CN111721694A - 一种模拟海洋飞溅区腐蚀环境的实验装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟海洋飞溅区腐蚀环境的实验装置及使用方法，包括设置在上部的模拟干燥环境实验箱、设置在下部的浸润腐蚀实验箱；所述的模拟干燥环境实验箱包括实验箱体、恒温装置、风机、试样钢升降装置；实验箱体内设有试样钢升降装置，两侧分别固定有风机、恒温装置；试样悬挂架用于固定试样；试样钢升降装置驱动试样进出腐蚀实验槽；水浴控温装置用于调整腐蚀实验槽内的液体温度。优点是：用试样的升降行程来设定运行时间；利用水浴控温装置调节腐蚀液的温度，模拟干燥环境实验箱设置恒温装置及风机，可实现试样快速干燥，真实的模拟海洋飞溅区的海水温度和海洋用钢的干燥速度随昼夜外界温度变化的影响。

Description

一种模拟海洋飞溅区腐蚀环境的实验装置及使用方法

技术领域

本发明属于金属材料的腐蚀和防护技术领域，尤其涉及一种模拟海洋飞溅区腐蚀环境的实验装置及使用方法。

背景技术

海水水质成分复杂，海洋机械设备常常处于干湿交替的环境中，导致腐蚀现象严重，设备零部件高速腐蚀，导致设备功能失效，严重地威胁了安全生产。另外在海洋飞溅区由于海水的飞溅冲刷、干湿交替、日晒、表面充分充气等造成该区域的腐蚀效果特别显著，处于飞溉区的钢结构腐蚀十分严重，造成了很大的经济损失；因此对这种复杂的干湿环境的腐蚀行为的研究十分重要，但是由于实际条件的限制，一般多采用实验室模拟此类环境的腐蚀实验来推算金属在这种实际环境中的腐蚀行为；由于实际环境的复杂性模拟实验需要控制如温度、湿度、pH值、波浪大小和幅度等许多参数，对模拟此类实验的装置及方法也参差不齐，所以积极探索能模拟最接近真实的此类复杂腐蚀环境的实验装置及实施方法非常重要。

目前来看，国内外现有的对模拟金属在海洋这类复杂的环境腐蚀的实验装置及方法多采用盐雾箱来进行模拟实验，此外还有部分摇板式、活塞式、推板式造波机模拟海洋腐蚀环境。专利号：CN 208568231U，公开的一种具有可调升降机构的整体式摇板造波机；专利号：CN201649711 U，公开了一种真空造浪装置；专利号：CN 109342309 A公开了一种模拟海洋腐蚀环境的试验装置及试验方法；这些设备在先前的模拟实验中起到了很大的作用，但也存在一些局限性，如用雾箱模拟实验只能用周期盐雾腐蚀来代替完全干燥和完全浸润的周期腐蚀实验，不能真实模拟海水飞溅浸没的腐蚀环境；另外现有的造波装置不能真实的模拟海水飞溅区波浪状态的而且还存在管路系统复杂，压力损失大，效率低等问题；现存的此类实验设备还缺少模拟干燥状态的情况，且海洋钢的干燥速度还要受外界昼夜温差变化的影响；由塔兰特仪器公司制造的周期浸润腐蚀实验箱可以做单一的周期腐蚀实验，但由于没有造浪装置也不能真实的模拟海水飞溅区腐蚀环境，而且其价格昂贵，不能广泛适用于普遍的中小研究院所及普通高校的实验室。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种模拟海洋飞溅区腐蚀环境的实验装置及使用方法，能充分的模拟海洋飞溅区的腐蚀环境，用于模拟海洋用钢在海水飞溅区的周期性腐蚀实验，也可使用于模拟金属材料在不用腐蚀液中的全浸，半浸没，周期性浸没腐蚀实验；降低设备成本，降低能耗。

为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种模拟海洋飞溅区腐蚀环境的实验装置，包括设置在上部的模拟干燥环境实验箱、设置在下部的浸润腐蚀实验箱，

