CN103411877A - 一种应力与杂散电流耦合作用下埋地钢质管道涂层剥离与腐蚀试验系统 - Google Patents
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Abstract
一种应力与杂散电流耦合作用下埋地钢质管道涂层剥离与腐蚀试验系统，属于管道腐蚀与涂层剥离检测领域。该试验系统包括应力加载试验系统、土壤环境模拟系统、杂散电流模拟系统、阴极保护系统、电化学测试系统。该试验系统可以模拟埋地钢制管道实际工况，能够对管线进行不同影响因素（土壤电阻率/电导率、土壤酸碱度、不同应力水平、杂散电流种类/强度、破损面积/剥离面积等）下的腐蚀规律实验；能够进行管线阴极剥离实验以及因杂散电流流入导致涂层破损处产生剥离的实验；能够进行管线阴极剥离导致的层下腐蚀实验以及因涂层破损产生的腐蚀（包括杂散电流腐蚀）实验。可适用于埋地钢质管道涂层剥离与腐蚀检测实验室研究以及管道生产企业的前期研究中。
Description
技术领域
本发明属于管道腐蚀与涂层剥离检测领域，具体涉及一种应力与杂散电流耦合作用下埋地钢质管道涂层剥离与腐蚀试验系统。
背景技术
随着管道埋地工况的复杂性不断增加，输油压力不断提高，受到高压输电系统和交直流牵引系统产生的杂散电流影响不断增大，交直流杂散电流与应力耦合作用下引发的管道腐蚀与涂层剥离问题越来越受到重视。由于诸多客观因素的限制，对埋地管线杂散电流腐蚀与涂层剥离研究以实验室研究为主。目前，国内已有单一的拉伸应力实验装置和杂散电流腐蚀实验装置，但已有的拉伸应力试验装置难以模拟埋地管线真实受力情况，已有的管道杂散电流腐蚀实验装置未考虑管道阴保状况，不能同时模拟管道直流、交流及交直混流杂散电流腐蚀情况，无法进行涂层剥离测试。国内尚无将两种实验装置结合以研究交直流杂散电流与应力耦合作用下管线涂层剥离机理与腐蚀规律，因此研究和开发交直流杂散电流与应力耦合作用下管线涂层剥离与腐蚀模拟试验系统成为研究此类课题的基础。
发明内容
为了克服现有的应力拉伸装置无法模拟埋地管道实际工况，管道杂散电流腐蚀实验装置功能单一，两者无法有机结合的缺陷，本发明通过施力手柄1和加载丝杠2推动活塞组件挤压工作介质使管道14受到应力作用；利用恒流源27、脉冲信号发生器25、智能中断器28产生直流、交流、交直混流杂散电流；利用恒压源22产生阴极保护电位；利用利用电化学工作站30对管道14涂层进行电化学测试；利用电导率仪23和pH计24配置不同酸碱度和电导率的土壤溶液并在实验过程中监测土壤溶液参数的变化。该试验系统可以模拟埋地钢制管道实际工况，能够进行不同影响因素（土壤电阻率/电导率、土壤酸碱度、不同应力水平、杂散电流种类/强度、破损面积/剥离面积等）下的腐蚀规律实验；能够进行管线阴极剥离实验以及因杂散电流流入导致涂层破损处产生剥离的实验；能够进行管线阴极剥离导致的层下腐蚀实验以及因涂层破损产生的腐蚀（包括杂散电流腐蚀）实验。
发明的一种应力与杂散电流耦合作用下埋地钢质管道涂层剥离与腐蚀试验系统包括应力加载试验系统、土壤环境模拟系统、杂散电流模拟系统、阴极保护系统、电化学测试系统。
应力加载试验系统产生管线试验所需压力，土壤环境模拟系统模拟管线所处的土壤环境，配置不同酸碱度和电导率的土壤溶液，杂散电流模拟系统产生直流、交流、交直混流杂散电流，阴极保护系统为管线提供阴极保护电位，电化学测试系统测试不同影响因素下管线涂层破损点处的腐蚀电位以及进行涂层剥离点处动电位扫描、交流阻抗谱分析等电化学测试。
