CN111929158A - 一种可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置及方法，本装置包括拉伸支架、试验容器、焊缝试件、腐蚀监测系统和应力监测系统，所述焊缝试件的两端分别可拆卸地固定在拉伸支架的内侧，所述试验容器用于贮存腐蚀介质，其上设有溶液进口和溶液出口，所述试验容器设有若干开口，所述焊缝试件的中部通过固定压板紧靠在试验容器的开孔上，所述腐蚀监测系统和应力监测系统均连接在所述焊缝试件远离试验容器一面的中部。本发明通过电阻法能够在线、准确监测焊缝结构的非均匀腐蚀情况，并通过结合应力监测结果，全面分析焊缝结构的服役状态。

Description

一种可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置及方法

技术领域

本发明涉及焊接结构腐蚀状态监测领域，尤其涉及一种可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置及方法。

背景技术

焊接结构普遍存在于海洋工程中。焊缝结构的元素成分和微观结构复杂，且存在较大的焊接残余应力，在严苛的服役环境中面临着严峻的非均匀腐蚀问题。由于焊缝区域的组成和结构复杂性，针对焊缝区域的应力及非均匀腐蚀监测尤为重要。

中国专利文献CN 107505256 A公开了一种可模拟受力状态下的焊缝腐蚀监测装置及其监测方法，所述装置包括：四点弯曲加力装置、零电阻电流计、电化学工作站、焊缝电阻-多电极腐蚀传感器、参比电极、辅助电极、微欧计和信号采集控制系统。四点弯曲加力装置通过调节长条电极试片的挠度改变其应力大小。焊缝电阻-多电极腐蚀传感器通过继电器开关与微欧计连接，用来进行各元件电阻的测量。所有传感器腐蚀元件各自连接一个继电器开关与电化学测试系统相连，在进行电化学测试前断开多电极系统的继电器开关，连接上电化学测试的继电器开关进行三个腐蚀元件的电化学测试。该发明能够全面、准确监测管道焊缝区域的腐蚀情况，实现测量焊缝区总腐蚀深度与腐蚀速率，测量电化学腐蚀速率，监测焊缝不同区域阴阳极电流，模拟焊缝节点的受力工况。

然而，焊缝结构的应力状态与腐蚀行为有着密切的关系，焊缝的局部应力集中往往加速非均匀腐蚀的发生。目前能同时监测焊缝应力分布及非均匀腐蚀状态的装置和方法还较少。所以，在含拉力载荷情况下进行准确的焊缝局部应力及非均匀腐蚀监测方案的设计变得十分必要。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置及方法。本发明采用的技术手段如下：

一种可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置，包括拉伸支架、试验容器、焊缝试件、腐蚀监测系统和应力监测系统，所述焊缝试件的两端分别可拆卸地固定在拉伸支架的内侧，所述试验容器用于贮存腐蚀介质，其上设有溶液进口和溶液出口，所述试验容器设有若干开口，所述焊缝试件的中部通过固定压板紧靠在试验容器的开孔上，所述腐蚀监测系统和应力监测系统均连接在所述焊缝试件远离试验容器一面的中部。

进一步地，所述拉伸支架为矩形框架，其中内侧中一端设有固定连接在其上的第一夹紧块，所述矩形框架的另一端开设通孔，螺纹拉杆可拆卸地连接在该通孔内，所述螺纹拉杆靠近于第一夹紧块的端部设有固定在其上的第二夹紧块，另一端连接有梯形螺母，所述梯形螺母用于对夹持在第一夹紧块与第二夹紧块之间的焊缝试件施加预紧力。

进一步地，所述第一夹紧块和第二夹紧块的主体部分规格相同，其上开设匹配焊缝试件厚度的定位槽，所述焊缝试件的两端均设有焊缝试件定位孔，所述第一夹紧块和第二夹紧块均开设夹紧块定位孔，焊缝试件通过定位销和夹紧块定位孔安装在第一夹紧块和第二夹紧块上。

进一步地，所述试验容器由4组紧固螺栓将前端盖、筒身以及后端盖连接紧固，筒身顶部布置所述溶液进口及溶液出口，筒身顶部布置有温度探头及pH探头；所述焊缝试件通过固定压板紧靠在带开孔的后端盖上。

