CN108279180A - 一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置、方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置、方法及应用，装置包括：螺栓、试样、绝缘弹簧、螺母及数据收集和存储单元。螺栓具有设有外螺纹的螺杆，试样呈具有开口部的非封闭形，绝缘处理后套设于所述螺杆上，绝缘弹簧套设于螺杆上并抵接所述试样，螺杆末端安装螺母。本发明以绝缘弹簧作为应力产生单元，将所蓄积的弹性势能作用于试样，使试样发生形变，从而导致接入数据收集和存储单元部分的电信号发生变化，来原位记录试样应力腐蚀的发生、发展过程，实现试样应力腐蚀性能的测试。本发明所加载力的大小可变、待测材料可变，从而为筛选耐深海应力腐蚀的材料提供方法，本发明可提高人们对于深海腐蚀的认识，具有很高的推广和应用价值。

Description

一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置、方法及应用

技术领域

本发明涉及深海腐蚀试验领域，具体地说是一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置、方法及应用。

背景技术

深海蕴藏着丰富的油气资源、矿产资源和生物资源，是各国争夺经济制高点的重要战略目标。深海油气资源储量占全球探明油气可采储量45%左右，可燃冰总资源量相当于全球已知煤、石油和天然气总和的2倍，可满足人类1000年的需求；深海矿产资源丰富，仅太平洋底的锰结核储量中铜可供应600年，镍可供应15000年，锰可供应24000年，钴甚至可供应13万年；深海物种的多样性更是生物资源的巨大宝库，具有潜在的巨大经济利益，很多国家都把控制和占有这些资源的措施列入国家发展计划，以期抢得“蓝色公土”的占有权。

深海环境下的材料腐蚀是从事深海探索首要关注的问题，深海的溶解氧含量、温度、pH、盐度、压力、流速以及生物环境等都与浅海环境不同，这些因素都直接影响材料的腐蚀行为。在深海环境下，材料耐腐蚀性能排序可能会重新排列，甚至有些材料深海腐蚀速度要大于浅海腐蚀速度。故在深海环境下，材料的腐蚀行为需要重新进行认识。

金属材料广泛用于制造深海装备。材料在应力和恶劣的深海腐蚀环境共同作用下可发生应力腐蚀。深海环境的应力腐蚀给装备的服役构成潜在的威胁和风险。评估和筛选材料的耐深海应力腐蚀性能也是环境试验的重要任务。通过实海或者模拟深海应力腐蚀试验可评价和筛选耐深海应力腐蚀的材料，从而为建造深海装备提供重要的参考。但是目前尚缺乏有效的用于深海环境的原位监测试验装置，所以设计和发展相应的试验装置是开展深海应力腐蚀研究的重要前提。

发明内容

本发明的技术任务是针对现有技术的不足，提供一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置、方法及应用，用以评价不同金属材料在模拟深海以及实海环境中的应力腐蚀性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1、本发明提供一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置，包括：螺栓、试样、绝缘弹簧、螺母及数据收集和存储单元；

所述螺栓具有设有外螺纹的螺杆，由耐腐蚀性材料制成，试样由板状待测材料加工成具有开口部的非封闭形，非封闭形壁面上钻孔，并做绝缘处理后套设于所述螺杆上，绝缘弹簧套设于螺杆上并抵接所述试样，螺杆末端安装螺母；

该装置基于试样应力腐蚀发生时，绝缘弹簧将所蓄积的弹性势能作用于试样，使试样发生形变，从而导致接入数据收集和存储单元部分的负载发生变化，引发电信号的变化，实现对试样应力腐蚀性能的测试。

作为本发明进一步改进的，还包括滑动变阻器，滑动变阻器接入数据收集和存储单元，滑动变阻器滑动触点随试样形变而发生移动，从而导致接入数据收集和存储单元部分的负载发生变化。

作为本发明进一步改进的，所述试样与绝缘弹簧之间的螺杆上还套设有绝缘垫片。

作为本发明进一步改进的，所述绝缘垫片内嵌磁铁，滑动变阻器的滑动触点在磁铁吸引下，随绝缘垫片滑动，从而改变滑动变阻器电阻。

作为本发明进一步改进的，所述数据收集和存储单元包括电源、电流检测模块、记录存储模块，电流检测模块串接在电源与负载构成的闭合电路中，记录存储模块与电流检测模块相连，存储闭合电路中形成的电流。

