CN108872051A - 一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置和方法，属于材料环境试验领域。本发明在被模拟自然环境中设置传感器探头，对试验现场的环境因素参数进行采集；通过环境因素数据传输系统将所采集的环境因素实时远程传递给模拟实验室；模拟实验室以收到的环境因素参数作为命令，控制室内的环境因素参数实现设备及装置，使各种环境因素再现，从而使模拟实验室与被模拟自然环境的状态基本一致，为材料的腐蚀老化暴露试验提供条件。借助实验室内其他监测技术和手段，对试验进行原位或准原位的跟踪和分析，从而打破偏远、恶劣自然试验条件下试验受限的局面。通过在实验室实现多种典型气候的模拟，可为材料的快速筛选和评价提供重要的手段和方法。

Description

一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置和方法

技术领域

本发明属于材料环境试验领域，涉及对大气自然环境现场跟踪监测，并将环境因素在试验箱中同步控制，从而对大气腐蚀精确模拟的试验装置和方法。

背景技术

金属在大气自然环境条件下的腐蚀称为大气腐蚀。大气腐蚀在金属腐蚀中是数量最多、覆盖面最广、破坏性最大的一种腐蚀。众多的金属钢架、桥梁、汽车、轮船及各种金属建筑设施，无时无刻不在遭受大气的侵蚀。金属受到大气腐蚀以后，首先是其表面颜色变灰暗，失去金属光泽，严重的时候可看到锈迹斑斑。当腐蚀到一定的程度以后，就会产生明显的破坏，甚至产生突发性的灾难。因此，金属的大气腐蚀需要引起足够的重视和关注。

服役于大气环境的材料、构件等在实际使用之前需要进行环境试验评价，明确其耐腐蚀性能，从而对使用寿命和安全可靠性能作出评估。大气环境下的暴露腐蚀试验是研究大气腐蚀最可靠、最精确的方法，但是试验周期长、受多种因素的制约。另外，所选择的典型环境一般都是恶劣自然环境，受条件限制，原位的跟踪实验难以开展，所以对腐蚀中间的过程缺乏了解，难以在小的时间尺度上开展金属腐蚀随时间的劣化过程研究。因此科研人员发展了诸多室内模拟加速试验方法作为自然试验的重要补充来对材料失效行为进行研究。目前常用的模拟加速试验方法包括盐雾试验、干湿循环试验、湿热试验、多因子复合加速试验等。

室内模拟试验需要具备模拟性、重复性、相关性等条件，它要求室内外开展的金属腐蚀行为和腐蚀机理都具有可比拟性。然而，当前室内环境试验尚未实现对真实环境的模拟，主要体现在如下几点：第一，室内模拟的环境参量有限。材料在大气环境中的腐蚀老化是多种因素共同作用的结果，而当前所开展的模拟试验只对几个代表性环境参数进行控制，而其他的因素被忽略，这导致模拟结果和实际结果发生偏离。第二，采用单一值的方法对参数进行控制。在实际大气腐蚀环境中，所有环境因素都在时刻变化。变化的环境因素对材料产生累积效应，从而对材料造成破坏。而在通常模拟试验过程中，为简单起见，参量设置采用单一平均值的方式对实际环境进行粗略的模拟，不可避免的与实际情况发生偏差。如果模拟环境能够对实际环境中所有的环境因素进行严格的复制，那么整个模拟环境则可以认为是自然环境的再现。

发明内容

本发明的技术任务是针对当前的室内模拟试验不能全面反映自然环境的困境，提出一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置和方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1、本发明提供一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置，包括三部分，分别为环境因素参数传感系统、环境因素数据传输系统和环境因素控制再现系统，各个系统的结构及作用分别如下：

