CN106404554A - 一种研究硫酸盐还原菌对金属应力腐蚀开裂影响规律的试验装置 - Google Patents

一种研究硫酸盐还原菌对金属应力腐蚀开裂影响规律的试验装置 Download PDF

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Abstract

一种研究硫酸盐还原菌对金属应力腐蚀开裂影响规律的试验装置。整套装置由应力腐蚀试验机、电化学工作站、氮气瓶、恒温水浴槽和控制系统组成。其中应力腐蚀试验机由动力装置、传动装置、试件夹具、溶液盒、试件表面检测器组成，并为其它装置提供接口。在应力腐蚀试验过程中，通过氮气除氧，为硫酸盐还原菌提供厌氧环境。动力装置与传动装置通过使弯曲试件进一步变形来施加特定应力。弯曲试件在外加应力与硫酸盐还原菌腐蚀溶液共同作用下发生应力腐蚀。通过电化学工作站实时监测腐蚀信号，通过试件表面检测器定期观察表面裂纹形核与扩展情况。试验条件精确可控，装置自动化程度高，为研究硫酸盐还原菌对金属应力腐蚀开裂的影响提供条件。

Description

一种研究硫酸盐还原菌对金属应力腐蚀开裂影响规律的试验 装置
技术领域
本发明涉及一种金属应力腐蚀试验装置，尤其涉及一种能够研究硫酸盐还原菌的生命活动对金属发生应力腐蚀开裂的影响及作用规律的试验装置。
背景技术
金属及其合金在应力与腐蚀环境共同作用下发生应力腐蚀开裂是一种十分危险的材料失效形式。应力腐蚀裂纹扩展速度较其它形式的腐蚀速度高出多个数量级，金属构件往往在没有任何征兆的情况下断裂，造成巨大安全隐患。因此研究金属发生应力腐蚀开裂的规律及机理具有重要意义。硫酸盐还原菌是日常环境中一种十分常见的细菌，能够将硫酸盐还原成硫离子，现有的大量研究表明，其对金属点蚀具有加速作用，但关于硫酸盐还原菌对应力腐蚀的影响及作用机理的试验研究却很少。
目前，公知的涉及硫酸盐还原菌与应力腐蚀的试验方法有慢应变速率拉伸试验，如谢飞等人发明的应力-电化学腐蚀测试装置将应力腐蚀与硫酸盐还原菌腐蚀相结合，但这种慢应变速率拉伸试验不能实时地对试样表面裂纹扩展行为进行观察。目前还未发现涉及弯曲试样与硫酸盐还原菌腐蚀相结合的试验装置。这是因为用弯曲试样进行试验难以保证试验过程中硫酸盐还原菌所需的厌氧环境。根据标准GB/T 15970.3-1995和GB/T15970.5-1998所推荐的U型环与C型环装置，所需应力由与试样相同材料做成的螺栓加载，造成试验材料的额外消耗。
发明内容
本发明要解决的问题是为克服现有技术没有可用于研究硫酸盐还原菌环境中金属弯曲试样应力腐蚀开裂影响规律与机理的试验装置的缺陷，提供了一种即保证厌氧、恒温环境，又能进行腐蚀电化学试验与试样表面观察的装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
试验装置，包括应力腐蚀试验机、电化学工作站、氮气瓶、恒温水浴槽和控制系统，所述应力腐蚀试验机通过气体通口与氮气瓶相连接，所述应力腐蚀试验机通过三电极接口与电化学工作站相连接，所述应力腐蚀试验机通过循环水接口与恒温水浴槽相连接，所述应力腐蚀试验机通过电路与控制系统相连接。