所述的模拟干燥环境实验箱包括实验箱体、恒温装置、风机、试样钢升降装置；实验箱体内设有试样钢升降装置，两侧分别固定有风机、恒温装置；

所述的试样钢升降装置包括试样悬挂架、转动轴、耐腐蚀绕线、双向直流电机、两个小皮带轮，转动轴设置在实验箱体顶部，转动轴与试样悬挂架通过轴承连接，转动轴端部与一个小皮带轮固定连接，另一个小皮带轮与双向直流电机的输出轴固定连接，两个小皮带轮通过皮带连接，双向直流电机驱动另一个小皮带轮转动，在皮带的带动下一个小皮带轮转动，进而带动转动轴转动；转动轴上固定连接有耐腐蚀绕线，耐腐蚀绕线端部与试样悬挂架固定连接；试样悬挂架用于固定试样；

所述的浸润腐蚀实验箱包括腐蚀实验槽、水浴控温装置、造浪装置；

所述的造浪装置包括造波电机、传动轴、造浪板、造浪架、相互啮合的两个伞齿轮，造波电机的输出轴通过联轴器与传动轴固定连接，传动轴与一个伞齿轮固定连接，另一个伞齿轮与造浪架固定连接，造浪架上径向固定均布有造浪板，造浪板设置在腐蚀实验槽内；

试样钢升降装置驱动试样进出腐蚀实验槽；水浴控温装置用于调整腐蚀实验槽内的液体温度。

所述的双向直流电机上连接有调速器。

所述的造浪板的表面、造浪架的表面、两个伞齿轮的表面以及腐蚀实验槽的内壁均覆有Ni-P涂层。

一种模拟海洋飞溅区腐蚀环境的实验装置的使用方法，包括以下步骤：

1)海洋用钢制成试样，并连接在试件悬挂架上；模拟海水的腐蚀液注入腐蚀实验槽中，调整腐蚀液的温度，调节腐蚀液pH值；

2)启动造浪装置，设定腐蚀液波浪的大小和幅度；试验周期设定为24～600h，并设置周期腐蚀实验循环的干燥和浸润阶段的时间；

3)开始实验，试样钢升降装置驱动试样在恒温腐蚀实验槽中，试样全浸润腐蚀，在完成设定浸没时间的全浸润腐蚀后，试样钢升降装置驱动试样从腐蚀液到干燥箱的转移，试样在上升和下降的时间均为19～20s，在完成设定的干燥时间后，试样钢升降装置驱动试样从干燥箱到腐蚀液的转移，使得试样实现了在两种干湿腐蚀环境中的周期性腐蚀；

4)待实验完成，取出试样进行各项腐蚀的测定，继而实现试样的周期浸润腐蚀实验。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)试样钢升降装置可调控四个运行变量，即浸没时间，上升时间，干燥时间，下降时间，用试样的升降行程来设定运行时间，还可以通过设定不同的浸没和干燥时间来做需要的周期性腐蚀实验；

利用水浴控温装置调节腐蚀液的温度，模拟干燥环境实验箱设置恒温装置及风机，可实现试样快速干燥，真实的模拟海洋飞溅区的海水温度和海洋用钢的干燥速度随昼夜外界温度变化的影响。

2)造浪装置，造波电机带动造浪板旋转，径向均布的造浪板增大了腐蚀液和造浪板的撞击面积；从腐蚀的角度来看，一般把海洋环境分为海洋大气区、浪花飞溅区(海水飞沫可以飞溅到此区，但海水涨潮时此区并未浸入海水之中)、潮差区(海水涨潮时将其浸没退潮时又暴露于大气之中)、海水全浸区(一直浸泡在海水之中)和海底泥土区(一直处于海底泥之中)。较以往的造波装置，旋转式造波制造的海水飞沫状态能更加真实的模拟飞溅区的海水的浪型。

