酸性盐腐蚀球墨铸铁管连接件抗弯性能试验.pdf

为了探究酸性氯盐腐蚀条件下的法兰连接球墨铸铁管受弯性能的变化规律，采用酸性 溶液对法兰连接球墨铸铁管通过干湿交替处理后进行受弯试验，对腐蚀试件的极限承载力、屈服弯矩和极限弯矩、应变等方面与标准件进行对比分析 结果表明：干湿循环腐蚀后，球墨铸铁管连接件极限弯矩与屈服弯矩的比值随着干湿循环次数的增多而变小，约在 之间；经 次的干湿循环腐蚀，球墨铸铁法兰管连接件的极限承载力下降了 经酸性氯盐干湿循环处理后的球墨铸铁管更容易在法兰盘与管体的连接处发生脆性破坏关键词：酸性氯盐；球墨铸铁管法兰连接；腐蚀；干湿交替；受弯；承载能力；屈服弯矩；应变中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，）：，：；土壤腐蚀已成为影响管道运输安全的重要因素 ，地下管线的土壤腐蚀主要受土壤中的化学成分、含水量两个因素的影响 在高盐度的干湿交替土壤中，地下管线中的金属构件所受腐蚀更为强烈 球墨铸铁管具有铁的本质、钢的性能，往往是供水管道的首选 ，因其管体本身通常会做防腐蚀处理，较少损坏，最常见的损坏部分是管道之间的连接部分 ，尤其是在含氯盐的土壤环境中，球墨铸铁管的连接部分更容易受到腐蚀 国内外学者对地下管线领域进行了大量的试验研究，提出了外部腐蚀条件下的管道屈曲承载力计算公式，证实了腐蚀深度是影响管道屈曲承载力的最主要因素；等 提出了一种计算埋地铸铁管外表面腐蚀和裂纹应力强度因子的方法 我国对该方面的研究起步相对较晚，但也取得了一些重要成果 龚顺风等 利用有限元软件 模拟了外压作用下完好无损管道和腐蚀缺陷管道的准静态屈曲失稳过程，得到了钢管的压力 直径变化曲线和变形形态；蒋诚航 通过管道弯曲试验研究了埋地管道的应力分布特征 上述国内外研究主要针对管体本身，对管道连接处研究较少本文主要针对酸性氯盐腐蚀条件下，双法兰连接球墨铸铁短管的受弯性能进行试验研究 采用 为、质量分数为 的 溶液对试件进行干湿循环腐蚀处理，干湿交替时间比为 ，循环 、次后，使用 液压千斤顶进行弯曲试验，对其极限承载力、屈服强度、抗弯刚度和应变进行了对比分析，该结果对地下管道酸性腐蚀研究提供了一定的参考依据 试验设计 试件设计试验过程中所有试样均采用工程中常用的球墨铸铁管，连接螺栓为普通 级 螺栓 试件由两根单管体长 的球墨铸铁管通过法兰连接组成，管体壁厚 ，外径为 ，试 件尺寸如图 所示（单位：）法兰盘厚 ，外径为 ，内径为 ，尺寸如图 所示（单位：）图 管件尺寸图 试验方法本文试验方法如下所示：）使用蒸馏水制备质量分数为 的 溶液，在 环境下用 试纸测量溶液 值，并通过添加稀盐酸将溶液 值调整为 图 法兰尺寸图 ）将试件先浸泡在 溶液中，到达规定时间后，取出试样并将其悬挂在溶液上方，直至一个循环结束，每个循环为 ，其中浸泡时间为 ，悬空时间为 将所有试件分为 组，每组 个试件，其中 组作为标准试件，不经过干湿循环处理，其他 组试件分别进行 、次连续循环处理，试件分组如表 所示表 球墨铸铁管试件分组 试件编号 溶液质量分数 值循环次数 ）试件干湿循环处理结束后，使用稀硝酸清除试件上的腐蚀产物，最后使用清水清洗试件并吹干 加载装置试验采用三等分两点加载 所使用的测试装置有 拉力千斤顶、竖向反力架、承重车床和数据采集器，加载装置如图 所示图 加载装置 沈阳工业大学学报第 卷 测点布置本次试验共布置了 个应变片，个垂直位移 计 其中 个应变片位于法兰盘上，应变片 具体位置分布如图 所示 个应变片位于管体上，应变片 、位于管体根部与法兰连接位置，应变片 、位于距法兰盘 的管体上 个位移计分别位于试件两端以及中间法兰连接处，如图 所示（单位：）图 法兰测点分布图 图 管身测点分布图 加载方案所有试件均分为两个阶段进行加载：）预加载，以 的速率将荷载持续增加至 ，保持加载 后，匀速将荷载卸载归零，并记录初始值 ）正式加载，以 的速率均匀加载，每级荷载增量为 ，保持 稳定后，采集试件测点处的位移值，并加载下一阶段，直到试样损坏，之后匀速卸载归零 