楊靜，李慧，趙可淪，李瑩

（廣州廣電計(jì)量檢測(cè)股份有限公司，廣州 510656）

概述

艦船用撓性管服役過(guò)程中長(zhǎng)期處于外部海水浸泡與內(nèi)部高壓介質(zhì)環(huán)境[1,2]，通過(guò)試驗(yàn)室加速模擬方法，掌握撓性管性能退化規(guī)律，對(duì)提高撓性管耐環(huán)境應(yīng)力性能與使用壽命有重要意義。由于撓性管功能結(jié)構(gòu)的差異較大、使用環(huán)境也大相徑庭，行業(yè)內(nèi)目前沒(méi)有艦船用撓性管通用性的測(cè)試方法可以借鑒，因此對(duì)撓性管服役環(huán)境進(jìn)行綜合研究并進(jìn)行可靠性壽命分析十分有必要。

本文擬通過(guò)開(kāi)展撓性管的性能測(cè)試與綜合環(huán)境應(yīng)力研究，設(shè)計(jì)服役可靠性試驗(yàn)[3]。通過(guò)試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)分析，探究并確定撓性管在實(shí)際使用環(huán)境下性能達(dá)到規(guī)定臨界值的時(shí)間，進(jìn)行服役可靠性評(píng)價(jià)，為提高裝備可靠性和安全性提供理論依據(jù)。

1 理論分析

本文的總體技術(shù)思路如圖1所示，結(jié)合使用環(huán)境調(diào)研已有檢修數(shù)據(jù)與故障行為，基于失效分析的先進(jìn)材料表征技術(shù)確定其故障/失效的微觀機(jī)理，從而判斷影響其壽命試驗(yàn)的環(huán)境應(yīng)力并開(kāi)展使用壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)[4]；通過(guò)開(kāi)展綜合應(yīng)力的加速壽命試驗(yàn)，對(duì)撓性管的退化進(jìn)行初步判定，從而擬定壽命方程，并與實(shí)際數(shù)據(jù)對(duì)比進(jìn)行壽命方程的修訂；基于上述結(jié)論，進(jìn)行服役可靠性評(píng)價(jià)[5]。具體步驟為：

圖1 服役可靠性評(píng)估總體技術(shù)路線

1）對(duì)撓性管進(jìn)行調(diào)研，包括：使用環(huán)境（溫濕度、振動(dòng)、工作時(shí)間、壓力、介質(zhì)）、裝配關(guān)系、檢修數(shù)據(jù)與故障行為等；

2）對(duì)撓性管的結(jié)構(gòu)材質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)分析，確定撓性管的敏感應(yīng)力為熱應(yīng)力；根據(jù)TGA分析測(cè)試結(jié)果，選擇合適的溫度條件；

3）結(jié)合撓性管使用工況，搭建相同的試驗(yàn)環(huán)境，對(duì)撓性管實(shí)施加速壽命試驗(yàn)；

4）選擇合適的工裝夾具，保證連接部位的穩(wěn)定性，測(cè)試間隔按照實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。試驗(yàn)后應(yīng)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，對(duì)撓性管服役可靠性進(jìn)行評(píng)估。

2 試驗(yàn)過(guò)程

本文基于橡膠材料的物理性能退化規(guī)律研究，采用“定時(shí)截尾”的方法，保守設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)間和應(yīng)力值。在綜合應(yīng)力老化試驗(yàn)過(guò)程中估算撓性管在指定壽命期性能退化的基礎(chǔ)上，通過(guò)撓性管的平衡性試驗(yàn)、靜剛度試驗(yàn)判定其退化程度。樣品信息如表1所示。

表1 樣品信息

2.1 TGA分析

根據(jù)TGA熱重分析儀確認(rèn)橡膠材料的熱分解溫度和300 ℃前揮發(fā)物的含量，以確定試樣不發(fā)生化學(xué)分解可耐受的最高溫度，依據(jù)GB/T 33047.2-2014設(shè)計(jì)熱重試驗(yàn)，計(jì)算出橡膠件的活化能Ea（25 ℃）[6]；根據(jù)計(jì)算出的活化能Ea（25 ℃）和溫度與活化能的關(guān)系：E=Ea+RT/2，計(jì)算出相應(yīng)溫度下橡膠件的活化能E；通過(guò)阿累尼烏茲方程推算試驗(yàn)溫度相對(duì)于使用溫度的加速因子K。按最高溫度進(jìn)行1天熱重試驗(yàn)，撓性管材料壓縮永久變形率指標(biāo)下降率應(yīng)不大于20 %，若超出20 %則調(diào)整溫度重新開(kāi)始預(yù)試驗(yàn)。

