CN103115862A - 一种模拟深海环境的腐蚀试验装置和试验方法 - Google Patents

一种模拟深海环境的腐蚀试验装置和试验方法 Download PDF

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Abstract

一种模拟深海环境的腐蚀试验装置，属于模拟材料在深海环境中的腐蚀性能的试验装置领域。包括高压釜、制冷系统、空气泵、加压系统、试样投放装置、排气管、溶解氧传感器、超声波多普勒流速仪、压力传感器、温度传感器、盐度传感器、pH计、排水管、搅拌电机、搅拌桨叶和控制柜。本发明可以模拟深海环境中的温度、压强、海水流速、pH值、盐度和溶解氧浓度状况，腐蚀测试过程可以实现环境条件的自动控制，为测试材料在深海环境中的腐蚀性能提供了方便的室内模拟试验装置。

Description

一种模拟深海环境的腐蚀试验装置和试验方法
技术领域
本发明属于模拟试验装置技术领域，特别涉及模拟材料在深海环境中的腐蚀性能的试验装置领域。
背景技术
随着人类对于资源的开采和利用，陆上非可再生资源已经基本开发殆尽，频发的石油危机经常引起人们对于能源危机的恐惧。除了开发水电、风能、太阳能、潮汐能之外，海底是人类开发新能源的新方向。海洋工程的发展关系到环境保护、资源开发和国土主权安全，是我国建设海洋强国的重要支撑。随着海洋开发和利用的迅猛发展，海洋工程领域正成为各国科学研究与生产开发的热点之一。海洋结构与装备及深海能源开发也逐渐受到各国的大力关注。然而海洋为一个严酷的综合腐蚀环境它涉及到温度、压强、海水流速、PH值、盐度和溶解氧浓度等，海洋结构与装备及深海能源开发的机械部件在海水中腐蚀较严重。需求耐蚀性的材料也一直是人们关注的问题。
对新开发的材料以及要应用到海洋装备中的材料，均要进行海洋腐蚀性能测试。传统的海洋腐蚀试验主要是在实际的海洋中设站进行试验，比如坐底式试验装置和锚挂式试验装置。虽然海洋现场的试验完全符合实际工况条件，但是这种试验方法需要大量的人力、物力和财力，且试验数据的测试和观察也因环境的恶劣而困难。通过开发设计室内海洋腐蚀试验装置进行模拟实际海洋环境中的腐蚀是比较理想的方法，这对研究材料在海洋环境中的腐蚀行为和机理以及开发耐蚀性材料具有重要的意义。
关于模拟海洋环境的腐蚀，已有相关的室内试验装置得到应用，也有相关的专利得到公布。例如专利号为200720076734.3的专利公开了一种多功能环境控制加速腐蚀实验箱，该实验箱可以模拟多种海洋环境工况，但是不能模拟深海的高压及温度状况；专利号为201010162126.0的专利，公布了一种温度压力可控型旋转式冲蚀实验装置，不能模拟深海溶氧量和温度状况。专利号为201020249391.8的专利，公布了一种模拟海洋环境的试验装置，同样不能模拟深海高压状况。专利号为201010033689.X的专利，公布了一种用于测试材料在模拟深海环境腐蚀性能的实验装置，可以模拟深海中的高压，低温等状况，但是不能模拟深海中海水流速状况。其它专利公布的试验装置，也不能完全模拟深海中的海水环境。
发明内容
为了弥补现有技术中的不足，本发明提供一种能够模拟深海环境温度、压强、海水流速、PH值、盐度和溶解氧浓度的试验装置，用来测试材料在深海环境中的腐蚀性能。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种模拟深海环境的腐蚀试验装置，包括高压釜、冷凝管、压缩机、冷凝器、单向阀A、空气泵、氮气瓶、加压泵、单向阀B、试样投放装置、排气管、溶解氧传感器、超声波多普勒流速仪、压力传感器、温度传感器、盐度传感器、PH计、排水管、搅拌电机、搅拌桨叶和控制柜；其中：冷凝管置于高压釜底部呈S形弯曲状，高压釜上有冷凝管进、出口，冷凝管的出口、压缩机、冷凝器和冷凝管的进口依此相连接构成制冷系统；空气泵通过单向阀A与高压釜相连接；氮气瓶、加压泵和单向阀B依此相连接后接