所述的应力加载试验系统包括施力手柄1、加载丝杠2、压盖3、螺栓4、填料5、法兰盘6、螺栓8、密封圈10、螺栓11、管道14、密封圈15、电解池16、防腐层17、橡胶垫18、压力表19、联接板20、双头螺柱21、活塞组件；
加载丝杠（2）一端套有施力手柄（1），另一端为空腔结构，压盖（3）为倒“凸”字形结构，外圈为圆形且中心为通孔，法兰盘（6）为“工”字形结构，外圈为圆形且顶端中心为通孔，底端中心为螺纹孔，通孔和螺纹孔相连通，加载丝杠（2）依次穿过压盖（3）通孔以及法兰盘（6）的通孔和螺纹孔，加载丝杠（2）与活塞组件相接触，管道（14）外表面呈倒“凸”字形，活塞组件与管道（14）内表面相联，管道（14）外表面涂覆防腐层（17），管道（14）穿过电解池（16），底部连接压力表（19）；螺栓（8）位于法兰盘（6）中部与法兰盘（6）垂直，螺栓（8）与法兰盘（6）间为螺纹连接；法兰盘（6）与压盖（3）和管道（14）之间均为螺纹连接；管道（14）与双头螺柱（21）、联接板（20）组成支架，支撑整个应力加载试验系统；加载丝杠（2）与施力手柄（1）、活塞组件间均为间隙配合，压盖（3）凸起处外圈与法兰盘（6）通孔为过盈配合，形成填料箱，压盖（3）凸起结构压紧填料（5），法兰盘（6）与加载丝杠（2）间为填料密封；在防腐层（17）表面钻两个孔露出管线以形成防腐层破损点B和破损点D，在防腐层（17）内表面一处不涂粘结剂与管道（14）形成空隙以模拟防腐层剥离点C。
进一步，所述活塞组件包括活塞杆7、螺旋弹簧9、活塞12、密封圈13；螺旋弹簧9套在活塞杆7上，螺旋弹簧9底端与活塞12接触，螺旋弹簧9顶端与加载丝杠2接触，活塞12表面加工出沟槽，密封圈13嵌入沟槽内形成密封。螺旋弹簧9将加载丝杠2的轴向力稳定而均匀的传递至活塞12同时起到缓冲保护的作用，活塞12表面加工出沟槽，密封圈13嵌入沟槽内形成轴向密封防止硅油从管道中泄露。
进一步，所述的土壤环境模拟系统包括电导率仪23、探针P1、pH计24、探针P2；电导率仪23连接探针P1，pH计24连接探针P2；探针P1、P2浸没于电解池的土壤溶液中。
进一步，所述的杂散电流模拟系统包括脉冲信号发生器25、功率放大器26、恒流源27、智能中断器28、第二辅助电极CE2、电流表A2、电流表A3、开关K2、开关K3；
脉冲信号发生器25与功率放大器26相连，功率放大器26正极串接开关K2和电流表A2后连接智能中断器28输入端正极，功率放大器26负极连接智能中断器28输入端负极,恒流源27正极串接开关K3和电流表A3后连接智能中断器28输入端正极，恒流源27负极连接智能中断器28输入端负极,智能中断器28输出端正极连接防腐层17破损点B，负极连接第二辅助电极CE2。
进一步，所述的阴极保护系统包括恒压源22、电流表A1、开关K1、第一辅助电极CE1；恒压源22正极连接第一辅助电极CE1,负极串接开关K1和电流表A1后连接管道14。
进一步，所述的电化学测试系统由PC机29、电化学工作站30、参比电极RE、第三辅助电极CE3；所述电化学工作站30与PC机29相连，电化学工作站30三电极分别与管道14、参比电极RE、第三辅助电极CE3相连组成三电极体系，参比电极RE靠近涂层剥离点C，参比电极RE与试样5间距离在0.5cm至2cm范围内；第三辅助电极CE3位于参比电极RE和涂层剥离点C之间。
