CN106546505B - 一种全海深模拟摩擦腐蚀试验测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全海深模拟摩擦腐蚀试验测试装置，主要包括工作电极、参比电极等封装与密封结构、参比电极的制作工艺。全固态结构的参比电极通过参比电极组件密封安装在高压釜内，电极受力平衡、耐压强度高，解决了常用参比电极玻璃外壳易碎、多孔陶瓷易堵等问题，能适应苛刻的深海环境；工作电极采用先封装后密封的结构形式，并对封装后的工作表面进行磨削，可以获得精确的电极工作面积；参比电极组件内电极采用高强度铜合金，阶梯陶瓷外衬既承担高压海水产生的轴向力，也起隔离作用，避免高压釜、电极、海水构成闭合回路；综上所述，本发明能解决压力条件下的腐蚀测试试验，实现全海深摩擦磨损试验台同步进行动态腐蚀试验与摩擦磨损试验。

Description

一种全海深模拟摩擦腐蚀试验测试装置

技术领域

本发明属于摩擦磨损试验系统设计领域，具体涉及一种模拟超高压海洋环境下的摩擦腐蚀试验测试装置，可原位同步进行摩擦磨损和动态腐蚀测试。

背景技术

海洋是高新技术发展的前沿领域，海洋的开发对工程技术有高度的依赖性。2011年《国家“十二五”科学和技术发展规划》将高端海洋工程装备列为大力培育和发展的战略性新兴产业。通过前沿技术的发展，以形成海上高技术作业能力为目标，强化核心技术开发和装备研制，推进海洋技术由近浅海向深远海的战略转移。由近浅海向深远海的转移，不仅具有重要的战略意义更具有海洋经济利益，因为75％水域是海深大于3000米的深海。

由于天然海水是一种含有多种盐类的电解质溶液，具有强腐蚀性，大深度的高压环境对腐蚀特性的影响，以及摩擦与腐蚀相互作用的机理等基础问题的研究，是海洋装备研制的基础。

目前现有摩擦学理论尚未延伸至深海领域，人们缺乏对新型材料在深海水环境中的摩擦、腐蚀性能、相互作用机理的系统认识。摩擦副的设计仍沿用陆地经验，可能导致深海装备磨损加剧，耐蚀性能下降。因而搭建“全海深模拟摩擦腐蚀试验测试装置”，探索材料在极端海洋环境下的摩擦磨损行为、规律以及服役失效机理，具有重要的现实意义。

然而，摩擦磨损试验大多采用球-盘式或销-盘式标准试验机，在常压条件下，进行相关摩擦学试验，难以真实反映材料在深海环境下的摩擦学行为。

用于动态腐蚀测量的电化学装置，其参比电极大多采用甘汞电极、银/ 氯化银电极。这类参比电极通常都是以某一溶液(如饱和KCL溶液)为内参比液，经多孔陶瓷与被测体系接界，内参比溶液能够以一定的速度通过液接装置泄漏到介质中，以便减小和稳定液接电位。这类电极应用在海洋环境中，常因海水介质中的悬浮物、海底沉积物、海洋生物堵塞多孔陶瓷而使电极性能不稳定。同时，内参比液和内电极封装在易碎玻璃外壳中。若增加特殊的耐压装置，不仅使得电极结构变得复杂，且液接电势难以估算。显然，这类电极难以适用于深海高压环境下的电化学测量。

此外，以销-盘式摩擦试验机为例，通常下试件为盘状，做旋转运动；上试件为圆柱状，通过轴向移动完成法向力的加载。其移动过程中，首先需要克服高压密封产生的动摩擦力，而后才能完成试件间的法向加载。同时密封件在试验机工作过程中的磨损、热膨胀等会造成摩擦力不规则变化，这将导致加载力难以精确传递与准确测量。

发明内容

本发明旨在提供一种深海摩擦和腐蚀的模拟实验装置，能够解决压力环境下的电化学测量，实现材料在模拟深海环境下，同步进行摩擦磨损和动态腐蚀测量，进而更加真实的反应海洋材料的摩擦学行为。

