基于性能退化模型的艦船用撓性管服役可靠性評價

楊靜，李慧，趙可淪，李瑩

（廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣州 510656）

概述

艦船用撓性管服役過程中長期處于外部海水浸泡與內部高壓介質環境[1,2]，通過試驗室加速模擬方法，掌握撓性管性能退化規律，對提高撓性管耐環境應力性能與使用壽命有重要意義。由于撓性管功能結構的差異較大、使用環境也大相徑庭，行業內目前沒有艦船用撓性管通用性的測試方法可以借鑒，因此對撓性管服役環境進行綜合研究并進行可靠性壽命分析十分有必要。

本文擬通過開展撓性管的性能測試與綜合環境應力研究，設計服役可靠性試驗[3]。通過試驗中的數據分析，探究并確定撓性管在實際使用環境下性能達到規定臨界值的時間，進行服役可靠性評價，為提高裝備可靠性和安全性提供理論依據。

1 理論分析

本文的總體技術思路如圖1所示，結合使用環境調研已有檢修數據與故障行為，基于失效分析的先進材料表征技術確定其故障/失效的微觀機理，從而判斷影響其壽命試驗的環境應力并開展使用壽命試驗設計[4]；通過開展綜合應力的加速壽命試驗，對撓性管的退化進行初步判定，從而擬定壽命方程，并與實際數據對比進行壽命方程的修訂；基于上述結論，進行服役可靠性評價[5]。具體步驟為：

圖1 服役可靠性評估總體技術路線

1）對撓性管進行調研，包括：使用環境（溫濕度、振動、工作時間、壓力、介質）、裝配關系、檢修數據與故障行為等；

2）對撓性管的結構材質進行詳細分析，確定撓性管的敏感應力為熱應力；根據TGA分析測試結果，選擇合適的溫度條件；

3）結合撓性管使用工況，搭建相同的試驗環境，對撓性管實施加速壽命試驗；

4）選擇合適的工裝夾具，保證連接部位的穩定性，測試間隔按照實際情況進行調整。試驗后應對試驗數據進行處理，對撓性管服役可靠性進行評估。

2 試驗過程

本文基于橡膠材料的物理性能退化規律研究，采用“定時截尾”的方法，保守設計試驗時間和應力值。在綜合應力老化試驗過程中估算撓性管在指定壽命期性能退化的基礎上，通過撓性管的平衡性試驗、靜剛度試驗判定其退化程度。樣品信息如表1所示。

表1 樣品信息

2.1 TGA分析

根據TGA熱重分析儀確認橡膠材料的熱分解溫度和300 ℃前揮發物的含量，以確定試樣不發生化學分解可耐受的最高溫度，依據GB/T 33047.2-2014設計熱重試驗，計算出橡膠件的活化能Ea（25 ℃）[6]；根據計算出的活化能Ea（25 ℃）和溫度與活化能的關系：E=Ea+RT/2，計算出相應溫度下橡膠件的活化能E；通過阿累尼烏茲方程推算試驗溫度相對于使用溫度的加速因子K。按最高溫度進行1天熱重試驗，撓性管材料壓縮永久變形率指標下降率應不大于20 %，若超出20 %則調整溫度重新開始預試驗。

采用三個加熱速率（2 K/min、5 K/min、10 K/min）來運行程序，使用相同質量的試樣（±1 %）。為了提高測試的準確性，在測試樣品相同的氣氛、氣體流量、加熱速率的測試條件運行下，記錄空坩堝的質量。如果在此運行中，坩堝質量發生改變（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，就能得到一個對樣品的修正熱重曲線。所有加熱速率都應重復此步驟。在測試中為了防止樣品氧化使用氮氣（純度≥99.95 %）做保護氣。試驗結果如圖2所示。

由圖2可知，撓性管在（50～750）℃范圍內以2 K/min、5 K/min、10 K/min的加熱速率下的熱分解過程分成了三步，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注的區域。

圖2 TGA測試結果

公式（1）給出的近似關系式是由Ozawa以及后來的Flynn和Wall推導得出的，用于計算反應活化能Ea。

式中：

Ea和R—活化能及氣體常數（R=8.314 J·K-1·mol-1）；

β1，β2，β3，… —加熱速率；

T1，T2，T3， … —溫度。

在任一轉換速率α1下可得公式（2）：

對于每一個轉化率α，將加熱速率的對數lgβ對絕對溫度的倒數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算得到（-0.456 7 Ea/R）。

