CN101975744A - 海水管系金属构件冲刷腐蚀试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海水管系金属构件冲刷腐蚀试验装置，包括氟塑料离心泵和储水箱，储水箱的内侧壁设置有冷却系统，氟塑料离心泵的进口与储水箱相连，氟塑料离心泵的出口干路上连接有多条相并联的工作管路，每条工作管路上依次串接有流量调节阀、涡街流量计和工作管段，所述多条相并联的工作管路的出口端经回路连通至储水箱；所述氟塑料离心泵的出口干路上还设置有旁路，旁路连通至储水箱；工作管段还与电化学测试装置电连接。该装置可实现在相同介质、相同温度、相同流速等接近完全一致的试验条件下，不同管材样品的耐冲刷腐蚀性能试验，还可研究同种材料在不同介质流速条件下的耐冲刷腐蚀性能。

Description

海水管系金属构件冲刷腐蚀试验装置

技术领域

本发明涉及一种试验设备，尤其涉及一种海水管系金属构件冲刷腐蚀试验装置。

背景技术

在海洋工程中冲刷腐蚀屡见不鲜，由于冲刷腐蚀造成的退化和侵蚀使管道、容器、热交换器等海洋设备遭受损坏，由此增加生产成本、造成延期、增加保养成本，更严重时会造成重大安全事故。冲刷腐蚀是一种危害较大的局部腐蚀，比单纯的腐蚀和单纯的机械磨损严重得多，设备受到冲刷腐蚀时会加速其损坏，从而使设备的使用寿命大大缩短。为了减轻这些问题，提前测试接近实际使用情况下各种材料的耐冲刷腐蚀性能是非常有实用价值的。

冲刷腐蚀(Erosion-Corrosion)是金属表面与腐蚀流体由于高速相对运动而引起的金属损坏现象，是材料受到冲刷和腐蚀协同作用的结果。冲刷腐蚀是一个很复杂的过程，影响因素很多，材料本身的化学成分、组织结构、机械性能、硬度、表面粗糙度、耐蚀性能等是一个方面；而介质的温度、PH值、溶解氧、各种活性离子的浓度、粘度、密度、固相和气相在液相中的含量、固相颗粒和硬度是另一方面；并且过滤部件的形状、流体的流速和流态也具有很大影响，因为不同的流速流态会使流体对材料表面产生不同的力学效果，较其他因素，PH值、温度和流速对冲刷腐蚀的影响最为明显。

PH值不同的水体，金属腐蚀率不同，是由于表面生成膜的性质和成分不同所致。只有当介质中加入了足够的氧化剂，有钝化特性的金属才能产生钝态，而不具有钝化特性的金属，氧的存在，特别是在中性条件下，将加速阳极金属的溶解。随着温度的上升，电化学反应的动力学参数及氧的扩散系数增加，但是溶解氧量减少，而且温度的上升会改变金属表面膜的特性及金属再钝化能力。不同的情况，升高温度即可能使金属腐蚀率降低，亦可能使金属腐蚀率提高。通过试验可以得到不同温度下的金属腐蚀率。水体流速在冲刷腐蚀中起重要作用，影响冲刷腐蚀机理。增加腐蚀可以是通过增加氧气、二氧化碳等腐蚀剂与金属表面接触的供应量或者是通过减少表面静态膜的厚度，使金属离子等腐蚀产物的扩散与转移增大。较低的流速也可能由于阻止了引起缝隙腐蚀的污泥或尘垢的沉积而降低腐蚀。因此不同流速对金属腐蚀影响不同。

