CN106556562A - 海洋飞溅腐蚀试验装置以及模拟测量飞溅腐蚀的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种海洋飞溅腐蚀试验装置以及模拟测量飞溅腐蚀的方法，其中试验装置包括试验腔室、传动轴、试样架、溶液池以及溶液输送机构，所述传动轴水平设置于所述试验腔室内并且通过驱动机构驱动转动，所述传动轴上装设有多个搅动叶片，所述试样架固定于所述试验腔室的侧壁上，所述试样架上设置有用于安装试样的试样夹具，所述溶液输送机构通过输送管道连接于所述溶液池以及所述试验腔室之间，用于将试验溶液输送。采用本发明的这种装置以及方法，便于准确模拟飞溅腐蚀。

Description

海洋飞溅腐蚀试验装置以及模拟测量飞溅腐蚀的方法

技术领域

本发明涉及钢铁飞溅腐蚀的测量领域，具体来说,涉及一种海洋飞溅腐蚀试验装置，以及一种模拟测量飞溅腐蚀的方法，以模拟测量钢铁的飞溅腐蚀。

背景技术

腐蚀是钢铁材料的一种主要失效方式。在海洋资源的开发中,钢材在海洋发电设备、跨海桥梁、海底输送管道、海洋平台等大型海洋构件以及舰船等领域中得到广泛应用。这类构件在服役过程中由于海洋及大气中高浓度氯离子的存在面临更为严重的腐蚀问题。钢铁在海洋环境下的腐蚀从上到下可以分为海洋大气腐蚀、海水飞溅区腐蚀、潮差带腐蚀、海水全浸区腐蚀和海泥腐蚀等共5个区域。其中飞溅区处于干湿交替状态，腐蚀情况最为严重。

海水飞溅区是指某一地区最高潮位以上0.7倍平均浪高至最高潮位以下0.3倍平均浪高之间的区域。在这个区间内，构件在高潮位时承受海浪的反复冲刷及海水中氯离子的腐蚀，随着潮位的降低，构件逐渐脱离海浪的冲击并在海风的吹拂下表面开始变干；涨潮时则过程相反。在整个腐蚀过程中，飞溅区的构件一直处于这种干湿交替循环状态。总体上，飞溅区是一种气相、液相和附加应力共存的复杂腐蚀环境，海水是含有悬浮泥沙、溶解气体、生物、有机物和多种盐类的强腐蚀性电解质，飞溅区的钢结构除了经受海水腐蚀，还要经受海洋大气阳光幅照、盐分浓缩、潮差和海浪引起的干湿交替的作用，以及风、雨、波浪和海流的机械冲击作用，所以飞溅区是5种海洋腐蚀区中腐蚀最严重的区域。

准确评价材料在飞溅区的腐蚀性能有利于相关腐蚀机理的研究，并促进耐海水腐蚀钢的开发及海水用钢的选材，同时对于指导海洋钢结构的维护，延长海洋钢结构的使用寿命，降低使用成本具有十分重要的意义。

长期以来，海水腐蚀试验主要通过在滨海区域的实物挂片进行，通过不同时间段内挂片的失重计算单位面积失重及材料减薄情况评价材料的耐腐蚀性能。此类试验通常周期长、成本高，且容易受到恶劣天气的干扰，不利于耐海水腐蚀钢的开发及相关构件的选材指导。

