悬臂梁往复弯曲腐蚀疲劳试验机的设计

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ＤｅｓｉｇｎｏｆａＣａｎｒｉｌｅｖｅｒＢｅａｍＲｅｖｅｒｓｅｄＢｅｎｄｉｎｇａｎｄＣｏｒｒｏｓｉｏｎＦａｔｉｇｕｅＴｅｓｔｉｎｇＭａｃｈｉｎｅ
ＬＩＵＣｕｎ，ＺＨＡＯＷｅｉｍｉｎ，ＸＩＮＲｕｏｆｅｉ，ＷＡＮＧＹｏｎｇ
１腐蚀疲劳试验机设计与建造
该腐蚀疲劳试验机设计的目的是为了研究隔水管用钢及其涂层包覆钢在模拟海洋服役工况下的耐腐蚀疲劳性能．因此，试验机的设计必须满足以下几个要求：１）振幅可调，即加载挠度、应力可调，实现不同应力状态下的试验研究；２）周期可调，可模拟海洋服役工况下的实际震动频率，同时又可对比分析周期对腐蚀疲劳性能的影响；３）制作试验机用材要耐海水腐蚀，且不会对试验造成影
．深水钻井隔水管装置作为海洋深水钻
薄板试样腐蚀疲劳性能研究．作者在查阅国内外相关文献的基础上，根据隔水管的受力特点，自行设计制造了悬臂梁往复弯曲腐蚀疲劳试验机，该试验机可模拟海洋服役环境工况下隔水管的往复弯曲，加载副大小和加载频率连续可调，可用于隔水管用钢及其防护涂层包覆钢耐腐蚀疲劳性能的研究．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅｂｅｈａｖｉｏｒｏｆｏｃｅａｎｄｒｉｌｌｉｎｇｒｉｓｅｒｄｕｒｉｎｇｓｅｒｖｉｃｅ，ｍｅａｎｗｈｉｌｅｔｏｅｖａｌｕａｔｅｔｈｅｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｃｌａｄｓｔｅｅｌｔｏｃｏｒｒｏｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅ，ａｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｂｅａｍｒｅｖｅｒｓｅｄｂｅｎｄｉｎｇａｎｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ．Ｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｃａｎａｄｊｕｓｔｌｏａｄｉｎｇａｍｐｌｉｔｕｄｅａｎｄｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ．ＡｌｓｏｉｔｃａｎａｄｊｕｓｔｔｈｅｓｔｒｅｓｓｒａｔｉｏＲｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ，ｗｈｅｎｔｈｅｌｏａｄｉｎｇａｍｐｌｉｔｕｄｅｗａｓｃｈａｎｇｅｄ．Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｍａｃｈｉｎｅｒｕｎｓｓｍｏｏｔｈｌｙａｎｄｉｔｓａｕｔｏｍａｔｉｃｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｈａｓｓｅｎｓｉｔｉｖｅｒｅｓｐｏｎｓｅ．Ｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｈａｐｅａｎｄｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｆｏｒｃｏｒｒｏｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｓｐｅｃｉｍｅｎｓｗａｓｒｅａｓｏｎａｂｌｅ，ａｎｄｃｏｕｌｄｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｅｓｔｏｆｓｔｕｄｙｏｎｃｏｒｒｏｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅｐｒｏｐｅｒｔｙｆｏｒｂａｒｅｄｓｔｅｅｌｓａｎｄｃｌａｄｓｔｅｅｌｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅ；ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒｂｅａｍ；ｔｅｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｄｅｓｉｇｎ
第２２卷第３期２０１０年５月
腐蚀科学与防护技术
ＣＯＲＲＯＳＩＯＮＳＣＩＥＮＣＥＡＮＤＰＲＯＴＥＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｖｏｌ．２２Ｎｏ．３Ｍａｙ．２０１０
悬臂梁往复弯曲腐蚀疲劳试验机的设计
隔水管主要功能是为海洋浮式钻井平台或钻井船与海底井口之间泥浆循环提供回路，并为钻具送入海底井口导向．隔水管是整个钻采系统的关键设备之一，但同时又是该系统中的薄弱环节
Hale Waihona Puke Baidu［１］
国外腐蚀疲劳实验研究多采用旋转弯曲腐蚀疲验测试手段．
３］劳试验机［，这与隔水管实际服役工况下的腐蚀疲劳类型不４，５］符．而国外的悬臂梁式试验机［，多用于研究汽车蒙皮等
井装备的一个重要组成单元，是影响钻井平台的性能、经济与安全的重要因素，由于具有高投入、高风险、高技术等特
２］点，长期以来其技术一直被国外发达国家视为专有技术［．
隔水管工作的环境属于海洋全浸区，海水是强电解质溶隔水管在暴露于海洋环境的同时还液，具有很强的腐蚀性．承受着各种交变载荷的作用，交变应力和海洋环境腐蚀联合产生的协同交互作用将在隔水管中引起腐蚀疲劳损伤，因此隔水管的主要失效形式是腐蚀和腐蚀疲劳．对隔水管的腐蚀疲劳性能研究，国内目前多限于理论分析，尚未见相应的试
