CN105758786B - 一种金属在动态环境中腐蚀试验的模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种动态海水环境中模拟金属腐蚀试验的装置系统，属于金属腐蚀领域的模拟实验和测试技术。该装置由制冷区、测试区和控温区水泵区构成。其中，制冷区保持海水温度恒定不变，并且可以调控温度变化。水泵区在储水的同时，也为海水提供动力，使其以一定的速度冲刷试样。测试区放置试样和进行电化学测试，试样夹具的设计可以调控试样与水流的相对角度及试样振动频率。本发明从温度、海水速度、冲蚀角度和船舶振动频率四个方面探究动海水中船舶的腐蚀行为，结合电化学测试技术，对腐蚀动态全过程进行实时连续监测，使得材料腐蚀研究的数据更加立体、准确，更好地评价各种材料及其防护措施，也为新型船用材料的研发、应用和保护提供依据。

Description

一种金属在动态环境中腐蚀试验的模拟装置

技术领域

本发明属于金属腐蚀研究领域，尤其是涉及一种动态环境下金属腐蚀模拟装置和实验方法的研究。

背景技术

金属材料在严峻的海洋环境中，发生着各种形式的腐蚀。据估计，每年我国由于金属腐蚀带来的经济损失超过了2000亿元。这些损失浪费材料，造成海洋环境的污染，给国民经济带来巨大的损失。

金属材料处于动态海洋环境中，流动的海水使其发生冲刷腐蚀和空泡腐蚀等。这种腐蚀对于材料的影响周期长，影响因素复杂，给船用材料的性能评估带来一定的挑战。人们在模拟该情况时一般采取静态浸泡试验，这类试验的优势在于，操作过程简单方便，影响因素便于控制，但是不符合材料的实际状态以及受到环境、温度等条件的综合影响，对于动态过程不能进行连续的监测记录，无法反映出流速对于金属腐蚀的影响。关于动态腐蚀的研究，实验室模拟中比较有名的是ASTM-S TP655标准中介绍的Stauffer 试验设备，通过改变旋转速度和圆盘状试样直径获取不同的圆盘速度，一般用来模拟螺旋桨的腐蚀情况，但是高速旋转产生的剧烈震颤影响了电化学信号的捕捉和导出，影响测量结果，对旋转轴的垂直度也提出较高的要求。管流模拟实验通过将水流高速通过管道，并通过循环水达到往复使用。该实验对于模拟石油运输管道效果较好，但是需要大的溶液量和高试验费用，操作起来也十分复杂。

这些探索性研究要求我们深入研究动海水腐蚀体系的环境特征，综合考虑船体材受到的各种因素影响，使其模拟条件的控制更加精确。

冲刷腐蚀过程受到的影响因素众多，较为复杂。按照内部和外部影响因素可以分为材料本身和外界环境。材料本身受到组分、内部结构和表面状态影响，主要受控于材料制备和加工过程中，不考虑在动态腐蚀模拟装置控制的影响因素内。

对于动态海水，对材料表面会有一种质量传递作用以及产生表面切应力，所以流速的变化通过二者的协同作用对材料的腐蚀行为产生相应变化。而流水的方向会在材料的二维表面产生垂直的冲击和平行的剪切作用，这些协同作用随着试样表面和水流的相对角度发生变化。在实际航行中这些现象存在于船舶的变速、换向等过程中，以及船体设计时带来的不规则外形。此外，海水温度对腐蚀速率的影响较为显著，相关资料显示，大洋表层水温变化于-2～30℃之间，年平均值为17.4℃。而太平洋海域的年平均温度最高，为19.1℃，宽广的热带和副热带面积使其表面温度在25℃以上的海域约为66%，给我国南海海域的海水设备带来严峻的考验。船体的振动会导致疲劳损坏和仪表失准等问题，对于船体材料的腐蚀影响也有待考究。综上所述，海水流速，方向角以及温度等对船体腐蚀影响显著，是动态环境下研究金属腐蚀行为的重要因素。

综合考虑船舶实际航行所处的状态及影响因素，设计船舶材料在动水环境中的腐蚀模拟装置和试验方法，来研究舰船在动海水中的腐蚀行为，可以很好地为船体材料的测试、保护及研发等提供切实可行的依据。

发明内容

本发明中，提供了一种动态腐蚀模拟试验装置系统，可以模拟动海水环境下不同因素（水速、冲蚀角、温度等）对船体材料腐蚀行为的影响，也为动态腐蚀的测量提供一种方法。

本发明的技术方案如下：

一种船舶材料在动态海水中的模拟装置，主要由制冷区、测试区和水泵区三部分构成，综合考虑了海水流速、冲蚀角度、温度及船体振动频率四个因素，研究其对船体材料腐蚀行为的影响。

