CN109612922B - 一种模拟船用螺旋桨服役环境腐蚀试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种模拟船用螺旋桨服役环境腐蚀试验装置及试验方法，装置包括腐蚀试验管道、料浆罐、配量泵，料浆罐连接配量泵，配量泵连接腐蚀试验管道的入口，腐蚀试验管道的出口连接料浆罐，在腐蚀试验管道的出口连接料浆罐的管道上设置有通往废料处理系统的支管道，在腐蚀试验管道内设有样品转轮，样品转轮和一个驱动轮架通过连杆连接，驱动轮架连接电机，在样品转轮上设置有加持架，腐蚀试验管道上还设有样品安装口。本发明能够有效的模拟船用螺旋桨实际服役环境，模拟性好、系统稳定性好、建造运行成本较低、节省空间、工作效率高，从而为深入研究船用螺旋桨用材料腐蚀作用机理提供研究手段，为材料的选择和优化设计提供技术依据。
Description
技术领域
本发明属于腐蚀试验领域，尤其涉及一种模拟船用螺旋桨服役环境腐蚀试验装置及试验方法。
背景技术
船舶在江水、河水和海水中运行，服役环境是一个固、液、气同时存在的多相流体系。首先，通常与船舶接触的溶液是导电能力非常强的天然电解质溶液，尤其是海水，其含盐度很高，如我国的渤海、黄海、东海、南海其含盐量均在3.0％～3.5％之间，船舶下水后，会受到电化学腐蚀作用；其次，溶液中通常还含有大量的固体沙粒，如我国长江中游年平均含沙量达1.15kg/m3，黄河中游年平均含沙量可达37.5kg/m3，船舶航行时，水砂会以高速高动能冲刷材料表面，造成材料流失，这类现象称为冲蚀；除此之外，流动水中由于液体内部压力的不平衡或含有气泡，在低压区会形成空泡或以气泡作为形核而长大，在高压区空泡溃灭，溃灭时会产生冲击波冲击材料表面，导致材料流失，该作用定义为空蚀。
综上所述，船用螺旋桨在高速运转过程中，不仅受到电化学腐蚀作用，还受到冲蚀和空蚀作用，这几类因素并不是单独作用，而是同时存在，相互影响，在这种力学因素和化学因素的共同作用下，致使船用螺旋桨失效。常在汕尾附近海域航行的船舶，船用螺旋桨寿命仅5～6年；在珠江入海口海湾水域航行的船舶，船用螺旋桨仅六个月就因腐蚀而失效。船用螺旋桨的失效不仅带来了巨大的经济损失，危害了人身安全，也限制了船舶的发展。目前没有能够有效模拟船用螺旋桨实际服役环境的装置，因此，有必要研究一种模拟船用螺旋桨服役环境的腐蚀试验装置。
申请号为201610369923.3的中国专利“海水全浸区腐蚀试验装置”，该海水全浸区腐蚀试验装置模拟海水全浸区的复杂腐蚀条件，包括海水的冲刷腐蚀、氯离子腐蚀及高氧腐蚀。但该装置不能有效模拟实际洋流和河流冲刷模式，与实际海水的冲刷腐蚀环境偏差较大。不易控制和测量流体的流动特性，转轮旋转时，转轮给海水施加离心力，使得其流经试验试样表面时既有环向运动，又有径向运动。如添加固体颗粒，流体中固体颗粒的分布不均匀。
申请号为201710026612.1的中国专利“一种模拟不同倾角弯管冲刷腐蚀的在线检测实验装置”，该装置采用喷射式及管流式集一体的冲刷方式。首先喷射式模拟冲刷腐蚀的结果一般都比实际情况严重，得出的材料冲刷腐蚀临界速率比其他方法低得多。该装置试样卡槽设计与船用螺旋桨材料工况条件差别较大，不能有效地模拟实际服役状态。
“管流式动海水腐蚀试验装置设计研究”(张新奇，河南科技大学，硕士学位论文)基于对计算流体力学研究的基础上，采用CFD分析方法分析试验段间过渡段的长度与上、下游试验段流速、压力关系，对过渡段的长度进行了优化设计，设计了一种传统意义上的管流式动海水腐蚀试验装置。该装置占地12m×6.4m，占地面积大。测试用溶液量非常大，一般直接用海水为流动介质，并且也是用海水进行自然冷却，试验工作受地域限制。管路与管路间用法兰连接，由于压力和锈蚀原因，导致该管流式试验装置需要经常性的人工维修。