为了实现上述目的，本发明提供了一种全海深模拟摩擦腐蚀试验测试装置，包括：高压釜、密封组件、电化学工作站、参比电极组件、工作电极封装、对电极组件、旋转加载轴；

高压釜包括下罐体、上罐体、卡箍，下罐体、上罐体由卡箍扣合在一起；下罐体和上罐体相互对接的端面处由密封组件密封，在高压釜内部形成密闭容腔；上罐体内部向下凸起一个凸台，凸台上开设有通向上罐体外的第一通孔，工作电极封装安装在凸台下端，且工作电极封装的电极从第一通孔伸出上罐体外；上罐体上还开设有通向上罐体外部的第二通孔和第三通孔，分别对应安装参比电极组件、对电极组件，参比电极组件的电极从第二通孔伸出上罐体外、对电极组件的电极从第三通孔伸出上罐体外；

电化学工作站分别连接参比电极组件、工作电极封装和对电极组件；

旋转加载轴从下罐体伸入高压釜内，旋转加载轴上端正对工作电极封装，以与工作电极封装配合夹紧实验材料。

进一步地，参比电极组件包括：密封压板、阶梯陶瓷外衬、O形圈、阶梯内电极、J形密封环、参比电极；

阶梯内电极为阶梯轴结构，上部小圆柱端伸出上罐体外与电化学工作站连接，下部大圆柱端伸入上罐体内，J形密封环、阶梯陶瓷外衬从上至下依次套在阶梯内电极上且均固定在第二通孔内，阶梯陶瓷外衬内部的阶梯孔与阶梯内电极的阶梯面紧密配合；O形圈套在J形密封环下端的凹陷上，且下表面与阶梯陶瓷外衬抵接；

密封压板抵挡在阶梯陶瓷外衬的下端面并固定在上罐体上，以将阶梯陶瓷外衬、O形圈、J形密封环压紧固定在第二通孔内；

参比电极与阶梯内电极下端固定连接。

进一步地，阶梯内电极的小圆柱端与上罐体之间留有足以使阶梯内电极和上罐体绝缘的间隙。

进一步地，阶梯内电极的小圆柱端上部缠绕绝缘胶带。

进一步地，参比电极组件还包括电极隔离垫，电极隔离垫固定在第一通孔内，且紧密抵挡在J形密封环上方。

进一步地，阶梯内电极与阶梯陶瓷外衬的接触表面涂胶粘接。

进一步地，参比电极为全固态结构的氯化银电极或者高纯锌电极。

进一步地，对电极组件的结构是将参比电极组件的参比电极替换成对电极得到，对电极组件与第三通孔的安装方式和参比电极组件与第二通孔的安装方式相同。

进一步地，工作电极封装包括：环氧树脂固化件、导线、聚甲醛圆柱销、内六角螺钉、密封压环、上试件、O形圈、J形密封环；

上试件和导线通过焊接或者螺纹连接构成试件组件；试件组件与圆柱销通过环氧树脂固化封装得到的环氧树脂固化件封装成一个整体；圆柱销采用绝缘材料制作，通过圆柱销将环氧树脂固化件固定在凸台下端，使环氧树脂固化件的上表面与凸台的下表面紧密接触；J形密封环、O形圈、密封压环自上而下套在环氧树脂固化件外部，O形圈套在J形密封环下端的凹陷内；密封压环固定在凸台下端，其上表面紧压在O形圈下表面。

进一步地，环氧树脂固化件是以环氧树脂E-44和低分子聚酰650为固化体系，质量配比1:0.8，并增加10％的添加促进剂(DMP-30)、15％的增韧剂(DBP)、及8％的硅微粉(SiO2)，加热再冷却固化后得到。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1.该装置具备压力环境下，尤其是超高压环境下的电化学测量、电化学保护功能，较之传统摩擦磨损试验装置，能够同步进行摩擦磨损和动态腐蚀测量，从而评估磨损和腐蚀在材料失效中所占的比重，进而探索材料在海洋环境下磨损和腐蚀之间的交互作用规律及失效特征。

