CN107219138B - 一种双臂反向冲刷腐蚀试验装置 - Google Patents

Abstract

一种双臂反向冲刷腐蚀试验装置，包括支架、试验槽、计算机反馈控制系统、电化学工作站及两组传动系统，试验槽内设有加热器，每组传动系统均包括变频器、转盘、试样架、转轴及与变频器连接的电机，电机与转轴的上端连接，转轴的下端与转盘垂直连接，试样架与转盘垂直连接；计算机反馈控制系统包括计算机和控制柜，加热器和两个变频器均与控制柜连接；控制柜控制两组传动系统带动两个转轴反向旋转，进而带动两个转盘上的试样架在试验槽中转动；转轴的外壁设有与电化学工作站连接的电化学组件以及与计算机连接的转速传感器。本发明的双轴反向旋转，既保证试样在转动时能获取更准确的相对运动速度，又可提高介质的流态稳定性，达到最佳的冲刷效果。

Description

一种双臂反向冲刷腐蚀试验装置

技术领域

本发明涉及冲刷腐蚀技术领域，具体涉及一种双臂反向冲刷腐蚀试验装置。

背景技术

冲刷腐蚀是金属表面与腐蚀性介质之间由于相对运动与腐蚀作用而引起的金属损坏或性能衰退的现象，是材料受冲刷和腐蚀交互作用的结果，广泛存在于石油、化工、船舶等领域中的一种危害性较大的局部腐蚀。冲刷腐蚀是一个冲刷和腐蚀在溶液中同时存在，并伴随复杂交互作用的过程，冲刷是固相颗粒冲击材料表面导致材料去除或变形的力学过程，腐蚀是在材料表面发生化学或电化学反应导致材料去除的过程，根据主导机制的不同，冲刷腐蚀包含从腐蚀溶解到机械冲刷之间的所有内容。

目前研究冲刷腐蚀主要有实验研究法和数值模拟法两种方法。实验研究法由于能够直接在实验室内模拟工艺条件，因此，是最早也是最有效的获得材料冲刷腐蚀性能参数的方法；数值模拟法是一种借助计算流体力学软件开展冲刷腐蚀数值模拟研究的方法，具有设备投入小、实验成本低、实验参数设置灵活等优点，近年来得到较大的发展。但同时，数值模拟法具有一些不可避免的问题，主要表现为数值模拟边界条件的设定需要基于一定的假设、数值模拟中腐蚀与冲刷的计算均要基于一定的计算模型、随时间累积的管壁腐蚀产物堆积对流体流态分布的影响无法评估等，因此，尽管数值模拟法得到较大的发展，但依旧无法获取实验研究法最直观的冲刷腐蚀参数。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够实时监测电化学参数的双臂反向冲刷腐蚀试验装置，为建立标准化的材料抗冲刷腐蚀性能评价方法提供试验依据，为材料在介质冲刷环境下的实时电化学监测积累基础数据，为材料冲刷腐蚀机理研究和寿命评估提供试验平台。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种双臂反向冲刷腐蚀试验装置，该装置包括支架、以及均安装在支架上的试验槽、计算机反馈控制系统、电化学工作站以及两组传动系统，试验槽内设有加热器，每组传动系统均包括电机、变频器、转盘、试样架和竖直设置的转轴，变频器与电机连接，电机与转轴的上端传动连接，转轴的下端与转盘垂直连接，试样架与转盘垂直连接，且试样架伸入位于转轴下方的盛有腐蚀介质的试验槽内；计算机反馈控制系统包括互相连接的计算机和控制柜，加热器和两个变频器均与控制柜电连接；控制柜控制两组传动系统带动两个转轴反向旋转，进而带动两个转盘上的试样架在试验槽中反向无干涉地转动；其中，每组传动系统中的转轴的外壁上均设有电化学组件和转速传感器，两个电化学组件均与电化学工作站连接，两个转速传感器均与计算机连接。