随着国内外对海洋相关产业建设投入的不断加大，使得国内外对海洋产业相关设备的研究也更加深入。针对海洋设施重要设备之一的热交换管在海水淡化、滨海电厂、舰船等设备中冲刷腐蚀严重的问题，国内外也做了大量研究，提出了一些有效的试验方法：1)模拟装置——在实验室内模拟实际环境水体介质，用动力推动水流并流经金属表面，用重量法测出金属的腐蚀率。此种模拟装置常用的是管流装置，水泵作为动力推动水体流经管道的金属表面，此法的优点在于管道设计、水体流速、水体组成的模拟性与实际一致。2)旋转圆盘法——借助高速转动的心轴，对于旋转圆盘试样，可在圆盘端面距中心不同距离处得到不同的相对速度，改变旋转速度和圆盘直径可在圆盘试样上建立一系列不同的圆周速度，使用相同尺寸的圆盘试样和同样的旋转速度可以相对比较金属材料的耐冲刷腐蚀性能，但要求试样足够大，以便能观测到临界速度范围，还可以将试样改进，做成旋转圆盘电极，测出工作电极的极化曲线，计算出金属的腐蚀率。旋转圆盘电极法已在研究电极过程动力学和腐蚀机理方面得到了广泛的应用。3)旋转圆柱法——上法中试样和心轴垂直，而本法试样和心轴平行这样圆柱试样上的每一点速度相同，通过改变心轴旋转速度，可获得一系列不同的圆周速度。同样，亦可将试样改进，作成旋转圆柱电极，测出工作电极的极化曲线，计算出金属腐蚀率。目前，已有用此法研究冲刷腐蚀行为。4)速喷射测试法——将试样置于管口的喉管部位，水体流经管口冲刷试样，用重量法测出其腐蚀率，此法便于水体速度的控制和测量，安装多个平行管道可同时测量多个样品。5)冲击流法——将固定试样或旋转试样暴露于高速射流或飞沫冲击之下，用重量法测出其腐蚀率。

经对现有技术文献的检索发现，丁-刚等在《材料保护》2001，34(11)发表的《金属在液固两相流中的冲刷腐蚀》中综述了国内外对液固两相流的冲刷腐蚀体系开展的研究。郑玉贵等在《管流式液固双相流冲刷腐蚀试验装置》2001，ZL00253528.9中介绍了一种管流式液固双相流冲刷腐蚀试验装置，该装置能在高流速条件下测量流体局部流速流态的分布。李成明等在《一种测试材料抗腐蚀冲蚀性能的装置》2001，ZL00243391.5中介绍了一种测试材料抗腐蚀冲蚀性能的装置，该装置适于被测试样是动态、静态或其结合，采用的是旋转磨盘的结构，具有一机多用的功能，可测量液固两相的冲蚀作用。

尽管上述装置可对冲刷腐蚀过程做出进一步的认识，对冲刷腐蚀的影响规律和危害性进行了试验探讨，然而，针对在相同海水环境、同步对比管材冲刷腐蚀性能的试验装置还未见正式报道。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种海水管路系统金属构件冲刷腐蚀试验装置，通过此装置可实现在相同海水环境、同步对比管材冲刷腐蚀性能，同时将其他形状和规格的材料做成镶嵌样，还可实现多种规格材料相同工况下的耐冲刷腐蚀性能对比研究。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

海水管系金属构件冲刷腐蚀试验装置，包括氟塑料离心泵和储水箱，特点是：所述储水箱的内侧壁设置有冷却系统，所述氟塑料离心泵的进口与储水箱相连，所述氟塑料离心泵的出口干路上连接有多条相并联的工作管路，所述每条工作管路上依次串接有流量调节阀、涡街流量计和工作管段，所述多条相并联的工作管路的出口端经回路连通至储水箱；所述氟塑料离心泵的出口干路上还设置有旁路，旁路连通至储水箱；另外，所述工作管段还与电化学测试装置电连接。

进一步地，上述的海水管系金属构件冲刷腐蚀试验装置，其中，所述氟塑料离心泵与电机驱动连接，所述电机上安装有交流电机驱动器，交流电机驱动器通过可编程控制器与PLC控制器相连。

更进一步地，上述的海水管系金属构件冲刷腐蚀试验装置，其中，所述储水箱上安装有电磁式液位控制器。

更进一步地，上述的海水管系金属构件冲刷腐蚀试验装置，其中，所述氟塑料离心泵的出口干路上安装有压力表。

再进一步地，上述的海水管系金属构件冲刷腐蚀试验装置，其中，所述储水箱的材质为UPVC材料。

本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：

①本发明装置实现在相同介质、相同温度、相同流速等接近完全一致的试验条件下，不同管材样品的耐冲刷腐蚀性能试验；

②本发明实现不同加工和热处理状态下同一材料，在相同介质、相同温度、相同流速等接近完全一致的试验条件下耐冲刷腐蚀性能的对比，为选择合理的材料加工和热处理工艺提供依据，有效减少试验时间和试验费用；

