CN110044810A - 一种用于模拟深海环境下缝隙腐蚀研究的人工缝隙装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于模拟深海环境下缝隙腐蚀研究的人工缝隙装置，该装置包括螺栓、角度圆盘、上夹板、下夹板、弹性收紧装置和固态三电极体系；上夹板四周开有至少两个与螺栓相匹配的螺纹通孔，并通过环绕套绑至少两组弹性收紧装置与下夹板紧密贴合；螺栓通过所述螺纹通孔朝下夹板方向旋进形成缝隙，并可以通过角度圆盘记录旋进角度；下夹板内部封装有至少一组固态三电极体系，所有电极表面与下夹板贴合面平齐，电极所连接导线通过下夹板另一侧引出；本发明结构简单、操作方便，通过上夹板四周螺栓旋转和角度圆盘的控制，可以精细控制形成不同间距和开口角度的缝隙，也可以实现高静水压海水环境下缝隙内部不同位置电化学信息的实时采集。

Description

一种用于模拟深海环境下缝隙腐蚀研究的人工缝隙装置

技术领域

本发明涉及模拟深海环境下缝隙腐蚀试验装置领域，具体涉及一种可在高静水压力海水环境下进行电化学测试且缝隙开口角度可调的人工缝隙装置。

背景技术

随着我国“蛟龙号”深海潜水器突破7000米大关，深海探矿、海底高精度地形测量、可疑物探测与捕获、深海生物考察等功能已初步实现，走向深海已俨然成为我国一项重要发展战略。随着深海技术的发展，深海腐蚀研究的重要性也与日俱增。在深海这种极端环境下，任何构件的失效都可能带来致命的后果。尤其是对不锈钢、铝合金等靠钝化来增强耐蚀性的金属材料，缝隙腐蚀是其在深海应用中经常面临的重要问题。缝隙腐蚀是发生在两个金属表面（如紧固件）之间或金属与非金属表面或沉积物（如鼓泡/破损涂层、海生物等）之间的缝隙内的一种强烈的局部腐蚀，缝隙一般呈细长矩形或楔形，由于缝隙纵深处液体的流动被阻挡，溶解氧被迅速的耗尽，在缝隙内外形成一个浓差电池，缝隙深处作为阳极加速腐蚀，极易造成紧固件失效或者管路、壳体局部穿孔。因此，开展深海环境下，尤其是室内模拟高静水压力海水环境下（如高压釜）缝隙腐蚀行为及电化学机理研究，积累数据并建立有效评价技术，对深海工程选材、安全设计与运行维护具有重要意义。

专利文献【CN 103513010 B】给出了一种实现高温高压水环境下缝隙腐蚀模拟试验研究的人工缝隙装置，该人工缝隙装置中，上部试样与下部试样通过陶瓷螺栓同轴相连接，下部试样固定不动，上部试样可沿陶瓷螺栓自由旋转，旋转角度可以通过下部试样外侧的角度圆盘控制，旋进距离则根据陶瓷螺栓螺距进行计算，以此实现缝隙宽度的控制。该装置小巧、操作简单，可直接置于高压水环境下模拟不同缝隙间距下两种金属材料的缝隙腐蚀行为。但该装置缝隙形状单一，无法模拟更接近实际情况的楔形缝隙（缝隙开口角度不可调），且不具备电化学测试条件以进行相关机理的研究。

专利文献【CN 103528944 A】则给出了一种缝隙腐蚀电化学性能试验装置，实现了各种材料在特定缝隙宽度和溶液环境下缝隙腐蚀试样电化学信息的实时采集或电化学测试。但该装置相对较为复杂，其开放的溶液体系无法实现高静水压海水环境的模拟，且参比电极和辅助电极远离工作电极，实际上并未处于缝隙内部溶液环境中，因而其测试的电化学信息并不能真实反映缝隙内部这种特殊溶液条件（缺氧、液体流动困难等）下电化学过程。此外，其缝隙形状同样单一，仅能通过表面放置带凸起的聚四氟乙烯压头调整缝隙宽度，无法改变缝隙朝某一方向的开口角度。