作为本发明进一步改进的，所述数据收集和存储单元密封于耐压罐中或集成于螺栓的内部空腔中。

作为本发明进一步改进的，所述滑动变阻器内嵌于螺栓的内部空腔中。

作为本发明进一步改进的，所述非封闭形为C型、U型、M型或弯折成任意角度的对称非封闭形状。

作为本发明进一步改进的，所述耐腐蚀性材料选用金属材质（如钛合金）或非金属材质（如塑料）。

作为本发明进一步改进的，所述磁铁选用NdFeB强磁力磁铁。

2、本发明另提供一种用于深海环境的应力腐蚀试验方法，该方法基于上述的一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置，包括步骤如下：

1）将板状待测材料加工成具有开口部的非封闭形，作为试样；

2）在试样非封闭形壁面上钻孔，并做绝缘处理后，套设于螺杆上；

3）将弹簧绝缘处理后，套设于螺杆上，在螺杆末端安装螺母，用以拧紧弹簧，在试样应力腐蚀发生时，给试样施加压力。

3、本发明还提供一种用于深海环境的应力腐蚀试验方法的应用，将上述的一种用于深海环境的应力腐蚀试验方法，应用在模拟深海及实海环境中的应力腐蚀性能测试。

本发明的一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置、方法及应用，与现有技术相比所产生的有益效果是：

1、将待测材料形变转化成电信号来原位记录试样应力腐蚀的发生、发展过程；

2、所加载力的大小可变、待测材料可变，从而为筛选耐深海应力腐蚀的材料提供方法；

3、本发明既可用于深海的实海试验，又可以用于深海室内模拟条件下的试验，具有很高的通用性。本专利设计结构简单、原理科学，可推动深海腐蚀试验的发展，提高人们对于深海腐蚀的认识，具有很高的推广和应用价值。

附图说明

附图1是本发明深海环境的应力腐蚀试验装置的示意图；

附图2是本发明与绝缘弹簧和试样直接接触的绝缘垫片的示意图；

附图3是本发明钛合金中空螺栓内置滑动变阻器的示意图。

图中，1、绝缘弹簧，2、绝缘垫片，3、磁铁，4、试样，5、螺栓，6、数据收集和存储单元，7、螺母，8、滑动变阻器，9、滑动触点，10、电源，11、电流检测模块，12、记录存储模块。

具体实施方式

下面结合附图1-3，对本发明的一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置、方法及应用作以下详细说明。

实施例一

如附图1所示，本发明的一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置，包括：螺栓5、试样4、绝缘弹簧1、螺母7，其中，螺栓5具有设有外螺纹的螺杆，由耐腐蚀性材料制成。试样4由板状待测材料加工成具有开口部的C型环，C型环壁面上钻孔，并做绝缘处理后套设于所述螺杆上。绝缘弹簧1套设于螺杆上并抵接所述试样4，螺杆末端安装螺母7，用以拧紧弹簧，在试样4应力腐蚀发生时，给试样4施加压力。C型环外表面的张力采用张力计进行实时测试，故采用弹簧加载力的方式可以获得一系列不同表面张力的应力应变试样4。

本发明中，螺栓5、试样4、绝缘弹簧1、螺母7等部件连接处均采用绝缘处理，其目的在于：避免深海条件下不同材料部件在接触面处发生电化学腐蚀，影响测定应力腐蚀测定的准确性。

实施例二

本发明的一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置，包括：螺栓5、试样4、绝缘弹簧1、螺母7及数据收集和存储单元6，其中，螺栓5具有设有外螺纹的螺杆，由耐腐蚀性材料制成。试样4由板状待测材料加工成具有开口部的C型环，C型环壁面上钻孔，并做绝缘处理后套设于所述螺杆上。绝缘弹簧1（作为应力产生单元）套设于螺杆上并抵接所述试样4，螺杆末端安装螺母7，用以拧紧弹簧，在试样4应力腐蚀发生时，给试样4施加压力。