由于海水飞溅区的腐蚀条件复杂，目前在试验室模拟飞溅区腐蚀的试验装置还很缺乏。2007年公开的专利“耐候钢海水飞溅腐蚀试验装置”(ZL200620034876.9)通过喷嘴定期向试样喷模拟海水来模拟海水飞溅区的腐蚀，由于受喷嘴尺寸的限制，存在试样表面的干湿状况不均匀问题，且喷嘴的冲击难以模拟海浪对构件的冲刷作用，不足以真实反应海水飞溅区的构件腐蚀情况；2008年公开的专利“一种可用于海水间浸腐蚀的可调转速试验装置”(CN201141826Y)和2015年公开的专利“一种海水环境中干湿循环交替模拟加速涂层腐蚀实验装置”(CN204128939U)、“海水腐蚀模拟装置”(CN104330351A)采用模拟海水在试验室评价材料的海水腐蚀性能。其中专利CN201141826Y和CN204128939U均模拟海水的干湿交替腐蚀方式，基本可以视为静态的干湿交替，缺少海水的冲刷腐蚀；而2015年公开的专利CN104330351A通过在不同水深位置的试样浸泡评价腐蚀性能，与飞溅区实际的腐蚀环境差异较大。

2012年公开的专利“一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置”(CN2026614653U)主要用于研究流动海水中的腐蚀情况，基本属于海水全浸区的腐蚀模拟。此外，2009公开的专利“一种天然海水模拟加速材料腐蚀的间浸腐蚀试验方法”介绍了通过浸泡-暴露的过程模拟海水的干湿交替腐蚀的方法，不涉及试验装置，而且模拟的腐蚀条件不包括飞溅区海浪的冲刷作用。

2010年的专利EP2221601(A1)(Pitting corrosion diagnostic method andapparatus for stainless steel and for seawater pump using stainless steel asa structural member)介绍了一种海水环境下不锈钢点蚀的检查方法及装置，不涉及海水飞溅区的腐蚀；2014年公开的专利KR101440554(B1)(seawater corrosion fatiguetest system)介绍了海水腐蚀疲劳的测试系统，同样不涉及海水飞溅区的腐蚀。

从与现有的文献、专利对比可以发现，虽然存在多个海洋飞溅区腐蚀的相关专利技术或试验装置，但实况海域的腐蚀试验存在周期长、成本高且操作易受干扰的问题，而试验室的模拟装置则存在试验环境单一，只有干湿交替而无海水冲刷，则难以真实模拟飞溅区的复杂腐蚀条件。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术所存在的不足,提供一种海洋飞溅腐蚀试验装置，其能够真实模拟飞溅区的复杂腐蚀条件，从而准确测量钢铁的腐蚀情况。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案在于：一种海洋飞溅腐蚀试验装置，包括试验腔室、传动轴、试样架、溶液池以及溶液输送机构，所述传动轴水平设置于所述试验腔室内并且通过驱动机构驱动转动，所述传动轴上装设有多个搅动叶片，所述试样架固定于所述试验腔室的侧壁上，所述试样架上设置有用于安装试样的试样夹具，所述溶液输送机构通过输送管道连接于所述溶液池以及所述试验腔室之间，用于将试验溶液进行输送。

作为优选方案，所述试验腔室的底壁具有适应所述搅动叶片旋转的半圆弧段、以及位于所述半圆弧段两侧的水平段，所述试验腔室支撑于设备支架上。

作为优选方案，所述传动轴上套装有耐蚀绝缘套，所述搅动叶片固定于所述耐蚀绝缘套上。

作为优选方案，所述试验腔室的上方盖有盖体，所述盖体内设置照明灯。

作为优选方案，所述盖体为半圆弧状，其材质为有机玻璃。

作为优选方案，所述试验腔室的侧壁上部设置有多个通风孔。

作为优选方案，所述试样为片状，所述试样夹具包括下夹具和上夹具，所述下夹具的一端固定于所述试样架的底部上，另一端形成有用于所述试样插入的凹槽，所述上夹具的一端可移动地插设于所述试样架的顶部上，另一端形成有用于所述试样插入的凹槽，所述上夹具位于所述试样架与所述上夹具的另一端之间的位置加工有螺纹段，所述螺纹段上旋有螺母。