于高压釜；试样投放装置包括电机、主动齿轮、从动齿轮、螺杆、螺母、支撑架、挡板、螺母导轨和试样架；主动齿轮安装在电机上，从动齿轮安装在螺杆上部，主动齿轮和从动齿轮相啮合，挡板固定安装在螺杆上部，由支撑架提供支撑力，螺母导轨固定安装在支撑架上，螺母外部和螺母导轨内部均为矩形，两者相配合，螺母在螺母导轨中可上下移动，且不可转动，螺母与螺杆相配合，螺母下部固定连接有试样架，试样架伸入到高压釜中，从动齿轮、螺杆、螺母、挡板和试样架的重力均通过挡板由支撑架承受；搅拌电机位于高压釜的后面，搅拌电机的电机轴所处高度为高压釜中部并伸进到高压釜内部中间位置，搅拌桨叶安装在搅拌电机的电机轴上；控制柜上设有电源开关、控制系统、溶解氧浓度仪表、海水流速仪表、压力仪表、温度仪表、盐度仪表、PH仪表和定时器；溶解氧浓度仪表、海水流速仪表、压力仪表、温度仪表、盐度仪表、PH仪表分别与设置在高压釜中的溶解氧传感器、超声波多普勒流速仪、压力传感器、温度传感器、盐度传感器、PH计相连接；定时器、压缩机、冷凝器、空气泵、加压泵、搅拌电机和电机、溶解氧传感器、超声波多普勒流速仪、压力传感器、温度传感器、盐度传感器、PH计均与控制系统相连接，并受控制系统的控制。
本发明中的冷凝管是内部材料为金属，外部材料为PVC的复合管，因为PVC材料对海水具有好的耐蚀性。
本发明中的单向阀A和单向阀B开启口朝向高压釜，这样可以保证高压釜中的气体不会向外流出；海水液面位于搅拌电机的电机轴所处高度以下，单向阀A与高压釜的连接部位在高压釜下部，海水液面以下，这样可以保证在对海水补充空气时，空气中的氧气更好的溶解在海水中；单向阀B与高压釜的连接部位在高压釜上部，海水液面以上。溶解氧浓度传感器、超声波多普勒流速仪、压力传感器、温度传感器、盐度传感器和PH计均位于海水液面以下，这样可以保证各自所检测的均是海水内部的数据。
本发明中的排气管在高压釜上部，所述排水管在高压釜下部。试样投放装置位于高压釜的上部。
本发明中的试样架下降的终止位置与压力传感器在同一水平线上，这样可以保证压力传感器检测的压力是试样所在位置的压力。
本发明还公开了进行腐蚀试验的方法，即工作流程为：在高压釜中放置海水，试样架上安放待腐蚀试样，打开控制柜上的电源开关，设置腐蚀时间、溶解氧浓度、海水压力、温度、海水流速的参数；溶解氧传感器、超声波多普勒流速仪、压力传感器、温度传感器、盐度传感器和PH计开始自动检测各自相应项的参数，数据传至控制系统并与所设定的参数进行比较，根据各项参数比较结果，控制系统自动在线控制压缩机和冷凝器、空气泵、加压泵以及搅拌电机的工作和停止；例如当海水温度低于设定值时，控制系统启动压缩机和冷凝器工作，对海水制冷，当海水温度达到所设定值时，控制系统自动停止压缩机和制冷器的工作；当溶解氧浓度、海水压力、温度、海水流速达到设定值后，控制系统启动电机正转，运动通过主动齿轮、从动齿轮、螺杆传至螺母，螺母在螺母导轨中带动试样架向下运动伸入海水中，当试样架达到压力传感器所在水平线后，控制系统自动控制电机停止转动；此时，系统开始计时，当达到腐蚀时间后，控制系统自动控制电机反转，传动通过主动齿轮、从动齿轮、螺杆传至螺母，螺母在螺母导轨中向上运动，从而带动试样架向上移动而离开海水，试验结束。
本发明的有益效果是：本发明的试验装置可以完全模拟深海环境中的温度、压强、海水流速、PH值、盐度和溶解氧浓度状况，同时也避免了在实际的海洋中设站进行试验而造成的人力、物力和财力的巨大花费，以及试验数据的测试和收集因环境的恶劣而困难的现象。本发明的试验装置能够全自动在线检测温度、压强、海水流速、PH值、盐度和溶解氧浓度状况，具有自动控制腐蚀时间的功能，可保障腐蚀过程的严格性。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。
图1是本发明的机构示意图
