CN110146435A - 一种海缆铠装丝材缝隙腐蚀实验测试的装置及评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海缆铠装丝材缝隙腐蚀实验测试的装置及评价方法。目前，急需建立一种能够合理反映海缆金属铠装丝材缝隙腐蚀风险并提供定量评价的装置和方法。本发明包括海水介质实验箱和缝隙腐蚀夹具，所述的缝隙腐蚀夹具置于海水介质实验箱中；所述的海水介质实验箱，作为盛放溶液以模拟海水腐蚀环境的容器；所述的缝隙腐蚀夹具，作为丝材缝隙腐蚀模拟的主体，用于夹持丝材和调节两丝材之间的人工缝隙；所述的缝隙腐蚀夹具为一凹字形支撑座，其两侧竖板在同轴直线上各开两个支撑限位孔。本发明可通过调节缝隙腐蚀夹具调节缝隙大小并在试样上施加张应力，模拟铠装丝材服役工况。
Description
技术领域
本发明属于金属材料缝隙腐蚀测试领域，涉及一种海缆铠装丝材缝隙腐蚀实验测试的装置及评价方法。
背景技术
随着全球能源互联网的建设，海底电缆朝着更高电压等级、更大运行长度和更高输送容量方向发展。海底电缆主要用于海湾跨越、陆地与岛屿之间、岛屿与岛屿之间、海上平台与陆地或岛屿之间、海底生产设施与平台或岸上终端、海基发电设施与陆上终端等远距离供电，由于海缆敷设距离远、所处海洋和海床环境复杂苛刻，缆体安全要求较高，一般外层以金属铠装作为支撑和防护。由于海缆敷设于海床并长期暴露于海水环境中，金属铠装丝材容易发生腐蚀和磨损，造成断丝，影响防护效果和海缆使用寿命。因此，海缆金属铠装层的腐蚀评价是进行海缆防护设计、运行维护、寿命评估、优化改进的关键要素。但是，由于海缆发展迅速，对其金属铠装层的腐蚀评价，仍缺乏针对其结构和风险特点的评价方法。
海缆铠装层为多根金属丝绞合构成，单根铠装丝之间、铠装丝与内部绝缘层之间均存在一定缝隙，容易在海水和海泥中引起缝隙腐蚀。铠装丝材在轴向上承受拉伸扭转载荷，在横向上相互挤压，其结构特点允许海水介质透过铠装层，且敷设于海床上的海缆在洋流作用下产生一定横向摆动并可能发生局部磨损，均进一步恶化铠装丝材的腐蚀。
尽管金属材料缝隙腐蚀已经是认识较为清楚的腐蚀类型，但对于海缆铠装层这一特殊结构，以及海缆运行工况造成的载荷状态及海水环境，仍缺乏针对性缝隙腐蚀评价工具或方法。传统的缝隙腐蚀实验方法和装置难以模拟该类特殊工况条件，难以科学反映海缆铠装丝材的缝隙腐蚀规律和腐蚀电化学参数。因此，急需建立一种能够合理反映海缆金属铠装丝材缝隙腐蚀风险并提供定量评价的装置和方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的缺陷，提供一种海缆铠装丝材缝隙腐蚀实验测试的装置，其能够模拟海缆铠装丝材在海水中的缝隙腐蚀行为。
为此，本发明采用如下的技术方案：一种海缆铠装丝材缝隙腐蚀实验测试的装置，其包括海水介质实验箱和缝隙腐蚀夹具，所述的缝隙腐蚀夹具置于海水介质实验箱中；
所述的海水介质实验箱，作为盛放溶液以模拟海水腐蚀环境的容器；所述的缝隙腐蚀夹具，作为丝材缝隙腐蚀模拟的主体，用于夹持丝材和调节两丝材之间的人工缝隙；
所述的缝隙腐蚀夹具为一凹字形支撑座，其两侧竖板在同轴直线上各开两个支撑限位孔，供两条平行的丝材穿过；两竖板外侧采用压板和和压板紧固螺丝将丝材压紧在缝隙腐蚀夹具的端部上；两竖板内侧分别设有平行于竖板的纵向定位槽，每个纵向定位槽安放两个夹块，两个夹块用于压紧位于两夹块之间的丝材，并利用穿过夹块的螺杆和螺母进行固定及调节压紧的程度，调节两丝材之间人工缝隙的尺寸；利用两压板和竖板内侧夹块，实现丝材中部的张应力。
