低温下钢材、混凝土试验仪器设备的选用.pdf

谢剑等： 低温下钢材、 混凝土试验仪器没帑的选用 低温 下 钢材 、 混凝 土试验仪器设备 的选 用 谢剑， 李海瑞， 聂治盟 ( 天津大学建筑工程学院土木工程 系。 天津3 0 0 0 7 2) 【 摘要】 混凝土、 钢材等材料越来越广泛的被用在低温及超低温环境领域， 随着低温技术的实用化， 使得 混凝土及钢材的各种力学性能试验研究变得尤为重要， 而如何制作、 选取合适的降温及保温设备、 适应于低温及 超低温环境下的温度传感器及各种力学性能测量仪器就成为了试验过程中遇到的首要的问题。由于低温及超低 温环境的特殊性 ， 加之现阶段国内对低温环境试验研究量比较少， 往往在进行低温试验设备 、 仪器的制作和选择 时存在一定的难度， 故文中结合国内外相关研究及我们 自身的研究经历对适合用于低温及超低温环境下进行试 验的各种设备、 仪器进行总结， 以供参考。 【 关键词】 低温、 超低温、 混凝土、 钢材 、 试验仪器设备 【 中图分类号】 T U 5 0 2 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 0 1 0 4 随着我国把“ 十二五” 规划列为我国能源转型攻坚任务 的关键期， L N G产业的发展将更为迅速。超低温储罐的建 造将会越来越广泛。液化天然气的存储温度一般在 一1 6 5 左右， 当出现内罐泄漏的情况时， 就必须考虑混凝土外罐在 低温环境下的力学性能 ， 确保其能安全工作。此外， 深海资 源探测， 极地探索， 低温环境下勘探和开采石油的移动式钻 探容器、 低温海洋环境下的浮动码头建设 ， 高寒冻土地区的 铁路建设等越来越多。随着人类对各种能源的需求量 日益 增大， 土木建设也必然会不断向极地、 深海甚至太空地区发 展。各方面的建设需要， 钢筋混凝土结构及钢结构越来越 广泛的被应用于低温环境条件下。由此可见， 对混凝土及 钢材在低温条件下各性能进行试验研究是十分必要的。 综上可见 ， 随着混凝土及钢材在低温及超低温环境条 件下应用的越来越广泛， 对混凝土及钢材在低温条件下的 力学性能的试验研究变得越来越重要， 而进行试验研究面 临的首要问题便是试验设备问题， 鉴于低温及超低温试验 的特殊性 ， 对试验设备的要求 比较苛刻 ， 目前 国内对低温及 超低温混凝土及钢材的研究比较少。文中通过整理综合国 内外部分研究先例 、 结合我们 自身研究经验， 对试验过程中 所用各种设备仪器的合理选择进行总结 ， 以方便对混凝土 及钢材开展广泛的低温试验研究。 1 试验降温及保温设备 现阶段， 国内对混凝土及钢材在低温环境下的性能研 究较少的一个重要原因是： 在实验室中， 对试件进行降温及 试验过程中的保温工作较难实现。如何选取合适的降温及 保温设备是试验中遇到的第一个关键性问题。现阶段 ， 国 内外的研究者大多是根据 自身试验条件 自行设计的降温及 保温设备。 根据前人总结经验及我们 自身研究经验， 试验室中常 用的试件降温方法有： ( 1 ) 试件在盛有不凝结液体( 酒精、 煤油、 汽油等) 的 容器里冷却， 并迅速移到试验机上试验。容器里的液体通 基金项目】 国家自然科学基金项目( 5 1 0 7 8 2 6 0 ) 常用干冰( 固体二氧化碳) 冷却。 ( 2 ) 试件的冷却和试验直接在盛有不凝结液体的容 器里进行( 冷却方法同上) 。 ( 3 ) 试件和试验机夹头在专门的容器中冷却 ， 容器本 身用不同的方法进行空气冷却。 ( 4 ) 试件用装有碎干冰的袋包住进行冷却。 ( 5 ) 用低温冰箱进行制冷。 ( 6 ) 试件在专门容器中用纯氮或混合蒸汽( 空气和氮 气或氧气等) 进行冷却。 