环境因素参数传感系统位于试验现场（即待模拟自然环境），由多个传感器探头组成，分别对试验现场测试目标的环境因素参数进行采集；

环境因素数据传输系统将试验现场所采集的环境因素参数实时同步传输给远程的环境因素控制再现系统；

环境因素控制再现系统位于远程的模拟实验室（即室内模拟环境），用于接收环境因素数据传输系统所传输的环境因素参数，并控制试验现场与模拟实验室的状态基本一致，以模拟试验现场。

作为本发明进一步改进的，所述模拟实验室包括信息接收系统、主控电脑、控制单元和试验腔，试验腔提供试验空间，用于放置待测试验挂片以及各种环境因素参数实现设备及装置；

信息接收系统将所传输的环境因素参数实时上传至主控电脑，经主控电脑转化为控制单元指令，用于对试验腔中的各种环境因素参数进行实现、调节和控制，从而使得试验腔中的环境因素与试验现场基本一致。

作为本发明进一步改进的，所述试验现场环境包括热带海洋大气环境，温带、寒带、高原、内陆等环境中的至少一种。

作为本发明进一步改进的，所述环境因素参数包括温度、湿度、光照、风速、盐度、气压、降水等。

作为本发明进一步改进的，所述传感器探头采样频率为1min/次。

作为本发明进一步改进的，所述信息接收系统收集频率为1min/次。

作为本发明进一步改进的，试验现场所采集的环境因素参数通过信号发射装置实时同步传输给远程的环境因素控制再现系统。

2、本发明另提供一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验方法，该方法基于上述的一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置，其中，

环境因素参数传感系统位于试验现场，由多个传感器探头组成，分别对试验现场测试目标的环境因素参数进行采集，通过环境因素数据传输系统将试验现场所采集的环境因素参数实时同步传输给远程的环境因素控制再现系统；环境因素控制再现系统位于远程的模拟实验室，用于接收环境因素数据传输系统所传输的环境因素参数，并控制试验现场与模拟实验室的状态基本一致，以模拟试验现场。

作为本发明进一步改进的，所述模拟实验室内进行模拟实验时，根据需要利用光学/电子显微技术、能谱技术、物相表征技术、电化学技术等对试样进行原位或准原位跟踪和监视。

本发明的一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置和方法，与现有技术相比所产生的有益效果是：

本发明在被模拟自然环境中设置传感器探头，现场采集温度、光照、湿度、盐雾、风速、气压、降水等环境因素参数；通过环境因素数据传输系统将传感器探头所采集的环境因素实时远程传递给模拟实验室；模拟实验室以收到的环境因素参数作为命令，控制室内的环境因素参数实现设备及装置，使温度、光照、湿度、盐雾、风速、气压、降水等环境因素再现，从而使模拟实验室与被模拟自然环境的状态基本一致，为材料的腐蚀老化暴露试验提供条件。借助实验室内的其他监测技术和手段，可以对试验进行原位或准原位的跟踪和分析，从而打破偏远、恶劣自然试验条件下试验受限的局面。通过在实验室实现多种典型气候的模拟，可为材料的快速筛选和评价提供重要的手段和方法。

本发明中所设计的模拟自然环境的大气腐蚀试验装置和方法突出特点为：

1）实时性。将待模拟自然环境的环境因素现场监测并转化成信息远程传输给模拟实验室，模拟实验室以传输的数据作为输入指令，现场控制各种环境因素参数从而复制出自然环境；

2）通用性。对典型自然环境比如热带海洋大气环境，温带、寒带、高原、内陆等气候都能进行模拟。本装置设计结构合理、原理科学，可推动大气腐蚀模拟试验技术的发展，为评价材料大气腐蚀性能和筛选耐大气腐蚀的材料提供了新方法，具有很高的推广和应用价值。

附图说明

附图1是本发明同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置的设计架构图；

附图2是本发明环境因素参数传感系统的结构图；

附图3是本发明环境因素控制再现系统的结构图。

具体实施方式

下面结合附图1-3，对本发明的一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置和方法作以下详细说明。

