胡瀟寅 康張宜 張皓羽 虞躍凌 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

0 引言

硫化物環(huán)境下的應(yīng)力腐蝕開裂試驗是研究現(xiàn)有材料性能和開發(fā)新型材料的重要方法。根據(jù)GB/T 4157-2006 《金屬在硫化氫環(huán)境中抗特殊形式環(huán)境開裂實驗室試驗》[1]以及美國防腐工程師協(xié)會NACE（National Association of Corrosion Engineers）制定的TM0177-2005《Laboratory Testing of Metals for Resistance to Sulfide Stress Cracking and Stress Corrosion Cracking in H2S Environments》[2]，應(yīng)力腐蝕開裂試驗方法分為兩類，其中，采用應(yīng)力環(huán)加載的持久載荷試驗方法（如圖1所示），因設(shè)備體積小、成本低、操作簡單、易于實現(xiàn)批量試驗而被廣泛采用。應(yīng)力環(huán)由彈性材料制成，通過自身的壓縮變形產(chǎn)生的反作用力，實現(xiàn)對應(yīng)力環(huán)的加載，每個應(yīng)力環(huán)的壓縮變形量與施加的力有著一一對應(yīng)的關(guān)系。在經(jīng)過長期大負荷的反復使用后，應(yīng)力環(huán)會出現(xiàn)由于材料疲勞導致的位移-載荷曲線偏移，最大偏移量可超過10%[3-4]，因而每年都需重新校準。

圖1 采用應(yīng)力環(huán)加載的應(yīng)力腐蝕開裂試驗

傳統(tǒng)的應(yīng)力環(huán)校準裝置如圖2所示。用螺母對應(yīng)力環(huán)加載，通過力傳感器得到力值載荷，用游標卡尺測量變形。這種校準方法工作效率低，且人工測量的變形數(shù)據(jù)誤差較大，重復性也不夠理想，無法滿足客戶的要求。國內(nèi)有研究人員對應(yīng)力環(huán)校準中涉及的加載、變形測量等問題進行了研究[5-7]，在原有基礎(chǔ)上做了一定的改進，但裝置結(jié)構(gòu)較為復雜，使用不便，測量準確度和工作效率無法令人滿意。為了實現(xiàn)應(yīng)力環(huán)的現(xiàn)場快速、準確校準，研制了一種便攜式應(yīng)力環(huán)校準裝置（以下簡稱校準裝置）。校準裝置由載荷加載裝置和變形測量系統(tǒng)兩部分組成，通過了第三方溯源，驗證了測量準確度。

圖2 傳統(tǒng)應(yīng)力環(huán)校準裝置

1 載荷加載裝置

載荷加載裝置如圖3所示，由伺服電動機驅(qū)動，經(jīng)由行星減速機帶動主動輪轉(zhuǎn)動。主動輪通過皮帶使從動輪轉(zhuǎn)動，從動輪帶動絲桿上下運動。絲桿下端安裝力傳感器，力傳感器下安裝壓盤。被測應(yīng)力環(huán)安放在上承壓盤和下承壓盤之間，試驗過程中絲桿的上下移動實現(xiàn)對應(yīng)力環(huán)的加載。力傳感器、伺服電機與電器控制箱相連。

圖3 載荷加載裝置

載荷加載裝置上下橫梁的材料皆為航空硬鋁2A12。2A12是一種高強度硬鋁，可進行熱處理強化，在淬火和冷作硬化后可切削性能較好，陽極氧化處理與涂漆方法處理后具有很好的抗腐蝕能力。載荷加載裝置立柱、絲桿采用低合金結(jié)構(gòu)鋼，這種材料在經(jīng)過熱處理后具有較高的抗拉強度、屈強比、韌性和疲勞強度。載荷加載裝置的其余部件均使用碳素結(jié)構(gòu)鋼制成。在保證強度、試驗空間的前提下減輕了載荷加載裝置的質(zhì)量。載荷加載裝置性能參數(shù)如表1所示。

表1 載荷加載裝置性能參數(shù)

為了驗證載荷加載裝置的測量準確度，將其送至第三方有資質(zhì)的檢測機構(gòu)，依據(jù)JJG 144-2007《標準測力儀》檢定規(guī)程，采用一臺0.01級，測量范圍為0.5～50 kN的靜重式力標準機進行校準，結(jié)果表明，載荷加載裝置最大測量誤差為-0.04%。