作为优选方案，所述溶液池上设置有恒温加热系统。

作为优选方案，所述试验腔室设置有温度计、湿度计以及液面监控仪。

另外地，本发明还公开了一种模拟测量飞溅腐蚀的方法，其采用权利要求1中所述的海洋飞溅腐蚀试验装置，具体而言，该模拟测量方法包括以下步骤：

a、将试样装夹于试样架上，所述溶液输送机构将所述溶液池的溶液输送至所述试验腔室，试验腔室的液面升高，逐渐溅射到所述试样直至淹没，搅动叶片将溶液喷洒到试样表面，以模拟涨潮过程；

b、所述溶液输送机构将所述试验腔室的溶液排出至所述溶液池，所述搅动叶片搅动空气从所述试样吹过，以模拟落潮过程。

实施本发明的海洋飞溅腐蚀试验装置以及模拟测量飞溅腐蚀的方法，具有以下有益效果：该试验装置通过溶液输送机构将溶液输送至试验腔室，采用搅动叶片带动试验溶液以一定速度喷洒到试样表面，其腐蚀均匀，同时能够模拟构件在海水飞溅区的涨潮、落潮过程中海水浸泡、冲刷和阳光照晒、海风吹拂等不同形式的腐蚀过程。设备启动后，根据预设的参数设备自动运行，不需要人工看守，结构简单，易于操作。该试验装置能够在较短的时间内获得材料在海水飞溅区的耐腐蚀性能，并且试验参数可调，能够模拟不同海况(最高潮位、浪高)下的腐蚀环境，适应性强，对于海水飞溅区腐蚀的失效机理、钢种开发及海洋钢结构的用钢选材具有重要的作用。此外，本发明涉及的试验装置与现有技术相比，解决了现有试验装置无法真实模拟飞溅区的腐蚀环境及所模拟飞溅区海水的喷射冲刷过程存在试样腐蚀不均匀问题，其大大保证了测量的准确性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的海洋飞溅腐蚀试验装置的结构示意图；

图2为图1中传动轴、耐蚀绝缘套与搅拌叶片的示意图；

图3为图1的试样架的结构示意图；

图4为图3中上夹具的示意图；

图5为图3中下夹具的示意图；

图6为海洋飞溅区示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图1所示，本发明公开了一种海洋飞溅腐蚀试验装置，包括试验腔室4、传动轴6、试样架3、溶液池11以及溶液输送机构14。试验腔室4用于放置试样等，以模拟该试验，传动轴6与试样架3均位于该试验腔室4内，而溶液池11则位于试验腔室4外，单独设置。该试验中所用到的溶液可以选择为海水，也可以模拟海水，即主要添加有氯化钠、氯化镁等盐类，其具体构成根据海水成分确定即可，如图中所示，溶液池11位于溶液池支架12上。

如图1中，传动轴6水平设置于试验腔室4内，即其轴向平行于水平面，并且该传动轴6通过驱动机构驱动转动，在本发明中，该驱动机构可以为电机或者液压驱动的液压马达等。传动轴6上装设有多个搅动叶片8，以便能够对输送到该试验腔室4内的溶液进行搅动。传动轴6可以采用变频电机驱动，变频电机驱动传动轴6带动搅动叶片8旋转，并且可以方便调整旋转速度。试样架3固定于试验腔室4的侧壁上，具体可以采用可拆卸连接的方式，即通过拆卸将其取下以便安装试样，之后，将其安装至侧壁上，并对其固定，使之在试验过程中保持稳定，该可拆卸可以采用试样架夹具2。试样架3上设置有用于安装试样的试样夹具，从而将试样进行安装定位。溶液输送机构14通过输送管道连接于溶液池11以及试验腔室4之间，用于将试验溶液进行输送，即模拟涨潮时，将溶液由溶液池11输送至试验腔室4，落潮时，将溶液由试验腔室4输送回溶液池11。具体而言，该溶液输送机构14，可以选择为水泵，水泵的输送速度亦可调节，可以根据控制面板10设定的参数进行控制。水泵将一定温度的试验溶液输送到试验腔室4内，随后启动变频电机驱动转动轴，从而带动搅动叶片8旋转并将溶液均匀喷洒到试样表面。