实施例一

如附图1所示，本发明的一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置，包括三部分，分别为环境因素参数传感系统、环境因素数据传输系统和环境因素控制再现系统，各个系统的结构及作用分别如下：

如附图2所示，环境因素参数传感系统位于试验现场（即待模拟自然环境），由多个传感器探头组成，分别对试验现场测试目标的温度、湿度、光照、风速、盐度、气压、降水等环境因素参数进行采集。

环境因素数据传输系统将试验现场所采集的环境因素参数实时同步传输给远程的环境因素控制再现系统；试验现场所采集的环境因素参数通过信号发射装置实时同步传输给远程的环境因素控制再现系统。

如附图3所示，环境因素控制再现系统位于远程的模拟实验室（即室内模拟环境），用于接收环境因素数据传输系统所传输的环境因素参数，并控制试验现场与模拟实验室的状态基本一致，以模拟试验现场。

所述模拟实验室包括信息接收系统、主控电脑、控制单元和试验腔，试验腔提供试验空间，用于放置待测试验挂片以及各种环境因素参数实现设备及装置；

信息接收系统将所传输的环境因素参数实时传输给主控电脑，经主控电脑转化为控制单元指令，用于对试验腔中的各种环境因素参数进行实现、调节和控制，从而使得试验腔中的环境因素与试验现场基本一致。

本发明对典型自然环境，比如热带海洋大气环境，温带、寒带、高原、内陆等环境中的一种、两种或多种的集群都能进行模拟。

本发明所涉及传感器探头采样频率为1min/次，信息接收系统收集频率为1min/次。

实施例二

本发明的一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验方法，该方法基于实施例一的一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置，其中，

环境因素参数传感系统位于试验现场，由多个传感器探头组成，分别对试验现场测试目标的环境因素参数进行采集，通过环境因素数据传输系统将试验现场所采集的环境因素参数实时同步传输给远程的环境因素控制再现系统；环境因素控制再现系统位于远程的模拟实验室，用于接收环境因素数据传输系统所传输的环境因素参数，并控制试验现场与模拟实验室的状态基本一致，以模拟试验现场。

模拟实验室内进行模拟实验时，根据需要利用光学/电子显微技术、能谱技术、物相表征技术、电化学技术等对试样进行原位或准原位跟踪和监视。

试验例一：典型热带海洋大气环境的原位同步大气腐蚀模拟试验

将环境因素参数传感系统固定在热带海岸，现场采集温度、湿度、光照、风速、盐度、气压、降水等环境因素参数，采集频次为1min/次，所采集的环境因素参数通过信号发射装置上传（图2），并将实时信息远程传输到模拟实验室，收集频次为1 min/次。模拟实验室由试验腔、温度、湿度、光照、风速、盐度、气压、降水等参数控制装置组成（图3）。通过网络传输的热带海岸现场环境因素数值，直接作为命令输入给模拟实验室内的环境参数控制装置，频次为1 min/次，从而复制出当前时间的热带海岸现场的环境。由于热带海岸现场环境因素数值动态变化，环境参数控制装置也根据实时更新的数据不断调整参数数值，从而复制出动态变化的环境。

试验例二：典型高原大气环境的原位同步大气腐蚀模拟试验

将环境因素参数传感系统固定在高原，现场采集温度、湿度、光照、风速、盐度、气压、降水等环境因素参数，采集频次为1min/次，所采集的环境因素参数通过信号发射装置上传，并将实时信息远程传输到模拟实验室，收集频次为1 min/次。模拟实验室由试验腔、温度、湿度、光照、风速、盐度、气压、降水等环境因素参数控制装置组成。通过网络传输的高原现场环境因素数值，直接作为命令输入给模拟实验室内的环境参数控制装置，从而复制出当前时间的试验现场的环境。由于高原现场环境因素数值动态变化，环境参数控制装置也根据实时更新的数据不断调整参数数值，从而复制出动态变化的环境。