图中：1-高压釜，2-冷凝管，3-压缩机，4-冷凝器，5-单向阀A，6-空气泵，7-氮气瓶，8-加压泵，9-单向阀B，10-试样投放装置，10-1电机，10-2-主动齿轮，10-3-从动齿轮，10-4-螺杆，10-5-螺母，10-6-支撑架，10-7-挡板，10-8-螺母导轨，试样架10-911-排气管，12-溶解氧浓度传感器，13-超声波多普勒流速仪，14-压力传感器，15-温度传感器，16-盐度传感器，17-PH计，18-排水管，19-拌电机，20-搅拌桨叶，21-控制柜，21-1-电源开关，21-2-控制系统，21-3-溶解氧浓度仪表，21-4-海水流速仪表，21-5-压力仪表，21-6-温度仪表，21-7-盐度仪表，21-8-PH仪表，21-9-定时器，22-海水。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供的一种模拟深海环境的腐蚀试验装置，包括高压釜1、冷凝管2、压缩机3、冷凝器4、单向阀A5、空气泵6、氮气瓶7、加压泵8、单向阀B9、试样投放装置10、排气管11、溶解氧传感器12、超声波多普勒流速仪13、压力传感器14、温度传感器15、盐度传感器16、PH计17、排水管18、搅拌电机19、搅拌桨叶20和控制柜21；冷凝管2置于高压釜1底部呈S形弯曲状，高压釜1上有冷凝管进、出口，冷凝管2的出口、压缩机3、冷凝器4和冷凝管2的进口依此相连接构成制冷系统；空气泵6通过单向阀A5与高压釜1相连接；氮气瓶7、加压泵8和单向阀B9依此相连接后接于高压釜；试样投放装置包括电机10-1、主动齿轮10-2、从动齿轮10-3、螺杆10-4、螺母10-5、支撑架10-6、挡板10-7、螺母导轨10-8和试样架10-9；主动齿轮10-2安装在电机10-1上，从动齿轮10-3安装在螺杆10-4上部，主动齿轮10-2和从动齿轮10-3相啮合，挡板10-7固定安装在螺杆10-4上部，由支撑架10-6提供支撑力，螺母导轨10-8固定安装在支撑架10-6上，螺母10-5外部和螺母导轨10-8内部均为矩形，两者相配合，螺母10-5在螺母导轨10-8中可上下移动，且不可转动，螺母10-5与螺杆10-4相配合，螺母10-5下部固定连接有试样架10-9，试样架10-9伸入到高压釜1中，从动齿轮10-3、螺杆10-4、螺母10-5、挡板10-7和试样架10-9的重力均通过挡板10-7由支撑架10-9承受；搅拌电机19位于高压釜1的后面，搅拌电机19的电机轴所处高度为高压釜1中部并伸进到高压釜1内部中间位置，搅拌桨叶20安装在搅拌电机19的电机轴上；控制柜21上设有电源开关21-1、控制系统21-2、溶解氧浓度仪表21-3、海水流速仪表21-4、压力仪表21-5、温度仪表21-6、盐度仪表21-7、PH仪表21-8和定时器21-9；溶解氧浓度仪表21-3、海水流速仪表21-4、压力仪表21-5、温度仪表21-6、盐度仪表21-7、PH仪表21-8分别与设置在高压釜1中的溶解氧传感器12、超声波多普勒流速仪13、压力传感器14、温度传感器15、盐度传感器16、PH计17相连接；定时器21-9、压缩机3、冷凝器4、空气泵6、加压泵8、搅拌电机19和电机10-1、溶解氧传感器12、超声波多普勒流速仪13、压力传感器14、温度传感器15、盐度传感器16、PH计17均与控制系统21-2相连接，并受控制系统21-2的控制。
冷凝管2是内部材料为金属，外部材料为PVC的复合管，因为PVC材料对海水具有好的耐蚀性。
单向阀A5和单向阀B9开启口朝向高压釜1，这样可以保证高压釜1中的气体不会向外流出；海水22液面位于搅拌电机19的电机轴所处高度以下，单向阀A5与高压釜1的连接部位在高压釜1下部，海水22液面以下，这样可以保证在对海水22补充空气时，空气中的氧气更好的溶解在海水22中；单向阀B9与高压釜1的连接部位在高压釜1上部，海水22液面以上；溶解氧浓度传感器12、超声波多普勒流速仪13、压力传感器14、温度传感器15、盐度传感器16和PH计17均位于海水22液面以下，这样可以保证各自所检测的均是海水22内部的数据。
