一种模拟海洋环境下主缆钢丝服役工况的干湿交替腐蚀-疲劳循环耦合试验方法

摘要

本发明涉及一种模拟海洋环境下主缆钢丝服役工况的干湿交替腐蚀‑疲劳循环耦合试验方法，属于悬索桥技术领域。包括如下步骤：步骤一：低周疲劳应力试验循环；步骤二：N1天的高温盐雾湿热腐蚀：将被测件放入盐雾箱内，对被测件连续喷射盐雾，使得被测件持续发生电化学腐蚀；步骤三：N2天的常温盐雾沉降物干腐蚀，再进行低周疲劳应力试验循环；步骤四：按顺序交替循环步骤二、步骤三，直至被测件发生腐蚀疲劳断裂，计量疲劳断裂循环总次数和被测件表面的腐蚀状态。本申请通过盐雾试验条件与低周疲劳应力试验条件的循环组合，不仅加速钢丝样品的腐蚀程度，缩短测试时间；而且模拟实际悬索桥主缆钢丝所处潮湿与干燥交替的海洋环境等条件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟海洋环境下主缆钢丝服役工况的干湿交替腐蚀-疲劳循环耦合试验方法，属于悬索桥技术领域。

背景技术

主缆作为悬索桥的主要承重构件，在活载循环作用下的疲劳应力比较大。另一方面，桥梁在使用过程中，由于受到自然环境、有害质的侵蚀，车辆、风雨、地震、疲劳、人为因素等外来作用，以及材料自身性能的自然老化，导致桥梁使用性能不断衰退。另外，尽管悬索桥的主缆在实际工程中并没有出现过断索情况，但是，世界范围内很多在役的大跨悬索桥主缆都出现了明显的性能退化问题，部分索股的性能劣化又将导致承载索股的应力增大。有关试验研究表明钢丝的腐蚀并不是先全面腐蚀再局部腐蚀，而是先发生镀层的局部腐蚀，当镀层耗损完毕后再发生基体的全面腐蚀，在镀层腐蚀阶段，钢丝的质量和直径损失变化较小，钢丝发生延性断裂；在钢丝基体腐蚀阶段，钢丝的质量和直径损失变快，破断力降低较快，钢丝发生脆性断裂。如果锈蚀穿过镀层进入钢丝基体，在疲劳荷载作用下腐蚀缺陷会产生应力集中而导致裂纹开始增长、发展直至钢丝断裂失效。因此，悬索桥主缆的寿命与主缆钢丝的防腐镀层、钢丝材料自身、承载特征(疲劳荷载)、腐蚀条件等直接相关。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种模拟海洋环境下主缆钢丝服役工况的干湿交替腐蚀-疲劳循环耦合试验方法，高温盐雾腐蚀、常温腐蚀和疲劳试验对主缆钢丝交替作用，进而缝隙主缆钢丝在常规疲劳试验下的疲劳寿命、腐蚀疲劳试验下的疲劳寿命、腐蚀状态和断口形态。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种模拟海洋环境下主缆钢丝服役工况的干湿交替腐蚀-疲劳循环耦合试验方法，所述试样方法包括如下步骤：

步骤一：低周疲劳应力试验循环；

步骤二：对被测件进行N1天的高温盐雾湿热腐蚀：将被测件放入盐雾箱内，对被测件连续喷射盐雾，使得被测件持续发生电化学腐蚀；

步骤三：对被测件进行N2天的常温盐雾沉降物干腐蚀，再进行低周疲劳应力试验循环：停止喷射盐雾，打开盐雾箱，被测件平稳取出盐雾箱，保证盐雾沉降物积累于被测件表面，盐雾沉降物由被测件表面逐渐向被测件内部扩散，对被测件深度方向进行腐蚀，并对其进行低周疲劳应力试验循环；

步骤四：按顺序交替循环步骤二、步骤三，直至被测件发生腐蚀疲劳断裂，计量疲劳断裂循环总次数和被测件表面的腐蚀状态。

根据权利要求1所述的一种模拟海洋环境下主缆钢丝服役工况的干湿交替腐蚀-疲劳循环耦合试验方法，其特征在于：所述步骤一中高温盐雾腐蚀的温度为50±2℃。

根据权利要求1所述的一种模拟海洋环境下主缆钢丝服役工况的干湿交替腐蚀-疲劳循环耦合试验方法，其特征在于：所述低周疲劳应力试验循环次数为10万次～30万次。

与现有技术相比，本发明的优点在于：一种模拟海洋环境下主缆钢丝服役工况的干湿交替腐蚀-疲劳循环耦合试验方法，盐雾试验条件与低周疲劳应力试验条件的循环组合，一方面可加速钢丝样品的腐蚀程度，缩短测试时间；另一方面，可以模拟实际悬索桥主缆钢丝所处潮湿与干燥交替的海洋环境等条件。试验方法中钢丝高应力幅疲劳与无应力状态的交替循环，使得试验条件与悬索桥主缆钢丝的真实使用环境更为接近。

附图说明

图1为本发明实施例一种模拟海洋环境下主缆钢丝服役工况的干湿交替腐蚀-疲劳循环耦合试验方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本实施例中的一种模拟海洋环境下主缆钢丝服役工况的干湿交替腐蚀-疲劳循环耦合试验方法，包括如下步骤：