2.全固态参比电极取代常用的甘汞电极，这类电极耐压强度高，具有良好的化学稳定性和电化学稳定性且不存在电势漂移现象，能满足深海环境下的特殊工况，可以克服传统参比电极玻璃外壳易碎、多孔陶瓷易堵塞的缺点。

3.参比电极和对电极通过参比电极组件密封安装在高压釜内，参比电极和对电极受力平衡，性能稳定，有利于实现电极的快速拆装。

4.参比电极组件的电极制成阶梯状，相比传统紫铜电极，具有更高的耐压强度。阶梯电极大圆柱端用于承受高压海水作用于电极产生的轴向力，小圆柱端用于密封高压海水。阶梯电极大端外衬为氧化铝陶瓷套，利用氧化铝陶瓷的绝缘性隔离电极与高压釜体，避免高压釜、电极、海水构成闭合回路，影响电化学测量的准确性。

5.上试件与高压釜体固定封装，与传统摩擦试验机相比，避免了滑动摩擦力对加载力准确性的影响。

6.工作电极为复合结构，内衬为上试件，外衬为固化后的环氧树脂。上试件经固化封装后，对其工作端面进行磨削加工，以便获得准确的电极工作面积。环氧树脂外衬的端面用于隔离高压釜与上试件，外衬的圆柱面用于密封高压釜体内的压力海水。

附图说明

附图1所示为全海深模拟摩擦磨损试验系统

附图2所示为参比电极组件剖视图

附图3所示为工作电极封装结构剖视图

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

电化学工作站1、参比电极组件2、工作电极封装3、下罐体4、密封组件5、定位销6、上罐体7、卡箍8和对电极组件9、固定螺钉2.1、密封压板2.2、紧定螺钉2.3、阶梯陶瓷外衬2.4、O形圈2.5、电极隔离垫2.7、阶梯内电极2.8、J形密封环2.9、参比电极2.10、环氧树脂固化件3.1、导线3.2、聚甲醛圆柱销3.3、内六角螺钉3.4、密封压环3.5、上试件3.6、O 形圈3.7、J形密封环3.8。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，实施例中摩擦腐蚀试验测试装置主要包括电化学工作站 1、参比电极组件2、工作电极封装3、下罐体4、密封组件5、定位销6、上罐体7、卡箍8和对电极组件9。高压釜由下罐体4、上罐体7、卡箍8 组成，密封组件5用于完成端面密封形成密闭容腔，用于模拟深海高压环境，进行材料摩擦磨损试验。电化学工作站1及电极组件2、3、9同步进行动态腐蚀试验，可以测量动电位扫描曲线、开路电位、腐蚀电流，以及为试件提供电化学保护。

附图2所示为参比电极组件剖视图，本实施例以参比电极接插为例。参比电极组件主要由固定螺钉2.1、密封压板2.2、紧定螺钉2.3、阶梯陶瓷外衬2.4、O形圈2.5、上罐体7、电极隔离垫2.7、阶梯内电极2.8、J形密封环2.9、参比电极2.10组成。对电极的封装方式和参比电极一致，只需将附图2中的参比电极2.10替换成对电极即可。阶梯内电极2.8用铜合金(EFTEC-6)制作，耐压强度高，导电性能良好。压力海水作用在阶梯内电极大端面的轴向力通过氧化铝陶瓷外衬2.4传递给上罐体7。阶梯内电极小圆柱端通过密封组件完成轴向高压密封。密封组件由O型圈2.4和J形密封环2.9构成。为获得精确的电化学测量，应避免内电极2.8、上罐体7和压力海水介质构成闭合回路，内电极2.8的小端与上罐体7之间应留有足够大的间隙。除此之外，内电极2.8小端上部应缠绕绝缘胶带。为保证安装密封组件的沟槽尺寸，防止J形密封环2.9被高压海水挤出，实现可靠的轴向密封，增加电极隔离垫2.7。组合密封所需初始密封压力由密封压板2.2提供。密封压板通过固定螺钉2.1安装在上罐体7。为保证阶梯内电极2.8与阶梯陶瓷外衬2.4连接牢固、可靠，应在其接触表面涂胶粘接。参比电极2.10 与内电极2.8通过圆柱面接触传递电信号，并通过紧定螺钉2.3固定。