进一步地，所述焊缝试件取材于完整焊缝结构，并通过线切割将试件拉伸段的母材区、热影响区以及焊趾区进行空间上的分离。

进一步地，所述后端盖上开有3个孔，开孔尺寸与焊缝试件上每个焊缝区域的宽度相同，孔间距与焊缝试件三个区域的分布间隔相一致，通过后端盖上的三个开孔，焊缝试件上的三个区域可以与试验容器中的腐蚀介质相连，进而可以开展焊缝腐蚀试验。

进一步地，所述焊缝试件的一个面为测量面，另一个面为腐蚀面。在腐蚀面上，焊缝三个区域分别与试验容器内介质接触，在测量面上，一方面布置应力应变片，通过引线与应力监测系统相连进行局部应力监测；另一方面布置电流电压引出线，通过四线法与腐蚀监测系统相连进行焊缝非均匀腐蚀监测。

本发明还公开了上述可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置的使用方法，包括如下步骤：

S01：将应力应变片以及引出线布置在焊缝试件表面；

S02：将焊缝试样装配入拉伸支架，调节梯形螺纹改变拉伸试件的预紧拉力；

S03：将焊缝试件与试验容器紧固，并在试验容器顶部布置好温度及pH探头；

S04：通过焊缝试件上的引出线将试件与腐蚀监测系统及应力监测系统连接起来；

S05：通过溶液进出口对试验容器进行腐蚀介质的加注；

S06：通过切换应力监测系统控制开关，对焊缝三个区域定时进行应力测量；

S07：通过切换腐蚀监测系统控制开关，对焊缝三个区域定时进行腐蚀深度测量；

S08：通过对比焊缝三个区域的局部应力及腐蚀变化，评估焊缝结构的性能状态。

本发明具有以下优点：

1、本发明能够更好地监测在拉应力下的焊缝结构的非均匀腐蚀问题；

2、本发明的焊缝试件为一个整体，焊缝三个区域始终电连接，通过四线电阻法测得的腐蚀深度更为真实；

3、本发明能够对应焊缝局部应力跟非均匀腐蚀的关系。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置结构示意图；

图2为本发明实施例的监测装置后视图；

图3为本发明实施例的试验容器后端盖示意图；

图4为本发明实施例的焊缝试件结构图，其中，图4a、图4b及图4c分别是连接电路、试件A面、B面布置图。

图中：1-拉伸支架，11-矩形框架，12-螺纹拉杆，13-梯形螺母，14-定位销；2-试验容器，21-前端盖，22-后端盖，23-筒身，24-紧固螺栓，25-溶液进口，26-溶液出口，27-温度探头，28-pH探头，29-固定压板；3-焊缝试件；4-腐蚀监测系统；5-应力监测系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

研究焊缝腐蚀常用的方法是电化学法。电化学法通常涉及到电位测量、线性极化测量、交流阻抗测量等，在对焊缝结构进行腐蚀研究时技术方法较为成熟，但其局限性在于电化学法需要保证实验环境为电解质环境，而实际很多焊缝结构存在于非电解质或者低电导率环境中，因此采用电化学方法进行腐蚀在线监测并不具有普适性。基于电阻法的电阻探针适用各种腐蚀介质环境，所采用的监测电路也较为简单、可靠。

焊缝具有复杂的材料构成以及多样的结构形式，其发生的腐蚀形式以非均匀腐蚀为主。传统的方法通常研究得到其整体的均匀腐蚀情况，而不能获得焊缝结构的非均匀腐蚀信息，因而针对焊缝结构，研究不同区域(母材区、热影响区、焊趾区)的腐蚀差异是十分有必要的。此外，焊缝结构通常受到载荷作用，而焊缝结构上的应力分布也往往是不均匀的，因而就在载荷作用下的焊缝局部应力监测更为重要。结合分析在焊缝结构的服役过程中局部应力变化及腐蚀趋势，可以更好地评估焊缝的性能状态。

基于上述设计背景，如图1所示，本实施例公开了一种可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置，包括拉伸支架、试验容器、焊缝试件、腐蚀监测系统和应力监测系统，所述焊缝试件3的两端分别可拆卸地固定在拉伸支架1的内侧，所述试验容器2用于贮存腐蚀介质，其上设有溶液进口25和溶液出口26，所述试验容器2设有若干开口，所述焊缝试件3的中部通过固定压板29紧靠在试验容器2的开孔上，具体地，所述固定压板的四角设有螺孔，所述试验容器设有与其位置对应的螺孔，通过螺栓将焊缝试件的中部压紧在试验容器的开孔上，所述腐蚀监测系统和应力监测系统均连接在所述焊缝试件远离试验容器一面的中部。