采用三個(gè)加熱速率（2 K/min、5 K/min、10 K/min）來(lái)運(yùn)行程序，使用相同質(zhì)量的試樣（±1 %）。為了提高測(cè)試的準(zhǔn)確性，在測(cè)試樣品相同的氣氛、氣體流量、加熱速率的測(cè)試條件運(yùn)行下，記錄空坩堝的質(zhì)量。如果在此運(yùn)行中，坩堝質(zhì)量發(fā)生改變（通常歸因于浮力），樣品升溫獲得的曲線扣除空坩堝升溫獲得的曲線，就能得到一個(gè)對(duì)樣品的修正熱重曲線。所有加熱速率都應(yīng)重復(fù)此步驟。在測(cè)試中為了防止樣品氧化使用氮?dú)猓兌取?9.95 %）做保護(hù)氣。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由圖2可知，撓性管在（50～750）℃范圍內(nèi)以2 K/min、5 K/min、10 K/min的加熱速率下的熱分解過(guò)程分成了三步，在390 ℃前為分解起始階段，這一階段的熱失重曲線是活化能擬合所關(guān)注的區(qū)域。

圖2 TGA測(cè)試結(jié)果

公式（1）給出的近似關(guān)系式是由Ozawa以及后來(lái)的Flynn和Wall推導(dǎo)得出的，用于計(jì)算反應(yīng)活化能Ea。

式中：

Ea和R—活化能及氣體常數(shù)（R=8.314 J·K-1·mol-1）；

β1，β2，β3，… —加熱速率；

T1，T2，T3， … —溫度。

在任一轉(zhuǎn)換速率α1下可得公式（2）：

對(duì)于每一個(gè)轉(zhuǎn)化率α，將加熱速率的對(duì)數(shù)lgβ對(duì)絕對(duì)溫度的倒數(shù)T-1作圖，可以得到一系列直線，而活化能由每條直線的斜率計(jì)算得到（-0.456 7 Ea/R）。

試樣在不同的加熱速率β下進(jìn)行加熱，其質(zhì)量的變化是溫度的函數(shù)。對(duì)于每個(gè)加熱速率確定轉(zhuǎn)化率α（10 %、30 %、50 %、70 %和90 %）對(duì)應(yīng)的溫度T。對(duì)于給定的轉(zhuǎn)化率α，將加熱速率的對(duì)數(shù)lgβ對(duì)于絕對(duì)溫度的倒數(shù)（1/T）作圖，而活化能Ea（25 ℃）由直線的斜率計(jì)算得到。

根據(jù)上文計(jì)算值可以求得撓性管C的活化能Ea=0.8 eV，那么試驗(yàn)溫度90 ℃相對(duì)于使用溫度55 ℃的加速系數(shù)K=23.6。撓性管Z的活化能Ea=0.88 eV，使用溫度為65～80 ℃，取平均值為72.5 ℃。那么試驗(yàn)溫度120 ℃相對(duì)于使用溫度72.5 ℃的加速系數(shù)K=35.98。

2.2 綜合應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)

取9根撓性管進(jìn)行試驗(yàn)，條件如下，試驗(yàn)照片與結(jié)果如圖3～5所示：

圖3 綜合應(yīng)力加速壽命試驗(yàn)

1）撓性管C：內(nèi)部工作壓力0.6 MPa，水蒸氣溫度90 ℃，脈沖頻率0.25 Hz，外部環(huán)境溫度為90 ℃的充壓疲勞試驗(yàn)。

2）撓性管Z：內(nèi)部工作壓力0.6 MPa，水蒸氣溫度120 ℃，脈沖頻率0.25 Hz，外部環(huán)境溫度為120 ℃的充壓疲勞試驗(yàn)。

3）試驗(yàn)中間檢測(cè)：

①靜剛度：試驗(yàn)前現(xiàn)將接管兩端用悶頭密封，然后用試壓泵加壓至額定壓力，在壓力保持不變的情況下，用材料試驗(yàn)機(jī)加載，從零變形做最大變形值（可根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品調(diào)整）進(jìn)行兩次預(yù)加載，變形速度低于8 mm/min，每次預(yù)加載在加載上限保持30 s，每次預(yù)壓后穩(wěn)定1 min，第三次正式加載至最大變形值，記錄對(duì)應(yīng)的加載力。

