CN105203448A - 用于模拟太阳能热水器内桶加速腐蚀的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于模拟太阳能热水器内桶加速腐蚀的试验装置及方法，通过内桶加持装置加持内桶试样，通过内置试验溶液的水箱及蠕动泵为内桶试样提供试验溶液，以模拟太阳能热水器内桶的使用状态，通过温控装置对内桶试样的试验溶液进行温度控制。通过实现模拟内桶的蒸汽、水线腐蚀等实际工作环境，从而在实验室条件下通过加速腐蚀试验，来评价内桶所用不锈钢材料的耐腐蚀性能，尤其是耐水线腐蚀和蒸汽腐蚀性能。以弥补现有太阳能热水器内桶用不锈钢材料在这些腐蚀性能评价方法上的缺失。

Description

用于模拟太阳能热水器内桶加速腐蚀的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及不锈钢内桶的腐蚀模拟技术，更具体地说，涉及一种用于模拟太阳能热水器内桶加速腐蚀的试验装置及方法。

背景技术

太阳能热水器是一种将太阳的光能转化为热能，将水从低温加热到高温，以满足人们在生活、生产中热水需求的装置。随着能源的日益紧张，该领域发展迅速，在热水器行业的应用日益普遍，2011年的产量就达近2000万台，且以每年约20％左右的速度扩大。

作为太阳能热水器关键部件，太阳能热水器内桶对于整个太阳能热水器产品的可靠性起着关键作用，一旦内桶发生失效，会对整个热水器带来毁灭性影响，往往只能报废处理，更有严重的会造成漏电、短路，酿成火灾等。因此，太阳能热水器内桶的腐蚀性能评价显得尤为重要。

然而，太阳能热水器内桶是一个极端复杂的腐蚀体系，该腐蚀体系不仅包含了点蚀、缝隙腐蚀、焊缝腐蚀、水线腐蚀等多种常见腐蚀形式，还包含了太阳能热水器内桶特有的因蒸汽在内桶壁凝结成液滴造成液滴内外氧浓差而形成的“蒸汽腐蚀”，同时受到因不同成桶工艺、使用地区不同水质差异带来的腐蚀影响。传统腐蚀评价方法只是针对某一特定环境或某一特定腐蚀倾向性进行评价表征，在针对此类极端复杂腐蚀体系进行表征时表现出极大的局限性，工作量巨大且参考性不强。

目前的模拟加速腐蚀试验装置多基于传统方法。譬如专利

CN202033273U设计的就是单一模拟普通大气干湿交替环境下的试验装置，这种专利只考虑了单一腐蚀，无法评价太能能热水器内桶的多种腐蚀。也有一些模拟加速腐蚀试验装置针对了多种腐蚀因素的复合作用，譬如专利CN202661361U设计的就是一种把盐雾试验、紫外加速试验、周期浸润试验三种试验复合在一起的大气腐蚀复合加速试验箱；专利

CN201259481U描述的则是将应力腐蚀与干湿交替加速腐蚀复合在一起的一种腐蚀试验装置。这种复合只是基于传统腐蚀评价方法的简单复合，仍然无法反映太阳能热水器内桶极端复杂腐蚀体系的特征。

因此，要研究该体系中材料的耐水线腐蚀和蒸汽腐蚀性能，现有的常规腐蚀方法几乎很难适用。在太阳能行业内，厂商往往不得不采用内桶成品进行暴晒试验，具体做法是：将内桶成品在太阳下暴晒(表面温度超过100℃)一段时间之后泼洒海水，或者直接将内桶成品装满5％左右NaCl溶液后进行暴晒，耗时往往数月甚至半年时间，通过观察桶身外表面的腐蚀状况来评价材料的耐蚀性。这种方法由于试验条件与使用情况差异较大，无法真实反映桶内腐蚀情况，而且试验条件无法精确控制，使得评价结果的有效性和可靠性大打折扣。同时，获得的腐蚀结果也复杂而且混乱，分散度大，给后期的系统分析带来很大难度，难以得到客观清晰的结论。