试验例三：多种环境的同步集群模拟

通过对多个典型自然环境地点布设环境因素参数传感系统和信息传输系统，可在同一实验室实现多种环境的同步集群模拟。通过集群模拟环境试验，可对材料的服役性能进行集中对比，从而更加集约和快速的实现材料的筛选和评价。

试验例四：实验室内材料腐蚀老化的原位或准原位监测

实验室内进行模拟实验时，根据需要可以利用光学/电子显微技术、能谱技术、物相表征技术、电化学技术等对试样进行原位或准原位跟踪和监测。比如试片每隔1小时可以利用光学显微镜、电子显微镜、X射线衍射无损测试表面形貌以及对生成的腐蚀产物相态进行观察和确认，从而明确表面腐蚀产物随时间的变化趋势。对于传统自然环境试验而言，这些原位或准原位监测表征技术是无法实现的。传统自然环境试验主要从挂样前和收样后两个时间点上来研究材料的腐蚀老化过程，中间过程的重要信息都因为条件所限而无法获取。通过同步自然环境的方法，既可以再现自然环境因素，又可以获得传统方法无法获得的信息，这为深入研究材料的腐蚀老化性能提供了重要的手段。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域技术人员来说，其依然可以对前述实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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 (9)

1.一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置，其特征在于，包括三部分，分别为环境因素参数传感系统、环境因素数据传输系统和环境因素控制再现系统，各个系统的结构及作用分别如下：

环境因素参数传感系统位于试验现场，由多个传感器探头组成，分别对试验现场测试目标的环境因素参数进行采集；

环境因素数据传输系统将试验现场所采集的环境因素参数实时同步传输给远程的环境因素控制再现系统；

环境因素控制再现系统位于远程的模拟实验室，用于接收环境因素数据传输系统所传输的环境因素参数，并控制试验现场与模拟实验室的状态基本一致，以模拟试验现场。

2.根据权利要求1所述的一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置，其特征在于，所述模拟实验室包括信息接收系统、主控电脑、控制单元和试验腔，试验腔提供试验空间，用于放置待测试验挂片以及各种环境因素参数实现设备及装置；

信息接收系统将所传输的环境因素参数实时上传至主控电脑，经主控电脑转化为控制单元指令，用于对试验腔中的各种环境因素参数进行实现、调节和控制，从而使得试验腔中的环境因素与试验现场基本一致。

3.根据权利要求1或2所述的一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置，其特征在于，所述试验现场环境包括热带海洋大气环境，温带、寒带、高原、内陆环境中的至少一种。

4.根据权利要求1或2所述的一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置，其特征在于，所述环境因素参数包括温度、湿度、光照、风速、盐度、气压、降水。

5.根据权利要求1或2所述的一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置，其特征在于，所述传感器探头采样频率为1min/次。

6.根据权利要求2所述的一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置，其特征在于，所述信息接收系统收集频率为1min/次。

7.根据权利要求2或6所述的一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置，其特征在于，试验现场所采集的环境因素参数通过信号发射装置实时同步传输给远程的环境因素控制再现系统。

8.一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验方法，其特征在于，该方法基于权利要求1、2或6所述的一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验装置，其中，

环境因素参数传感系统位于试验现场，由多个传感器探头组成，分别对试验现场测试目标的环境因素参数进行采集，通过环境因素数据传输系统将试验现场所采集的环境因素参数实时同步传输给远程的环境因素控制再现系统；环境因素控制再现系统位于远程的模拟实验室，用于接收环境因素数据传输系统所传输的环境因素参数，并控制试验现场与模拟实验室的状态基本一致，以模拟试验现场。

9.根据权利要求8所述的一种同步模拟自然环境的大气腐蚀试验方法，其特征在于，所述模拟实验室内进行模拟实验时，根据需要利用光学/电子显微技术、能谱技术、物相表征技术、电化学技术对试样进行原位或准原位跟踪和监视。