本发明中，为便于进一步精确模拟海洋环境，试验腔室4的底壁具有适应搅动叶片8旋转的半圆弧段、以及位于半圆弧段两侧的水平段，适应搅动叶片8旋转是指该半圆弧段的尺寸大于搅动叶片8的长度尺寸，以便搅动叶片8能够自由旋转，该半圆弧段不会对其造成干涉。如图1所示，试验腔室4支撑于设备支架5上，具体来说，其两个水平段支撑于设备支架5。

另外，试验腔室4的上方盖有盖体1，盖体1内设置照明灯9。该照明灯9的作用在于，可以发热，从而模拟阳光的照晒。依此，照明灯9可以根据其自身功率而选择为一个或者是多个，如果是多个，则可以沿着盖体1的顶部等间隔布置。为了方便观察试验腔室4的情况，作为优选方案，盖体1为半圆弧状，其材质为有机玻璃。

当试验腔室4的上方无遮挡时，则空气可以流通从而对试样进行吹干，当试验腔室4的上方加设本发明的盖体1时，试验腔室4的侧壁上部设置有多个通风孔，当试验腔室4内没有液体时，搅动叶片8继续旋转带动空气从试样表面流过，模拟了干燥过程中海风对试样的吹拂作用。

进一步地，溶液池11上设置有恒温加热系统13，该恒温加热系统13可以选择为诸多已有方案，其可以在一个温度范围内调节，例如0-50℃。更进一步地，试验腔室4设置有温度计、湿度计，具体温度湿度可以在控制面板10上实时显示并控制。另外，试验腔室4内还设置有液面监控仪，其能够控制试验开始前进入试验腔室4的溶液量。

参照图2所示，本发明中，作为优选方案，传动轴6上套装有耐蚀绝缘套7，搅动叶片8固定于耐蚀绝缘套7上。这样，能够防止传动轴6在使用过程中受到海水或者是海水模拟液体的腐蚀，保证其工作在良好的状态。

参照图3、4、5所示，试样18可以选择为片状，其安装在位于试样架3的试样夹具上，在安装后，将试样架3整体放入试验腔室4内，并且可以通过诸如夹具等方式对试样架3进行固定。具体地，试样夹具包括下夹具17和上夹具15，下夹具17的一端固定于试样架3的底部上，另一端形成有用于试样插入的凹槽，上夹具15的一端可移动地插设于试样架3的顶部上，另一端形成有用于试样插入的凹槽，上夹具15位于试样架3与上夹具15的另一端之间的位置加工有螺纹段，螺纹段上旋有螺母16。

此外，为防止腐蚀，本发明中，与溶液直接接触的部件均可以选择为耐蚀材质，例如聚四氟乙烯。

参照图6所示，每个试验周期分为两部分，分别模拟高潮-低潮和低潮-高潮两个过程。随着溶液的排出，液面从最高逐渐降低直至完全消失，试样经历了从飞溅到干燥的过程(高潮至低潮)；保持一段时间(干燥)后，水泵输送溶液再次进入试验腔室4，液面逐渐升高直至设定液位，试样从干燥逐渐潮湿直至被溶液淹没(低潮至高潮)。整个飞溅腐蚀试验不断重复这个过程，具体重复次数根据试样的具体腐蚀情况确定，试验过程中浆片一直处于工作状态。