发明内容

针对现有技术中存在的上述缺点，本发明的目的是提供一种用于模拟太阳能热水器内桶加速腐蚀的试验装置及方法，能够模拟太阳能热水器内桶的实际工作环境，并且能在实验室条件下通过加速腐蚀试验，来评价内桶所用不锈钢材料的耐腐蚀性能。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一方面，一种用于模拟太阳能热水器内桶加速腐蚀的试验装置，包括：

内桶加持装置，用以加持太阳能热水器内桶试样并对试样两端进行密封；

水箱，内置试验溶液，水箱两端分别设有一出口和入口，出口外接第一蠕动泵并通过输送管连通至内桶试样的一端，入口外接第二蠕动泵并通过输送管连通至内桶试样的二端，以形成溶液循环管路；

温控装置，包括置于水箱内且用以加热溶液的石英加热棒、测温热电偶、分别与石英加热棒、测温热电偶相连的温控器。

所述的水箱上还设有活性炭加入口。

所述的水箱内还插置有冷凝管。

所述的水箱顶部为尖顶结构，水箱外部包裹有保温棉；所述的输送管外设有保温套。

所述的内桶加持装置包括分别设于内桶试样两端的橡胶垫圈、分别设于橡胶垫圈外侧的法兰盘、连接两法兰盘并用以拧紧的螺旋旋紧杆。

另一方面，一种用于模拟太阳能热水器内桶加速腐蚀的试验方法，包括以下步骤：

A.制备内桶试样，采用内桶加持装置加持内桶试样，并与水箱通过输送管连接；

B.将配制好的试验溶液加入到水箱中，同时加入活性炭，打开石英加热棒和温控器，同时打开冷凝管的循环水冷系统；

C.待试验溶液加热到试验温度后，打开第一蠕动泵，以较高的流速将试验溶液快速注入内桶试样至相应量后，打开第二蠕动泵并以较低的稳定流速回流溶液，并调节第一蠕动泵的流速与第二蠕动泵相同，进行试验溶液的循环；

D.到预定试验天数后，关闭石英加热棒、温控器和第一蠕动泵，等到内桶试样中试验溶液放干后，关闭第二蠕动泵和冷凝管的循环水冷系统，取下内桶试样，即可观察桶内腐蚀形貌。

所述的石英加热棒的加热功率范围为1000-3000W，升温速率控制在1-3℃/分钟，温控器的控制温度范围为5-100℃，用以模拟各种温度条件下的内桶腐蚀环境。

所述的第一、第二蠕动泵的工作流量控制范围为0.1667-1700毫升/分钟，通过对第一、第二蠕动泵流速的调节，实现对桶内水位的调节及稳定控制。

在加持内桶试样时，使内桶试样的焊缝朝上，处于内桶试样的顶部。

在上述技术方案中，本发明的用于模拟太阳能热水器内桶加速腐蚀的试验装置及方法，能够模拟太阳能热水器内桶的实际工作环境，并且能在实验室条件下通过加速腐蚀试验，来评价内桶所用不锈钢材料的耐腐蚀性能，尤其是耐水线腐蚀和蒸汽腐蚀性能。通过这一试验装置和方法，可弥补现有太阳能热水器内桶用不锈钢材料在这些腐蚀性能评价方法上的缺失。借助本发明，无论对于材料耐蒸汽腐蚀性能和水线腐蚀的评价，还是针对材料真实服役的腐蚀失效模拟研究，都具有重要意义。