排气管11在高压釜1上部，所述排水管18在高压釜1下部；试样投放装置10位于高压釜1的上部。
试样架10-9下降的终止位置与压力传感器14在同一水平线上，这样可以保证压力传感器14检测的压力是试样所在位置的压力。
使用本发明进行腐蚀试验的工作流程为：首先在高压釜1中放置海水22，试样架10-9上安放待腐蚀试样。打开控制柜21上的电源开关21-1，设置腐蚀时间、溶解氧浓度、海水压力、温度、海水流速的参数；溶解氧传感器12、超声波多普勒流速仪13、压力传感器14、温度传感器15、盐度传感器16和PH计17开始自动检测各自相应项的参数，数据传至控制系统21-2并与所设定的参数进行比较，根据各项参数比较结果，控制系统21-2自动在线控制压缩机3和冷凝器4、空气泵6、加压泵8以及搅拌电机19的工作和停止；例如当海水22温度低于设定值时，控制系统21-2启动压缩机3和冷凝器4工作，对海水22制冷，当海水22温度达到所设定值时，控制系统21-2自动停止压缩机3和制冷器4的工作；当溶解氧浓度、海水压力、温度、海水流速达到设定值后，控制系统21-2启动电机10-1正转，运动通过主动齿轮10-2、从动齿轮10-3、螺杆10-4传至螺母10-5，螺母10-5在螺母导轨10-8中带动试样架10-9向下运动伸入海水22中，当试样架10-9达到压力传感器14所在水平线后，控制系统21-2自动控制电机10-1停止转动；此时，系统开始计时，当达到腐蚀时间后，控制系统21-2自动控制电机10-1反转，传动通过主动齿轮10-2、从动齿轮10-3、螺杆10-4传至螺母10-5，螺母10-5在螺母导轨10-8中向上运动，从而带动试样架10-9向上移动而离开海水22，试验结束。
试验结束后，打开排气管11，放出高压釜1中的氮气，取出试样，可进行后续的腐蚀试样检测。高压釜1中的海水22可以从排水管18放出。

Claims (6)

1. 一种模拟深海环境的腐蚀试验装置，包括高压釜（1）、冷凝管（2）、压缩机（3）、冷凝器（4）、单向阀A（5）、空气泵（6）、氮气瓶（7）、加压泵（8）、单向阀B（9）、试样投放装置（10）、排气管（11）、溶解氧浓度传感器（12）、超声波多普勒流速仪（13）、压力传感器（14）、温度传感器（15）、盐度传感器（16）、PH计（17）、排水管（18）、搅拌电机（19）、搅拌桨叶（20）和控制柜（21）；其特征在于：
冷凝管（2）置于高压釜（1）底部呈S形弯曲状，高压釜（1）上有冷凝管进、出口，冷凝管（2）的出口、压缩机（3）、冷凝器（4）和冷凝管（2）的进口依次相连接构成制冷系统；
空气泵（6）通过单向阀A（5）与高压釜（1）相连接；氮气瓶（7）、加压泵（8）和单向阀B（9）依此相连接后接于高压釜（1）；
试样投放装置（10）包括电机（10-1）、主动齿轮（10-2）、从动齿轮（10-3）、螺杆（10-4）、螺母（10-5）、支撑架（10-6）、挡板（10-7）、螺母导轨（10-8）和试样架（10-9）；主动齿轮（10-2）安装在电机（10-1）上，从动齿轮（10-3）安装在螺杆（10-4）上部，主动齿轮（10-2）和从动齿轮（10-3）相啮合，挡板（10-7）固定安装在螺杆（10-4）上部，由支撑架（10-6）提供支撑力，螺母导轨（10-8）固定安装在支撑架（10-6）上，螺母（10-5）外部和螺母导轨（10-8）内部均为矩形，两者相配合，螺母（10-5）在螺母导轨（10-8）中可上下移动，且不可转动，螺母（10-5）与螺杆（10-4）相配合，螺母（10-5）下部固定连接有试样架（10-9），试样架（10-9）伸入到高压釜（1）中，从动齿轮（10-3）、螺杆（10-4）、螺母（10-5）、挡板（10-7）和试样架（10-9）的重力均通过挡板（10-7）由支撑架（10-9）承受；