②平順性：試驗(yàn)前現(xiàn)將接管兩端用悶頭密封，然后用試壓泵加壓至0.2 MPa、0.4 MPa、0.6 MPa，沿圓周方向取四點(diǎn)，分別測(cè)量接管的長(zhǎng)度，取平均值[7]。

3 服役可靠性評(píng)價(jià)

經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)用或試驗(yàn)老化后，撓性管的退化會(huì)首先體現(xiàn)在產(chǎn)品彈性上，撓性管拉伸、壓縮、彎曲、剪切性能劣化。其次，隨著充壓疲勞的機(jī)械應(yīng)力與受熱膨脹量差異導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)應(yīng)力，會(huì)驅(qū)使撓性管連接處產(chǎn)生微裂紋，在長(zhǎng)期應(yīng)力作用下發(fā)展成失效。由上文可知，在綜合應(yīng)力加速老化試驗(yàn)中，撓性管靜剛度有顯著趨勢(shì)性退化，撓性管C性能衰減率最高可達(dá)45.8 %，撓性管Z性能衰減率最高可達(dá)45.06 %；平順性有趨勢(shì)性退化，撓性管C性能衰減率可達(dá)39.33 %，撓性管Z性能衰減率最高可達(dá)25.25 %；按照工程經(jīng)驗(yàn)，退化率在50 %以上則已經(jīng)失去其服役功能。

圖4 靜剛度擬合試驗(yàn)結(jié)果

圖5 平順性擬合試驗(yàn)結(jié)果

圖7 撓性管Z性能退化趨勢(shì)

通過(guò)對(duì)撓性管開(kāi)展加速壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到撓性管可靠性壽命評(píng)估趨勢(shì)如圖6～7所示，參考橡膠材料標(biāo)準(zhǔn)、撓性管功能要求與相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為性能退化至50 %時(shí)撓性管已經(jīng)失效，結(jié)果如下：

圖6 撓性管C性能退化趨勢(shì)

1）撓性管C靜剛度退化趨勢(shì)表示：在加速試驗(yàn)90 ℃條件下，預(yù)計(jì)使用1 388 h失效，根據(jù)加速系數(shù)K=23.6推算實(shí)際使用55 ℃條件下預(yù)計(jì)使用3.74年。按服役與非服役時(shí)間為143∶100的比例計(jì)算，預(yù)計(jì)可使用6.4年；平順性退化趨勢(shì)預(yù)計(jì)可使用4.4年。因此綜合結(jié)論為4.4年。

2）撓性管Z靜剛度退化趨勢(shì)表示：在加速試驗(yàn)120 ℃條件下，預(yù)計(jì)使用1 170 h失效，根據(jù)加速系數(shù)K=35.98推算實(shí)際使用72.5 ℃條件下預(yù)計(jì)使用42 135.6 h失效，即4.81年。按服役與非服役時(shí)間為143∶100的比例計(jì)算，新品預(yù)計(jì)可使用8.17年；平順性退化趨勢(shì)預(yù)計(jì)可使用10.47年。因此綜合結(jié)論為8.17年。

4 結(jié)論

兩款撓性管在綜合應(yīng)力老化試驗(yàn)中，退化趨勢(shì)相似，可靠性壽命分別為4.4年和8.18年。其退化趨勢(shì)與實(shí)際服役結(jié)果相近，因此綜合應(yīng)力老化試驗(yàn)對(duì)于驗(yàn)證同類產(chǎn)品具有一定指導(dǎo)意義。

撓性管失效，會(huì)首先反應(yīng)到靜剛度、平順性等物理性能上，且退化趨勢(shì)明顯，因此建議檢修過(guò)程中的應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注靜剛度與平順性的檢查。如連接結(jié)構(gòu)無(wú)較強(qiáng)干擾則不需將撓性管拆除，建議將平順性檢查加入每周或每月檢查中。

針對(duì)撓性管壽命研究結(jié)果，建議在部件采購(gòu)時(shí)增加對(duì)撓性管的可靠性要求，包括：滿足實(shí)際使用要求和系統(tǒng)可靠性指標(biāo)要求的撓性管MTBF預(yù)計(jì)報(bào)告和試驗(yàn)報(bào)告，型式試驗(yàn)報(bào)告，功能安全評(píng)估報(bào)告等材料。針對(duì)撓性管靜剛度、平順性、額定變形等參數(shù)，以及撓性管對(duì)應(yīng)的常規(guī)檢修、測(cè)試方法，建議采購(gòu)時(shí)要求廠家提供相應(yīng)材料信息。