步骤一：低周疲劳应力试验循环。

步骤二：对被测件进行15天的高温盐雾湿热腐蚀：将被测件放入盐雾箱内，对被测件连续喷射盐雾，使得被测件持续发生电化学腐蚀，腐蚀试验参数见表一。

步骤三：对被测件进行1天的常温盐雾沉降物干腐蚀，再进行循环低周疲劳应力试验：停止喷射盐雾，打开盐雾箱，被测件平稳取出盐雾箱，保证盐雾沉降物累计于被测件表面，盐雾沉降物由被测件表面逐渐向被测件内部扩散，对被测件深度方向进行腐蚀。常温盐雾沉降物干腐蚀结束后，对其进行循环低周疲劳应力试验。

步骤四：按顺序交替循环步骤二、步骤三，直至被测件发生腐蚀疲劳断裂，记录疲劳断裂循环总次数和被测件表面的腐蚀状态。

表一

根据悬索桥主缆设计，参考《悬索桥设计规范》(JTG/T D65-05—2015)的3.2.6条和9.4.2条，此处计算得到K＝2.22(K为悬索桥设计规范中的主缆钢丝安全系数)，应力变幅分别取360，410，460MPa。低周疲劳应力试验循环次数与应力变换幅值直接相关。

实施例一

步骤一：将第1组钢丝(3根)在应力上限为927MPa、应力变幅为360MPa的应力条件下，进行低周疲劳应力试验循环20万次。

步骤二：然后将步骤一的钢丝放入温度为50℃的盐雾箱内(腐蚀速度为常温盐雾腐蚀的2倍)，对试样连续喷射盐雾，进行15天的盐雾加速腐蚀，使得试样持续发生电化学腐蚀。

步骤三：从盐雾箱中取出钢丝，将表面附着有盐雾沉降物的钢丝放置在常温条件下(常温温度为23±2℃)进行1天的常温腐蚀，后进行低周疲劳应力试验循环30万次。

步骤四：完成以上试验后回到步骤二和步骤三，依次交替循环，直到试样疲劳断裂为止，记录断裂循环次数，完成第1组钢丝试验。

实施例二

步骤一：将第2组钢丝(3根)在应力上限为927MPa、应力变幅为410MPa的应力条件下，进行低周疲劳应力试验循环20万次。

步骤二：然后将步骤一的钢丝放入温度为50℃的盐雾箱内(腐蚀速度为常温盐雾腐蚀的2倍)，对试样连续喷射盐雾，进行15天的盐雾加速腐蚀，使得试样持续发生电化学腐蚀。

步骤三：从盐雾箱中取出钢丝，将表面附着有盐雾沉降物的钢丝放置在常温条件下(常温温度为23±2℃)进行1天的常温腐蚀，后进行低周疲劳应力试验循环30万次。

步骤四：完成以上试验后回到步骤二和步骤三，依次交替循环，直到试样疲劳断裂为止，记录断裂循环次数，完成第2组钢丝试验。

实施例三

步骤一：将第3组钢丝(3根)在应力上限为927MPa、应力变幅为460MPa的应力条件下，进行低周疲劳应力试验循环20万次。

步骤二：然后将步骤一的钢丝放入温度为50℃的盐雾箱内(腐蚀速度为常温盐雾腐蚀的2倍)，对试样连续喷射盐雾，进行15天的盐雾加速腐蚀，使得试样持续发生电化学腐蚀。

步骤三：从盐雾箱中取出钢丝，将表面附着有盐雾沉降物的钢丝放置在常温条件下(常温温度为23±2℃)进行1天的常温腐蚀，后进行低周疲劳应力试验循环30万次。

步骤四：完成以上试验后回到步骤二和步骤三，依次交替循环，直到试样疲劳断裂为止，记录断裂循环次数，完成第3组钢丝试验。

在干湿交替环境中，钢的阴极电流比在水中的阴极电流大，在水中钢的阴极反应是溶解氧的还原反应；而在干湿交替过程中，钢由于锈层自身氧化剂的作用，使阴极电流变大。对于桥梁缆索钢丝，上述过程的反复进行就加速了钢丝的腐蚀。本试验采用SF06盐雾实验箱和100kN轴向拉伸疲劳试验机进行干湿交替腐蚀-疲劳循环耦合试验。在不同应力变幅下，采用低周疲劳应力试验循环→高温盐雾湿热腐蚀→常温盐雾沉降物干腐蚀+低周疲劳应力试验循环→高温盐雾湿热腐蚀→常温盐雾沉降物干腐蚀+低周疲劳应力试验循环的干湿盐雾交替腐蚀与疲劳交替循环耦合模式，直至钢丝发生腐蚀疲劳断裂，记录疲劳断裂循环的总次数和钢丝表面的腐蚀状态。

这种盐雾试验条件与低周疲劳试验条件的循环组合，一方面可加速钢丝样品的腐蚀程度，缩短测试时间；另一方面，可以模拟实际悬索桥主缆钢丝所处潮湿与干燥交替的海洋环境等条件。试验方法中钢丝高应力幅疲劳与无应力状态的交替循环，使得试验条件与悬索桥主缆钢丝的真实使用环境更为接近。

除上述实施例外，本发明还包括有其他实施方式，凡采用等同变换或者等效替换方式形成的技术方案，均应落入本发明权利要求的保护范围之内。