发明内容
本发明的目的是一种模拟船用螺旋桨服役环境腐蚀试验装置及试验方法，该装置能够有效的模拟船用螺旋桨实际服役环境，模拟性好、系统稳定性好、建造运行成本较低、节省空间、工作效率高，从而为深入研究船用螺旋桨用材料腐蚀作用机理提供研究手段，为材料的选择和优化设计提供技术依据。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种模拟船用螺旋桨服役环境腐蚀试验装置，包括腐蚀试验管道、料浆罐、配量泵，所述料浆罐通过管道连接配量泵，所述配量泵通过管道连接腐蚀试验管道的入口，所述腐蚀试验管道的出口通过管道连接料浆罐，在腐蚀试验管道的出口连接料浆罐的管道上设置有通往废料处理系统的支管道，在该支管道上设有废料回收系统支路阀门，在料浆罐的入口管道上设有主管路阀门Ⅲ；在所述腐蚀试验管道内设有若干个样品转轮，若干个样品转轮和一个驱动轮架通过多个连杆连接，所述的驱动轮架连接电机，在所述样品转轮上设置有若干个加持架，所述的加持架用于固定样品，在腐蚀试验管道上还设有样品安装口。
在所述料浆罐中设有搅拌器和加热器，在料浆罐上的还设有料浆罐压力表和料浆罐温湿度传感器。
在所述配量泵与腐蚀试验管道之间的连接管道上设有主管路压力表、主管路流量控制器、主管路温度计Ⅰ。
在所述配量泵与腐蚀试验管道之间的连接管道上、配量泵的出口处设有连接料浆罐的循环支路管道，在该循环支路管道上设有料浆泵循环支路阀门。
在腐蚀试验管道的出口连接料浆罐的管道上设有主管路温度计Ⅱ。
所述加持架包括空心球、固定螺栓、紧固螺母，所述固定螺栓固定在样品转轮上，空心球中设有通孔，空心球置于固定螺栓中与固定螺栓相对转动，紧固螺母旋拧在固定螺栓上，当紧固螺母拧紧时，紧固螺母的端部卡紧在空心球上。
所述腐蚀试验管道为1个或多个，多个腐蚀试验管道为并联连接关系。
一种利用模拟船用螺旋桨服役环境腐蚀试验装置的进行试验方法，包括如下步骤：
1)将钢板加工成样品，样品加工预留安装孔，样品预处理，然后称重并记录试验前重量m0，测量样品表面积并记录为S，采集样品试验前形貌信息；
2)将2-3片平行样品通过加持架与样品转轮连接，调节样品角度与样品转轮平面的夹角θ为45°-90°；
3)选取实际工况环境流体，或者试验室配置相应的模拟流体或加速试验流体；
4)将试验流体注入料浆罐，调节试验温度至环境温度；如存在固相，通过搅拌器搅拌，至液固相均匀，砂石粒度控制在350-400μm；
5)调节管道流速，并保持速度稳定，启动电机使样品转轮转动，记录试验开始时间t1；
6)若开展电化学试验，通过样品安装口建立三电极体系，参比电极距离样品2-20mm，辅助电极距离样品3-10cm，平行于工作电极；
7)记录试验结束时间t2，取出样品，观察并采集样品试验后形貌信息；
8)清洗样品，称重并记录试验后重量m，运用失重法计算该材料的腐蚀速率，电化学试验用腐蚀电位和腐蚀电流表征腐蚀速率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本发明腐蚀试验管道中的样品转轮能够模拟螺旋桨旋转，提高材料与流体的相对速度；可调角度的加持架可模拟螺旋桨工作角度，因此，本装置的腐蚀试验管道能够高效模拟船用螺旋桨实际服役环境。
2)本发明将旋转圆盘式和管路式相结合，实现模拟冲蚀和空蚀在线监测集一体。
3)本发明料浆罐能够提供固液双相流体，罐外自循环系统可提高双相流体的均匀性，能够更真实的模拟河流、湖泊和海水中砂石较多的工况。
4)本发明装置采用短流程有效冲刷，可并联添加腐蚀试验管道，系统稳定性好，使用试验介质溶液量小，建造运行成本较低。