试验现象及破坏模态加载初期，标准试件与其他几组试件变形基本相同，均发生弯曲变形，其主要变形来自法兰接口处的橡胶垫圈被挤压变形随着荷载的增加，标准试件由于螺栓中螺帽的滑丝发出清脆的啪啪声，法兰盘上端出现明显的挤压变形；其他 组经过干湿循环处理的试件并未发出类似标准试件的啪啪声，这是由于法兰盘上的螺栓锈蚀，不易发生滑丝，法兰盘下端的螺帽陷入法兰之中为了得到试件的极限承载力，继续加载，标准试件发生了与其他 组试件不同形式的破坏，如图 所示 标准试件 由于法兰盘下端螺帽崩开导致试件破坏，此时试件管体呈向下弯曲变形，双法兰盘下端完全分离 试件 、由于受酸性盐腐蚀，管壁变薄，与法兰盘连接处的管体下端出现断裂，试件发生破坏，此时试件管体呈向下弯曲变形，双法兰盘下端出现缝隙 试验结果分析 弯矩分析跨中弯矩计算公式为（）式中：为跨中弯矩；为施加荷载；为试件长度 根据式（）可以计算得到 组试件的跨中弯矩 位移曲线，如图 所示选取试件的屈服弯矩和极限弯矩的原则是：根据试件的弯矩 位移曲线，如果有明显的拐点则为屈服弯矩；如果没有拐点，则采用双切线法确定 对于极限荷载，统一选择试验期间可加载的最大荷载值 试件的屈服弯矩和极限弯矩如表 所示 由表可以看出，干湿循环腐蚀后，球墨铸铁管连接件的极限弯矩与屈服弯矩的比值随着干湿循环次数的增多而变小，约在 之间 这是由于随着干湿循环次数的增加，腐蚀程度加深，管壁变薄加上螺栓的锈死使得极限弯矩比屈服弯矩下降较快 承载力及抗弯刚度分析图 为 组试件的极限承载力图 图 显示了随着干湿循环次数的增加试件极限承载能力的变化情况，可以看出标准试件的极限承载能力不是最大的，这是因为标准试件法兰盘下端螺帽崩开发生破坏，其他 组试件破坏发生在与法兰连接处的管体上 当试件受干湿循环腐蚀后，随着干湿循环次数的增加，极限承载力呈逐渐下降的趋势，干湿循环 次期间，试件的极限承载第 期张延年，等：酸性盐腐蚀球墨铸铁管连接件抗弯性能试验图 试验现象 图 试件跨中弯矩 位移曲线 表 屈服弯矩和极限弯矩 试件编号屈服弯矩（）极限弯矩（）极限弯矩屈服弯矩 能力下降了 ；干湿循环 次期间，试件的极限承载能力下降了 ；干湿循环 次期间，试件的极限承载能力下降了 ，说明随着干湿循环次数的增加，腐蚀程度加深，球墨铸铁管连接件的极限承载能力下降速度呈现出先增加后减小的趋势，在干湿循环 次期间，其极限承载能力下降最多图 极限承载力变化曲线 图 为抗弯刚度变化曲线 由图 可知，标准试件的抗弯刚度高于经过干湿循环腐蚀的试件，随着干湿循环次数的增加，试件的抗弯刚度逐渐减小 腐蚀程度的加深会使球墨铸铁管受力时变形增大图 抗弯刚度变化曲线 沈阳工业大学学报第 卷 法兰盘应变分析图 为法兰盘上的应变分布 从单个试件的法兰盘应变分布图可以看出，由于载荷的增加，法兰上的应变发生了显著变化 法兰底部受拉一侧的应变片 、的应变明显大于其他应变片，而法兰顶部受压一侧的应变片 、的应变小于其他应变片 法兰上螺栓孔中心线上的应变小于靠近管体一侧的应变，即应变随半径的减小而增大，这是由于法兰和管体连接处存在应力集中，导致靠近法兰和管体连接处的应变较大通过对比 组试件的法兰盘应变分布图可以看出，标准试件法兰盘的应变要小于经过干湿循环腐蚀试件法兰盘的应变 随着干湿循环次数的增加，法兰盘上的应变呈增大趋势，说明随着干湿循环次数的增加，试件的法兰更加容易受力变形由图 可知，标准试件破坏时的应变要小于其他组试件破坏时的应变，这是因为标准试件由于法兰盘螺帽崩开使其过早发生破坏 管体应变分析图 为管体上的应变分布 从单个试件的管体应变分布图可以看出，由于载荷的增加，管体上的应变发生了显著变化，进入屈服阶段后应变变化速率明显加快 管体下部受拉应变片 、和管体上部受压应变片 、的应变明显大于应变片 、其中，靠近法兰盘处的应变小于距法兰盘较远处的应变，与法兰盘上的应变相比，管体上的应变远大于法兰盘上的应变，说明管体的变形远大于法兰盘的变形通过对比 组试件的管体应变分布图可以看出，标准试件管体的应变小于其他 组试件的应变，且随着干湿循环次数的增加，管体的应变呈增大的趋势，说明经酸性盐腐蚀后的球墨铸铁管更容易受弯变形 