该装置基于试样4应力腐蚀发生时，绝缘弹簧1将所蓄积的弹性势能作用于试样4，使试样4发生形变，从而导致接入数据收集和存储单元6部分的负载发生变化，引发电信号的变化，实现对试样4应力腐蚀性能的测试。

本发明中，螺栓5、试样4、绝缘弹簧1、螺母7等部件连接处均采用绝缘处理，螺栓5、螺母7均由耐腐蚀性材料制成，其目的在于：避免深海条件下不同材料部件本身及不同材料部件在接触面处发生腐蚀，影响测定应力腐蚀测定的准确性。绝缘处理方式可以采用绝缘部件或在部件表面覆盖绝缘层。耐腐蚀性材料可选用金属材质，如钛合金、或表面涂有耐腐蚀涂层的金属及合金，也可选用非金属材质，如FRPP、CPVC、PVDF材质塑料。本发明中，螺杆的外螺纹结构便于实现高静水压下的水密密封。

实施例三

在实施例二基础上，为使绝缘弹簧1所蓄积的弹性势能均匀作用于试样4上，在试样4与绝缘弹簧1之间的螺杆上还套设有绝缘垫片2。

实施例四

在实施例三基础上，接入数据收集和存储单元6部分的负载发生变化，所引发的电信号变化可以是电流或电压的变化，本实施例以所引发的电流信号变化为实施例进行阐述。

如附图3所示，本实施例在实施例三基础上，将具有多匝导线线圈的滑动变阻器8接入数据收集和存储单元6，其结构及连接如下：

数据收集和存储单元6用于实现数据的实时监测和存储，其包括电源10、电流检测模块11、记录存储模块12，电流检测模块11串接在电源10与负载构成的闭合电路中，记录存储模块12与电流检测模块11相连，存储闭合电路中形成的电流。

将滑动变阻器8串接在电源10与电流检测模块11构成的闭合电路中，滑动变阻器8的滑动触点9随试样4形变而发生移动，从而导致接入数据收集和存储单元6部分的负载发生变化，进而引发电流的变化。

本实施例中，数据收集和存储单元6密封于耐压罐中，或者将螺栓5利用机加工手段加工上空腔，将数据收集和存储单元6微型化后集成于螺栓5的内部空腔中，再利用水密封或者环氧树脂密封。

本实施例中，滑动变阻器8另置于耐压罐中，或将滑动变阻器8内嵌于螺栓5的内部空腔中。

实施例五

如附图1、2、3所示，在实施例四基础上，其一，将滑动变阻器8内嵌于螺栓5的内部空腔中，其二，将数据收集和存储单元6密封于耐压罐中，将螺栓5内部空腔中导线引入压力罐中，其三，绝缘垫片2内嵌磁铁3，磁铁3选用NdFeB强磁力磁铁3，滑动变阻器8的滑动触点9在磁铁3吸引下，随绝缘垫片2滑动，从而改变滑动变阻器8电阻，进而引发闭合电路电流的变化。

本实施例的滑动触点9为良性导体，其上绝缘垫片2内组合安装磁铁3，在外界磁场作用下，滑动变阻器8的滑动触点9可以滑动，从而使闭合电路的电阻发生变化，导致电流变化，电流变化由记录存储模块12原位记录。

本实施例装置在深海腐蚀作用下，C型环外形会逐渐变化，直到断裂现象发生。C型环形变及断裂过程中，蓄力绝缘弹簧1将推动绝缘垫片2以及内嵌磁铁3前移，磁铁3将吸引螺栓5内部空腔中的滑动触点9前移，从而使电阻逐渐单调变大（或变小）。在电压维持不变的情况下，电流将单调变小（或变大），直到彻底断裂，绝缘垫片2将不再前移。电流维持不变。所有采集到的电流信息将储存在水密性良好的耐压罐中。当试样4从（模拟）深海环境回收后，数据将被导出，通过数据变化，可以反演出绝缘垫片2的移动趋势，从而明确C型环的变形失效时间以及其他失效现象。