3)在实现预期功能和模拟实验的效果上达到了现有设备同等甚至更优水平，且制造成本大大减少，操作简单，价格低廉，可广泛的适用于各中小研究院所和普通高校的实验室。

4)本装置利用化学沉积方法制备了Ni-P镀层，并采用无铬低消耗环保的工艺条件。化学沉积得到均匀的Ni-P镀层，并大大提高多种性能尤其是耐蚀性。在没有外电流的情况下，使Ni²⁺发生还原反应，产生的Ni原子附着在被镀零件表面，形成一层镍镀层保护被镀零件。对双极板有较高的耐蚀性，复合Ni-P镀层提升耐蚀性效果最优。

附图说明

图1是模拟海洋飞溅区腐蚀环境的实验装置的外部结构示意图。

图2是模拟海洋飞溅区腐蚀环境的实验装置的主视图。

图3是模拟海洋飞溅区腐蚀环境的实验装置的侧视图。

图4是浸润腐蚀实验箱的结构示意图。

图5是模拟海洋飞溅区腐蚀环境的实验装置的工作原理图。

图6是试样钢升降装置的原理图。

图7是造浪电机的主电路原理图。

图8是升降电机的控制电路原理图。

图中：1-试样钢升降装置 2-电机及仪器存放箱 3-控制台 4-模拟干燥环境实验箱 5-风机 6-浸润腐蚀实验箱 7-造波电机 8-试样悬挂架 9-恒温装置 10-升降电机 11-腐蚀实验槽 12-造浪架 13-水浴控温装置 14-伞齿轮 15-造浪板 16-小皮带轮 17-皮带18-转动轴 19-外箱体 20-试样 21-传动轴 22-腐蚀液 23-存水部。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明进行详细地描述，但是应该指出本发明的实施不限于以下的实施方式。

见图1-图8，一种模拟海洋飞溅区腐蚀环境的实验装置，包括设置在上部的模拟干燥环境实验箱4、设置在下部的浸润腐蚀实验箱6；

模拟干燥环境实验箱4包括实验箱体、恒温装置9、风机5、试样钢升降装置1；实验箱体内设有试样钢升降装置1，两侧分别固定有风机5、恒温装置9；实验箱体外部固定有电机及仪器存放箱2、控制台3，用于存放电机、仪器等动力器件。

试样钢升降装置1包括试样悬挂架8、转动轴18、耐腐蚀绕线、双向直流电机、两个小皮带轮16，转动轴18设置在实验箱体顶部，转动轴18与试样悬挂架8通过轴承连接，转动轴18端部与一个小皮带轮16固定连接，另一个小皮带轮16与双向直流电机的输出轴固定连接，两个小皮带轮16通过皮带17连接，双向直流电机驱动另一个小皮带轮16转动，在皮带17的带动下一个小皮带轮16转动，进而带动转动轴18转动；转动轴18上固定连接有耐腐蚀绕线，耐腐蚀绕线端部与试样悬挂架8固定连接；试样悬挂架8用于固定试样20。双向直流电机上连接有调速器。

恒温装置9包括温度传感器、保温灯及感应开关，温度传感器用于检测到干燥箱温度，反馈给保温灯开关，温度低于设定值最小值时保温灯通路加热，高于设定值最大值时断路停止加热，继而使得干燥箱温度达到恒定值。

风机5设有定时开关，通路时间设置，在试样20处于干燥箱阶段，风机5工作，使得试样20快速干燥。定时开关的断路时间为试样20在下降阶段、浸没阶段、上升阶段的时间总和。

试样钢升降装置1包括试样悬挂架8、转动轴18、耐腐蚀绕线、升降电机10、两个小皮带轮16，转动轴18设置在干燥箱体顶部，转动轴18与试样悬挂架8通过轴承连接，转动轴18端部与一个小皮带轮16固定连接，另一个小皮带轮16与升降电机10的输出轴固定连接，两个小皮带轮16通过皮带17连接，升降电机10驱动另一个小皮带轮16转动，在皮带17的带动下一个小皮带轮16转动，进而带动转动轴18转动；转动轴18上固定连接有耐腐蚀绕线，耐腐蚀绕线端部与试样悬挂架8固定连接；试样悬挂架8用于固定试样20。控制升降的双向直流电机上连接有控制电机计时正、反转及计时静止的电路板及调速器。