所述拉伸支架1为矩形框架11，其中内侧中一端设有固定连接在其上的第一夹紧块，所述矩形框架的另一端开设通孔，螺纹拉杆12可拆卸地连接在该通孔内，所述螺纹拉杆靠近于第一夹紧块的端部设有固定在其上的第二夹紧块，另一端连接有梯形螺母13，所述梯形螺母用于对夹持在第一夹紧块与第二夹紧块之间的焊缝试件施加预紧力，本实施例中，通过定位销14将焊缝试样固定在拉伸支架上，再通过调节梯形螺母带动螺纹拉杆，试样两端受到螺纹拉杆预紧产生的拉力。

所述第一夹紧块和第二夹紧块的主体部分规格相同，其上开设匹配焊缝试件厚度的定位槽，所述焊缝试件的两端均设有焊缝试件定位孔，所述第一夹紧块和第二夹紧块均开设夹紧块定位孔，焊缝试件通过定位销和夹紧块定位孔安装在第一夹紧块和第二夹紧块上。

所述试验容器2由4组紧固螺栓24将前端盖21、筒身23以及后端盖22连接紧固，筒身23顶部布置所述溶液进口25及溶液出口26，筒身23顶部布置有温度探头27及pH探头28；如图2所示，所述焊缝试件通过固定压板29紧靠在如图3所示的带开孔的后端盖22上。

所述焊缝试件3取材于完整焊缝结构，并通过线切割将试件拉伸段的母材区、热影响区以及焊趾区进行空间上的分离。

所述后端盖22上开有3个孔，开孔尺寸与焊缝试件上每个焊缝区域的宽度相同，孔间距与焊缝试件三个区域的分布间隔相一致，通过后端盖22上的三个开孔，焊缝试件3上的三个区域可以与试验容器2中的腐蚀介质相连，进而可以开展焊缝腐蚀试验。

如图4(a)(b)所示，所述焊缝试件的一个面为测量面，另一个面为腐蚀面。在腐蚀面上，焊缝三个区域分别与试验容器内介质接触，在测量面上，一方面布置应力应变片，通过引线与应力监测系统5相连进行局部应力监测；另一方面布置电流电压引出线，通过四线法与腐蚀监测系统4相连进行焊缝非均匀腐蚀监测。

焊缝试件的腐蚀深度测量采用四线电阻法。在该测量面上，每个焊缝区域上均布置5跟电流电压引出线。其中首尾2根为电流线，中间3根为电压线，其中最中间的电压测量线将每个焊缝区域均分成2部分。其中，背面含腐蚀区域的一段为腐蚀段，不含腐蚀区域的为参比段。所有腐蚀段与参比段通过继电器开关与腐蚀监测系统连接，用来进行各焊缝区域电阻的测量。腐蚀监测系统通过2根电流线对每个区域的腐蚀段与参比段进行电流输入，同时通过腐蚀段与参比段两头的2根电压线进行电压监测。

图4(c)所示，焊缝试件每个区域的腐蚀面仅有长度为a的区域发生了腐蚀，其他区域均无腐蚀发生。且整个焊缝试件没有进行局部热绝缘，而电阻受温度变化影响，故设置参比段目的是为了进行良好的温度补偿以保证电阻测量准确性。

电阻法的测量原理是腐蚀导致电极变薄，电极元件电阻值发生变化，进而通过电阻值的变化计算目标区域的腐蚀深度。本焊缝试件每个区域的测量尺寸如图4，几何参数如下：d为焊缝试件初始厚度，a为每个区域的宽度，l为腐蚀段及参比段的长度，a为腐蚀段长度。假设一段时间后每个区域的腐蚀深度为x，则测得的腐蚀段与参比段的电阻值计算分别如下：

R₁＝U₁/I (1)

R₂＝U₂/I (2)

其中U₁为腐蚀段电压值，U₂为参比段电压值，R₁为腐蚀段电阻，R₂为参比段电阻。

通过式(3)、(4)变换可得腐蚀段腐蚀深度x计算结果如下：

因此，腐蚀段的腐蚀深度只与试件初始截面尺寸、对应区域的电阻值比相关，只需控制好初始截面尺寸，即可通过测得的当前阻值比得到腐蚀段的腐蚀深度x。进而得到所有三个区域各自的腐蚀深度，即可知在此工况下焊缝的非均匀腐蚀程度。

