CN108613917A - 一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试样组件及试验装置 - Google Patents

一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试样组件及试验装置 Download PDF

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侯健
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Abstract

本发明提供一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试样组件及试验装置，该试样组件包括试样框架、外封装体及环境因素监测系统，试样框架、环境因素监测系统封装于外封装体内，端盖内部通过弹簧与试样框架相连，外部系有刚性绳并连在绳索释放模块的锁扣上，绳索释放模块核心是磁开关控制器，并在靠近外封装体的一侧设有电磁铁。试样组件投放前，外封装体端盖呈打开状态；当接收到触发命令后，触发磁开关控制器打开锁扣，释放端盖外部的刚性绳，在弹簧作用下实现端盖闭合，从而使试样框架及其周边海水与外界隔离，保证试验材料不受上层海水污染；借助本发明，可以有效获取各类金属材料深海长周期试验后的原始锈层，为开发新型深海用金属材料提供数据支持。

Description

一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试样组件及试验装置
技术领域
本发明涉及海洋自然环境腐蚀试验装置技术领域，具体涉及一种适合深海条件长期工作的用于腐蚀锈层分析的深海环境试验装置。
背景技术
与浅海相比，深海环境中静水压力﹑温度、盐度、溶解氧和pH值等因素随着海水深度的变化而发生变化，这些因素对深海构筑物腐蚀锈层生成机制的影响错综复杂，也因此必然导致其在深海环境条件下的腐蚀行为与浅海存在显著差异。通过深入研究不同周期金属表面锈层结构与组分，可以明晰深海条件下掺杂合金元素在锈层形成及抑制腐蚀过程中的作用机制，为深海用钢选择或新型合金结构钢的研制提供数据支持，具有重大意义。
当前，国内外深海环境试验装置，全部采用开放式的试样框架，其特点是载样量大，但在回收过程中，试样经过不同深度海水，经历的环境污染影响其锈层成分，抵达甲板及后续运输到实验室过程中，更是长时间接触空气，受氧化和风干影响，锈层成分及结构均会发生显著变化。此类深海环境试验装置虽然可以获取各类典型金属材料或结构件腐蚀失效形式以及腐蚀速率、点蚀深度等相关信息，却无法及时有效的对其锈层成分、结构以及耐蚀机制进行深入研究。现有技术侧重于进行典型金属材料深海环境适应性评价，而忽视了深海防护技术或新材料开发方面的研究，深海腐蚀研究的最终目的不仅仅只是为深海装备选材提供依据，更是在深入理解腐蚀机制的基础上有针对的提出防护措施或设计新型深海用金属材料。为此，必须改进现有深海环境试验装置，确保试验材料在由深海运送到实验室的回收过程中，所处海水环境，包括电解质成分、浓度，溶解氧，pH等不发生改变，以便在实验室研究试样最原始锈层状态，阐释合金元素与Cl-等在耐蚀性能上的作用，为开发新材料提供依据。
发明内容
本发明的技术任务是针对现有技术的不足，设计研制一种适合深海条件长期工作的用于腐蚀锈层分析的深海环境试验装置，试验装置回收过程中，通过自动检测压力变化并采用封闭化措施，使试样框架及其周边海水与外界隔离，保证试验材料不受上层海水污染，同时内置传感器监测外封装体内温度、溶解氧与电导率等环境因素，以便在实验室深入分析其锈层成分及耐蚀机制，为开发新型海洋用材提供数据支持。
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腐蚀锈层分析的深海环境试样组件，该试样组件包括试样框架、具有开口且用于收纳试样框架的外封装体、对开口进行封口的端盖及环境因素监测系统；
所述试样框架、环境因素监测系统封装于外封装体内，所述外封装体端盖内部通过弹簧与试样框架相连，外部系有刚性绳并连在绳索释放模块的锁扣上，所述绳索释放模块的核心是磁开关控制器，并在靠近外封装体的一侧设有电磁铁；
上述试样组件投放前，外封装体端盖呈打开状态；当磁开关控制器接收到触发命令后，触发磁开关控制器打开锁扣，释放系于端盖外部的刚性绳，在外封装体内弹簧作用下实现端盖的闭合。
进一步的，所述试样框架为长方体，试样承载量随具体试样规格和框架体积不同而波动，一般可大于50件。
进一步的，所述外封装体中部为直筒段、上下两端为内径渐缩的喇叭筒段，两个喇叭筒段的开口处分别配置有端盖。
进一步的，所述端盖与外封装体的连接处设有O形密封圈。
进一步的，所述外封装体非一体化设计，而是由上下两段筒体组成，上下两段筒体对接处采用卡箍连接方式，上下两段筒体内表面预制有卡槽，用于卡住试样框架。
进一步的，所述磁开关控制器基于电容供能，即磁开关控制器触发的能量被存储在一个电容中，充满电后为70 V。
进一步的，所述环境因素监测系统包括一微型环境传感器芯片，通过内部电池供电，并将环境因素（如温度、盐度、压力、溶解氧与电导率等因素变化情况）数据记录在存储卡中，实现自容，存储卡最大支持16G容量（15s采集频率，可供连续采样1000d以上）。
2、本发明另提供一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试验装置，包括上述试样组件，至少一个试样组件安装于固定支架上，固定支架上设有微处理器控制单元，环境因素监测系统与绳索释放模块均通过线缆与微处理器控制单元上的水密接头连接，实现环境因素监测数据实时传输以及绳索释放程序设置。该试验装置工作深度达到3000米，可连续工作2年以上。
进一步的，所述外封装体一端预留线缆密封接口，内部安装有环境因素监测系统，通过RS-232串口或其它类型线缆与微处理器控制单元相连。