其中的一个传动系统中的转轴呈中空结构，另一个传动系统中的转轴转动安装在转轴的中空结构内。

本发明中，每组传动系统中，转轴的上端均固定安装有带轮，电机通过皮带带动带轮转动，呈中空结构的转轴两端的外壁安装有设在支架上的高速轴承，另一转轴的两端通过高速轴承安装在呈中空结构的转轴的内部。

本发明中，试验槽的内壁设有盐度探头、温度探头和pH探头，盐度探头、温度探头和pH探头均与计算机连接。

本发明中，每个转盘上至少设置一个试样架，各试样架均匀间隔且平行设置。

本发明中，试样架上安装有试样夹具，试样夹具上由两向调节角度装置和用于放置试样的托盘组成，其中，所述的两向调节角度装置由横向转向节、纵向转向节、横连杆和纵连杆组成，横向转向节套设在试样架上，横连杆固定在横向转向节上，且横连杆与试样架垂直设置；纵向转向节套设在横连杆上，纵连杆固定在纵向转向节上，且纵连杆与试样架平行设置。

进一步地，横向转向节的内部设有与试样架上设置的外螺纹配合连接的内螺纹，纵向转向节的内部设有与横连杆上设置的外螺纹配合连接的内螺纹；

本发明中，加热器包括两个相对于试验槽的竖直中心线对称设置的L型加热板。

本发明中，试验槽内部还设有位于L型加热板外部的导流板。

本发明的目的在于建立一种室内模拟冲刷腐蚀的试验装置，可进行金属材料、非金属材料、复合材料、涂层等及其构件的冲刷腐蚀机理研究、冲刷腐蚀电化学行为研究及不同材料抗冲刷腐蚀性能的对比评价研究，缩短试验周期，降低试验的人力、物力投入。在此基础上，为建立标准化的材料抗冲刷腐蚀性能评价方法提供试验依据，为材料在介质冲刷环境下的实时电化学监测积累基础数据，为材料冲刷腐蚀机理研究和寿命评估提供试验平台。

有益效果：本发明通过反向转动的双轴系统设计，大大降低了腐蚀介质随试样转动而转动，保持了较好的腐蚀介质的稳定，提高了冲刷的实际效果；引入安装于两个转轴上的电化学组件，实现了冲刷过程中样品实时电化学测试的可行性。本发明可实时监测电化学参数，操作安全简便，运行稳定可靠。

试样夹具上两向调节角度装置的设置，能够实现介质对试样冲击角的调整，使测试参数更加全面。

本发明通过一套反向转动的转轴带动试样以一定的转速转动，试样架上的试样安装位置可调整角度，并引出试样电化学测试信号线；控制冲刷介质的温度、pH值、含盐量等参数，模拟试样在一定介质中的冲刷腐蚀，同步实时监测试样的电化学参数，最后计算材料的腐蚀速度。独特的双轴反向旋转设计，既保证样品在转动时能获取更准确的相对运动速度，又可提高介质的流态稳定性，达到最佳的冲刷效果。操作简便，开启电源，设置控制试验参数如转速、温度，再设置监控参数的预警阀值，如pH值、盐度等，制定试验程序，即可进行试验，试验过程实现自动控制。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明中试样夹具的示意图；

图3为实施例1冲刷腐蚀试验后的试样的SEM图；

图4为实施例1试样的电化学阻抗谱图；

图5为实施例2冲刷腐蚀试验后的试样的SEM图；

图6为实施例2试样的电化学阻抗谱图。

附图标记：1、支架，2、试验槽，3、电化学工作站，4、电机，5、变频器，6、转盘，7、试样架，8、转轴，9、计算机，10、控制柜，11、电化学组件，12、转速传感器，13、带轮，14、盐度探头，15、温度探头，16、pH探头，17、托盘，18、横向转向节，19、纵向转向节，20、横连杆，21、纵连杆，22、L型加热板，23、导流板，24、试样，25、高速轴承。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征以及达成的目的便于理解，下面结合具体示意图，进一步阐述本发明，但本发明所要求保护的范围并不局限于具体实施方式中所描述的范围。