按预定成分配置的溶液经恒温加热系统13达到设定温度，在溶液输送机构14中水泵的驱动下进入试验腔室4，达到预定液位后水泵停止工作并显示输送的溶液量(体积)，根据溶液体积及试样飞溅时间计算试验过程中水泵的输送速度。试样架3可以并排放置多片试样，试样间留有足够间隙保证试验溶液的顺利流动。试样通过试样夹具固定在试样架3上，试样夹具从上下两端将试样夹住，其中上夹具15通过螺母16可以调节位置(即其可顶在试样架上)，下夹具17固定在试样架3上，与试样架3一体设计，从而可以适应不同尺寸的试样；同时上夹具15的螺母设计可以保证试样在不同试验周期内能够单独取出。试验过程中试样架3通过设置在试验腔室4内壁上的夹具固定，并保持稳定。

本实施例中涉及飞溅区腐蚀模拟试验装置，试样为片状，表面磨光，尺寸可以适当调整。调配好的试验溶液在搅动叶片8的驱动下向试样喷洒，传动轴6的转速根据试样的飞溅情况设定，保证在设定转速下喷洒的试验溶液能够淹没整个试样。海洋每天有两次涨潮落潮过程，每个周期约12h48min。所以在腐蚀试验中一半的试验时间内保持照明灯光模拟阳光照晒，本发明方案中选择从最高液面开始的半个周期内保持光照。试验过程中试样的飞溅和干燥时间根据具体海况的最高潮位、浪高确定。国家海洋预报中，浪高是指波浪到海平面的垂直距离。

潮差区与飞溅区及试样位置具体如附图6所示。设定某一海域平均最高潮差位高度H，平均海浪高度h，通常规定飞溅区范围为最高潮位以上0.7h至最高潮位以下0.3h，总高度为h。从图中可以看出，从高潮到低潮过程中，海水的高度变化为H，即潮差区；试样的飞溅范围则是海浪从最高位置至与试样平行为止(图中虚线位置)，即0.8h；随着海水潮位的降低，海浪波峰降至图中虚线以下(在剩余的H-0.8h范围内)，此时试样表面处于从潮湿到逐渐干燥的过程，具体的潮湿时间根据目标海域的天气情况如日照、温度、风力等确定。

以某海域平均潮位差H为2m、平均浪高h为1m的海况为例计算飞溅区的飞溅时间。一个涨潮周期T为12小时48分钟。从最高潮位到最低潮位为半个周期，时间为6小时24分钟。所以试样的飞溅时间t可以计算为：

t＝0.8h/H*0.5T＝0.8/2*384＝154min

则从潮湿至干燥时间为384-154＝230min

在腐蚀试验中，假设以1小时为一个试验周期，则半个周期为30min。根据上式可知，30min内飞溅时间为12min，中间潮湿和干燥时间为36min(18+18，两个过程)。一个周期内为12min飞溅+36min液体排空干燥+12min飞溅，在试验期不断重复这个过程。所以试验溶液的注入和排出时间为12min，据此和溶液量确定水泵的输送速度。

另外地，本发明还公开了一种模拟测量飞溅腐蚀的方法，其采用上述的海洋飞溅腐蚀试验装置，具体而言，该模拟测量方法包括以下步骤：

a、将试样装夹于试样架3上，溶液输送机构14将溶液池11的溶液输送至试验腔室4，试验腔室4的液面升高，逐渐溅射到试样直至淹没，搅动叶片8将溶液喷洒到试样表面，以模拟涨潮过程；

b、溶液输送机构14将试验腔室4的溶液排出至溶液池11，搅动叶片8搅动空气从试样吹过，以模拟落潮过程。

具体来说，其工作过程如下：

1.试样准备

将待测的试样进行清洁、干燥、称重后安装在试样架3上，将试样架3固定在试验腔室4内，盖好盖体1。在溶液池11内配好海水试样(例如海水或者是通过添加成分模拟海水)，并通过恒温加热系统13控制溶液温度。