5)在满足目标流速的前提下，本发明主管道可采用软管设计，减少了平铺占地面积，节约空间。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是样品转轮的结构示意图。
图3是腐蚀试验管道的局部示意图。
图4是样品加持架的结构示意图。
图中：1-腐蚀试验管道，2-电化学工作站，3-驱动轮架，4-料浆罐，5-配量泵，6-主管路压力表，7-主管路流量控制器，8-主管路温度计Ⅰ，9-主管路温度计Ⅱ，10-料浆罐压力表，11-加热器，12-搅拌器，13-料浆罐温度湿度传感器，14-样品，15-样品转轮，16-pH探头，17-参比电极，18-辅助电极，19-样品安装口，20-主管路阀门Ⅰ，21-废料回收系统，22-电机，23-加持架，24-料浆罐循环支路阀门，25-废料回收系统支路阀门，26-主管路阀门Ⅱ，27-主管路阀门Ⅲ，28-连杆，29-电机主轴，30-固定螺栓，31-空心球，32-紧固螺母。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步说明：
见图1-图4，一种模拟船用螺旋桨服役环境腐蚀试验装置，包括腐蚀试验管道1、料浆罐4、配量泵5，所述料浆罐4通过管道连接配量泵5，所述配量泵5通过管道连接腐蚀试验管道1的入口，所述腐蚀试验管道1的出口通过管道连接料浆罐4，在腐蚀试验管道1的出口连接料浆罐4的管道上设置有通往废料处理系统21的支管道，在该支管道上设有废料回收系统支路阀门25，在料浆罐4的入口管道上设有主管路阀门Ⅲ27；在所述腐蚀试验管道1内设有若干个样品转轮15，若干个样品转轮15和一个驱动轮架3通过多个连杆28连接，所述的驱动轮架3连接电机22主轴，在所述样品转轮15上设置有若干个加持架23，所述的加持架23用于固定样品14，在腐蚀试验管道1上还设有样品安装口19。在配量泵5与腐蚀试验管道1之间的连接管道上设有主管路阀门Ⅰ20和主管路阀门Ⅱ20。
在所述料浆罐4中设有搅拌器12和加热器11，在料浆罐4上的还设有料浆罐压力表10和料浆罐温湿度传感器13。
在所述配量泵5与腐蚀试验管道1之间的连接管道上设有主管路压力表6、主管路流量控制器7、主管路温度计Ⅰ8。
在所述配量泵5与腐蚀试验管道1之间的连接管道上、配量泵5的出口处设有连接料浆罐4的循环支路管道，在该循环支路管道上设有料浆泵循环支路阀门24。
在腐蚀试验管道1的出口连接料浆罐4的管道上设有主管路温度计Ⅱ9。
主管路温度计Ⅰ8和主管路温度计Ⅱ9分别监测腐蚀试验管路1进料和出料的温度。
所述加持架23包括空心球31、固定螺栓30、紧固螺母32，所述固定螺栓30固定在样品转轮15上，空心球31中设有通孔，空心球31置于固定螺栓30中与固定螺栓30相对转动，紧固螺母32旋拧在固定螺栓30上，当紧固螺母32拧紧时，紧固螺母32的端部卡紧在空心球31上。
安装样品时，样品14加工成平板状，在中心位置或其他位置预留螺纹孔，PPR螺栓穿过样品14的预留孔，再穿过空心球31的通孔，在空心球31另一侧用螺母将螺栓锁紧即可，通过空心球31在固定螺栓30中转动实现对样品设置角度的调节，最终空心球31通过紧固螺母32锁紧定位。加持架23的固定螺栓30与样品转轮15固定。
所述腐蚀试验管道为1个或多个，多个腐蚀试验管道1为并联连接关系。
样品14经由样品安装口19，通过加持架23以一定角度固定在样品转轮15上。加持架23可通过调节空心球31和紧固螺母32来调整样品的冲刷角度，调整样品14与样品转轮15平面的夹角范围为45°～90°。加持架23和样品转轮15均为PPR材质，是绝缘材料，适用于电化学测量。