所述的应力腐蚀试验机为对称结构，交流电动机设置在壳体的底部，蜗杆支撑轴承和支撑轴承固定在外壳上，蜗杆与蜗杆支撑轴承垂直设置，传动轮与蜗杆、螺杆支撑轴承、支撑轴承表面均具有相同的螺纹结构，彼此通过润滑油润滑；交流电动机通过链条向传动轮传递动力；滑轨与支撑轴承相连并设置在蜗杆的下方，滑块的底端滑动设置在滑轨内，滑块的一侧与蜗杆的一端相连，滑块的另一侧连接试件夹具，试件夹持在试件夹具上，所述的壳体的上部设有试件表面检测器。
所述的传动轮同轴刚性连接手轮。
所述的试件夹具由电绝缘性材料构成。
所述的试件表面检测器由凸透镜和镜筒组成，凸透镜上下移动设置在镜筒内，镜筒相对于壳体拆卸设置。
所述的滑块与试件夹具之间设有试件提升转轮，试件提升转轮为一金属圆盘形构造，试件提升转轮内嵌在滑块内部，试件提升转轮绕自身中心轴自转，试件提升转轮外部延伸出一铰接环，试件提升转轮通过铰接环与夹具铰接，试件夹具在垂直于试件提升转轮的平面内做二维转动。
所述的试件提升转轮与蜗杆内侧端面相邻，在对试件施加弯曲应力时，它们相互独立，当试验过程中需要将试件从溶液中取出观察表面腐蚀形貌时，蜗杆与试件提升转轮通过电磁力耦合连接，试件提升转轮随蜗杆的转动而转动。
所述的试件的下方设有恒温水浴盒，恒温水浴盒为具有中空夹层的方形盒子，恒温水浴盒中空夹层与恒温水浴槽连通，溶液盒放置在恒温水浴盒内部。
本发明的优点效果如下：
1、整个应力腐蚀试验机密封，并通过氮气置换内部空气，为硫酸盐还原菌提供厌氧环境。
2、应力腐蚀试验机内部构造合理，使得试验过程中的应力加载、电化学测试、试样表面观察能够在试验机内室密闭无氧的情况下进行，保证了试验的连续性。
3、动力装置与控制系统和计算机相连接，通过专门软件控制电机的转数、转向和转速，通过压紧弯曲试样施加恒定应力，加载精度高。试验过程中，还可以通过特定程序控制电机按交替方向旋转，为试样施加交变应力，研究试样的腐蚀疲劳行为。
4、通过试样提升转盘与蜗杆之间的电磁力耦合连接，实现了试样由溶液内部到凸透镜观察区的转移。试样加载应力和表面观察均由软件控制，自动化程度高。
附图说明
图1是本发明总连接示意图。
图2是本发明中应力腐蚀试验机的内部结构图。
图3是本发明中应力腐蚀试验机内部结构的左视图。
图中：1、计算机；2、控制系统；3、电化学工作站；4、辅助电极接口；5、参比电极接口；6、工作电极接口；7、应力腐蚀试验机；8、恒温水浴槽；9、氮气瓶；10、外壳；11、交流电动机；12、链条；13、手轮；14、传动轮；15、蜗杆；16、蜗杆支撑轴承；17、镜筒；18、镜片；19、镜片固定螺钉；20、氮气入口管路；21、恒温水入口管路；22、支架；23、胶塞；24、恒温水出口管路；25、空气出口孔；26、垫片；27、支撑轴承；28、滑块；29、试件夹具；30、试件提升转轮；31、试件；32、滑轨；33、试验机门；34、辅助电极；35、参比电极；36、工作电极导线；37、试验溶液；38、溶液盒；39、恒温水浴盒。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明专利作进一步详细的说明。
实施例
如图1-3所示，控制系统2与应力腐蚀试验机7的动力系统通过电路连接，由计算机1控制交流电动机的转速、转向和转数，控制系统由可编程控制器与上位机组成。电化学工作站3的辅助电极接口4、参比电极接口5、工作电极接口6分别与应力腐蚀试验机7提供的辅助电极34、参比电极35、工作电极36的三个接口连接，用于测试腐蚀过程中的电化学参数变化。恒温水浴槽8分别与应力腐蚀试验机7提供的恒温水入口管路21、恒温水出口管路24联通，试验前与试验过程中，加热到特定温度的水循环流过恒温水浴盒39，通过传热使溶液盒38内的试验溶液保持恒温。