发明内容

本发明的技术任务是针对现有技术的不足，提供一种用于模拟深海环境下缝隙腐蚀研究的人工缝隙装置，该装置能实现缝隙间距和开口角度的调整，通过外连电化学工作站，能在高静水压海水环境下（如高压釜内）实时测试缝隙内部不同位置材料表面的电化学参数，并能够测试材料在不同电化学参数下的缝隙腐蚀性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供一种用于模拟深海环境下缝隙腐蚀研究的人工缝隙装置，该装置包括：螺栓、角度圆盘、上夹板、下夹板、弹性收紧装置和固态三电极体系；

所述上夹板上开有至少两个与螺栓相匹配的螺纹通孔，并通过环绕套绑至少一组弹性收紧装置与下夹板紧密贴合；螺栓通过所述螺纹通孔朝下夹板方向旋进，使上夹板相对下夹板反向运动形成缝隙，并通过螺栓周边上夹板非贴合面的表面角度圆盘记录旋进角度；

所述下夹板绝缘，内部封装有至少一组固态三电极体系，所述固态三电极体系由待检测金属材料电极（工作电极）、固态参比电极和辅助电极组成，所有电极表面与下夹板贴合面平齐，电极所连接导线通过下夹板另一侧引出，外连至电化学工作站。

作为本发明进一步改进地，在未构建缝隙时，所述螺栓旋进至刚接触下夹板表面的状态，标记此时螺栓角度为零点；构建缝隙时，进一步旋进使上夹板相对下夹板反向运动形成缝隙，通过此时旋转角度的控制，结合螺栓螺距即可精确计算旋进的距离，通过分别调整至少两个螺栓的旋进距离，既可以构建同一间距的缝隙，也可以构建楔形缝隙（不同开口角度的缝隙）。固态三电极体系，解决了常规饱和甘汞电极或玻璃盐桥不耐高静水压力的问题，同时通过外连电化学工作站首次实现了在缝隙内部特殊介质环境中直接进行电化学测试，多组固态三电极体系甚至可以实现缝隙内部不同位置/环境（如楔形缝隙不同缝隙宽度的位置）的原位电化学测试，整套装置均满足在高静水压力下应用的要求。

作为本发明进一步改进地，所述螺栓材质为耐蚀金属、硬质塑料、复合材料或陶瓷；所述上夹板和下夹板为硬质环氧树脂材料。螺栓、上夹板和下夹板应具备较高的硬度和强度，从而避免在调整缝隙宽度的时候，由于螺栓或上夹板、下夹板变形导致缝隙间距的计算出现偏差；下夹板选用硬质环氧树脂是利用其良好的固化成型和密封性能，借助于模具一次固化成型，同时封装固态三电极体系，只露出电极所连接导线在外。

作为本发明进一步改进地，通过磨床打磨保证了上夹板、下夹板贴合面能够紧密贴合，且所有电极表面与下夹板贴合面平齐。

作为本发明进一步改进地，所述弹性收紧装置为强力橡皮筋，优选地上夹板和下夹板侧边或者外表面与弹性收紧装置接触位置设置凹槽。弹性收紧装置呈拉伸状态套绑在上夹板、下夹板外表面，利用自身弹性收缩力将上夹板、下夹板紧密贴合，但当调整的缝隙两端间距偏大时（缝隙一端开口角度过大），容易造成弹性收紧装置因受力方向偏移而侧滑脱落，通过在夹板上设计与之配合的凹槽，弹性收紧装置卡在其中不容易脱落，避免了由此造成的上夹板、下夹板分开。

作为本发明进一步改进地，所述角度圆盘为带有0~360度刻度的塑料圆盘，固定贴合在上夹板非贴合表面；优选地，所述角度圆盘最小刻度至少为1度；优选地，螺栓头部为多边形。角度圆盘以粘合等方式固定在上夹板表面，相比于直接在上夹板表面对应位置印刻角度示数和刻度线，易于更换，避免刻度磨损影响继续使用；螺栓头部为多边形，其中任一尖角可以作为参考点，方便地指示角度圆盘的角度。