收稿日期：２００９１０２１初稿；２００９１２０２修改稿基金项目：国家高技术研究发展（８６３）计划海洋技术领域项目２００８ＡＡ０９Ａ１０６）和山东省科技攻关项目（２００７ＧＧ３０００４００８）（资助作者简介：刘存（１９８２－），男，硕士，研究方向为材料失效与表面改性．Ｔｅｌ：０５４６－８３９３９０７Ｅｍａｉｌ：ｋａｈｏｌｏ＠１６３．ｃｏｍ
ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｄｏｎｇｙｉｎｇ２５７０６１
刘存，赵卫民，信若飞，王勇
中国石油大学（华东）机电工程学院，东营２５７０６１摘要：为研究海洋钻采隔水管等柔性海洋结构件在服役过程中的腐蚀疲劳行为，同时为筛选和评价涂层包覆钢的该试验机的加载幅、加载频率和在不同加载幅耐腐蚀疲劳性能，设计制作了一套悬臂梁往复弯曲腐蚀疲劳试验机．条件下的应力比Ｒ均连续可调．试验表明，试验机运行稳定、自动监控系统反应灵敏、腐蚀疲劳试样形状和尺寸设计合理，能够满足对裸钢及涂层包覆钢耐腐蚀疲劳性能研究的需要．关键词：腐蚀疲劳；悬臂梁；试验机设计中图分类号：ＴＧ１７４３文献标识码：Ａ文章编号：１００２６４９５（２０１０）０３０２３８０５
３期响；
刘存等：悬臂梁往复弯曲腐蚀疲劳试验机的设计
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４）试样断裂时能及时报警，试样断裂后可及时取出试样进行后续处理；５）疲劳寿命可自动记录．根据上述设计要求，设计出如图１、２所示的试验机．试验机由支座、动力系统、振幅调节装置、固定底座、微支座由角铁和槽钢组焊而成，表面调板、环境箱等部分组成．经处理后涂刷海洋通用耐磨环氧漆．试验机其它部件均由３１６Ｌ不锈钢机加工而成．环境箱选用聚丙烯（ＰＰ）材质制成的矩形储物槽，如图２所示．动力系统是由一台电动机、一台励磁电机和一个减速器２５～共同组成，励磁电机配以数显调速器可实现转速在１１２５０ｒ／ｍｉｎ范围内的无级调整，满足试验对不同加载频率的Ｆｉｇ．３Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｖｉｅｗｏｆａｍｐｌｉｔｕｄｅｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｒｉｇｓ
．如此大尺寸的柔性结构进行局部分析时通常可
简化为矩形截面薄板试样进行分析．而薄板结构材料的腐蚀疲劳性能通常由平板弯曲试验或悬臂梁弯曲试验确定．典型的悬臂梁弯曲腐蚀疲劳试样如图５所示，试验时试样的大端固定在试验机底座上，小端连接到相应的动夹块上，在竖直试样的实验区段呈锥形，以产生一段恒平面内做往复运动．应力的实验区段，这样在往复弯曲时可以很容易地引入不同水平的平均拉伸应力，探究腐蚀疲劳寿命、裂纹源萌生及其扩展路径与弯曲应力的关系，横向比较不同材料的腐蚀疲劳行为．不过，图５提供的试样尺寸没有普遍适用性，计算表明腐蚀疲劳试样尺寸需根据腐蚀疲劳试验机零部件的尺寸加以修正，以保证产生恒应力区段和控制最大应力．２１矩形变截面悬臂梁最大应力公式根据弯曲弹塑性理论，弯曲前后横截面保持矩形截面的梁结构，当梁的长度大于横截面宽度的５倍，且在弹塑性范由最大应力公式可知：围内时，遵循胡克定律．ＭＨ · σ ｍａｘ＝Ｉ２性矩．对于矩形变截面悬臂梁来说，如图６所示，其横截面宽（１）
Ｆｉｇ．４Ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｒｏｄ（ｕｎｉｔ：ｍｍ）要求．本试验机通过调速器和减速器调整速度后，可实现加０７８～０７８Ｈｚ．载频率在０振幅调节装置如图３所示，由一套振幅调解盘、连杆及Ｕ形板等组成．振幅调解盘板厚为２０ｍｍ，每隔其配套轴承、６０ ° 渐开线式分布连杆固定孔．固定孔中心与传动轴中心距离在２５～１００ｍｍ范围内间隔５ｍｍ分布，因此试验机加载Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｖｉｅｗｏｆｃｏｒｒｏｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ（ａ）ｆｒｏｎｔｖｉｅｗａｎｄ（ｂ）ｔｏｐｖｉｅｗ副可在２５～１００ｍｍ范围内按试验所需进行调节．连杆上部３２ｍｍ孔，如图４所示，孔内嵌套外径为３２ｍｍ滚柱轴开承，通过一销钉将轴承连同连杆一起固定在振幅调解盘上．这样既减小了销钉与振幅调解盘之间的摩擦阻力又降低了各个部件之间的间隙，减小试验误差．连杆下部开３５ｍｍ孔，孔内嵌套外径为３５ｍｍ的不锈钢滚珠轴承，通过销钉Ｕ形板底部开有试样固定孔．整体振幅调连接到Ｕ形板上，节装置的设计充分考虑到耐蚀性、强度、减小间隙降低试验误差、尽量消除试样轴向拉伸应力使腐蚀疲劳试样只产生往复弯曲应力等要求．通过调整固定底板高度，应力比Ｒ可在－１～０范围内连续调节．
２试样形状和尺寸的确定
隔水管单根长度一般为２２８６ｍ（７５英尺），最长不超过Ｆｉｇ．２Ａｓｓｅｍｂｌｅｄｃｏｒｒｏｓｉｏｎｆａｔｉｇｕｅｔｅｓｔｉｎｇｍａｃｈｉｎｅ２７４３ｍ（９０英尺）．壁厚一般为１５９、１９１、２５４ｍｍ（５／８、３／
２４０
腐蚀科学与防护技术
第２２卷
４、１英寸），直径一般为４８２６ｍｍ（１９英寸）或５３３４ｍｍ（２１英寸）
［２，６］
度沿ｘ轴随离固定端距离的变化而变化，满足如下公式：Ｂ０Ｂ（Ｌｘ）（ｘ）＝０－Ｌ０（２）