制冷区的主要主体部分是冷凝器，作用是控制水箱中的海水温度保持不变，研究恒温条件下其他因素对材料腐蚀行为的影响。水的温度也可以通过该制冷装置进行调控，在一定范围内研究温度对材料腐蚀的影响。

水泵区是用来储水的装置，根据最大流量来决定该部分体积的大小，水泵区放置有水泵，可通过调节压力大小来控制水速。流量传感器测出水口水流速度，通过信号转换系统得到不同压力下的水速值，并通过显示系统显现出来。水泵区和测试区之间设有挡板，可以通过增加或减少挡板的数量来调节水箱中水位高度。为防止高速冲刷的水飞溅到操作区域外，采用亚克力透明盖将水箱上表面覆盖，并安装亚克力透明盖扣手，便于停止实验时对水泵区内进行相关操作。

测试区的功能是放置试样及进行电化学测试，支架上安装有放置试样的夹具，从水泵区延伸出水管的管口，与试样夹具保持在同一竖直线上，且二者之间的距离控制在5cm左右，以保证水流更集中地冲刷到样品表面，减少速度的损失。试样夹具可通过螺旋方式控制试样在三维范围内的尺寸。当长方体薄片（或圆盘状试样）夹持并稳定后，通过旋转夹具改变水流和试样表面的相对角度，角度值的变化可通过旋转角度值得到。试样夹具连接机械振动装置，依靠皮带传动，将振动效应传递给试样，振动频率控制在几十赫兹范围内上下波动，通过控制振动装置的频率大小研究其对船体材料腐蚀的影响。

整体上看，水箱分为制冷区、水泵区和测试区三个部分，制冷区的冷凝器将温度控制在某一固定值，使得水泵区的水在高速冲刷并循环的过程中仍能保持在一定温度。此外，可以通过调节冷凝器的功率大小来实现温度的升高和降低。在水泵的动力作用下，恒温的水流经出水口高速冲刷在试样表面，试样与水流呈某一固定角度（0°，30°，60°或90°，根据实验需要设定相应的角度值），由流量传感器的数值给出水流速度。机械振动装置将振动效应传递给试样，实现在振动条件下水流高速冲刷试样表面。夹持试样的支架上安装有放置参比电极和对电极的部件，方便对冲刷后的试样进行电化学测量。水箱内部件接触到水的部分均采用防腐材料，水箱主体材料为不锈钢，并采用热喷涂工艺涂覆一层耐蚀耐磨的陶瓷质保护膜。亚克力透明盖的主要成分为聚甲基丙烯酸甲酯，一种耐腐蚀的高分子聚合物。夹具材料为不锈钢，同样在表面采用热喷涂工艺涂覆一层耐腐耐磨的陶瓷基质薄膜，避免与试样发生电偶腐蚀或受海水冲蚀影响电化学信号的准确度。水箱外部安装有信息记录和显示系统，负责采集、记录和显示环境变量，便于实验人员记录相关信息。机械振动装置的频率均由PLC电路来改变参数，从而控制系统中相应物理量的变化。此外，装置底部装有滑轮，对于运输体积和重量大的设备更加轻便。

此外，该装置还可以实现静态条件下金属腐蚀的测量。水泵停止工作时，将试样浸泡在海水中，并连接电化学装置，可以得到电化学参量随时间的连续变化，及静态条件下，海水温度对于材料腐蚀行为的影响，侧面反映出海水冲刷对船体材料腐蚀的作用。

本发明的优势之处在于：综合考虑了海水流速、温度、冲蚀角度和船体振动频率四个因素，研究船体材料在动海水中的腐蚀行为，更加接近船舰在服役过程中所处的复杂环境。该装置可完成动态与静态海水中材料的腐蚀情况，并且可以进行三电极电化学测试。由PLC电路写成的程序控制振动频率等参数。试样表面和水流之间的角度可以在0 - 90°内连续变化，通过研究剪切力和冲击力对样品表面的协同作用，更好地船体材料的结构设计。出水口安装的流量传感器可以得到速度参量，实时准确。冷水槽装置通过物理制冷，效率高，手动调控冷水槽进行温度参量的调控。可以根据需要更改水泵型号和水箱体积来获得不同极限值的速度，装置结构的扩展可以适用更多的实际情况。该装置参数控制精确，考虑了船舶在海水中的实际工况，能很好地模拟和研究船舶在动海水中的腐蚀行为。

附图说明

图1 动态腐蚀模拟装置全局俯视图。

图2 动态腐蚀模拟装置前视图。

图3动态腐蚀模拟装置侧视图。

图4 动态腐蚀模拟装置后视图。

图5 试样夹持装置示意图。

附图标记说明：测试区1、工装底座2、角钢3、挡板4、亚力克透明盖扣手5、水泵区6、冷凝器7、亚克力水箱盖8、水箱9、压缩机10、侧门11、液晶显示屏12、电源开关13、压力表14、前门15、电源线孔16、液位显示17、排水口18、数据接口19、后门20。