作为本发明进一步改进地，所述上夹板和下夹板形状为长方形，螺栓有四个，优选的所述上夹板螺纹通孔靠近长方形四角位置。通过调整螺栓旋进角度，分别使两平行边的两个螺栓旋进距离相同，可以形成缝隙间距从一端到另一端连续变化的楔形缝隙或三角形缝隙（间距大的一端为缝隙开口端）。

作为本发明进一步改进地，所述下夹板在与上夹板螺纹通孔对应位置设置盲孔，盲孔孔径略大于螺栓的螺杆外径。这种结构可以有效避免上夹板相对于下夹板发生较大的侧向移动，从而保障缝隙装置稳固可靠。

作为本发明进一步改进地，所述固态三电极体系中的待测检金属材料电极（工作电极）为圆形，辅助电极为圆环形铂电极，固态参比电极为银/氯化银参比电极；优选地，待检测金属材料电极测试面位于圆环形铂电极中心，银/氯化银参比电极紧靠近待检测金属材料电极。银/氯化银参比电极在高静水压力下也具有极高的精度，采用上述三电极体系配置，通过下夹板另一侧引出的导线与深海模拟装置外部电化学工作站相连，可以实现高静水压海水环境下缝隙内部任意位置的原位电化学测试，包括腐蚀电位、电流，极化曲线和交流阻抗等，获取缝隙内部这种特殊溶液条件（缺氧、液体流动困难等）下电化学过程的真实信息，也可以测试材料在不同外加电参数下的缝隙腐蚀特征；此外，配合多组所述固体三电极体系，可以在缝隙不同位置同时进行电化学测试，也可以进行不同缝隙间距下性能对比研究；所有工作电极还可以通过导线在外部相连，其实质等同于一块待检测的金属材料，可以进行常规的缝隙腐蚀研究（如氧浓差腐蚀形貌等）。

本发明的一种用于模拟深海环境下缝隙腐蚀研究的人工缝隙装置，与现有技术相比所产生的有益效果是：

本发明结构简单、安装和拆卸容易、操作方便；通过上夹板四角部位螺栓旋转和螺栓周边角度圆盘的控制，可以精细实现不同间距和开口角度的缝隙；将该装置置于高静水压海水环境下，可满足模拟深海缝隙腐蚀试验研究；下夹板封装的多组三电极体系，配合外部连接的电化学工作站，可以实现缝隙内部不同位置电化学信息的实时采集，也可以测试材料在不同外加电参数下的缝隙腐蚀特征。

附图说明

附图1为本发明装置初始状态正面透视图；

附图2为本发明装置构建缝隙状态正面透视图；

附图3为本发明装置俯视图；

附图4为本发明装置下夹板未装配状态俯视图。

其中：1-螺栓，11-螺栓头部，12-螺杆，2-角度圆盘，3-上夹板，4-下夹板，5-弹性收紧装置，6-固态三电极体系，61-待检测金属材料电极，62-固态参比电极，63-辅助电极，64-导线，7-盲孔，8-凹槽，9-螺纹通孔。

具体实施方式

下面结合附图1-4，对本发明的一种用于模拟深海环境下缝隙腐蚀研究的人工缝隙装置作以下详细说明。

结合附图1，本发明的一种用于模拟深海环境下缝隙腐蚀研究的人工缝隙装置，该装置主要由螺栓1、角度圆盘2、上夹板3、下夹板4、弹性收紧装置5和固态三电极体系6组成。螺栓1材质为硬质陶瓷，上夹板3和下夹板4材质为硬质环氧树脂材料。上夹板3四周开有四个与螺栓1相匹配的螺纹通孔9，并通过环绕套绑两组弹性收紧装置5（如强力橡皮筋）与下夹板4紧密贴合；螺栓1通过螺纹通孔9朝下夹板4方向旋进，使上夹板3相对下夹板4反向运动形成缝隙，并通过螺栓1周边上夹板3非贴合面的表面角度圆盘2记录旋进角度；下夹板4绝缘，下夹板4内部封装有1组固态三电极体系6，固态三电极体系6由待检测金属材料电极61（工作电极）、固态参比电极组成62和辅助电极63，所有电极表面与下夹板4贴合面平齐，电极所连接导线64通过下夹板4非贴合面一侧引出。