试样20升降电机10可实现正转、停止、反转、停止的工作状态，在YF-8型直流电机正反转控制板上，可设定浸润和干燥及升降时间，使试样20随着电机的正、停、反、停运行而达到对应的上升、干燥、下降、浸没的状态。

浸润腐蚀实验箱6包括腐蚀实验槽11、水浴控温装置13、造浪装置；试样钢升降装置1驱动试样20进出腐蚀实验槽11；水浴控温装置13用于调整腐蚀实验槽11内的液体温度。

水浴控温装置13由水浴箱、温度感应器、加热器及感应开关组成，腐蚀液22温度低于设定值最小值时温度感应器反馈感应开关，加热器电路通路，开始给水浴箱体内的水加热至设定值，然后温度感应器，反馈感应开关使加热器断路。继而保证水浴箱体内放置的腐蚀槽内部腐蚀液22温度恒定。

造浪装置包括造波电机7、传动轴21、造浪板15、造浪架12、相互啮合的两个伞齿轮14，造波电机7的输出轴通过联轴器与传动轴21固定连接，传动轴21与一个伞齿轮14固定连接，另一个伞齿轮14与造浪架12固定连接，造浪架12上径向固定均布有造浪板15，图5为四块造浪板15，造浪板15设置在腐蚀实验槽11内。造波电机7及变频器，双向直流电机及调速器件，均由设置在控制箱内的PLC控制器控制。造浪板15的回旋可为腐蚀槽中的腐蚀液22提供适合幅度和大小的浪花，更加真实的飞溅区的海水的浪型。

在PLC控制器和变频器的配合下，造波电机7驱动造浪板15往返回旋运行，四块造浪板15回旋运行和腐蚀液22撞击，可为腐蚀液22提供适合幅度和大小的浪花，更加真实的模拟了飞溅区的海水的浪型。

造浪板15的表面、造浪架12的表面、两个伞齿轮14的表面以及腐蚀实验槽11的内壁均覆有Ni-P涂层，使其长期稳定运行，可延长其使用寿命。

恒温装置9可实现干燥阶段的温度控制和试样20的快速干燥，可真实的模拟海洋用钢的干燥速度随昼夜外界温度变化的影响，水浴控温装置13对腐蚀液22的温度进行调控，模拟海洋飞溅区海水的温度的变化，设备整体在设定好的实验时间周期下稳定运行，实现试样20的自动升降和干湿腐蚀环境中的定时停留，从而实现了模拟海洋用钢在海水飞溅区更加真实的腐蚀环境。设备参数见表1：

表1设备参数表

一种模拟海洋飞溅区腐蚀环境的实验装置的使用方法，包括以下步骤：

1)海洋用钢制成试样20，并连接在试件悬挂架上；模拟海水的腐蚀液22注入腐蚀实验槽11中，调整腐蚀液22的温度，调节腐蚀液22pH值；调整干燥箱温度，设置送风风机5工作时间。

2)启动造浪装置，设定腐蚀液22波浪的大小和幅度；试验周期设定为24～600h，并设置周期腐蚀实验循环的干燥和浸润阶段的时间；

3)开始实验，试样钢升降装置1驱动试样20在恒温腐蚀实验槽11中，试样20全浸润腐蚀，在完成设定浸没时间的全浸润腐蚀后，试样钢升降装置1驱动试样20从腐蚀液22到干燥箱的转移，试样20在上升和下降的时间均为19～20s，在完成设定的干燥时间后，试样钢升降装置1驱动试样20从干燥箱到腐蚀液22的转移，使得试样20实现了在两种干湿腐蚀环境中的周期性腐蚀；