③本发明实现在相同介质、相同温度、相同流速等接近完全一致的试验条件下，研究同种材料在不同介质流速条件下的耐冲刷腐蚀性能；

④本发明实现多个档位间的无极调速，增大各平行工作段的介质流速范围，便于进行更多试验研究。

附图说明

下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：

图1：本发明的结构示意图。

图中各附图标记的含义见下表：

具体实施方式

如图1所示，海水管系金属构件冲刷腐蚀试验装置，包括氟塑料离心泵1和储水箱3，储水箱3的材质为UPVC材料，储水箱3上安装有电磁式液位控制器12，储水箱3的内侧壁设置有冷却系统2，氟塑料离心泵1的进口与储水箱3相连，氟塑料离心泵的出口干路5上安装有压力表4，氟塑料离心泵的出口干路5上连接有多条相并联的工作管路9，每条工作管路9上依次串接有流量调节阀6、涡街流量计7和工作管段8，多条相并联的工作管路的出口端经回路10连通至储水箱3；氟塑料离心泵的出口干路5上还设置有旁路11，旁路11连通至储水箱3。工作管段8与电化学测试装置13电连接。

储水箱3为UPVC材质，充分保证其不被海水腐蚀。冷却系统2安装在储水箱3内侧壁，利用循环水冷却。介质为海水，采用氟塑料离心水泵供水，水泵通过变频器控制柜进行流量调节和启停控制。电磁式液位控制器12控制储水箱3中介质的液面高度，保证系统的安全。试样工作管段安装于管路系统，通过管路与水泵连接，再与储水箱构成闭合的循环系统。流量调节阀6和涡街流量计7控制每一平行管路的流量与流速，在氟塑料离心泵1出水口处安装压力表4，显示介质总压力。工作管段8与电化学测试装置13电连接，测量电化学参数。工作管段8采用UPVC塑料管，并将各个形状的试样镶嵌入管材内壁，即可完成其他形状构件的冲蚀试验。通过调节试样工作段上下连接活接内UPVC芯件的长度和内螺纹尺寸即可安装不同规格和长度的管件。

管路系统金属构件冲刷腐蚀试验装置采用耐压、抗酸碱、抗海水腐蚀的UPVC塑料材质，包括储水箱、干路支路管、弯头活接等；冷却系统2采用盘管结构，透过自来水与介质之间的热交换达到冷却效果。试样工作管段8是通过UPVC活接与被测试管材(或镶嵌有被测试样的UPVC管)通过螺纹连接在一起。考虑到海水等介质的强腐蚀性，供水水泵采用耐蚀性极好、耐磨性稍差一些的衬聚四氟乙烯的氟塑料泵，另外，聚四氟乙烯耐温性能较好，这也是最终选择氟塑料泵的原因之一。

装置的管路系统共分两大部分，一部分是工作管路9，图1中以五个平行工作管路为例示出，另一部分是用以调节介质流量和流速的旁路11；介质经干路5后，一部分会通过流量调节阀6和磁电式涡街流量计7至试样工作管段8后再通过回路10流回储水箱3。

氟塑料离心泵的工作状态通过电气控制系统实现，电气控制系统主要包括可编程控制器、PLC控制器和交流电机驱动器组成，氟塑料离心泵1与电机驱动连接，电机上安装有交流电机驱动器，交流电机驱动器通过可编程控制器与PLC控制器相连，电控系统在多个档位内均可实现无级调速，在原理和功能部件类型不变的情况下，通过变换水泵和控制系统的功率还可实现更大范围的流速控制，根据需要进行增减档位数和调节功率。

具体应用时，将被测材料安装于工作试验段后，使用氟塑料离心泵1将储水箱3中的介质抽出，送至试样工作管段8，利用电控系统的变频器调节流速范围，再利用流量调节阀6精确调整，待所有试样工作段管路中的介质流速均达到要求时，装置开始试验，按照预定的时间完成试验。在试验过程中，可同时利用电化学测试装置完成相应的电化学参数测量。试验结束后利用电气控制系统停机，将工作段试样取下后，根据相应的标准进行清洗、称重、分析等，并以此为依据评价材料的耐冲刷腐蚀性能。