在未构建缝隙的初始状态，如图1所示，上夹板3和下夹板4贴合在一起，外周缠绕两组弹性收紧装置5，弹性收紧装置5呈拉伸状态，利用自身弹性收缩力将两者压紧。螺栓1通过螺纹通孔9朝下夹板4方向旋进至刚接触下夹板4表面的状态，在螺栓1周边上夹板3非贴合面的表面粘合有一个带有0~360度刻度的角度圆盘2（如塑料圆盘），标记此时螺栓1的角度为零点。下夹板4在与上夹板3螺纹通孔9对应位置存在盲孔7，盲孔7孔径略大于螺栓1的螺杆12外径，这种结构可以有效避免上夹板3相对于下夹板4发生较大的侧向移动，从而保障缝隙装置稳固可靠。

构建缝隙时，如图2所示，进一步旋进螺栓1可使上夹板3相对下夹板4反向运动形成缝隙，记录螺栓1相对于零点的旋转角度，结合螺栓1的螺距可以精确计算旋进的距离。

如图3所示，上夹板3和下夹板4形状均为长方形，上夹板3四角位置各存在一个螺栓1（螺纹通孔9）和角度圆盘2。其中，螺栓头部11为正六边形，角度圆盘2（图3中角度圆盘为示意图）最小刻度为1度，螺栓头部11任一尖角可以作为参考点，方便且精确地指示角度圆盘的角度。通过分别调整4个螺栓1的旋进距离，既可以构建同一间距的缝隙，也可以构建图2所示的楔形缝隙。此外，在上夹板3和下夹板4侧边或者外表面与弹性收紧装置5接触位置设置凹槽8。弹性收紧装置5呈拉伸状态套绑在上夹板3、下夹板4外表面，利用自身弹性收缩力将上夹板3、下夹板4紧密贴合，为了避免调整缝隙两端间距过大时（缝隙一端开口角度过大）造成弹性收紧装置5因受力方向偏移而侧滑脱落，在上夹板3和下夹板4侧边设计了凹槽8，弹性收紧装置5卡在凹槽8中。

如图4所示，固态三电极体系6中的待测检金属材料电极61（工作电极）为圆形，辅助电极63为圆环形铂电极，固态参比电极62为丝棒状银/氯化银参比电极。其中，待检测金属材料电极61测试面位于圆环形铂电极63中心，银/氯化银参比电极62紧靠近待检测金属材料电极61。固态三电极体系6利用硬质环氧树脂进行封装，硬质环氧树脂具备良好的固化成型和密封性能，在密封电极的同时，可以借助于模具一次固化成型制备成下夹板4，只露出电极所连接导线64在外，通过磨床打磨保证所有电极裸露表面与下夹板4贴合面平齐。

本发明装置在图2所示状态下，可以直接置于高静水压海水环境中，如模拟深海环境的高压釜内，通过下夹板4引出的导线64与高压釜外部电化学工作站相连，可以实现高静水压海水环境下缝隙内部的原位电化学测试，包括腐蚀电位、电流，极化曲线和交流阻抗等，获取缝隙内部这种特殊溶液条件（缺氧、液体流动困难等）下电化学过程的真实信息，也可以测试材料在不同外加电参数下的缝隙腐蚀特征；此外，配置多组固体三电极体系6，可以在缝隙不同位置同时进行电化学测试，也可以进行不同缝隙间距下性能对比研究；所有待检测金属材料电极61还可以通过导线在外部相连，其实质等同于一块待检测的金属材料，可以进行常规的缝隙腐蚀研究（如氧浓差腐蚀形貌等）。

需要说明，本发明中上夹板3上螺栓1的数量至少为两个，可以是两个、三个或五个，并不限于实施例给出的五个。弹性收紧装置5至少设置一组，可以是一组、三组，并不限于实施例给出的两组。