参比电极2.10为全固态结构的氯化银电极或者高纯锌电极，本实施例采用氯化银电极，参比电极2.10完全浸泡在压力海水中，受力平衡，电极性能稳定。全固态参结构的氯化银参比电极2.10制作过程如下：使用室温固相反应法制备氯化银、溴化银粉末，整个制备过程应在暗室中避光完成，以避免卤化银见光分解影响产物的纯度；按照一定比例均匀混合银、氯化银、溴化银超细粉体，加入PVA粘接剂进行造粒，造粒完成后使用压力机将混合物压制成圆柱状胚体，为保证全固态氯化银参比电极耐压强度，胚体压制压力应大于150MPa；使用陶瓷套封装电极胚体，焊接导线并使用盐酸对电极活化。全固态结构的氯化银参比电极耐压强度高，具有良好的化学稳定性和电化学稳定性且不存在电势漂移现象。显然，上述实施例中所述电极结构，可以克服传统参比电极玻璃外壳易碎、多孔陶瓷易堵塞的缺点，能适用于苛刻的深海环境下的电化学测量。

附图3所示为工作电极封装3剖视图，包括环氧树脂固化件3.1、导线 3.2、聚甲醛圆柱销3.3、内六角螺钉3.4、密封压环3.5、上试件3.6、O形圈3.7、J形密封环3.8、上罐体7。上试件3.6和导线3.2通过焊接或者螺纹连接构成试件组件。试件组件与圆柱销3.3通过固化封装成一个整体，试件组件经固化封装后，应对工作表面进行磨削加工，以便准确获得电极的工作面积。封装材料以环氧树脂E-44和低分子聚酰650为固化体系，质量配比1:0.8，并增加10％的添加促进剂(DMP-30)，15％的增韧剂(DBP)，及 8％的硅微粉(SiO2)，将上述封装材料及试件组件依次加热至68℃、95℃、 108℃，并在每个温度点保温一小时后空冷，冷却固化后环氧树脂封装体剪切强度可达21MPa，抗压强度可达110MPa。显然，工作电极的封装形式能胜任深海环境的苛刻要求。本实施例中圆柱销3.3的数量为2个，主要用于承受摩擦扭矩。圆柱销3.3采用聚甲醛制作，起绝缘作用，用于隔离试件组件、上罐体7、海水介质避免构成闭合回路。环氧树脂端面起绝缘作用，圆柱面用于轴向密封。密封组件由O形圈3.7和J形密封环3.8构成。密封所需初始压力由密封压环3.5提供，密封压环通过内六角螺钉安装固定在上罐体7。

本发明的主要测试原理如下：工作电极、对电极、参比电极构成三电极体系，对电极和工作电极组成回路以通过电流。启动加载轴带动下试件与上试件3.6接触并转动摩擦，腐蚀的碎屑改变附近海水的物质浓度，该浓度变化即表现为工作电极的电动势的变化，从而可以通过工作电极的电动势来判断上试件的磨损程度。工作电极的电动势可以在电化学工作站中通过与参比电极的电动势进行比较计算而获得。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全海深模拟摩擦腐蚀试验测试装置，其特征在于，包括：高压釜、电化学工作站、参比电极组件、工作电极封装、对电极组件、旋转加载轴；

高压釜包括下罐体、上罐体、卡箍，下罐体、上罐体由卡箍扣合在一起；下罐体和上罐体相互对接的端面处密封，在高压釜内部形成密闭容腔；上罐体内部向下凸起一个凸台，凸台上开设有通向上罐体外的第一通孔，工作电极封装安装在凸台下端，且工作电极封装的电极从第一通孔伸出上罐体外；上罐体上还开设有通向上罐体外部的第二通孔和第三通孔，分别对应安装参比电极组件、对电极组件，参比电极组件的电极从第二通孔伸出上罐体外、对电极组件的电极从第三通孔伸出上罐体外；