一种双臂反向冲刷腐蚀试验装置，该装置能够实时监测电化学参数，如图1所示，该装置包括支架1以及均安装在支架1上的试验槽5、计算机反馈控制系统、电化学工作站3以及两组传动系统，计算机反馈控制系统包括互相连接的计算机9和控制柜10。

其中，试验槽2内设有加热器，加热器与控制柜10电连接；加热器包括两个相对于试验槽2的竖直中心线对称设置的L型加热板22；试验槽2的内部还设有位于L型加热板22外部的导流板23。

本发明中，如图1所示，每组传动系统均包括电机4、变频器5、转盘6、试样架7和竖直设置的转轴8，变频器5与电机4连接，电机4与转轴8的上端传动连接，转轴8的下端与转盘6垂直连接，试样架7与转盘6垂直连接，且试样架7伸入位于转轴8下方的盛有腐蚀介质的试验槽2内。其中的一个传动系统中的转轴呈中空结构，另一个传动系统中的转轴转动安装在前述呈中空结构的转轴的内部，两个转轴8的中心轴线重合设置。

本发明中，支架1采用普通碳钢焊接而成，是电机4、试验槽5以及电化学工作站3、控制柜10等部件的工作平台，其上通过螺栓固定电机4，通过高速轴承25固定呈中空结构的转轴8。

每组传动系统中，转轴8的上端均固定安装有带轮13，电机4通过皮带带动带轮13转动，呈中空结构的转轴两端的外壁安装有设在支架1上的高速轴承，另一转轴的两端通过高速轴承安装在呈中空结构的转轴的内部。

两个变频器5均与控制柜10电连接，控制柜10控制两组传动系统带动两个转轴8反向旋转，进而带动两个转盘6上的试样架7在试验槽2中反向无干涉地转动。每个转盘6上至少设置一个试样架7，各试样架7均匀间隔且平行设置，位于两个转盘6上的试样架7的转动方向相反。

其中，每组传动系统中的转轴8的外壁上均设有电化学组件11和转速传感器12，两个电化学组件11均与电化学工作站3连接，两个转速传感器12均与计算机9连接。其中，电化学工作站3接收两个电化学组件11的信号并进行处理，计算机9接收转速传感器12的信号，并通过控制柜10实时调节变频器5的频率。其中，电化学组件11是腐蚀测试中的三个电极，电化学工作站3收集电极反馈的信号进行放大后记录。

其中，试验槽2的内壁设有盐度探头14、温度探头15和pH探头16，盐度探头14、温度探头15和pH探头16均与计算机9连接。其中，计算机9内置安装有信号处理器和反馈调节软件，接收由转速传感器12、盐度探头14、温度探头15和pH探头16的信号并实时对装置进行调节。其中，计算机9接收盐度探头14、温度探头15和pH值探头16的信号并实时记录存储，通过温度探头15反馈的温度，利用加热器对试验槽2内的腐蚀介质的温度进行调节。

如图1所示，每个试样架7上均安装有试样夹具，如图2所示，试样夹具上由两向调节角度装置和用于放置试样24的托盘17组成，其中，所述的两向调节角度装置由横向转向节18、纵向转向节19、横连杆20和纵连杆21组成，横向转向节18套设在试样架7上，横向转向节18的内部设有与试样架7上设置的外螺纹配合连接的内螺纹，横连杆20固定在横向转向节18上，且横连杆20与试样架7垂直设置。通过转动横向转向节18，可以调整横向转向节18在试样架7上的竖直位置，进而调整托盘17上的试样的竖直位置，或试样与纵切面之间的夹角。