搅拌电机（19）位于高压釜（1）的后面，搅拌电机（19）的电机轴所处高度为高压釜（1）中部并伸进到高压釜（1）内部中间位置，搅拌桨叶（20）安装在搅拌电机（19）的电机轴上；控制柜（21）上设有电源开关（21-1）、控制系统（21-2）、溶解氧浓度仪表（21-3）、海水流速仪表（21-4）、压力仪表（21-5）、温度仪表（21-6）、盐度仪表（21-7）、PH仪表（21-8）和定时器（21-9）；溶解氧浓度仪表（21-3）、海水流速仪表（21-4）、压力仪表21-5、温度仪表（21-6）、盐度仪表（21-7）、PH仪表（21-8）分别与设置在高压釜（1）中的溶解氧浓度传感器（12）、超声波多普勒流速仪（13）、压力传感器（14）、温度传感器（15）、盐度传感器（16）、PH计（17）相连接；定时器（21-9）、压缩机（3）、冷凝器4、空气泵6、加压泵8、搅拌电机（19）和电机（10-1）、溶解氧浓度传感器（12）、超声波多普勒流速仪（13）、压力传感器（14）、温度传感器（15）、盐度传感器（16）、PH计（17）均与控制系统（21-2）相连接，并受控制系统（21-2）的控制。
2. 根据权利要求1所述的一种模拟深海环境的腐蚀试验装置，其特征在于：所述的冷凝管（2）是内部材料为金属，外部材料为PVC的复合管，PVC材料对海水具有好的耐蚀性。
3. 根据权利要求1所述的一种模拟深海环境的腐蚀试验装置，其特征在于：所述的单向阀A（5）和单向阀B（9）开启口朝向高压釜（1）；所述海水（22）液面位于搅拌电机（19）的电机轴所处高度以下；所述单向阀A（5）与高压釜（1）的连接部位在高压釜（1）下部，海水（22）液面以下；所述单向阀B（9）与高压釜（1）的连接部位在高压釜（1）上部，海水（22）液面以上；所述溶解氧浓度传感器（12）、超声波多普勒流速仪（13）、压力传感器（14）、温度传感器（15）、盐度传感器（16）和PH计（17）均位于海水（22）液面以下。
4. 根据权利要求1所述的一种模拟深海环境的腐蚀试验装置，其特征在于： 所述排气管（11）在高压釜（1）上部，所述排水管（18）在高压釜（1）下部；所述试样投放装置（10）位于高压釜（1）的上部。
5. 根据权利要求1所述的一种模拟深海环境的腐蚀试验装置，其特征在于：所述试样架（10-9）下降的终止位置与压力传感器（14）在同一水平线上。
6.一种模拟深海环境的腐蚀试验方法，其特征在于：进行腐蚀试验的工作流程为：在高压釜（1）中放置海水（22），试样架（10-9）上安放待腐蚀试样，打开控制柜（21）上的电源开关（21-1），设置腐蚀时间、溶解氧浓度、海水压力、温度、海水流速的参数；溶解氧浓度传感器（12）、超声波多普勒流速仪（13）、压力传感器（14）、温度传感器（15）、盐度传感器（16）和PH计（17）开始自动检测各自相应项的参数，数据传至控制系统（21-2）并与所设定的参数进行比较，根据各项参数比较结果，控制系统（21-2）自动在线控制压缩机（3）和冷凝器（4）、空气泵（6）、加压泵（8）以及搅拌电机（19）的工作和停止；当溶解氧浓度、海水压力、温度、海水流速达到设定值后，控制系统（21-2）启动电机（10-1）正转，运动通过主动齿轮（10-2）、从动齿轮（10-3）、螺杆（10-4）传至螺母（10-5），螺母（10-5）在螺母导轨（10-8）中带动试样架（10-9）向下运动伸入海水（22）中，当试样架（10-9）达到压力传感器（14）所在水平线后，控制系统（21-2）自动控制电机（10-1）停止转动；此时，系统开始计时，当达到腐蚀时间后，控制系统（21-2）自动控制电机（10-1）反转，传动通过主动齿轮（10-2）、从动齿轮（10-3）、螺杆（10-4）传至螺母（10-5），螺母（10-5）在螺母导轨（10-8）中向上运动，从而带动试样架（10-9）向上移动而离开海水（22），试验结束。
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