四根连杆28将样品转轮15和驱动轮架3连接固定，电机22通过主轴29带动驱动轮架3转动，样品14以一定的转速转动，这样样品14与流体间形成相对运动，控制电机22来控制样品转轮15的转动速度，有效模拟船用螺旋桨处于高速高动能冲蚀和空蚀状态。
参比电极17和辅助电极18与电化学工作站2连接，与样品14形成三电极体系，进一步通过电化学工作站2进行实时电化学参数测量。pH探头16安装在腐蚀试验管道1上可监控腐蚀试验管路内流体酸碱度。
其中，设有废料回收系统21。调节主管路阀门Ⅲ27和废料回收系统支路阀门25可将物料导入废料回收系统。否则，物料可循环利用。
配量泵5进出料箭头表示流体的流动方向。
一种利用模拟船用螺旋桨服役环境腐蚀试验装置的进行试验方法，包括如下步骤：
1)将钢板加工成50mm×50mm×3mm尺寸的样品，样品加工预留安装孔，样品预处理，逐级用砂纸打磨，置于丙酮中，用超声波脱脂，之后用蒸馏水清洗钢板，用无水乙醇脱水，用冷风吹干，然后称重并记录试验前重量m0，测量样品表面积并记录为S，采集样品试验前形貌信息。
2)将2-3片平行样品通过加持架23与样品转轮15连接，调节样品14角度与样品转轮平面的夹角θ为45°-90°；可同时进行几种金属材料冲刷腐蚀试验。
3)选取实际工况环境流体，或者试验室配置相应的模拟流体或加速试验流体。
4)将试验流体注入料浆罐4，调节试验温度至环境温度，并根据试验要求调整试验过程中温度；如存在固相，通过搅拌器12搅拌，至液固相均匀，砂石粒度控制在350～400μm；还可通过在流体中注入惰性气体置换除氧。
5)调节管道流速，并保持速度稳定，启动电机22使样品转轮15转动，记录试验开始时间t1。
6)若开展电化学试验，通过样品安装口建立三电极体系，参比电极距离样品2-20mm，辅助电极距离样品3-10cm，平行于工作电极；
7)记录试验结束时间t2，取出样品14，观察并采集样品试验后形貌信息。
8)清洗样品，称重并记录试验后重量m，运用失重法计算该材料的腐蚀速率。电化学试验用腐蚀电位和腐蚀电流表征腐蚀速率。
本发明在料浆罐4中加入固液双相流体或液相流体，通过电动搅拌器12使液固介质均匀混合；通过加热器11(热电偶)并结合控温系统对料浆罐4内流体温度进行控制和测试。腐蚀试验管道1通过主管道与料浆罐4连接，形成回路。主管路上分别设有流体流量控制器7、主管路温度计8和主管路压力表6，来监控流体状态。腐蚀试验管道样品安装口19处设有辅助电极17(对电极)和Ag/AgCl参比电极18卡具。电化学工作站2通过样品安装口19与样品14连接，用于测量样品14在腐蚀状态下的电化学信息。整个系统配有废液回收系统21，并且设有流体取样口。该装置能够同时模拟电化学腐蚀、冲蚀和空蚀共同作用的腐蚀环境。
腐蚀试验管道1前端至少保持500mm直管路以保证介质能够达到目标流速0～10m/s和流体状态。模拟低速条件时，可在直管路部分增设样品转轮，以提高工作效率。
可并联添加腐蚀试验管道，能够同时承担多种材料的平行样品进行腐蚀试验，提高工作效率，减少占地面积，节省空间。
主管路可用直管或软管，减少平铺占地面积，节省空间。
固液双相物料或仅液相物料投入料浆罐4中，通过搅拌器12搅拌至均匀，加热器可加热物料至目标温度，料浆罐压力表10和料浆罐温湿度传感器13监控料浆罐内部情况。控制主管路阀门Ⅱ26和料浆罐循环支路阀门24，可将物料再注入料浆罐，进一步均匀搅拌物料，料浆罐罐体外自循环系统(循环支路管道)能够提高双相流体的均匀性。待物料符合目标值后，通过配量泵5经由主管路输送至腐蚀试验管道。
本发明的装置能够同时模拟电化学腐蚀、冲蚀和空蚀同时存在的腐蚀环境，该方法能够评价船用螺旋桨材料的耐蚀性能。进一步地，弄清材料在服役环境下的腐蚀机理及各影响因素对材料腐蚀的作用规律，提出材料在服役环境下的防护措施，并评价其适用性，为船用螺旋桨的选材、设计、防护及新材料的开发提供依据。