1 1 混凝土试件降温及保温设备 超低温下材料性能试验研究过程中所用的降温及保温 设备是一体的。一般由设备的制冷系统进行降温， 由设备 的保温箱进行保温工作。现今 ， 实验室中较常用的此类设 备如下 ： 1 1 1 由电器制造商制造的超低温冰箱( 图 1 ) 。 图 I 超低福 矗 冰箱 从试验者的角度来讲， 此设备不需要 自行设计、 使用起 来比较方便； b k 设备功能及价格适用情况来讲， 超低温冰箱 使用电作为动力， 每次使用 的费用较小。但该设备一般降 温适用范围有限， 而能够降到 一1 0 0 ：E以下的低温冰箱价格 昂贵、 使用空间有限， 并且很难降到 一l 5 0 以下 。因此， 2 低温建筑技术 2 0 1 4年第2期( 总第 1 8 8 期) 此类设备一般适用于 目标温度在 一1 0 0 c c以上的低温材料性 能试验 中。 1 1 2 试验者 自行设计的超低温环境箱装置。 此类装置一般 由制冷系统和保温箱两部分组成 ， 工作 时制冷系统将液态工质释放到保温箱内， 通过液态工质的 挥发来达到对保温箱内部降温的目的。 ( 1 ) 从制冷系统看 ， 由于此类设备一般应用于目标温 度在 一1 0 0 以下的超低温试验 ， 故大都采用纯液氮作为制 冷工质来进行降温， 最简易的降温装置就是采用杜瓦瓶储 存液氮， 用手动或电子控制液氮的释放速率来控制降温速 率。若能合理设计此装置 ， 可达到最低降温 一1 9 6 C 的效果。 上述降温设备设计及操作较简单， 然而试验过程中的 液氮不能重复利用 ， 且液氮价格较昂贵， 故此种降温装置一 般适用于较小规模的超低温试验。对于需大量重复性降温 的试验或构件体积较大、 降温需氮量较多的试验， 最合适的 降温方法是采用市场上销售的节流制冷机进行降温。 最开始的节流制冷机也是采用纯氮作为制冷工质来进 行降温的， 相比于上述 自制液氮制冷设备来说， 此制冷机可 达到重复利用液氮的效果。近年来， 采用混合工质作为制 冷工质的节流制冷机不断发展， 技术趋于成熟。其实， 早在 1 9 7 3年 ， 前苏联 A l f e e v等人就用一种混合工质( 3 0 mo 1 氮 ， 3 0 to o l 甲烷 ， 2 0 m o 1 乙烷 ， 2 0 mo 1 丙 烷) 以 5 0 ： 1的压 比获 得了7 8 K的低温， 且采用混合工质的这种系统的制冷效率 是纯氮系统的 1 O1 2倍 ； 更有研究表 明， 对于液氮温度 的节流制冷机， 采用混合物工质可以比采用单纯氮气在热 效率上提高 3 5倍 J 。在我国， 制冷与低温技术领域的创 新者一罗二仓的一系列研究使得我国该领域取得了极大的 发展。2 0 0 4年， 罗二仓与他的合作者完成了“ 深冷混合工质 节流制冷技术及其应用研究” ； 2 0 0 6年 ， 罗二仓和其合作者 发明了“ 一种多元混合工质分凝分离节流深冷制冷循环系 统” 。根据罗二仓及其合作者 的研究表明： 在制冷温度 高于 8 0 9 0 K以上的工作温区( 1 0 0 2 0 0 K ) ， 采用多元混合 物工质节流制冷是一种具有较大优势的制冷方法， 它具有 制冷量大、 可靠性高、 结构简单和高热效率等一系列优点， 可广泛用于天然气液化( 再凝结) 系统 、 低温真空系统冷阱、 深低温冰箱、 冷冻干燥机和低温冷冻手术刀等 6 。因此， 可 考虑采用市场上的节流制冷机作为试验装置的制冷系统。 ( 2 ) 从保温箱的制作来看， 该设备的主要作用即是将 箱内环境温度维持在要求范围内， 因此， 保温箱的设计过程 中采取合适 的保温措施至关重要。