进一步的，所述海缆铠装丝材缝隙腐蚀实验测试的装置还包括电化学测试系统，其以丝材中部作为工作电极，利用平行于丝材人工缝隙的铂丝作为辅助电极，利用Ag/AgCl电极作为参比电极，构成三电极体系的电化学测试回路，并与外部的电化学工作站连接，实现电位和人工缝隙腐蚀电流密度的监测。
进一步的，所述的海水介质实验箱，其底部设有两个用于固定缝隙腐蚀夹具的固定座，顶部设有可密封的上盖，配置进气管和排气管，采用通气进行溶液除氧；海水介质实验箱的箱体上设有进液管和排液管。
进一步的，所述缝隙腐蚀夹具的端部上设有凸台，用凸台将位于缝隙腐蚀夹具端部的两丝材隔开。
进一步的，所述的纵向定位槽为燕尾槽，夹块下部的形状与燕尾槽匹配。
在装置方面，包括能够模拟海水介质的实验箱、构造铠装丝材人工缝隙的夹具、提供模拟铠装丝材所受张力的机构、提供缝隙腐蚀电化学测试的电路连接及电极布置等，实现海缆铠装丝材海水缝隙腐蚀实验和测试的功能。
本发明还提供另一种技术方案：利用上述装置进行海缆铠装丝材缝隙腐蚀实验测试的评价方法，其包括：
利用失重法计算平均缝隙腐蚀速率的方法；
用于评价缝隙腐蚀程度的局部腐蚀尺寸测量和计算方法；
利用腐蚀电化学参数监测缝隙腐蚀的方法；
利用多种参数判断试样在模拟实验条件下的缝隙腐蚀敏感性的方法。
进一步的，利用失重法计算平均缝隙腐蚀速率的方法，其内容如下：实验前后分别对试样进行称重，利用左、右两组夹块之间形成的丝材长度和丝材构成人工缝隙的弧长(丝材截面呈圆形时)或边长(丝材截面呈方形时)的乘积作为试样腐蚀面积，计算失重腐蚀速率，作为评价缝隙腐蚀程度的参数。
进一步的，所述的局部腐蚀尺寸测量和计算方法，其内容如下：
取出实验后的试样，利用金相显微镜或激光共聚焦显微镜观察人工缝隙面，测试缝隙腐蚀深度和长度，记录最大深度和最大长度，作为评价缝隙腐蚀程度的参数。
进一步的，所述利用腐蚀电化学参数监测缝隙腐蚀的方法，其内容如下：利用电化学工作站记录腐蚀电流密度与时间曲线，监测缝隙腐蚀电流密度变化。
进一步的，利用多种参数判断试样在模拟实验条件下的缝隙腐蚀敏感性的方法，其内容如下：通过直接比较不同试样和不同实验条件下的平均缝隙腐蚀速率、缝隙腐蚀最大深度、缝隙腐蚀蚀坑深度/长度比、稳定后的缝隙腐蚀电流密度，评价缝隙腐蚀敏感性；在容器中设置一对比试样作为空白样，测试其失重腐蚀速率、腐蚀减薄量和自腐蚀电流密度，将缝隙腐蚀试样获得的平均缝隙腐蚀速率、缝隙最大腐蚀深度、最大缝隙腐蚀电流密度与空白试样对比，获得缝隙腐蚀敏感度。
在评价方法方面，包括利用失重腐蚀速率和局部腐蚀尺寸表征缝隙腐蚀程度、利用电化学参数监测缝隙腐蚀发展过程，能够评价不同材质、不同海水化学环境、不同缝隙尺寸、不同受力状态下，缝隙腐蚀敏感性的差异。
本发明提出的铠装丝材在海水溶液中缝隙腐蚀装置，可定量加入模拟溶液，从而模拟海缆实际敷设的环境，模拟海缆的实际腐蚀工况，得出准确的腐蚀规律；采用可拆卸的缝隙腐蚀夹持装置，方便试样的安装与拆卸；可通过调节缝隙腐蚀夹具调节缝隙大小并在试样上施加张应力，模拟铠装丝材服役工况；能够对材料缝隙腐蚀过程实施电化学监测，实现缝隙腐蚀与电化学测试同时进行，便于实时检测试样缝隙腐蚀过程中的电化学状态变化。本发明能有效评价铠装丝材在不同腐蚀环境和服役状态影响下的缝隙腐蚀敏感性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图(不包括电化学测试系统)；