根据实验需要配置多组土壤模拟溶液，配置的土壤溶液性质与实际土壤理化性质相似，实验前用电导率仪23和pH计24测定土壤溶液的电导率和pH值，在实验过程中仍不断用电导率仪23和pH计24测试溶液酸碱度和电导率值，当参数发生时需及时调整。
脉冲信号发生器25可以产生不同频率和幅值的交流信号，功率放大器26放大交流信号以模拟交流杂散电流，恒流源27产生强度不同的直流电以模拟直流杂散电流，智能中断器28可以实现杂散电流的持续（持续时间）、间歇（作用频次）和瞬间三种干扰形式的控制。开关K2、K3的开闭可以实现对交流、直流、交直流混流三种杂散电流的控制。
恒压源22为管道14提供所需的阴极保护电位，开关K1的开闭可以实现对管道14有无阴极保护的控制。
电化学工作站30测试不同影响因素（土壤电阻率/电导率、土壤酸碱度、不同应力水平、杂散电流种类/强度、破损面积/剥离面积等）下管线涂层破损点B处的腐蚀电位以及对涂层剥离点C处进行动电位扫描、交流阻抗谱分析等电化学测试。
该试验系统可以模拟埋地管道工况，能够产生直流、交流、交直流混流杂散电流；能够根据实际运行工况提供实验所需的介质工作压力；能够模拟管道阴极保护；能够进行涂层阴极剥离实验以及因杂散电流流入导致涂层破损处产生剥离的实验；能够进行阴极剥离导致的层下腐蚀实验以及因涂层破损产生的腐蚀（包括杂散电流腐蚀）实验；能够进行不同影响因素（土壤电阻率/电导率、土壤酸碱度、不同应力水平、杂散电流种类/强度、破损面积/剥离面积等）下的腐蚀规律实验。可适用于埋地钢质管道涂层剥离与腐蚀检测实验室研究以及管道生产企业的前期研究中。
附图说明
图1为本发明整体结构剖面图。
图2为活塞组件结构剖面图。
图3.1为管道主视图剖面图，图3.2为管道俯视图。
图4.1为法兰盘主视图剖面图，图4.2为法兰盘俯视图。
图5.1为压盖主视图剖面图，图5.2为压盖俯视图
图中，施力手柄1、加载丝杠2、压盖3、螺栓4、填料5、法兰盘6、活塞杆7、螺栓8、螺旋弹簧9、密封圈10、螺栓11、活塞12、密封圈13、管道14、密封圈15、电解池16、防腐层17、橡胶垫18、压力表19、联接板20、双头螺柱21、恒压源22、电导率仪23、pH计24、脉冲信号发生器25、功率放大器26、恒流源27、智能中断器28、PC机29、电化学工作站30。
具体实施方式：
在图1所示的本发明一种应力与杂散电流耦合作用下埋地钢质管道涂层剥离与腐蚀试验系统具体结构剖面图中，管道14内倒入硅油，搭建应力加载试验系统。推动施力手柄1带动加载丝杠2旋转通过螺旋传动产生轴向力压缩螺旋弹簧9进而将力传递至活塞12，活塞12压缩硅油产生压力使管道14受到应力作用，观察压力表19示数，直至指定压力时停止推动施力手柄1，旋紧螺栓8防止加载丝杠2转动。当需改变管道14所受应力时，旋出螺栓8，推动施力手柄1直至所需压力再旋紧螺栓8。
搭建土壤环境模拟系统、杂散电流模拟系统、阴极保护系统、电化学测试系统。利用土壤环境模拟系统配置所需的土壤溶液，将土壤溶液倒入电解池16内。将上述系统与应力加载试验系统连通。打开PC机29、电化学工作站30、脉冲信号发生器25、功率放大器26电源、智能中断器28、恒流源27、恒压源22、电导率仪23、pH计24电源，按以下步骤进行不同影响因素（土壤电阻率/电导率、土壤酸碱度、不同应力水平、杂散电流种类/强度、破损面积/剥离面积等）下的腐蚀规律实验。
1、闭合开关K1对管道14进行阴极保护。
2、打开开关K2闭合开关K3向管道14通入直流杂散电流。
3、设定PC机29中电化学工作站30软件的参数测量管道14中电位并进行处理得到曲线，电导率仪23和pH计24实时监测溶液的电导率和酸碱度。