一方面，将此温度设定在适合硫酸盐还原菌生长的范围内，能够保证试验过程中硫酸盐还原菌的活性；另一方面，温度在一定范围内变化，能够进行有关温度对应力腐蚀行为影响的试验。氮气瓶9通过氮气入口管路20为应力腐蚀试验机7的内室提供氮气。氮气因密度小于空气密度，开始时聚集在试验机内的上部空间，随着氮气不断流入，空气被氮气驱赶向下流动，不断从空气出口孔25流出。试验开始前一段时间即打开氮气瓶阀门，向试验环境充入氮气，通氮气结束后将胶塞23塞入空气出口孔25，隔绝空气。
如图2所示，所述的应力腐蚀试验机为对称结构，交流电动机设置在壳体的底部，交流电动机11接受控制系统指令，按照特定的方向、转速旋转一定的转数。交流电动机11通过链条12向传动轮14传递动力。蜗杆支撑轴承16和支撑轴承27固定在外壳10上，蜗杆15与蜗杆支撑轴承16垂直设置，传动轮14与蜗杆15、螺杆支撑轴承16、支撑轴承27表面均具有相同的螺纹结构，彼此通过润滑油润滑。传动轮14转动时带动蜗杆15转动，因蜗杆支撑轴承16和支撑轴承27均固定在外壳10上，因此蜗杆15在自转的同时还会沿水平方向移动。滑轨与支撑轴承相连并设置在蜗杆的下方，滑块的底端滑动设置在滑轨内，滑块的一侧与蜗杆的一端相连，滑块的另一侧连接试件夹具29，试件夹持在试件夹具29上，滑块28能够在滑轨32上水平滑动，由蜗杆15为其提供动力。滑块28的移动带动试件夹具29移动，进而引起原本弯曲的试件进一步弯曲，弯曲试件的变形量与其应力状态之间具有对应关系，电动机转动圈数、传动轮转动圈数、蜗杆（或滑块、试件夹具）水平位移、试样变形量与试样尖端应力大小之间具有确定的对应关系，因此通过输入电动机的转数即可对试样施加特定大小的外加应力。还可以设定电动机通过正反方向交替转动为试样施加交变应力，此时电动机的转速决定交变应力的频率，转数决定交变应力振幅。手轮13与传动轮14同轴刚性连接，在断电或动力设备故障时更能够通过手动调节。装置的动力系统、传动系统均对称分布，能够通过控制系统实现同步控制。
如图2、3所示，试件提升转轮30为一金属圆盘形构造，内嵌在滑块28内部，能够绕中心轴自转，外部延伸出一铰接环，能够与夹具铰接。铰接后，试件夹具能够在与试件提升转轮外表面垂直的平面内做二维转动。试件提升转轮30与蜗杆15内侧端面相邻，且间隔距离较小，在对试件施加弯曲应力时，它们相互独立。当试验过程中需要将试件从溶液中取出观察表面腐蚀形貌时，可通过电磁力使它们彼此耦合，这时试件提升转轮可以随蜗杆15的转动而转动，当蜗杆15转动半周时，试件即由溶液转动到凸透镜18下方，通过镜片固定螺钉19可以调整凸透镜的上下位置，使试样弯曲部分（最大应力处）置于透镜的焦距之内，放大试样以方便观察表面腐蚀形貌。也可以将装置与光学显微镜配合，更加详细地观察试件表面。
两台交流电动机构成动力装置，电动机转速、转向均由控制系统控制。
所述的传动轮、蜗杆、滑块各个部件通过紧密衔接，将动力传递到试件。传动轮外接手轮，在断电或动力系统出现故障时，能够实现手动加载。
所述的试件夹具由电绝缘性材料组成，如PE塑料，避免试件发生电偶腐蚀。
所述的试件表面检测器由凸透镜和镜筒组成，镜筒相对于外壳可拆卸。凸透镜相对于镜筒可上下移动，以使试件观测点在凸透镜焦距之内。