具体实施方式

以下通过具体事例来说明本发明的实施方式，但本发明不限于所提供的实施例，本领域技术人员可根据相应的需要以不同的实施方式对本发明进行使用和拓展。

以研究温度和海水冲蚀速度对材料腐蚀行为的协同作用为例。

1、在扫描电镜下得到处理之后的试样的微观形貌图。

2、静态海水中对打磨处理之后材料进行电化学测量，得到开路电压随时间变化的关系图。

3、将水速设定在4m/s，振动频率为20Hz不变，冲蚀角为0°，即水流与试样表面保持平行。

4、分别将温度设定在0°，10°20°，30°，在恒定温度下，以4m/s的恒定速度冲刷试样表面10h，然后进行电化学测试，得到表征腐蚀速率的电化学参量；由此得到4m/s条件下四个不同温度时的腐蚀速率。

5、改变水速，分别在0m/s，2m/s，6m/s条件下重复步骤3，得到相应速度下温度变化带来的材料腐蚀速率的变化。

6、以温度为自变量，腐蚀速率为因变量，在同一坐标系中得到0m/s，2m/s，4m/s，6m/s条件下的关系图，从关系图中得到二者分别对材料腐蚀行为的影响，以及二者之间的协同作用。此外，还可对比静态和动态海水环境中材料腐蚀的响应情况。

7、对电化学测试之后的试样在扫描电镜下观察试样的腐蚀形貌，并佐以XPS、EDX图谱等分析。

综上所述，可以通过改变不同参数获得不同因素及其协同作用对于船体材料腐蚀的影响，精确的条件控制复合实际工况条件，数字化控制便于参数的调控，动态电化学测试可以实时监测材料腐蚀情况。此外，可根据所需要的水速极值来更换相应工作动力的水泵，或根据需要更改溶液的性质探究不同盐溶液对材料腐蚀的影响。所以，本发明可以多方位地对船体材料的动态腐蚀进行精确的模拟和测试。

上述实例仅例示性说明是为了帮助读者理解本发明的工作原理及应用，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施案例。凡是根据本发明作出的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种动态腐蚀实验模拟实验装置，包括制冷区、水泵区和测试区三部分构成：

制冷区主要工作部分是冷凝器，作用是制冷，并保持水温恒定，在一定范围内可调节温度变化；水泵区的水箱用来存储海水，水泵区内为潜水泵，潜水泵为海水提供动力，置于水中以在高压下达到较高的冲击速度，使其以一定的速度冲刷试样表面；测试区进行试样的安装、电化学测试、试样测试表面角度的改变以及机械振动装置的传动；

能够进行动态电化学测量，支架安装有电极安放部件，能够在动态海水环境下进行三电极测试；

能够通过旋转夹具来改变试样表面和水流的相对角度；

测试区的功能是放置试样及进行电化学测试，支架上安装有放置试样的夹具，从水泵区延伸出水管的管口，与试样夹具保持在同一竖直线上；

试样夹具连接机械振动装置，靠皮带传动，将振动效应传递给试样，通过控制振动装置的频率大小研究其对船体材料腐蚀的影响；

试样表面与水流的相对角度能够通过测量夹具旋转所对应的旋转角精确得到；

能够通过增加或减少水泵区和测试区之间的不锈钢挡板数量来控制水箱内的水位；

能够通过调节试样夹具在不同方向上的位置来适应试样尺寸的不同；

试样的振动频率由机械振动装置通过皮带传递，参数范围控制在几十赫兹内。

2.如权利要求1中的动态腐蚀实验模拟实验装置，其特征在于制冷区所用的冷凝器基于氟利昂物理制冷原理，氟利昂的汽化和液化能够高效地降温并实现循环利用，制冷速度快，效率高。

3.如权利要求1中的动态腐蚀实验模拟实验装置，其特征在于水箱材料为不锈钢，耐腐蚀性和耐冲击性良好。

4.如权利要求1中的动态腐蚀实验模拟实验装置，其特征在于水箱上表面用亚克力透明盖密封，安装亚克力透明盖扣手方便实验停止时对箱内部件进行相关操作。

5.如权利要求1中的动态腐蚀实验模拟实验装置，其特征在于水管出水口安装有流量传感器，传达速度表征量。

6.如权利要求1中的动态腐蚀实验模拟实验装置，其特征在于该实验装置外部安装环境信息记录系统，能够进行时间参数的实时记录。

7.如权利要求1或2中的动态腐蚀实验模拟实验装置，其特征在于振动频率能够通过PLC电路编程控制的电控柜来进行参数的调控。

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