4、改变恒流源27电流强度，改变智能中断器28实现电流的持续（持续时间）、间歇（作用频次）和瞬间三种形式的干扰，用电化学工作站30测量管道14中电位并进行处理得到曲线。
5、闭合开关K2打开开关K3向管道14通入交流杂散电流，用电化学工作站30测量管道14中电位并进行处理得到曲线。
6、改变脉冲信号发生器25信号的频率和幅值，改变智能中断器28实现电流的持续、间歇和瞬间三种形式的干扰，用电化学工作站30测量管道14中电位并进行处理得到曲线。
7、闭合开关K2、开关K3向管道14通入交直混流杂散电流，用电化学工作站30测量管道14中电位并进行处理得到曲线。
8、改变管道14所受应力，重复步骤2—7，每改变一次应力重复一遍步骤2—7，至少改变两次应力后进行步骤9。
9、断开所有设备电源，取出电极和探针，将电解池16溶液倒出，将电导率和pH值不同的土壤溶液倒入，接通所有电源，重复一遍步骤2—8后进行步骤10。
10、断开所有设备电源，取出电极和探针，将电解池16溶液倒出。
按以下步骤进行涂层阴极剥离实验以及因杂散电流流入导致涂层破损处剥离的实验。
1、闭合开关K1对管道14进行阴极保护。
2、打开开关K2闭合开关K3向管道14通入直流杂散电流。
3、实验一段时间后，断开开关K1、K2、K3。设定PC机29中电化学工作站30软件的参数对管道14剥离点C处进行交流阻抗谱分析及动电位扫描。
4、闭合开关K1、K3，改变恒流源27电流强度，改变智能中断器28实现电流的持续（持续时间）、间歇（作用频次）和瞬间三种形式的干扰，用电化学工作站30对管道14剥离点C处进行交流阻抗谱分析及动电位扫描。
5、闭合开关K1、K2断开开关K3向管道14通入交流杂散电流，用电化学工作站30对管道14剥离点C处进行交流阻抗谱分析及动电位扫描。
6、闭合开关K1、K2、K3改变脉冲信号发生器25信号的频率和幅值，改变智能中断器28实现电流的持续、间歇和瞬间三种形式的干扰，用电化学工作站30对管道14剥离点C处进行交流阻抗谱分析及动电位扫描。
7、闭合开关K1、K2、K3向管道14通入交直混流杂散电流，用电化学工作站30对管道14剥离点C处进行交流阻抗谱分析及动电位扫描。
8、改变管道14所受应力，重复步骤2—7，每改变一次应力重复一遍步骤2—7，至少改变两次应力后进行步骤9。
9、断开所有电源，将电解池16溶液倒出，将电导率和pH值不同的土壤溶液倒入，接通所有电源，重复一遍步骤2）—8）后进行步骤10）。
10、断开所有电源，取出电极和探针，倒出土壤溶液，观察管道14防腐层破损点B处剥离情况，必要时可扩大防腐层破损面积以测量管道层下腐蚀面积。
Claims (6)
1.一种应力与杂散电流耦合作用下埋地钢质管道涂层剥离与腐蚀试验系统，其特征在于：包括应力加载试验系统、土壤环境模拟系统、杂散电流模拟系统、阴极保护系统、电化学测试系统；
所述的应力加载试验系统包括施力手柄（1）、加载丝杠（2）、压盖（3）、螺栓（4）、填料（5）、法兰盘（6）、螺栓（8）、密封圈（10）、螺栓（11）、管道（14）、密封圈（15）、电解池（16）、防腐层（17）、橡胶垫（18）、压力表（19）、联接板（20）、双头螺柱（21）、活塞组件；