附图说明

图1是本发明制备内桶试样所选取的样板的示意图；

图2是本发明所制备的内桶试样的结构示意图；

图3是本发明的试验装置的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的技术方案。

首先，本发明的构思基于以下原理：

太阳能热水器内桶是一个自来水的贮存器，其中自来水的温度范围在30-90℃之间，并且不同地区的水中氯离子含量和PH值也各不相同，内桶中还存在缓慢的水交换过程。

蒸汽腐蚀的模拟：由于内桶试样内的蒸汽本身会在试样顶端内壁遇冷凝结，而溶液温度对蒸汽量影响较大，溶液成分和PH值都会影响蒸汽腐蚀。于是需要寻找这样一种方法，既可以控制内桶试样内的试验溶液温度，又能调节试验溶液中氯离子含量以及PH值，以此来研究不同环境条件下内桶试样的耐蒸汽腐蚀性能。为此，我们设计了可以加热控温的水箱，通过抽水设备(蠕动泵)与内桶试样相连接，实现水箱中溶液与内桶试样中溶液的循环，从而达到对内桶试样内溶液温度和溶液组分的控制。同时，内桶试样的工作环境也与太阳能热水器实际使用环境类似。

水线腐蚀的模拟：模拟水线腐蚀的关键是对内桶试样内水位的控制，要求既要能精确控制水位，保持水线稳定，又可以在改变水位之后能再次保持水位稳定。另外，能否保持水位的稳定也影响到蒸汽腐蚀的评价。因此，保持水位稳定是本发明试验方法的关键技术。为此，我们巧妙利用了两台同型号的蠕动泵各自与水箱和内桶试样连接，一台负责进水，另一台负责出水，从而实现对样桶内溶液水位的稳定控制。蠕动泵还有一个优点就是可以设置较低流速，这也符合太阳能热水器实际使用过程中缓慢的水交换过程。

太阳能热水器内桶的密封：由不同尺寸的样板得到的内桶试样的尺寸也会不同，因此必须解决不同直径和长度的内桶试样的密封问题。为了解决这一问题，我们设计了用橡胶垫圈和法兰盘通过螺旋旋紧杆进行密封的方案。这一方案可以有效的解决不同尺寸的内桶试样的密封问题，而且该方案对于样品的形状也没有太多要求，原则上只要是具有平整平面切口且沿轴向能承受一定应力确保能通过法兰螺栓紧固，以实现密封的试样都可以进行该腐蚀试验，经过试验验证，密闭性能非常好。

基于上述原理，本发明的用于模拟太阳能热水器内桶加速腐蚀的试验装置如图3所示，其主要包括内桶加持装置、水箱4和温控装置，其中，内桶加持装置用以加持太阳能热水器内桶试样2并对试样两端进行密封，其包括分别设于内桶试样2两端的橡胶垫圈5、分别设于橡胶垫圈5外侧的法兰盘6、连接两法兰盘6并用以拧紧的螺旋旋紧杆7。内桶试样2两端通过用内桶试样2和带螺旋旋紧杆7的法兰盘6封死，以防止漏液。当然，内桶试样2还可固定在一个体积不小于水箱4体积的箱体(图中未示出)，以防止内桶试样2腐蚀过于严重后引发的溶液外泄，同时也可以起到一定的保护作用，避免因人为原因造成的试样翻滚。

水箱4，其内置有配置好的试验溶液，在水箱4两端分别设有一出口和入口，出口外接第一蠕动泵8a并通过输送管9连通至内桶试样2的一端，入口外接第二蠕动泵8b并通过输送管9连通至内桶试样2的二端，以形成溶液循环管路。两蠕动泵8a、8b的工作流量控制范围为0.1667-1700毫升/分钟，且与水箱4和内桶试样2间的距离都要尽量短，同时裸露在空气中的输送管9均外加保温套，以减少试验溶液在管中的温度损失。对蠕动泵流速的调节可以实现对桶内水位的调节以及稳定控制。

温控装置，包括置于水箱4内且用以加热溶液的石英加热棒10、测温热电偶11、分别与石英加热棒10、测温热电偶11相连的温控器12。其中，石英加热棒10的加热功率范围为1000-3000W，升温速率控制在1-3℃/分钟，温控器12的控制温度范围为5-100℃，用以模拟各种温度条件下的内桶腐蚀环境。