图2是本发明缝隙腐蚀夹具的结构示意图(不包括压板)；
图3是本发明缝隙腐蚀夹具的主视图；
图4是本发明缝隙腐蚀夹具的俯视图；
图5是本发明缝隙腐蚀夹具使用时的左视图；
图6是图5的A-A向剖视图；
图7是本发明夹块使用时的俯视图；
图8是本发明电化学测试系统的示意图。
图中，1-进液管，2-进气管，3-排气管，4-丝材，5-排液管，6-压板紧固螺丝，7-固定座，8-纵向定位槽，9-夹具固定螺栓，10-缝隙腐蚀夹具，11-海水介质实验箱，12-支撑限位孔，13-凸台，14-夹块，15-螺杆及螺母，16-铂丝电极，17-Ag/AgCl参比电极，18-电化学工作站，19-压板。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照说明书附图说明本发明的具体实施方式。
参见图1-8，本发明提出一种海缆铠装丝材缝隙腐蚀实验测试的装置，其由进液管1，进气管2，排气管3，排液管5，压板紧固螺丝6，固定座7，纵向定位槽8，夹具固定螺栓9，缝隙腐蚀夹具10，海水介质实验箱11，支撑限位孔12，凸台13，夹块14，螺杆及螺母15，铂丝电极16，Ag/AgCl参比电极17，电化学工作站18和压板19组成。其中，所述海水介质箱11上装有固定座7，固定座7上安装已经装配丝材4试样的缝隙腐蚀夹具10，缝隙腐蚀夹具10通过夹具固定螺栓9与固定座7相连，两根丝材试样分别穿过两侧的支撑限位孔12固定于缝隙腐蚀夹具10上，通过压板紧固螺丝6、凸台13和压板19实现丝材试样张紧，将人工缝隙宽度的夹块14底部插入纵向定位槽8(此例中为燕尾槽)，利用螺杆及螺母15调节夹块14之间的空隙以调节实验段人工缝隙的宽度，在夹块处利用聚四氟乙烯薄膜隔开两丝材试样以确保其在夹紧段的绝缘，同时利用丝材试样的弯曲在中间实验段形成张应力。将铂丝电极16作为对电极，平行于丝材试样放置于人工缝隙下方，在靠近人工缝隙的上方放置Ag/AgCl参比电极17，选择一根丝材试样作为工作电极，与Ag/AgCl参比电极17、铂丝电极16共同连接到电化学工作站18上。
实验过程：将丝材试样安装到缝隙腐蚀夹具上，并调节人工缝隙尺寸，达到缝隙腐蚀模拟要求(0.01～0.1mm)。将缝隙腐蚀夹具整体固定于固定座，通过进液管向其中注入定量的模拟海水溶液，通过进气管和排气管通入氮气除氧。以丝材试样为工作电极，将铂丝电极放置于人工缝隙正下方并与缝隙平行，Ag/AgCl参比电极放置于人工缝隙上方附近，三者引出的导线连接到电化学工作站对应的电极上。电化学工作站用于记录腐蚀电流密度与时间曲线，监测缝隙腐蚀电流密度变化。
当夹块对丝材试样进行挤压，会使得丝材材料产生弯曲应力，夹块挤压处距丝材试样的支撑限位孔距离ρ处，微变形的宽度为dx的单元体被分离出来，未变形前单元体长为ab，宽为y，变形后单元体长为a’b’，宽依旧为y，弯曲角度dθ，沿a’b’的正应变为：
丝材为弹性材料，所以可应用于胡克定律，正应力为：