本发明不局限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以对其作出种种变化。比如，在不需要进行电化学测试的情况下，螺栓1选用绝缘材料（如硬质陶瓷），上夹板3和/或下夹板4整体可以是待检测金属材料，此时整个装置可以直接置于高静水压海水环境或实海中，研究不同缝隙形式下待检测金属材料缝隙腐蚀行为特征。

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，则可对这些实施例做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。

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)

1.一种用于模拟深海环境下缝隙腐蚀研究的人工缝隙装置，其特征在于，该装置包括：螺栓（1）、角度圆盘（2）、上夹板（3）、下夹板（4）、弹性收紧装置（5）和固态三电极体系（6）；

所述上夹板（3）上开有至少两个与螺栓（1）相匹配的螺纹通孔（9），并通过环绕套绑至少一组弹性收紧装置（5）与下夹板（4）紧密贴合；螺栓（1）通过所述螺纹通孔（9）朝下夹板（4）方向旋进，使上夹板（3）相对下夹板（4）反向运动形成缝隙，并通过螺栓（1）周边上夹板（3）非贴合面的表面角度圆盘（2）记录旋进角度；

所述下夹板（4）内部封装有至少一组固态三电极体系，所述固态三电极体系（6）由待检测金属材料电极（61）、固态参比电极（62）和辅助电极（63）组成，所有电极表面与下夹板（4）贴合面平齐，电极所连接导线（64）通过下夹板（4）另一侧引出。

2.根据权利要求1所述的一种用于模拟深海环境下缝隙腐蚀研究的人工缝隙装置，其特征在于，在未构建缝隙时，所述螺栓（1）旋进至刚接触下夹板（4）表面的状态，标记此时螺栓（1）角度为零点；构建缝隙时，进一步旋进使上夹板（3）相对下夹板（4）反向运动形成缝隙。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于模拟深海环境下缝隙腐蚀研究的人工缝隙装置，其特征在于，所述螺栓（1）材质为耐蚀金属、硬质塑料、复合材料或陶瓷；所述上夹板（3）和下夹板（4）为硬质环氧树脂材料。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于模拟深海环境下缝隙腐蚀研究的人工缝隙装置，其特征在于，所述上夹板（3）、下夹板（4）经磨床打磨以保证贴合面紧密贴合，且所有电极表面与下夹板（4）贴合面平齐。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于模拟深海环境下缝隙腐蚀研究的人工缝隙装置，其特征在于，所述弹性收紧装置（5）为强力橡皮筋，在上夹板（3）和下夹板（4）侧边或者外表面与弹性收紧装置（5）接触位置设置凹槽（8）。

6.根据权利要求1或2所述的一种用于模拟深海环境下缝隙腐蚀研究的人工缝隙装置，其特征在于，所述角度圆盘（2）为带有0~360度刻度的塑料圆盘，固定贴合在上夹板（3）非贴合表面。

7.根据权利要求1或2所述的一种用于模拟深海环境下缝隙腐蚀研究的人工缝隙装置，其特征在于，所述上夹板（3）和下夹板（4）形状为长方形。

8.根据权利要求1或2所述的一种用于模拟深海环境下缝隙腐蚀研究的人工缝隙装置，其特征在于，所述下夹板（4）在与上夹板（3）螺纹通孔（9）对应位置设置盲孔（7），盲孔（7）孔径略大于螺栓（1）的螺杆（12）外径。

9.根据权利要求1或2所述的一种用于模拟深海环境下缝隙腐蚀研究的人工缝隙装置，其特征在于，所述固态三电极体系（6）中的待测检金属材料电极为圆形，辅助电极（63）为圆环形铂电极，固态参比电极（62）为银/氯化银参比电极。

10.根据权利要求9所述的一种用于模拟深海环境下缝隙腐蚀研究的人工缝隙装置，其特征在于，所述待检测金属材料电极（61）测试面位于圆环形铂电极中心，银/氯化银参比电极紧靠近待检测金属材料电极（61）。