在所述的水箱4上还设有活性炭加入口13，通过在水箱4中加入活性炭可实现增氧，这是因为水温较高的环境下氧的溶解度较低，而氧的还原反应是腐蚀发生过程中阴极反应的主要过程，所以活性炭增氧可以实现加速腐蚀，有利于快速评价材料的耐蚀性。

在所述的水箱4内还插置有冷凝管14，通过其循环水冷系统控制，可防止水分蒸发导致水箱4内试验溶液浓度的增加。另外，将水箱4顶部设计为尖顶结构，可防止因冷凝水悬挂导致水分损失而影响溶液浓度。

水箱4外部还可采取保温措施，如覆盖保温棉15等，一是可以更有效的保持水箱4内溶液温度，二是能够减少电能消耗，节约能源。

另外，在水箱4中还可放置电磁阀(图中未示)，防止内桶试样2腐蚀严重导致溶液外泄，从而引发水箱4内溶液液面下降后烧坏该试验装置。

采用上述试样装置进行模拟太阳能热水器内桶加速腐蚀的试验方法，包括以下步骤：

A.制备内桶试样，采用内桶加持装置加持内桶试样，并与水箱通过输送管连接；在制备内桶试样时，先选取样板1，如图1所示：

样板厚度：0.3-3mm(最佳厚度范围为0.4-2mm)。

样板宽度：200mm-400mm(最佳范围为250mm-350mm)。

样板长度：400-800mm(最佳范围为500mm-650mm)。

裁切方式：剪切、锯切或电火花线切割，推荐剪切磨边。

样板处理：去油、冲洗后吹干。

然后再拼焊连接，即将样板沿短边弯曲成圆桶形对接后拼焊，焊接方式及参数可根据研究目的自行选择。焊接好之后对样桶表面清洗去污，吹干，并对样板内外面拍照记录。最终获得的内桶试样2形状如下图2所示。

并且在加持时，内桶试样的焊缝3位置应位于其顶部，这是结合太阳能热水器内桶的实际情况而定。太阳能热水器厂家都会将焊缝设计在内桶顶端，这样可以减小容易发生腐蚀的焊缝腐蚀带来的风险。

B.将配制好的试验溶液加入到水箱中，同时加入活性炭，打开石英加热棒和温控器，同时打开冷凝管的循环水冷系统；

C.待试验溶液加热到试验温度后，打开第一蠕动泵，以较高的流速将试验溶液快速注入内桶试样至相应量后，打开第二蠕动泵并以较低的稳定流速回流溶液，并调节第一蠕动泵的流速与第二蠕动泵相同，进行试验溶液的循环；

D.到预定试验天数后，关闭石英加热棒、温控器和第一蠕动泵，等到内桶试样中试验溶液放干后，关闭第二蠕动泵和冷凝管的循环水冷系统，取下内桶试样，即可观察桶内腐蚀形貌，之后用纯水清洗内桶试样并吹干，以便于进一步研究。

实施例1

太阳能热水器内桶目前大都采用304不锈钢，因此选用304不锈钢做成试验内桶，试验溶液选用5％NaCl溶液，PH＝6，溶液温度控制为85℃，两蠕动泵的稳定流速设定为10mL/min，并且在第15天通过改变两蠕动泵的流速，调节内桶试样内水位，控制内桶试样内水位分别位于1/3和2/3处。经过30天试验之后，取下内桶试样并打开，观察桶内腐蚀情况如下：

内桶试样顶部发生了较为严重的蒸汽腐蚀，腐蚀形貌为典型的液滴腐蚀形貌，即中心为锈点，中间层几乎没有腐蚀，最外层为起锈层。内桶试样侧面发生了明显的水线腐蚀，可在1/3和2/3处发现明显的锈蚀痕迹。焊缝的腐蚀比邻近区域严重，可以看出明显的焊缝区。