其中，σ为正应力，N；E为弹性模量，kN/m2；y为丝材试样宽度，m；ρ为夹块挤压处距离支撑限位孔的距离，m。
当夹块对丝材试样进行挤压，使其保持一定的缝隙尺寸时，对丝材试样产生的正压力会导致挠度的产生，若此时为均布载荷，则均布载荷与挠度关系：
其中，Dmax为最大挠度，m；q为荷载集度，kN/m；L为跨距，m；E为弹性模量，kN/m2；J为惯性矩，mm4。
若此时为线载荷，则线载荷与挠度关系：
其中，Dmax为最大挠度，m；q1为外加线载荷，kN/m；L为跨距，m；E为弹性模量，kN/m2；J为惯性矩，mm4；q0为试样自身线载荷，kN/m。
利用失重法计算平均缝隙腐蚀速率：利用电子天平称量实验前后丝材试样的质量，获得试样腐蚀导致的失重△w，通过游标卡尺测得左、右两组夹块之间的丝材试验段的长度d和丝材构成人工缝隙的弧长或边长l(如不特别指定，则丝材截面为圆形的取对应的弧长，丝材截图为方形的取对应的边长)，以两者乘积作为试样缝隙腐蚀面积，计算失重腐蚀速率：
其中，CRc为平均缝隙腐蚀速率，mm/a；△w为试样腐蚀失重，g；d为人工缝隙段丝材长度(即左、右两组夹块之间的丝材试验段的长度)，cm；l为人工缝隙弧长或边长，cm；t为试样腐蚀实验周期，h；ρ为丝材试样密度，g/cm3。
局部腐蚀尺寸测量和计算：取出实验后的丝材试样，利用金相显微镜或激光共聚焦电子显微镜观察丝材人工缝隙段的表面腐蚀形态，并在试样表面选择10个点测量蚀坑深度，记录最大深度h和最大长度δ，计算局部腐蚀速率：
其中，CRlc为缝隙腐蚀局部腐蚀速率，mm/a；h为缝隙腐蚀蚀坑最大深度，mm。
利用腐蚀电化学参数监测缝隙腐蚀：将丝材试样、铂丝电极和参比电极接入电化学工作站，1h后测量并记录试样的腐蚀电位V1之后每隔两个小时记录一个腐蚀电位数据Vi，可绘制出腐蚀电位数据与时间的关系。然后通过线性极化电阻来进行不同时间极化曲线的测试可得到缝隙腐蚀电流密度ic。
不同试样和不同实验条件下的平均缝隙腐蚀速率CRc、缝隙腐蚀最大深度h、缝隙腐蚀蚀坑深度/长度比(δ/h)、缝隙腐蚀局部腐蚀速率CRlc、稳定后的缝隙腐蚀电流密度ic可作为缝隙腐蚀严重程度的评价指标。
在容器中设置一对比试样作为空白样，测试其失重腐蚀速率CR0、腐蚀减薄量h0和腐蚀电流密度ic0，将缝隙腐蚀试样获得的平均缝隙腐蚀速率CRc、最大腐蚀深度h、缝隙腐蚀电流密度ic除以空白试样的值，可获得缝隙腐蚀速率敏感度ηc、缝隙腐蚀深度敏感度ηh、缝隙腐蚀电化学敏感度ηi。比较不同材质试样和模拟环境下获得的ηc、ηh、ηi可获得铠装丝材在不同环境下的缝隙腐蚀敏感性。
以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种海缆铠装丝材缝隙腐蚀实验测试的装置，其特性在于，包括海水介质实验箱(11)和缝隙腐蚀夹具(10)，所述的缝隙腐蚀夹具(10)置于海水介质实验箱(11)中；
所述的海水介质实验箱(11)，作为盛放溶液以模拟海水腐蚀环境的容器；所述的缝隙腐蚀夹具(10)，作为丝材缝隙腐蚀模拟的主体，用于夹持丝材(4)和调节两丝材之间的人工缝隙；