需要说明的是，尽管实施例四、五以所引发的电流变化作为电信号变化为例进行阐述，但结合本领域公知，简单替换为所引发的电压信号变化也应当在本发明的保护范围之内。替代方案简述如下：将数据收集和存储单元6的电流检测模块11替换为电压检测模块，将滑动变阻器8串接在电源10两端构成闭合电路，电压检测模块并联在滑动变阻器8接入闭合电路部分的两端，记录存储模块12与电压检测模块相连，存储滑动变阻器8接入闭合电路部分两端的电压。

实施例六

本发明的一种用于深海环境的应力腐蚀试验方法，基于实施例二至五所述的一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置，可应用在模拟深海及实海环境中的应力腐蚀性能测试。包括步骤如下：

1）将板状待测材料加工成具有开口部的非封闭形，作为试样4；

2）在试样4非封闭形壁面上钻孔，并做绝缘处理后，套设于螺杆上；

3）将弹簧绝缘处理后，套设于螺杆上，在螺杆末端安装螺母7，用以拧紧弹簧，在试样4应力腐蚀发生时，给试样4施加压力。

需要说明的是，本发明以将试样4由板状待测材料加工成具有开口部的C型环为例进行阐述，但试样4形状并不局限于加工成C型环这一种方式，还可以加工成U型、M型，也可以将试样4弯折成任意角度的V型。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (10)

1.一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置，其特征在于，包括：螺栓、试样、绝缘弹簧、螺母及数据收集和存储单元；

所述螺栓具有设有外螺纹的螺杆，由耐腐蚀性材料制成，试样由板状待测材料加工成具有开口部的非封闭形，非封闭形壁面上钻孔，并做绝缘处理后套设于所述螺杆上，绝缘弹簧套设于螺杆上并抵接所述试样，螺杆末端安装螺母；

该装置以绝缘弹簧作为应力产生单元，将所蓄积的弹性势能作用于试样，使试样发生形变，从而导致接入数据收集和存储单元部分的负载发生变化，引发电信号的变化，实现对试样应力腐蚀性能的测试。

2.根据权利要求1所述的一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置，其特征在于，还包括滑动变阻器，滑动变阻器接入数据收集和存储单元，滑动变阻器滑动触点随试样形变而发生移动，从而导致接入数据收集和存储单元部分的负载发生变化。

3.根据权利要求2所述的一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置，其特征在于，所述试样与绝缘弹簧之间的螺杆上还套设有绝缘垫片。

4.根据权利要求3所述的一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置，其特征在于，所述绝缘垫片内嵌磁铁，滑动变阻器的滑动触点在磁铁吸引下，随绝缘垫片滑动，从而改变滑动变阻器电阻。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置，其特征在于，所述数据收集和存储单元包括电源、电流检测模块、记录存储模块，电流检测模块串接在电源与负载构成的闭合电路中，记录存储模块与电流检测模块相连，存储闭合电路中形成的电流。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置，其特征在于，所述数据收集和存储单元密封于耐压罐中或集成于螺栓的内部空腔中。

7.根据权利要求2-4中任一项所述的一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置，其特征在于，所述滑动变阻器内嵌于螺栓的内部空腔中。

8.根据权利要求1-4中任一项所述的一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置，其特征在于，所述非封闭形为C型、U型、M型或弯折成任意角度的对称非封闭形状。

9.一种用于深海环境的应力腐蚀试验方法，其特征在于，该方法基于权利要求1-4中任一项所述的一种用于深海环境的应力腐蚀试验装置，包括步骤如下：

1）将板状待测材料加工成具有开口部的非封闭形，作为试样；

2）在试样非封闭形壁面上钻孔，并做绝缘处理后，套设于螺杆上；

3）将弹簧绝缘处理后，套设于螺杆上，在螺杆末端安装螺母，用以拧紧弹簧，在试样应力腐蚀发生时，给试样施加压力；

该方法以绝缘弹簧作为应力产生单元，将所蓄积的弹性势能作用于试样，使试样发生形变，从而导致接入数据收集和存储单元部分的负载发生变化，引发电信号的变化，实现对试样应力腐蚀性能的测试。

10.一种用于深海环境的应力腐蚀试验方法的应用，其特征在于，将权利要求9所述的一种用于深海环境的应力腐蚀试验方法，应用在模拟深海及实海环境中的应力腐蚀性能测试。