4)待实验完成，取出试样20进行各项腐蚀的测定，继而实现试样20的周期浸润腐蚀实验。

实施例：

试样20尺寸：60mm*40mm*4mm和20mm*15mm*4mm。

采用化学镀工艺在腐蚀实验槽11内壁(主要是存水部23)、造浪板15、造浪架12、传动轴21等核心部件表面制备一层致密的Ni-P涂层；配制腐蚀液22：浓度为3.5％的NaCl溶液；将腐蚀液22注入腐蚀实验槽11中，用弱酸或弱碱调节腐蚀环境的pH值；腐蚀液22温度控制在25～27℃；将试样20分别连接在试样悬挂架8上，设定造浪板15回旋的频率和运行行程，调节造波电机7的变频器，驱动造浪板15旋转。升降电机10转速控制在9～10r/min，保证试样20上升和下降的时间控制在19～20s(此时间，由电机速度确定后，通过调整试样20的浸没深度，将试样20浸没处到试样20在干燥区静止处的距离，将调整为定值200～250mm作为试样20对的升降行程，算出该升降时间)并将试样20的全浸没设定为初始状态；设定腐蚀循环中浸润阶段的时间为9～11min,干燥阶段的时间为49～51min，升降电机10正、反转工作的时间设定为19～20s，设定试样20在模拟干燥环境实验箱4的干燥时间为50min(该时间由干燥阶段的时间来确定)，设定试样20在腐蚀液22中浸没时间为10min(由浸润阶段的时间确定)。实验周期可根据标准GBT19746-2005设定为24h、72h、168h、288h、432h、600h。实验结束后取出试样20，进一步对其进行腐蚀测定，取出存水部23，清理干净腐蚀液22。

造浪板15的表面、造浪架12的表面、两个伞齿轮14的表面、传动轴21表面以及腐蚀实验槽11的内壁度Ni-P涂层，镀膜处理后，使其长期稳定运行，具体方法：

(1)施镀的前处理：利用水磨砂纸打磨待镀零件的表面，使其光滑，随后用去离子水清洗零件，烘干后将零件浸入碱性除油溶液1000ml(20g/L NaOH，20g/LNa₂CO₃)，并将温度调整为恒69～71℃，保温时间为5min，以达到除去零件油污的效果。将除油以后零件用质量分数为10％的HF溶液酸化，酸化时间为3min，去除零件的氧化膜。

(2)镀液的配置：配方：21.9～22.1g/L NiSO₄·6H₂O，19.9～20.1g/L NaH₂PO₂·5H₂O，9.90～10.1g/L NH₄HF₂，14.9～15.1g/L Na₃C₆H₅O₇·2H₂O，0.08～0.10g/L(CH₃COO)₂Pb，0.08～0.10g/L C₁₂H₂₅SO₄Na，实验前按照配方称得适量的药品并溶解待用，实验时先把络合剂Na₃C₆H₅O₇·2H₂O倒入到盐溶液NiSO₄·6H₂O中，待完全混合后，再加入稳定剂NH₄HF₂，然后将缓冲溶液(CH₃COO)₂Pb倒入反应装置中，加入表面活性剂C₁₂H₂₅SO₄Na，使它们进行充分的混合后，最后加入还原剂NaH₂PO₂·5H₂O。

(3)化学镀沉积Ni-P涂层：将打磨好的零件按照步骤(1)依次进行除油和酸洗活化过程，后取出迅速放入到待镀溶液中，施镀的温度为恒温84～85℃，pH为7.1～7.3，时间为1.9～2.1h，然后，用84～85℃去离子水清洗，再用常温去离子水冲洗之后烘干；最后，零件上制备一层均匀致密的Ni-P涂层。

上述干燥实验箱，其内部温度可由温度感应器、保温灯及感应开关组成的电路系统实现控温，通过定时开关控制器对小功率送风风扇的电路进行控制，可实现干燥箱里试样20的快速干燥，模拟海风对浪花飞溅区海工钢腐蚀表面的快速干燥。