Claims (7)
1.一种模拟船用螺旋桨服役环境腐蚀试验装置，其特征在于，包括腐蚀试验管道、料浆罐、配量泵，所述料浆罐通过管道连接配量泵，所述配量泵通过管道连接腐蚀试验管道的入口，所述腐蚀试验管道的出口通过管道连接料浆罐，在腐蚀试验管道的出口连接料浆罐的管道上设置有通往废料处理系统的支管道，在该支管道上设有废料回收系统支路阀门，在料浆罐的入口管道上设有主管路阀门Ⅲ；在所述腐蚀试验管道内设有若干个样品转轮，若干个样品转轮和一个驱动轮架通过多个连杆连接，所述的驱动轮架连接电机，在所述样品转轮上设置有若干个加持架，所述的加持架用于固定样品，在腐蚀试验管道上还设有样品安装口；
腐蚀试验管道前端至少保持500mm直管路以保证介质能够达到目标流速0～10m/s和流体状态；
所述加持架包括空心球、固定螺栓、紧固螺母，所述固定螺栓固定在样品转轮上，空心球中设有通孔，空心球置于固定螺栓中与固定螺栓相对转动，紧固螺母旋拧在固定螺栓上，当紧固螺母拧紧时，紧固螺母的端部卡紧在空心球上；
样品经由样品安装口，通过加持架以一定角度固定在样品转轮上，加持架可通过调节空心球和紧固螺母来调整样品的冲刷角度，调整样品与样品转轮平面的夹角范围为45°～90°；
安装样品时，样品加工成平板状，在中心位置或其他位置预留螺纹孔，PPR螺栓穿过样品的预留孔，再穿过空心球的通孔，在空心球另一侧用螺母将螺栓锁紧。
2.根据权利要求1所述的一种模拟船用螺旋桨服役环境腐蚀试验装置，其特征在于，在所述料浆罐中设有搅拌器和加热器，在料浆罐上的还设有料浆罐压力表和料浆罐温度湿温湿度传感器。
3.根据权利要求1所述的一种模拟船用螺旋桨服役环境腐蚀试验装置，其特征在于，在所述配量泵与腐蚀试验管道之间的连接管道上设有主管路压力表、主管路流量控制器、主管路温度计Ⅰ。
4.根据权利要求1所述的一种模拟船用螺旋桨服役环境腐蚀试验装置，其特征在于，在所述配量泵与腐蚀试验管道之间的连接管道上、配量泵的出口处设有连接料浆罐的循环支路管道，在该循环支路管道上设有料浆泵循环支路阀门。
5.根据权利要求1所述的一种模拟船用螺旋桨服役环境腐蚀试验装置，其特征在于，在腐蚀试验管道的出口连接料浆罐的管道上设有主管路温度计Ⅱ。
6.根据权利要求1所述的一种模拟船用螺旋桨服役环境腐蚀试验装置，其特征在于，所述腐蚀试验管道为1个或多个，多个腐蚀试验管道为并联连接关系。
7.一种利用权利要求1-6其中任意一项所述的模拟船用螺旋桨服役环境腐蚀试验装置的进行试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）将钢板加工成样品，样品加工预留安装孔，样品预处理，然后称重并记录试验前重量m0，测量样品表面积并记录为S，采集样品试验前形貌信息；
2）将2-3片平行样品通过加持架与样品转轮连接，调节样品角度与样品转轮平面的夹角θ为45°-90°；
3）选取实际工况环境流体，或者试验室配置相应的模拟流体或加速试验流体；
4）将试验流体注入料浆罐，调节试验温度至环境温度；如存在固相，通过搅拌器搅拌，至液固相均匀，砂石粒度控制在350-400μm；
5）调节管道流速，并保持速度稳定，启动电机使样品转轮转动，记录试验开始时间t1；
6）若开展电化学试验，通过样品安装口建立三电极体系，参比电极距离样品2-20mm，辅助电极距离样品3-10cm，平行于工作电极；
7）记录试验结束时间t2，取出样品，观察并采集样品试验后形貌信息；
8）清洗样品，称重并记录试验后重量m，运用失重法计算该材料的腐蚀速率，电化学试验用腐蚀电位和腐蚀电流表征腐蚀速率。
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