进一步的，所述微处理器控制单元包含一壳体、底盖，底盖与壳体密封，内部设置微处理器电路板，由内部电池组供电，底盖处安装水密接头，分别与绳索释放模块和环境因素监测系统相连，还与上位机系统相连，并通过上位机系统设置释放模式与采集频率等。
进一步的，所述固定支架主体为双层筒体结构，双层筒体之间通过连接支撑板相连，并通过卡箍固定至少一个试样组件外封装体。
进一步的，所述固定支架两端焊接有吊环，方便吊装与投放工作。固定支架设计可以根据具体环境试验要求进行更改，保证整体装置既可搭载已有深海环境试验装置，也可以单独进行投放。
本发明的一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试样组件及试验装置，与现有技术相比所产生的有益效果是：
本发明结构紧凑小巧，既可搭载已有深海环境试验装置，也可以单独投放；内置环境传感器芯片，实时监测海水温度、盐度、压力、溶解氧与电导率等因素变化情况；回收过程中，自动检测压力变化并采用封闭化措施，使试样框架及其周边海水与外界隔离，保证试验材料不受上层海水污染；独立电源，试验装置工作深度达到3000米，低功耗设计，可连续工作2年以上；借助于本项发明，可以有效地获取各类金属材料深海长周期试验后的原始锈层，结合锈层成分分析与耐蚀机制研究，为开发新型深海用金属材料提供数据支持。
附图说明
附图1是本发明所涉及的试样组件结构示意图；
附图2是本发明试验装置的整体结构示意图；
附图3是本发明图2中A部分的剖面图；
附图4是本发明所涉及的微处理器控制单元结构示意图。
图中，1、试样框架，2、外封装体，3、环境因素监测系统，4、绳索释放模块，5、微处理器控制单元，6、固定支架，7、电池组，8、端盖，9、卡箍，10、弹簧，11、刚性绳，12、水密接头，13、微处理器电路板。
具体实施方式
下面结合附图1-4，对本发明的一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试样组件及试验装置作以下详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“中心”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如附图1所示，本发明提供一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试样组件，包括试样框架1、具有开口且用于收纳试样框架1的外封装体2、对开口进行封口的端盖8及环境因素监测系统3。试样框架1、环境因素监测系统3封装于外封装体2内，外封装体2端盖8内部通过弹簧10与试样框架1相连，外部系有刚性绳11并连在绳索释放模块4的锁扣上，绳索释放模块4的核心是磁开关控制器，并在靠近外封装体2的一侧设有耐压的电磁铁，其结构及工作原理为本领域技术人公知，不再赘述。
上述试样组件投放前，外封装体2端盖8呈打开状态；当磁开关控制器接收到触发命令后，触发磁开关控制器打开锁扣，释放系于端盖8外部的刚性绳11，在外封装体2内弹簧10作用下实现端盖8的闭合，外封装体2可以按任意顺序闭合。
所涉及试样框架1与当前国内外主流深海环境试验采用的试样框架1设计一致，不再赘述，其特点是用于锈层分析的试样规格尺寸要求较小，试样框架1整体尺寸也相应缩小。试样框架1为长方体，试样承载量随具体试样规格和框架体积不同而波动，一般可大于50件。
所涉及外封装体2中部为圆柱直筒段、上下两端为内径渐缩的圆锥筒段，两个圆锥筒段的中心处设有开口，两开口处分别配置有端盖8，端盖8沿周向设有O形密封圈。外封装体2非一体化设计，而是由上下两段筒体组成，对接处预制沟槽并通过橡胶圈和卡箍9密封连接。上下两段筒体内表面预制有直角卡槽，用于卡住试样框架1。
所涉及磁开关控制器基于电容供能，其型号为CA30-M，磁开关控制器触发的能量被存储在一个电容中，充满电后为70 V。
所涉及环境因素监测系统3包括一微型环境传感器芯片，通过内部电池供电，并将环境因素（如温度、盐度、压力、溶解氧与电导率等因素变化情况）数据记录在存储卡中，实现自容，存储卡最大支持16G容量（15s采集频率，可供连续采样1000d以上）。
如附图2所示，本发明提供一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试验装置，包括试样组件，其试样框架1与环境因素监测系统3封装于外封装体2内，固定支架6可安装3个试样组件，固定支架6中心处固定有微处理器控制单元5及其上部的绳索释放模块4。环境因素监测系统3与绳索释放模块4均通过线缆与微处理器控制单元5底盖上的水密接头12连接，实现环境因素监测数据实时传输以及绳索释放程序设置。该试验装置工作深度达到3000米，耐压达到30 MPa，可连续工作2年以上。
所涉及外封装体2一端预留线缆密封接口，内部安装有环境因素监测系统3，通过线缆与微处理器控制单元5相连。
如附图3所示，所涉及固定支架6主体为双层圆柱筒体结构，两层圆柱筒体之间通过连接支撑板相连，并通过卡箍9固定有3个外封装体2，3个外封装体2等间距分布。其中，内层圆柱筒体内固定微处理器控制单元5，周边围绕一圈网状板作防护，绳索释放模块4则位于微处理器控制单元5正上方。
固定支架6材质为2205不锈钢，其两端焊接有吊环，方便吊装与投放工作。固定支架6设计可以根据具体环境试验要求进行更改，保证整体装置既可搭载已有深海环境试验装置，也可以单独进行投放。
如附图4所示，所涉及微处理器控制单元5包含一不锈钢或钛合金壳体、底盖，底盖通过O形圈与壳体密封，可耐受30 MPa水压，内部微处理器电路板13采用低功耗设计，由9节可充电的镍氢碱性电池组7供电，底盖安装5个水密接头12，其中4个分别与绳索释放模块4和3个环境因素监测系统3相连，另1个则与上位机系统相连，并通过上位机系统设置释放模式与采集频率等。设置完程序并断开连接后，微处理器按照以下方式自主控制外封装体2端盖8的释放：实时监测压力值变化，当回收过程连续减小超过0.3 MPa时，自动释放。
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)