实施例2

仍然选用304不锈钢做成试验内桶，试验溶液选用3.5％NaCl溶液，PH＝7，溶液温度控制为50℃，蠕动泵稳定流速设定为5mL/min，控制两台蠕动泵流量使内桶试样内水位恒定在1/2处。经过15天试验之后，取下内桶试样并打开，观察桶内腐蚀情况如下：内桶试样顶部发生了较为轻微的蒸汽腐蚀，可以看到零星的蒸汽液滴腐蚀锈点。内桶试样侧面几乎看不到水线腐蚀焊缝区域较相邻区域腐蚀严重，可以看到轻微的焊缝腐蚀区。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (9)

1.一种用于模拟太阳能热水器内桶加速腐蚀的试验装置，其特征在于，包括：

内桶加持装置，用以加持太阳能热水器内桶试样并对试样两端进行密封；

水箱，内置试验溶液，水箱两端分别设有一出口和入口，出口外接第一蠕动泵并通过输送管连通至内桶试样的一端，入口外接第二蠕动泵并通过输送管连通至内桶试样的二端，以形成溶液循环管路；

温控装置，包括置于水箱内且用以加热溶液的石英加热棒、测温热电偶、分别与石英加热棒、测温热电偶相连的温控器。

2.如权利要求1所述的用于模拟太阳能热水器内桶加速腐蚀的试验装置，其特征在于：

所述的水箱上还设有活性炭加入口。

3.如权利要求1所述的用于模拟太阳能热水器内桶加速腐蚀的试验装置，其特征在于：

所述的水箱内还插置有冷凝管。

4.如权利要求1所述的用于模拟太阳能热水器内桶加速腐蚀的试验装置，其特征在于：

所述的水箱顶部为尖顶结构，水箱外部包裹有保温棉；所述的输送管外设有保温套。

5.如权利要求1所述的用于模拟太阳能热水器内桶加速腐蚀的试验装置，其特征在于：

所述的内桶加持装置包括分别设于内桶试样两端的橡胶垫圈、分别设于橡胶垫圈外侧的法兰盘、连接两法兰盘并用以拧紧的螺旋旋紧杆。

6.一种用于模拟太阳能热水器内桶加速腐蚀的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

A.制备内桶试样，采用内桶加持装置加持内桶试样，并与水箱通过输送管连接；

B.将配制好的试验溶液加入到水箱中，同时加入活性炭，打开石英加热棒和温控器，同时打开冷凝管的循环水冷系统；

C.待试验溶液加热到试验温度后，打开第一蠕动泵，以较高的流速将试验溶液快速注入内桶试样至相应量后，打开第二蠕动泵并以较低的稳定流速回流溶液，并调节第一蠕动泵的流速与第二蠕动泵相同，进行试验溶液的循环；

D.到预定试验天数后，关闭石英加热棒、温控器和第一蠕动泵，等到内桶试样中试验溶液放干后，关闭第二蠕动泵和冷凝管的循环水冷系统，取下内桶试样，即可观察桶内腐蚀形貌。

7.如权利要求6所述的非晶、纳米晶制带用冷却辊辊面粗糙度控制方法，其特征在于：

所述的石英加热棒的加热功率范围为1000-3000W，升温速率控制在1-3℃/分钟，温控器的控制温度范围为5-100℃，用以模拟各种温度条件下的内桶腐蚀环境。

8.如权利要求6所述的非晶、纳米晶制带用冷却辊辊面粗糙度控制方法，其特征在于：

所述的第一、第二蠕动泵的工作流量控制范围为0.1667-1700毫升/分钟，通过对第一、第二蠕动泵流速的调节，实现对桶内水位的调节及稳定控制。

9.如权利要求6所述的非晶、纳米晶制带用冷却辊辊面粗糙度控制方法，其特征在于：

在加持内桶试样时，使内桶试样的焊缝朝上，处于内桶试样的顶部。