試樣在不同的加熱速率β下進行加熱，其質量的變化是溫度的函數。對于每個加熱速率確定轉化率α（10 %、30 %、50 %、70 %和90 %）對應的溫度T。對于給定的轉化率α，將加熱速率的對數lgβ對于絕對溫度的倒數（1/T）作圖，而活化能Ea（25 ℃）由直線的斜率計算得到。

根據上文計算值可以求得撓性管C的活化能Ea=0.8 eV，那么試驗溫度90 ℃相對于使用溫度55 ℃的加速系數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 ℃。那么試驗溫度120 ℃相對于使用溫度72.5 ℃的加速系數K=35.98。

2.2 綜合應力加速壽命試驗

取9根撓性管進行試驗，條件如下，試驗照片與結果如圖3～5所示：

圖3 綜合應力加速壽命試驗

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

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

3）試驗中間檢測：

①靜剛度：試驗前現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，用材料試驗機加載，從零變形做最大變形值（可根據實際產品調整）進行兩次預加載，變形速度低于8 mm/min，每次預加載在加載上限保持30 s，每次預壓后穩定1 min，第三次正式加載至最大變形值，記錄對應的加載力。

②平順性：試驗前現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，分別測量接管的長度，取平均值[7]。

3 服役可靠性評價

經過長時間運用或試驗老化后，撓性管的退化會首先體現在產品彈性上，撓性管拉伸、壓縮、彎曲、剪切性能劣化。其次，隨著充壓疲勞的機械應力與受熱膨脹量差異導致的結構應力，會驅使撓性管連接處產生微裂紋，在長期應力作用下發展成失效。由上文可知，在綜合應力加速老化試驗中，撓性管靜剛度有顯著趨勢性退化，撓性管C性能衰減率最高可達45.8 %，撓性管Z性能衰減率最高可達45.06 %；平順性有趨勢性退化，撓性管C性能衰減率可達39.33 %，撓性管Z性能衰減率最高可達25.25 %；按照工程經驗，退化率在50 %以上則已經失去其服役功能。

圖4 靜剛度擬合試驗結果

圖5 平順性擬合試驗結果

圖7 撓性管Z性能退化趨勢

通過對撓性管開展加速壽命試驗數據進行分析，得到撓性管可靠性壽命評估趨勢如圖6～7所示，參考橡膠材料標準、撓性管功能要求與相關工程經驗，認為性能退化至50 %時撓性管已經失效，結果如下：

圖6 撓性管C性能退化趨勢

1）撓性管C靜剛度退化趨勢表示：在加速試驗90 ℃條件下，預計使用1 388 h失效，根據加速系數K=23.6推算實際使用55 ℃條件下預計使用3.74年。按服役與非服役時間為143∶100的比例計算，預計可使用6.4年；平順性退化趨勢預計可使用4.4年。因此綜合結論為4.4年。

2）撓性管Z靜剛度退化趨勢表示：在加速試驗120 ℃條件下，預計使用1 170 h失效，根據加速系數K=35.98推算實際使用72.5 ℃條件下預計使用42 135.6 h失效，即4.81年。按服役與非服役時間為143∶100的比例計算，新品預計可使用8.17年；平順性退化趨勢預計可使用10.47年。因此綜合結論為8.17年。

4 結論

兩款撓性管在綜合應力老化試驗中，退化趨勢相似，可靠性壽命分別為4.4年和8.18年。其退化趨勢與實際服役結果相近，因此綜合應力老化試驗對于驗證同類產品具有一定指導意義。

撓性管失效，會首先反應到靜剛度、平順性等物理性能上，且退化趨勢明顯，因此建議檢修過程中的應重點關注靜剛度與平順性的檢查。如連接結構無較強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。

針對撓性管壽命研究結果，建議在部件采購時增加對撓性管的可靠性要求，包括：滿足實際使用要求和系統可靠性指標要求的撓性管MTBF預計報告和試驗報告，型式試驗報告，功能安全評估報告等材料。針對撓性管靜剛度、平順性、額定變形等參數，以及撓性管對應的常規檢修、測試方法，建議采購時要求廠家提供相應材料信息。