由图 可知，随着干湿循环次数的增加，管体发生破坏时的应变越来越小，说明随着腐蚀程度的加深，球墨铸铁管管体更加容易发生脆性破坏 氯盐腐蚀对连接件承载能力的影响参考赵俭斌等 针对中性盐侵蚀对球墨铸铁管法兰连接抗弯影响研究和谷伟等 关于碱性盐侵蚀球墨铸铁双法兰连接受弯性能试验，得出了球墨铸铁管连接件使用不同 值氯盐溶液干湿循环腐蚀后的极限承载能力变化曲线，如图 所示图 法兰盘应变分布图 第 期张延年，等：酸性盐腐蚀球墨铸铁管连接件抗弯性能试验图 管体应变分布图 图 不同 值影响下极限承载力曲线图 由图 可知，经过 种溶液干湿循环腐蚀后的试件，随着干湿循环次数的增加，极限承载能力均逐渐减小 酸性氯盐腐蚀对试件的承载能力影响最大，在干湿循环 次期间，其极限承载力下降了 ；中性氯盐腐蚀对试件的承载能力影响最小，在干湿循环 次期间，其极限承载力下降了 ；碱性氯盐腐蚀对试件的承载能力影响小于酸性氯盐，在干湿循环 次期间，其极限承载力下降了 受酸性或碱性氯盐腐蚀的球墨铸铁管道连接件，随着腐蚀程度的加深，其极限承载力下降速度要远快于受中性氯盐腐蚀后的球墨铸铁管道连接件 故在酸性或碱性较强的土壤中使用球墨铸铁管道时，要加强对管道连接处的防腐蚀处理经上述分析可知，酸性氯盐腐蚀后的球墨铸铁管更容易在法兰盘与管体的连接处发生脆性破坏，对此，本文给出以下几点预防措施：）对法兰盘与管体的连接处采用无机富锌涂料等防锈材料进行涂镀层防锈蚀处理；）在法兰盘与管体的连接处进行加肋补强处理；）在法兰盘与管体的连接处采用外衬软管法，形成“管中有管”的防腐措施 结论本文通过分析得出以下结论：）经酸性氯盐干湿循环处理后的球墨铸铁管，最容易发生破坏的部位为法兰盘与管体的连接处，随着干湿循环腐蚀次数的增加，试件的弯曲挠度越来越大，弹性阶段也随之缩短，而且往往更容易发生脆性破坏）随着干湿循环次数的增加，试件腐蚀程度加深，球墨铸铁管连接件的极限弯矩与屈服弯矩之比约在 之间，整体呈下降趋势沈阳工业大学学报第 卷）随着干湿循环次数的增加，腐蚀程度加深，球墨铸铁管的极限承载力呈逐渐下降的趋势，经 次酸性氯盐干湿循环腐蚀后，球墨铸铁法兰管连接件的极限承载力下降了 随着干湿循环次数的增加，试件的抗弯刚度逐渐减小，腐蚀程度加深会使球墨铸铁管受力时变形增大）球墨铸铁管法兰盘螺栓周围的应变较大，对于不同半径处的应变，其半径越小，应变越大；对于纯弯曲段管体，越靠近法兰连接处应变越大，因此，法兰与管体连接部位受腐蚀后更加容易损坏，验证了在球墨铸铁管道使用过程中最常见的损坏部分是管道之间的连接部分的结论）受酸性或碱性氯盐腐蚀的球墨铸铁管道连接件，随着腐蚀程度的加深，其极限承载力下降速度要远快于受中性氯盐腐蚀后的球墨铸铁管道连接件参考文献（）：，：，（），（）：，：徐鲁帅，凌晓，马娟娟，等 基于 模型的含腐蚀缺陷管道失效压力预测 中国安全生产科学技术，（）：（，（）：）李相宜，赵蓓，游晓旭，等 供水管道管材的特性及应用综述 净水技术，（）：（，（）：）韩阳，李冠潮，李东桥，等 管道承插式柔性接口轴向力学性能试验研究 地震工程与工程振动，（）：（，（）：）樊成，王家祥，宋志刚 管约束钢骨混凝土构件受弯非线性分析 沈阳工业大学学报，（）：（，（）：）郭浩，田一梅，裴云生，等 氯离子对球墨铸铁管土壤腐蚀影响机理研究 材料导报，（）：（，（）：）邓霄，白天阳，崔宇翔，等 含腐蚀缺陷管道剩余寿命预测方法评述 油气与新能源，（）：（，（）：），（）：，：龚顺风，徐勤贵，周家伟，等 外压作用下深海腐蚀缺陷管道的屈曲失稳机理 浙江大学学报（工学版），（）：（，（），（）：）蒋诚航 含未焊透缺陷工业压力管道的极限承载能力研究 杭州：浙江大学，（：，）赵俭斌，王启，张延年，等 中性盐侵蚀对球墨铸铁管法兰连接抗弯影响 沈阳建筑大学学报（自然科学版），（）：（，（），（）：）谷伟，张延年，公彦法 碱性盐侵蚀球墨铸铁双法兰连接受弯性能试验 工业建筑，（）：（，（）：）（责任编辑：钟媛英文审校：尹淑英）第 期张延年，等：酸性盐腐蚀球墨铸铁管连接件抗弯性能试验