所述的氮气瓶通过应力腐蚀试验机外壳上部的气体入口输入氮气，因氮气密度小于空气，气体聚集在内室空间上方。外壳下部有空气排出口，随着氮气输入量不断增加，空气被逐步排出，此时关闭空气排出口，即可形成适合硫酸盐还原菌生长的无氧环境。
所述的试件的下方设有恒温水浴盒，恒温水浴盒为方形盒子，具有中空夹层。恒温水浴槽与内室的恒温水浴盒连接，将恒温水循环通过中空夹层。溶液盒放置在恒温水浴盒内部，通过传热，使试验溶液在试验过程中保持恒温。
以上关于本发明的具体描述，仅用于说明本发明而并非受限于本发明实施例所描述的技术方案。本领域的普通技术人员应当理解，仍然可以对本发明进行修改或等同替换，以达到相同的技术效果。只要满足使用需要，都在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种研究硫酸盐还原菌对金属应力腐蚀开裂影响规律的试验装置，其特征在于包括应力腐蚀试验机、电化学工作站、氮气瓶、恒温水浴槽和控制系统，所述应力腐蚀试验机通过气体通口与氮气瓶相连接，所述应力腐蚀试验机通过三电极接口与电化学工作站相连接，所述应力腐蚀试验机通过循环水接口与恒温水浴槽相连接，所述应力腐蚀试验机通过电路与控制系统相连接。
2.根据权利要求1所述的一种研究硫酸盐还原菌对金属应力腐蚀开裂影响规律的试验装置，其特征在于：所述的应力腐蚀试验机为对称结构，交流电动机设置在壳体的底部，蜗杆支撑轴承和支撑轴承固定在外壳上，蜗杆与蜗杆支撑轴承垂直设置，传动轮与蜗杆、螺杆支撑轴承、支撑轴承表面均具有相同的螺纹结构，彼此通过润滑油润滑；交流电动机通过链条向传动轮传递动力；滑轨与支撑轴承相连并设置在蜗杆的下方，滑块的底端滑动设置在滑轨内，滑块的一侧与蜗杆的一端相连，滑块的另一侧连接试件夹具，试件夹持在试件夹具上，所述的壳体的上部设有试件表面检测器。
3.根据权利要求2所述的一种研究硫酸盐还原菌对金属应力腐蚀开裂影响规律的试验装置，其特征在于：传动轮同轴刚性连接手轮。
4.根据权利要求2所述的一种研究硫酸盐还原菌对金属应力腐蚀开裂影响规律的试验装置，其特征在于：所述的试件夹具由电绝缘性材料构成。
5.根据权利要求2所述的一种研究硫酸盐还原菌对金属应力腐蚀开裂影响规律的试验装置，其特征在于：所述的试件表面检测器由凸透镜和镜筒组成，凸透镜上下移动设置在镜筒内，镜筒相对于壳体拆卸设置。
6.根据权利要求2所述的一种研究硫酸盐还原菌对金属应力腐蚀开裂影响规律的试验方法及装置，其特征在于：滑块与试件夹具之间设有试件提升转轮，试件提升转轮为一金属圆盘形构造，试件提升转轮内嵌在滑块内部，试件提升转轮绕自身中心轴自转，试件提升转轮外部延伸出一铰接环，试件提升转轮通过铰接环与夹具铰接，试件夹具在垂直于试件提升转轮的平面内做二维转动。
7.根据权利要求2所述的一种研究硫酸盐还原菌对金属应力腐蚀开裂影响规律的试验装置，其特征在于：试件提升转轮与蜗杆内侧端面相邻，在对试件施加弯曲应力时，它们相互独立，当试验过程中需要将试件从溶液中取出观察表面腐蚀形貌时，蜗杆与试件提升转轮通过电磁力耦合连接，试件提升转轮随蜗杆的转动而转动。
8.根据权利要求2所述的一种研究硫酸盐还原菌对金属应力腐蚀开裂影响规律的试验装置，其特征在于：所述的试件的下方设有恒温水浴盒，恒温水浴盒为具有中空夹层的方形盒子，恒温水浴盒中空夹层与恒温水浴槽连通，溶液盒放置在恒温水浴盒内部。
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