纵向转向节19套设在横连杆20上，纵连杆21固定在纵向转向节19上，且纵连杆21与试样架7平行设置，纵向转向节19的内部设有与横连杆20上设置的外螺纹配合连接的内螺纹。通过转动纵向转向节19，可以调整纵向转向节19在横连杆20上的水平位置，进而调整试样的水平位置，或试样与纵切面之间的夹角。

本发明中，位于外层的转轴上的高速轴承的外环安装于支架1上，电化学组件11安装于转轴的中部偏下端，转速传感器12安装于转轴的下端，转盘安装于转轴的最下端。

试验槽2由耐腐蚀材料制成，试验槽2上固定安装有L型加热板22，导流板23活动安装于试验槽2上，可通过导流板23的使用调节试验槽2中流体的流态；试验槽2中心偏下端排列安装有盐度探头14、温度探头15和pH探头16。

本装置的工作原理为：根据需求的冲刷速度及转盘6的直径，计算电机4的转速，计算机9发送控制信号到控制柜10，由控制柜10驱动两台电机4以一定的转速反向转动，通过转轴8带动安装在转盘6上的试样架7反向旋转，试样架7带着试样24在控制参数的试验槽2中的介质中转动，形成冲刷效果。试验过程中实时记录试样的电化学参数及介质的温度、pH值、盐度等参数，从而达到冲刷腐蚀室内模拟效果并实时测试样品的电化学参数。采用试验腐蚀参数监控记录系统，对腐蚀影响因素进行实时的监测并记录，确保了试验过程腐蚀参数的稳定性。

表1本发明装置的主要技术参数

实施例1

利用B10铜合金板作为试样，试验槽2中盛放的介质为厦门海域实海海水，其中，实海海水是在高潮位时，在试验海域内离岸超过50m距离取的实际海域的海水；试验温度为45℃；两个转轴的转速均为500rpm，且转向相反；试样的冲击角度为30°。

实验过程如下：

（1）分别在两个试样架7上安装试样，调整试样与竖直方向的角度为30°，依次将两个试样架7固定在两个转盘6上；

（2）放入厦门海域实海海水到实验槽2中；

（3）启动控制柜10和计算机9，完成系统自检，确认信号处理器和反馈调节软件与各探头、传感器有效连接；

（4）设定两个电机4的转速均为500rpm，实验槽2内温度45℃；

（5）接通电化学组件11和电化学工作站3；

（6）启动软件，变频器5将电机4的转速控制在500rpm，观察计算机9中的反馈条件软件的参数记录，观察有无异常；

（7）达到设定实验周期后停机，取样后处理。

试样的微观形貌如图3所示，具有典型冲刷腐蚀形貌特征；如图4所示，样品电化学曲线稳定，说明在实验室采用本发明的试验装置，条件控制稳定，能够较好的模拟冲刷腐蚀效果，对金属、非金属、涂层等试样的耐冲刷腐蚀性能进行测试评价具备可行性。

实施例2

利用B10铜合金板作为试样，试验槽2中盛放的介质为厦门海域实海海水，其中，实海海水是在高潮位时，在试验海域内离岸超过50m距离取的实际海域的海水；试验温度为45℃；

舍去位于中空的转轴内部的转轴以及该转轴上设置的附属部件，即利用本发明的转轴实现单轴转动冲刷试验，该转轴的转速为500rpm；试样的冲击角度为0°。

实验过程如下：

（1）在试样架7上安装试样，调整试样竖直向下，将试样架7固定在转盘6上；

（2）放入厦门海域实海海水到实验槽2中；

（3）启动控制柜10和计算机9，完成系统自检，确认信号处理器和反馈调节软件与各探头、传感器有效连接；

（4）设定电机4的转速为500rpm，实验槽2内温度45℃；

（5）接通电化学组件11和电化学工作站3；

（6）启动软件，变频器5将电机4的转速控制在500rpm，观察计算机9中的反馈条件软件的参数记录，观察有无异常；

（7）达到设定实验周期后停机，取样后处理。

样品的微观形貌如图5所示，具有典型冲刷腐蚀形貌特征；如图6所示，样品电化学曲线稳定，说明在实验室采用本发明的试验装置，条件控制稳定，能够较好的模拟冲刷腐蚀效果，其效果优于现有技术的试验装置。但实施例1的冲刷效应较实施例2单轴转动样品更加明显。