2 變形測量系統(tǒng)

應(yīng)力環(huán)的最大變形小于3 mm，為了滿足測量要求，基于數(shù)字圖像處理技術(shù)設(shè)計了一套變形測量系統(tǒng)，主要由CCD相機和相應(yīng)的標定板組成，其工作原理如圖4所示。將應(yīng)力環(huán)放置在載荷加載裝置的上承壓盤和下承壓盤中間，標定板粘貼在上承壓盤上。CCD相機固定在三腳架上并對準標定板。調(diào)整三腳架上的微調(diào)部件，使上承壓盤上標定板的特征標記能夠清晰顯示在CCD相機顯示畫面的中間位置。校準時，標定板隨著應(yīng)力環(huán)受壓變形產(chǎn)生位移，通過測量CCD相機中特征標記位置的變化，得到應(yīng)力環(huán)的變形大小。

圖4 變形測量原理

為了驗證所搭建的變形測量系統(tǒng)（圖5）的測量準確度，用變形測量系統(tǒng)和一臺激光干涉儀（性能參數(shù)如表2所示）同時對一個應(yīng)力環(huán)進行校準，并對比變形數(shù)據(jù)與激光干涉儀測量數(shù)據(jù)。由程序控制對應(yīng)力環(huán)的加載，每次加載5 kN，總共加載6次，總變形量為2.53 mm。每次加載后的保載時間為20 s，待變形數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄，并以激光干涉儀測量結(jié)果為標準值計算測量誤差，測量結(jié)果如表3所示。

表2 激光干涉儀性能參數(shù)

表3 測量結(jié)果

圖5 變形測量系統(tǒng)

由測量結(jié)果可以得出，所設(shè)計的變形測量系統(tǒng)的最大誤差為-0.002 mm。

3 不確定度分析

3.1 力值測量結(jié)果的不確定度分析

力值測量不確定度評定的測量模型：

式中：y—— 加載裝置的力值測量結(jié)果；

x—— 靜重式力標準機施加的標準載荷；

Δx1—— 靜重式力標準機引入的誤差；

Δx2—— 測量的重復性誤差；

Δx3—— 放置位置不均衡引入的誤差

1）靜重式力標準機的標準不確定度u1

力標準機的準確度等級為0.01級，使用B類方法進行評定，服從均勻分布。因此可得：

2）重復測量引入的標準不確定度u2

通過對10 kN、20 kN、30 kN各重復測量10次，得到標準偏差，如表4所示。

表4 重復性測量結(jié)果

因此，u2=s= 0.022%；

3）放置位置不均衡引入的標準不確定度u3

已知由位置放置不均衡引入的誤差為±0.01%，半寬為0.01%。使用B類方法進行評定，服從均勻分布。因此可得：

4）合成標準不確定度評定

5）擴展標準不確定度評定

取包含因子k=2，校準裝置力值示值誤差的相對擴展不確定度Urel：

Urel=kuc= 2×0.015% = 0.03%

3.2 變形測量結(jié)果的不確定度分析

變形測量結(jié)果不確定度評定的測量模型：

式中：L—— 變形測量結(jié)果；

l—— 測量時施加的標準變形量；

Δl1—— 測量的重復性誤差；

Δl2—— 相機分辨力引入的誤差

1）重復測量引入的標準不確定度u1

通過對1 mm、2 mm、3 mm變形量各重復測量10次，得到標準偏差如表5所示。

表5 重復性測量結(jié)果

因此，u1=s= 0.000 7 mm；

2）相機分辨力引入的標準不確定度u2

相機分辨力引入的絕對誤差為±0.000 5 mm，所引入的標準不確定度u2采用B類方法進行評定。

3）合成標準不確定度評定

4）擴展標準不確定度評定

取包含因子k= 2，校準裝置變形示值的擴展不確定度Urel

4 結(jié)語

本文根據(jù)應(yīng)力環(huán)的校準要求，研制了一臺便攜式應(yīng)力環(huán)校準裝置。其中，30 kN載荷力自動控制載荷加載裝置，外形尺寸為300 mm×430 mm×800 mm，質(zhì)量為48 kg，體積小、質(zhì)量輕、可以隨車攜帶，力值最大測量誤差為-0.04%。另外，基于圖像處理技術(shù)的變形測量系統(tǒng)，最大測量誤差為-0.002 mm。