本发明根据研究材料耐冲刷腐蚀性能的需要，设计海水管系金属构件冲刷腐蚀试验装置，该装置主要完成两个方面的试验，一方面是同种材料在同种介质环境、不同流速下的耐冲刷腐蚀性能；另一方面是不同材料在同种介质环境、同种流速下的耐冲刷腐蚀性能。以下通过两个具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的描述。

实施例1：

选择合适规格的管材样品，测量其原始尺寸、质量等，查找计算所用的各个物性参数，随后将样品安装到装置上，开始试验。在试验过程中注意观察与记录介质温度、流量流速、储水箱中介质总量、试样表面状态变化等，因蒸发的存在，需及时补充储水箱中介质。试验周期结束后，取下试样按照《腐蚀试样的制备、清洗和评定》标准清洗、称量计算，并利用各种组织性能分析仪器进行分析，最终获得材料的耐冲刷腐蚀数据，这个实例仅就年化腐蚀速率结果给予示意说明。试验具体参数如下：

试验工作段管材：海军黄铜HSn70-1

铝黄铜HA177-2

白铜BFe10-1-1

白铜BFe30-1-1

铝青铜；

流速：3m/s；

时间：10天；

工作方式：连续；

介质：人工海水；

温度：室温。

对本实施例中五种合金管材进行测试，详细结果见表1。

表1

实施例2：

选择合适规格的管材样品，测量其原始尺寸、质量等，查找计算所用的各个物性参数，随后将样品安装到装置上，开始试验。在试验过程中注意观察与记录介质温度、流量流速、储水箱中介质总量、试样表面状态变化等，因蒸发的存在，需及时补充储水箱中介质。试验周期结束后，取下试样按照《腐蚀试样的制备、清洗和评定》标准清洗、称量计算，并利用各种组织性能分析仪器进行分析，最终获得材料的耐冲刷腐蚀数据，这个实例仅就年化腐蚀速录结果给予示意说明。试验具体参数如下：

试验工作段管材：白铜BFe10-1-1

白铜BFe30-1-1；

流速：2，3，4，5，6m/s；

时间：10天；

工作方式：连续；

介质：人工海水；

温度：室温。

对本实施例中两种合金管材在5个流速下的冲刷腐蚀性能进行测试，详细结果见表2。

表2

综上所述，本发明装置实现在相同介质、相同温度、相同流速等接近完全一致的试验条件下，不同管材样品的耐冲刷腐蚀性能试验；实现不同加工和热处理状态下同一材料，在相同介质、相同温度、相同流速等接近完全一致的试验条件下耐冲刷腐蚀性能的对比，为选择合理的材料加工和热处理工艺提供依据，有效减少试验时间和试验费用；实现在相同介质、相同温度、相同流速等接近完全一致的试验条件下，研究同种材料在不同介质流速条件下的耐冲刷腐蚀性能；实现多个档位间的无极调速，增大各平行工作段的介质流速范围，便于进行更多试验研究。

需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.海水管系金属构件冲刷腐蚀试验装置，包括氟塑料离心泵和储水箱，其特征在于：所述储水箱的内侧壁设置有冷却系统，所述氟塑料离心泵的进口与储水箱相连，所述氟塑料离心泵的出口干路上连接有多条相并联的工作管路，所述每条工作管路上依次串接有流量调节阀、涡街流量计和工作管段，所述多条相并联的工作管路的出口端经回路连通至储水箱；所述氟塑料离心泵的出口干路上还设置有旁路，旁路连通至储水箱；另外，所述工作管段还与电化学测试装置电连接。

2.根据权利要求1所述的海水管系金属构件冲刷腐蚀试验装置，其特征在于：所述氟塑料离心泵与电机驱动连接，所述电机上安装有交流电机驱动器，交流电机驱动器通过可编程控制器与PLC控制器相连。

3.根据权利要求1所述的海水管系金属构件冲刷腐蚀试验装置，其特征在于：所述储水箱上安装有电磁式液位控制器。

4.根据权利要求1所述的海水管系金属构件冲刷腐蚀试验装置，其特征在于：所述氟塑料离心泵的出口干路上安装有压力表。

5.根据权利要求1所述的海水管系金属构件冲刷腐蚀试验装置，其特征在于：所述储水箱的材质为UPVC材科。