本发明为工业环境腐蚀室内模拟装置，能够很便捷的设置模拟环境的腐蚀影响因素参数，如冲刷腐蚀的流速、冲击角度、含沙量、温度等，其中，含沙量是在模拟试验时，取过滤海水并沉淀24h后，加入经计算确定的沙子的量。通过控制试验参数的变化范围，形成模拟工业环境冲刷腐蚀的试验装置。其巨大的意义在于：能在短期内快速评价材料的耐冲刷腐蚀性能，同时试样投入小、人力资源与资金效率高；应用该装置可以有效设置、监控、记录工业管道材料的耐介质冲刷腐蚀性能，详细记录测试过程的试验时间、流速、冲击角、温度等参数的变化，应用于评价金属材料、非金属材料、涂层等在工业介质冲刷环境条件下的耐冲刷腐蚀性能及相应防护措施防护效果，具有重要的实际意义和工程价值。

Claims (4)

1.一种双臂反向冲刷腐蚀试验装置，其特征在于：该装置包括支架以及均安装在支架上的试验槽、计算机反馈控制系统、电化学工作站以及两组传动系统，试验槽内设有加热器，每组传动系统均包括电机、变频器、转盘、试样架和竖直设置的转轴，变频器与电机连接，电机与转轴的上端传动连接，转轴的下端与转盘垂直连接，试样架与转盘垂直连接，且试样架伸入位于转轴下方的盛有腐蚀介质的试验槽内；计算机反馈控制系统包括互相连接的计算机和控制柜，加热器和两个变频器均与控制柜电连接；

控制柜控制两组传动系统带动两个转轴反向旋转，进而带动两个转盘上的试样架在试验槽中反向无干涉地转动；其中，每组传动系统中的转轴的外壁上均设有电化学组件和转速传感器，两个电化学组件均与电化学工作站连接，两个转速传感器均与计算机连接；

其中的一个传动系统中的转轴呈中空结构，另一个传动系统中的转轴转动安装在转轴的中空结构内；

每组传动系统中，转轴的上端均固定安装有带轮，电机通过皮带带动带轮转动，呈中空结构的转轴两端的外壁安装有设在支架上的高速轴承，另一转轴的两端通过高速轴承安装在呈中空结构的转轴的内部；

每个转盘上至少设置一个试样架，各试样架均匀间隔且平行设置，试样架上安装有试样夹具，试样夹具上由两向调节角度装置和用于放置试样的托盘组成，其中，所述的两向调节角度装置由横向转向节、纵向转向节、横连杆和纵连杆组成，横向转向节套设在试样架上，横连杆固定在横向转向节上，且横连杆与试样架垂直设置；纵向转向节套设在横连杆上，纵连杆固定在纵向转向节上，且纵连杆与试样架平行设置，横向转向节的内部设有与试样架上设置的外螺纹配合连接的内螺纹，纵向转向节的内部设有与横连杆上设置的外螺纹配合连接的内螺纹。

2.根据权利要求1所述的一种双臂反向冲刷腐蚀试验装置，其特征在于：试验槽的内壁设有盐度探头、温度探头和pH探头，盐度探头、温度探头和pH探头均与计算机连接。

3.根据权利要求1所述的一种双臂反向冲刷腐蚀试验装置，其特征在于：加热器包括两个相对于试验槽的竖直中心线对称设置的L型加热板。

4.根据权利要求3所述的一种双臂反向冲刷腐蚀试验装置，其特征在于：试验槽内部还设有位于L型加热板外部的导流板。

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