‑
2均采用80mm
×
60mm的q345方钢管焊接制成，横向方钢管3
‑
2上的开孔孔径为24mm，即导向套筒4的外径为24mm、内径为16mm。腐蚀试验槽8、溶液补给箱均采用304不锈钢制作，两者间采用橡胶导管10连接。液压千斤顶11
‑
1的最大承载力选取为5t，并且可实现长时间的稳定持载。加热灯组13共设置10个加热灯泡，全开后温度可达80℃。
50.周期浸润试验的干湿循环周期设定为每小时内浸润10分钟、干燥50分钟，干燥阶段的环境温度设置为70℃。对钢材试件1施加的荷载设定为其标定段截面达到50％的屈服强度时的拉力值，即2.4kn，在该荷载作用下卧式加载反力架2、l形拉杆3的截面应力较小，均可看做刚性体。周期浸润单元工作时，液压升降台11的上升与下降的时间均控制在2min之内，即钢材试件1可在2min时间内完成浸润与干燥之间的交替。
51.该实施例的结果表明，本发明设计巧妙，操作简单方便，适用于钢材在周期浸润条件下的应力腐蚀试验研究。