[发明专利]一种风沙环境下工程材料受侵蚀实验与损伤评价方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种工程材料实验方法和损伤评价方法，具体为一种风沙环境下工程材料受侵蚀实验与损伤评价方法。

背景技术

我国是世界上沙漠面积较大、分布较广、沙漠化危害严重的国家之一，全国沙化总面积已逾174万平方千米，占全国土地面积近20%。风沙侵蚀成为我国北方地区的主要环境灾害之一，严重影响沙漠地区的输电塔、通信塔等钢结构，高速公路，高架桥梁，厂房和房屋等基础设施的安全使用。风沙对工程材料的侵蚀作用表现为：在运动气流携带作用下，沙粒脱离地表并随气流快速移动，对该区域内基础设施所产生的剪切力和冲击力引起材料表面划痕甚至大面积剥落分离。在实际工程当中，有些钢结构、桥梁、路面等基础设施在风沙侵蚀作用下已经出现麻面、表层脱落等破坏现象，使构件的耐久性和安全性降低、服役能力下降、服役寿命缩短。但由于其复杂性，完全模拟实际工况下的冲蚀磨损破坏十分困难，并且由于影响因素多，试验周期长，以及试验方法不统一等特点，致使风沙侵蚀磨损规律及其机理的研究还不够深入。为了提高该地区基础设施用材的耐久性，探究多因素作用下材料冲蚀磨损规律，模拟与实际工况服役状态基本一致、参数易于调节的试验条件，本发明分析了特殊区域下沙漠环境的气候特点，总结出一种能够有效模拟风沙环境下工程材料受侵蚀实验与损伤评价的研究方法。该研究方法能够分析其在不同环境参数（冲蚀角度、冲蚀速度、下沙率和冲蚀时间）下的冲蚀磨损特征，并通过冲蚀磨损部位微观形貌观测，分析材料冲蚀损伤病害和灾变机理，研究风沙侵蚀磨损规律与损伤程度的评价方法。研究成果可为风沙环境下基础设施的防护技术和耐久性评价提供理论依据。

目前关于材料冲蚀的研究主要集中在液固两相流方面，多是工程材料和机械易损材料的冲蚀磨损。具有一定的技术特点和代表性，但此方法仅能够研究液体单相流或液固两相流方面的冲蚀过程，并不能有效模拟风沙环境下气固两相流的冲蚀磨损行为，具有一定的局限性。

发明内容

为了解决以上的技术问题，本发明提供一种可以工程材料的损伤实验方法和评价方法，以下是具体技术方案：

一种风沙环境下工程材料受侵蚀实验，包括实验系统和用于操作该实验系统的方法，其中实验系统包括风沙环境模拟系统和冲蚀室，其中风沙环境模拟系统用于模拟风沙环境，冲蚀室用于固定实验试件。

进一步的，风沙环境模拟系统包括空气压缩机，其中空气压缩机与喷沙枪相连接，喷沙枪与沙箱相连接并将枪内的风沙射向冲蚀室中的试件，其中空气压缩机与喷沙枪之间设置有气流控制阀，喷沙枪与沙箱之间设置有沙量控制阀；试件上设置有风速仪，试件下方设置有回收箱。

其中，实验方法包括以下步骤：

（1）调整风沙的冲蚀角度及沙枪枪口到试件表面的距离，并使沙枪枪口正对试件表面中心；

（2）启动空气压缩机产生高压气流通过导管、油水分离器与沙枪相连接，并用风速仪测定风沙流到达受冲蚀表面时的瞬时速度；

（3）将沙粒过筛，设置不同沙漏的孔径，通过流量控制阀控制下沙率；

（4）打开喷沙枪开关，高速运动的气流致使枪管内部气压明显小于外部大气压，沙粒通过重力作用，途径漏斗进入沙管，在强大的气压差推动下，进入沙枪管由气流挟带沙粒子进入冲蚀室；

（5）通过秒表控制冲蚀时间，并记录时间。

进一步的，步骤（1）中的冲蚀角度的调整为调整试件与喷沙枪的角度，其中角度的调整范围为0°~90°。

一种基于风沙环境实验系统下的工程材料损伤评价方法，包括失重量评级方法和失重率评价方法，其中失重量为磨损试验前后试件的质量之差，即：

，其中m₁、m₂分别为冲蚀前、后试件质量，单位g；

失重率为磨损实验前后试件质量之差与该段时间用沙总质量之比，即：

，其中α为冲蚀率，无量纲；m₁、m₂分别为冲蚀前、后试件质量，单位g；m_s为下沙率，单位g/min；t为冲蚀时间，单位min。

进一步的，失重量评价方法为设置不同时间段进行侵蚀实验，并的到不同时间内的失重量，并以时间和失重量为条件得到失重量随时间增长曲线，并通过时间增长曲线的斜率确定材料受风沙侵蚀对破落分离的难易程度。

进一步的，失重率评价方法为通过失重率的大小来判定工程材料的抗冲蚀能力，失重率越大，单位质量沙粒的冲蚀磨损效率越高，则材料的抗冲蚀能力越小。

进一步的，增长曲线斜率越大，则材料受风沙冲蚀易破落分离，即材料的抗冲蚀能力越小。