2.试验调试及参数设定

启动溶液输送机构14的水泵将溶液注入试验腔室4至预定液位，关闭水泵；启动变频电机调整速度，直至喷洒出的溶液能够完全淹没试样，并以此速度为搅动叶片8的运行速度；设定水泵的排入、排出速度(确定飞溅时间)，设定干燥时间以及循环次数(或总试验时间，具体根据所模拟海域的状况及试样腐蚀情况确定)，同时设定其他参数，例如试验腔室内温度、湿度；设定光照时间。

3.开始试验

按下启动按钮开始试验，重复飞溅-干燥-飞溅的过程。试验结束时，试验装置自动停止工作。

4.试验结束及试样处理

设备停止后打开盖体1，取出试样。试样经酸洗后再分别用自来水和酒精清洗并吹干。试样在干燥皿内静置24h后称重。根据试验前后的失重量计算单位面积失重，并测量表面腐蚀情况(如最大腐蚀深度等)，以此评价材料在特定海域飞溅区的耐腐蚀性能。试验完毕后，排空试验介质并清理设备，保持试验腔室4内的清洁、干燥。

综上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明实施的范围，凡依本发明权利要求范围所述的形状、构造、特征及精神所为的均等变化与修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (10)

1.一种海洋飞溅腐蚀试验装置，其特征在于，包括试验腔室、传动轴、试样架、溶液池以及溶液输送机构，所述传动轴水平设置于所述试验腔室内并且通过驱动机构驱动转动，所述传动轴上装设有多个搅动叶片，所述试样架固定于所述试验腔室的侧壁上，所述试样架上设置有用于安装试样的试样夹具，所述溶液输送机构通过输送管道连接于所述溶液池以及所述试验腔室之间，用于将试验溶液进行输送。

2.根据权利要求1所述的海洋飞溅腐蚀试验装置，其特征在于，所述试验腔室的底壁具有适应所述搅动叶片旋转的半圆弧段、以及位于所述半圆弧段两侧的水平段，所述试验腔室支撑于设备支架上。

3.根据权利要求1所述的海洋飞溅腐蚀试验装置，其特征在于，所述传动轴上套装有耐蚀绝缘套，所述搅动叶片固定于所述耐蚀绝缘套上。

4.根据权利要求1所述的海洋飞溅腐蚀试验装置，其特征在于，所述试验腔室的上方盖有盖体，所述盖体内设置照明灯。

5.根据权利要求4所述的海洋飞溅腐蚀试验装置，其特征在于，所述盖体为半圆弧状，其材质为有机玻璃。

6.根据权利要求5所述的海洋飞溅腐蚀试验装置，其特征在于，所述试验腔室的侧壁上部设置有多个通风孔。

7.根据权利要求1所述的海洋飞溅腐蚀试验装置，其特征在于，所述试样为片状，所述试样夹具包括下夹具和上夹具，所述下夹具的一端固定于所述试样架的底部上，另一端形成有用于所述试样插入的凹槽，所述上夹具的一端可移动地插设于所述试样架的顶部上，另一端形成有用于所述试样插入的凹槽，所述上夹具位于所述试样架与所述上夹具的另一端之间的位置加工有螺纹段，所述螺纹段上旋有螺母。

8.根据权利要求1所述的海洋飞溅腐蚀试验装置，其特征在于，所述溶液池上设置有恒温加热系统。

9.根据权利要求1所述的海洋飞溅腐蚀试验装置，其特征在于，所述试验腔室设置有温度计、湿度计以及液面监控仪。

10.一种模拟测量飞溅腐蚀的方法，其特征在于，其采用权利要求1中所述的海洋飞溅腐蚀试验装置，包括以下步骤：

a、将试样装夹于试样架上，所述溶液输送机构将所述溶液池的溶液输送至所述试验腔室，试验腔室的液面升高，逐渐溅射到所述试样直至淹没，搅动叶片将溶液喷洒到试样表面，以模拟涨潮过程；

b、所述溶液输送机构将所述试验腔室的溶液排出至所述溶液池，所述搅动叶片搅动空气从所述试样吹过，以模拟落潮过程。