加载丝杠（2）一端套有施力手柄（1），另一端为空腔结构，压盖（3）为倒“凸”字形结构，外圈为圆形且中心为通孔，法兰盘（6）为“工”字形结构，外圈为圆形且顶端中心为通孔，底端中心为螺纹孔，通孔和螺纹孔相连通，加载丝杠（2）依次穿过压盖（3）通孔以及法兰盘（6）的通孔和螺纹孔，加载丝杠（2）与活塞组件相接触，管道（14）外表面呈倒“凸”字形，活塞组件与管道（14）内表面相联，管道（14）外表面涂覆防腐层（17），管道（14）穿过电解池（16），底部连接压力表（19）；螺栓（8）位于法兰盘（6）中部与法兰盘（6）垂直，螺栓（8）与法兰盘（6）间为螺纹连接；法兰盘（6）与压盖（3）和管道（14）之间均为螺纹连接；管道（14）与双头螺柱（21）、联接板（20）组成支架，支撑整个应力加载试验系统；加载丝杠（2）与施力手柄（1）、活塞组件间均为间隙配合，压盖（3）凸起处外圈与法兰盘（6）通孔为过盈配合，形成填料箱，压盖（3）凸起结构压紧填料（5），法兰盘（6）与加载丝杠（2）间为填料密封；在防腐层（17）表面钻两个孔露出管线以形成防腐层破损点B和破损点D，在防腐层（17）内表面一处不涂粘结剂与管道（14）形成空隙以模拟防腐层剥离点C。
2.根据权利要求1一种应力与杂散电流耦合作用下埋地钢质管道涂层剥离与腐蚀试验系统，其特征在于：所述活塞组件包括活塞杆（7）、螺旋弹簧（9）、活塞（12）、密封圈（13）；螺旋弹簧（9）套在活塞杆（7）上，螺旋弹簧（9）底端与活塞（12）接触，螺旋弹簧（9）顶端与加载丝杠（2）接触，活塞（12）表面加工出沟槽，密封圈（13）嵌入沟槽内形成密封。
3.根据权利要求1一种应力与杂散电流耦合作用下埋地钢质管道涂层剥离与腐蚀试验系统，其特征在于：所述的土壤环境模拟系统包括电导率仪（23）、探针P1、pH计（24）、探针P2；电导率仪（23）连接探针P1，pH计（24）连接探针P2；探针P1、P2浸没于电解池的土壤溶液中。
4.根据权利要求1一种应力与杂散电流耦合作用下埋地钢质管道涂层剥离与腐蚀试验系统，其特征在于：所述的杂散电流模拟系统包括脉冲信号发生器（25）、功率放大器（26）、恒流源（27）、智能中断器（28）、第二辅助电极CE2、电流表A2、电流表A3、开关K2、开关K3；
脉冲信号发生器（25）与功率放大器（26）相连，功率放大器（26）正极串接开关K2和电流表A2后连接智能中断器（28）输入端正极，功率放大器（26）负极连接智能中断器（28）输入端负极,恒流源（27）正极串接开关K3和电流表A3后连接智能中断器（28）输入端正极，恒流源（27）负极连接智能中断器（28）输入端负极,智能中断器（28）输出端正极连接防腐层（17）破损点B，负极连接第二辅助电极CE2。
5.根据权利要求1一种应力与杂散电流耦合作用下埋地钢质管道涂层剥离与腐蚀试验系统，其特征在于：所述的阴极保护系统包括恒压源（22）、电流表A1、开关K1、第一辅助电极CE1；恒压源（22）正极连接第一辅助电极CE1,负极串接开关K1和电流表A1后连接管道（14）。
6.根据权利要求1一种应力与杂散电流耦合作用下埋地钢质管道涂层剥离与腐蚀试验系统，其特征在于：所述的电化学测试系统由PC机（29）、电化学工作站（30）、参比电极RE、第三辅助电极CE3；所述电化学工作站（30）与PC机（29）相连，电化学工作站（30）三电极分别与管道（14）、参比电极RE、第三辅助电极CE3相连组成三电极体系，参比电极RE靠近涂层剥离点C，参比电极RE与试样（5）间距离在0.5cm至2cm范围内；第三辅助电极CE3位于参比电极RE和涂层剥离点C之间。
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