最常用的保温措施 两 种： 对箱体采用双夹层 ， 并对夹层抽真空 ， 以达到冷却剂 消耗量少 、 保温效果好的目的； 用绝热材料( 如： 聚氨酯泡 沫塑料、 硬质泡沫等) 做绝热层以达保温效果 ， 所用绝热材 料要具有很小的热导热率、 吸水性小、 性能稳定、 便于成型 加工的特点， 同时必须具有一定的耐低温性能， 对多用型保 温箱还要考虑材料的耐高温性能 J 。 上述两种保温措施各有优缺点， 其中， 真空绝热型深冷 隔热材绝热性能好， 但它需要高真空来维持其 良好的绝热 性能， 故成本高 ； 而实体型深冷隔热材绝热性能不如真空绝 热材好， 但材料价廉。 鉴于低温试验的特殊性， 试验过程中， 有些低温箱的壳 体内壁与冷却介质蒸汽直接接触， 大部分的零件都浸入冷 却介质中， 低温箱壳体易腐蚀 ； 另一些低温箱的壳体的内壁 虽不与冷却介质蒸汽直接接触， 但要处于超低温环境下。 因此， 在选取低温箱壳体材料时应着重考虑材料的低温强 度， 即材料在低于室温环境下的形变和断裂抗力， 以及材料 的抗腐蚀能力。 不锈钢耐腐蚀性好， 能耐硝酸、 碱等介质的腐蚀 ， 并有 良好的常温及低温韧性及冷加工、 焊接等功能。同时， 不锈 钢的刚性好、 不宜变形， 冲击强度高， 故设计中一般选不锈 钢作为低温箱的内壁。对一些有特殊性能要求的其它零件 则选用合金钢( 如 4 0 C r ) 或碳钢 ， 对其采用不同的处理后再 进行表面防腐处理 J 。 考虑到将试件在保温箱内进行各种力学性能的测试可 减少试验过程中的温度损失 ， 使所测数据更加准确可靠 ， 故 在进行保温箱设计时可考虑在箱体上预留加压口及承压底 座。如上所述 ， 一般箱体设计 中间为绝热层、 两侧为薄钢 板， 此形式无法承受大荷载。要保证底座可承压且尽量满 足保温要求 ， 比较合理的方法是 ： 仍采取整体式箱体 ， 但在 低温箱底部开一方形或圆形孔 ， 用来放置特制的承压底座 承担荷载。采用这种箱体结构， 不仅保证了箱体的整体性 ， 最大限度地减少了漏热 ， 根据试验需要还可更换承压底座。 而且， 为方便试验过程中对试验现象的观察， 可在保温箱侧 门内侧再设一玻璃 门， 在加载过程中可通过玻璃 门观察具 体现象 J o ( 3 ) 在制冷系统及保温箱都设计好后 ， 就要考虑如何 使二者较好的协同工作。 以液氮作为制冷工质为例： 对于 自行设计的制冷系统 ， 液氮导入低温箱的方式通 常有两种 ： 机械泵抽取液氮和用正压氮气将液氮压人。为了 较好的达到整体降温的效果， 通常采用在保温箱箱体内布 设蛇形换热器的方法。将蛇形紫铜管绕在 内箱体上 ， 用于 液氮和内箱体进行热交换： 试验箱制冷时， 液氮在蛇形管内 总是产生两相流动 ， 当液氮最初进入铜管时 ， 喷到热的罐壁 上， 便急速沸腾， 产生强烈的压力震荡， 然后冷蒸汽继续流 动使铜管得到冷却 ， 由于铜管与内箱体采用锡焊， 具有 良好 的传热性 ， 使内箱体也迅速被冷却。在设计过程中， 为充分 利用液氮冷量 ， 必须合理选择蛇管直径和长度， 如若管径较 小、 管较长时， 流动阻力增加， 影响降温时间和制冷量 。 ( 4 ) 试验过程中的恒温控制。试验过程 中还需考虑 如何控制降温速率及如何维持恒温的问题 ， 可采取的措施 通常有： 采用温度补偿的方法： 在保温箱 内安装加热装 置 ， 用受控的加热平衡多余的制冷量， 用这种方法一般能够 满意的使保温箱达到规定的温度要求。不难看出， 此方法 是以增加能耗为代价的， 但此方法对于加快 回温速率是很 有效的； 通过调节产生气态氮气的压力大小来控制输出 液氮量 ， 或通过手动调节液氮的释放速度来达到控温的 目 的 。图 2所示为我们试验过程中用的降温及保温设备。