电化学工作站分别连接参比电极组件、工作电极封装和对电极组件；

旋转加载轴从下罐体伸入高压釜内，旋转加载轴上端正对工作电极封装，以与工作电极封装配合夹紧实验材料；

参比电极组件包括：密封压板、阶梯陶瓷外衬、O形圈、阶梯内电极、J形密封环、参比电极；

阶梯内电极为阶梯轴结构，上部小圆柱端伸出上罐体外与电化学工作站连接，下部大圆柱端伸入上罐体内，J形密封环、阶梯陶瓷外衬从上至下依次套在阶梯内电极上且均固定在第二通孔内，阶梯陶瓷外衬内部的阶梯孔与阶梯内电极的阶梯面紧密配合；O形圈套在J形密封环下端的凹陷上，且下表面与阶梯陶瓷外衬抵接；

密封压板抵挡在阶梯陶瓷外衬的下端面并固定在上罐体上，以将阶梯陶瓷外衬、O形圈、J形密封环压紧固定在第二通孔内；

参比电极与阶梯内电极下端固定连接。

2.如权利要求1所述的一种全海深模拟摩擦腐蚀试验测试装置，其特征在于，阶梯内电极的小圆柱端与上罐体之间留有足以使阶梯内电极和上罐体绝缘的间隙。

3.如权利要求2所述的一种全海深模拟摩擦腐蚀试验测试装置，其特征在于，阶梯内电极的小圆柱端上部缠绕绝缘胶带。

4.如权利要求2所述的一种全海深模拟摩擦腐蚀试验测试装置，其特征在于，参比电极组件还包括电极隔离垫，电极隔离垫固定在第一通孔内，且紧密抵挡在J形密封环上方。

5.如权利要求2所述的一种全海深模拟摩擦腐蚀试验测试装置，其特征在于，阶梯内电极与阶梯陶瓷外衬的接触表面涂胶粘接。

6.如权利要求1～5任意一项所述的一种全海深模拟摩擦腐蚀试验测试装置，其特征在于，参比电极为全固态结构的氯化银电极或者高纯锌电极。

7.如权利要求1～5任意一项所述的一种全海深模拟摩擦腐蚀试验测试装置，其特征在于，对电极组件的结构是将参比电极组件的参比电极替换成对电极得到，对电极组件与第三通孔的安装方式和参比电极组件与第二通孔的安装方式相同。

8.如权利要求1所述的一种全海深模拟摩擦腐蚀试验测试装置，其特征在于，工作电极封装包括：环氧树脂固化件、导线、聚甲醛圆柱销、内六角螺钉、密封压环、上试件、O形圈、J形密封环；

上试件和导线通过焊接或者螺纹连接构成试件组件；试件组件与圆柱销通过环氧树脂固化封装得到的环氧树脂固化件封装成一个整体；圆柱销采用绝缘材料制作，通过圆柱销将环氧树脂固化件固定在凸台下端，使环氧树脂固化件的上表面与凸台的下表面紧密接触；J形密封环、O形圈、密封压环自上而下套在环氧树脂固化件外部，O形圈套在J形密封环下端的凹陷内；密封压环固定在凸台下端，其上表面紧压在O形圈下表面。

9.如权利要求8所述的一种全海深模拟摩擦腐蚀试验测试装置，其特征在于，环氧树脂固化件是以环氧树脂E-44和低分子聚酰650为固化体系，质量配比1:0.8，并增加10％的添加促进剂、15％的增韧剂、及8％的硅微粉，加热再冷却固化后得到。

10.如权利要求9所述的一种全海深模拟摩擦腐蚀试验测试装置，其特征在于，促进剂为DMP-30、增韧剂为DBP、硅微粉为SiO₂。