所述的缝隙腐蚀夹具(10)为一凹字形支撑座，其两侧竖板在同轴直线上各开两个支撑限位孔(12)，供两条平行的丝材(4)穿过；两竖板外侧采用压板(19)和压板紧固螺丝(6)将丝材(4)压紧在缝隙腐蚀夹具的端部上；两竖板内侧分别设有平行于竖板的纵向定位槽(8)，每个纵向定位槽(8)安放两个夹块(14)，两个夹块用于压紧位于两夹块之间的丝材，并利用穿过夹块的螺杆及螺母(15)进行固定及调节压紧的程度，调节两丝材之间人工缝隙的尺寸；利用两压板(19)和竖板内侧夹块(14)，实现丝材中部的张应力。
2.根据权利要求1所述的一种海缆铠装丝材缝隙腐蚀实验测试的装置，其特性在于，还包括电化学测试系统，其以丝材中部作为工作电极，利用平行于丝材人工缝隙的铂丝电极(16)作为辅助电极，利用Ag/AgCl电极(17)作为参比电极，构成三电极体系的电化学测试回路，并与外部的电化学工作站(18)连接，实现电位和人工缝隙腐蚀电流密度的监测。
3.如权利要求1所述的一种海缆铠装丝材缝隙腐蚀实验测试的装置，其特征在于，所述的海水介质实验箱(11)，其底部设有两个用于固定缝隙腐蚀夹具的固定座(7)，顶部设有可密封的上盖，配置进气管(2)和排气管(3)，采用通气进行溶液除氧；海水介质实验箱的箱体上设有进液管(1)和排液管(5)。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种海缆铠装丝材缝隙腐蚀实验测试的装置，其特征在于，所述缝隙腐蚀夹具的端部上设有凸台(13)，用凸台(13)将位于缝隙腐蚀夹具端部的两丝材隔开。
5.如权利要求1-3任一项所述的一种海缆铠装丝材缝隙腐蚀实验测试的装置，其特征在于，所述的纵向定位槽(8)为燕尾槽，夹块(14)下部的形状与燕尾槽匹配。
6.利用权利要求1-5任一项所述装置进行海缆铠装丝材缝隙腐蚀实验测试的评价方法，其特征在于，包括：
利用失重法计算平均缝隙腐蚀速率的方法；
用于评价缝隙腐蚀程度的局部腐蚀尺寸测量和计算方法；
利用腐蚀电化学参数监测缝隙腐蚀的方法；
利用多种参数判断试样在模拟实验条件下的缝隙腐蚀敏感性的方法。
7.根据权利要求6所述的评价方法，其特征在于，利用失重法计算平均缝隙腐蚀速率的方法，其内容如下：实验前后分别对试样进行称重，利用左、右两组夹块之间形成的丝材长度和丝材构成人工缝隙的弧长或边长的乘积作为试样腐蚀面积，计算失重腐蚀速率，作为评价缝隙腐蚀程度的参数。
8.根据权利要求6所述的评价方法，其特征在于，所述的局部腐蚀尺寸测量和计算方法，其内容如下：
取出实验后的试样，利用金相显微镜或激光共聚焦显微镜观察人工缝隙面，测试缝隙腐蚀深度和长度，记录最大深度和最大长度，作为评价缝隙腐蚀程度的参数。
9.根据权利要求6所述的评价方法，其特征在于，所述利用腐蚀电化学参数监测缝隙腐蚀的方法，其内容如下：利用电化学工作站记录腐蚀电流密度与时间曲线，监测缝隙腐蚀电流密度变化。
10.根据权利要求9所述的评价方法，其特征在于，利用多种参数判断试样在模拟实验条件下的缝隙腐蚀敏感性的方法，其内容如下：通过直接比较不同试样和不同实验条件下的平均缝隙腐蚀速率、缝隙腐蚀最大深度、缝隙腐蚀蚀坑深度/长度比、稳定后的缝隙腐蚀电流密度，评价缝隙腐蚀敏感性；在容器中设置一对比试样作为空白样，测试其失重腐蚀速率、腐蚀减薄量和自腐蚀电流密度，将缝隙腐蚀试样获得的平均缝隙腐蚀速率、缝隙最大腐蚀深度、最大缝隙腐蚀电流密度与空白试样对比，获得缝隙腐蚀敏感度。
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