浸润腐蚀实验箱6通过水浴控温装置13控制腐蚀液22温度，来模拟海洋飞溅区海水的温度对海工钢腐蚀的影响；在设定好的实验时间周期，试样20升降在干湿腐蚀环境中的定时停留，实现模拟海洋用钢在海水飞溅区的更加真实的腐蚀环境。

本发明装置结构简单，操作方便，还具备调整干、湿环境的温度，快速风动干燥，造浪等功能，通过对设备各器件电路控制器进行时间、温度设定，可使实验时间周期的自动控制，长期平稳运行，以此来模拟飞溅区的海水干湿交替周期性腐蚀海洋用钢真实的腐蚀环境；本设备主要用于模拟海洋用钢在海水飞溅区的周期性腐蚀实验，也可适用于模拟金属材料在不同腐蚀液22中的全浸，半浸没，周期性浸没腐蚀实验。

Claims (4)

1.一种模拟海洋飞溅区腐蚀环境的实验装置，其特征在于，包括设置在上部的模拟干燥环境实验箱、设置在下部的浸润腐蚀实验箱；

所述的模拟干燥环境实验箱包括实验箱体、恒温装置、风机、试样钢升降装置；实验箱体内设有试样钢升降装置，两侧分别固定有风机、恒温装置；

所述的试样钢升降装置包括试样悬挂架、转动轴、耐腐蚀绕线、双向直流电机、两个小皮带轮，转动轴设置在实验箱体顶部，转动轴与试样悬挂架通过轴承连接，转动轴端部与一个小皮带轮固定连接，另一个小皮带轮与双向直流电机的输出轴固定连接，两个小皮带轮通过皮带连接，双向直流电机驱动另一个小皮带轮转动，在皮带的带动下一个小皮带轮转动，进而带动转动轴转动；转动轴上固定连接有耐腐蚀绕线，耐腐蚀绕线端部与试样悬挂架固定连接；试样悬挂架用于固定试样；

所述的浸润腐蚀实验箱包括腐蚀实验槽、水浴控温装置、造浪装置；

所述的造浪装置包括造波电机、传动轴、造浪板、造浪架、相互啮合的两个伞齿轮，造波电机的输出轴通过联轴器与传动轴固定连接，传动轴与一个伞齿轮固定连接，另一个伞齿轮与造浪架固定连接，造浪架上径向固定均布有造浪板，造浪板设置在腐蚀实验槽内；

试样钢升降装置驱动试样进出腐蚀实验槽；水浴控温装置用于调整腐蚀实验槽内的液体温度。

2.根据权利要求1所述的一种模拟海洋飞溅区腐蚀环境的实验装置，其特征在于，所述的双向直流电机上连接有调速器。

3.根据权利要求1所述的一种模拟海洋飞溅区腐蚀环境的实验装置，其特征在于，所述的造浪板的表面、造浪架的表面、两个伞齿轮的表面以及腐蚀实验槽的内壁均覆有Ni-P涂层。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的一种模拟海洋飞溅区腐蚀环境的实验装置的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)海洋用钢制成试样，并连接在试件悬挂架上；模拟海水的腐蚀液注入腐蚀实验槽中，调整腐蚀液的温度，调节腐蚀液pH值；

2)启动造浪装置，设定腐蚀液波浪的大小和幅度；试验周期设定为24～600h，并设置周期腐蚀实验循环的干燥和浸润阶段的时间；

3)开始实验，试样钢升降装置驱动试样在恒温腐蚀实验槽中，试样全浸润腐蚀，在完成设定浸没时间的全浸润腐蚀后，试样钢升降装置驱动试样从腐蚀液到干燥箱的转移，试样在上升和下降的时间均为19～20s，在完成设定的干燥时间后，试样钢升降装置驱动试样从干燥箱到腐蚀液的转移，使得试样实现了在两种干湿腐蚀环境中的周期性腐蚀；

4)待实验完成，取出试样进行各项腐蚀的测定，继而实现试样的周期浸润腐蚀实验。

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