1.一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试样组件，其特征在于，该试样组件包括试样框架、具有开口且用于收纳试样框架的外封装体、对开口进行封口的端盖及环境因素监测系统；
所述试样框架、环境因素监测系统封装于外封装体内，所述外封装体端盖内部通过弹簧与试样框架相连，外部系有刚性绳并连在绳索释放模块的锁扣上，所述绳索释放模块的核心是磁开关控制器，并在靠近外封装体的一侧设有电磁铁；
上述试样组件投放前，外封装体端盖呈打开状态；当磁开关控制器接收到触发命令后，触发磁开关控制器打开锁扣，释放系于端盖外部的刚性绳，在外封装体内弹簧作用下实现端盖的闭合。
2.根据权利要求1所述的一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试样组件，其特征在于，所述试样框架为长方体，试样承载量随具体试样规格和框架体积不同而波动。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试样组件，其特征在于，所述外封装体中部为直筒段、上下两端为内径渐缩的喇叭筒段，两个喇叭筒段的开口处分别配置有端盖。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试样组件，其特征在于，所述端盖与外封装体的连接处设有密封圈。
5.根据权利要求1或2所述的一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试样组件，其特征在于，所述外封装体由上下两段筒体组成，上下两段筒体对接处采用卡箍连接方式，上下两段筒体内表面预制有卡槽，用于卡住试样框架。
6.根据权利要求1或2所述的一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试样组件，其特征在于，所述磁开关控制器基于电容供能，即磁开关控制器触发的能量被存储在一个电容中。
7.根据权利要求1或2所述的一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试样组件，其特征在于，所述环境因素监测系统包括微型环境传感器芯片，通过内部电池供电，并将环境因素数据记录在存储卡中，所涉及环境因素数据包括温度、盐度、压力、溶解氧与电导率。
8.一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试验装置，其特征在于，包括权利要求1或2所述的试样组件，至少一个试样组件安装于固定支架上，固定支架上设有微处理器控制单元，环境因素监测系统与绳索释放模块均通过线缆与微处理器控制单元上的水密接头连接，实现环境因素监测数据实时传输以及绳索释放程序设置。
9.根据权利要求8所述的一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试验装置，其特征在于，所述微处理器控制单元包含一壳体、底盖，底盖与壳体密封，内部设置微处理器电路板，由内部电池组供电，底盖处安装水密接头，分别与绳索释放模块和环境因素监测系统相连，还与上位机系统相连，并通过上位机系统设置释放模式与采集频率等。
10.根据权利要求8所述的一种用于腐蚀锈层分析的深海环境试验装置，其特征在于，所述固定支架主体为双层筒体结构，双层筒体之间通过连接支撑板相连，并通过卡箍固定至少一个试样组件外封装体。
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