同时，在焊缝试件的测量面上，在每个焊缝区域的腐蚀段及参比段均布置了应力应变片，通过引线将应力应变片与应力监测系统相连。随着腐蚀的发生，每个焊缝区域的应力均会发生变化，记录不同焊缝区域的应力变化过程与非均匀腐蚀监测结果对比，可以更为全面地评估焊缝的服役状态。

本发明还公开了上述可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置的使用方法，包括如下步骤：

S01：将应力应变片以及引出线布置在焊缝试件表面；

S02：将焊缝试样装配入拉伸支架，调节梯形螺纹改变拉伸试件的预紧拉力；

S03：将焊缝试件与试验容器紧固，并在试验容器顶部布置好温度及pH探头；

S04：通过焊缝试件上的引出线将试件与腐蚀监测系统及应力监测系统连接起来；

S05：通过溶液进出口对试验容器进行腐蚀介质的加注；

S06：通过切换应力监测系统控制开关，对焊缝三个区域定时进行应力测量；

S07：通过切换腐蚀监测系统控制开关，对焊缝三个区域定时进行腐蚀深度测量；

S08：通过对比焊缝三个区域的局部应力及腐蚀变化，评估焊缝结构的性能状态。

综上，本发明提供了一种可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置及其监测方法。通过改进传统拉伸试件的结构形式，在考虑焊缝结构实际受拉力情况下，进行焊缝非均匀腐蚀监测，并结合焊缝不同区域局部应力变化，更为全面、准确地进行评估焊缝结构的腐蚀状态。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置，其特征在于，包括拉伸支架、试验容器、焊缝试件、腐蚀监测系统和应力监测系统，所述焊缝试件的两端分别可拆卸地固定在拉伸支架的内侧，所述试验容器用于贮存腐蚀介质，其上设有溶液进口和溶液出口，所述试验容器设有若干开口，所述焊缝试件的中部通过固定压板紧靠在试验容器的开孔上，所述腐蚀监测系统和应力监测系统均连接在所述焊缝试件远离试验容器一面的中部。

2.根据权利要求1所述的可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置，其特征在于，所述拉伸支架为矩形框架，其中内侧中一端设有固定连接在其上的第一夹紧块，所述矩形框架的另一端开设通孔，螺纹拉杆可拆卸地连接在该通孔内，所述螺纹拉杆靠近于第一夹紧块的端部设有固定在其上的第二夹紧块，另一端连接有梯形螺母，所述梯形螺母用于对夹持在第一夹紧块与第二夹紧块之间的焊缝试件施加预紧力。

3.根据权利要求2所述的可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置，其特征在于，所述第一夹紧块和第二夹紧块的主体部分规格相同，其上开设匹配焊缝试件厚度的定位槽，所述焊缝试件的两端均设有焊缝试件定位孔，所述第一夹紧块和第二夹紧块均开设夹紧块定位孔，焊缝试件通过定位销和夹紧块定位孔安装在第一夹紧块和第二夹紧块上。

4.根据权利要求1所述的可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置，其特征在于，所述试验容器由4组紧固螺栓将前端盖、筒身以及后端盖连接紧固，筒身顶部布置所述溶液进口及溶液出口，筒身顶部布置有温度探头及pH探头；所述焊缝试件通过固定压板紧靠在带开孔的后端盖上。

5.根据权利要求1所述的可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置，其特征在于，所述焊缝试件取材于完整焊缝结构，并通过线切割将试件拉伸段的母材区、热影响区以及焊趾区进行空间上的分离。

6.根据权利要求4所述的可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置，其特征在于，所述后端盖上开有3个孔，开孔尺寸与焊缝试件上每个焊缝区域的宽度相同，孔间距与焊缝试件三个区域的分布间隔相一致，通过后端盖上的三个开孔，焊缝试件上的三个区域可以与试验容器中的腐蚀介质相连，进而可以开展焊缝腐蚀试验。

7.根据权利要求1所述的可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置，其特征在于，所述焊缝试件的一个面为测量面，另一个面为腐蚀面。在腐蚀面上，焊缝三个区域分别与试验容器内介质接触，在测量面上，一方面布置应力应变片，通过引线与应力监测系统相连进行局部应力监测；另一方面布置电流电压引出线，通过四线法与腐蚀监测系统相连进行焊缝非均匀腐蚀监测。

8.一种权利要求1～7任一项所述可监测焊缝局部应力及非均匀腐蚀的装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：

S01：将应力应变片以及引出线布置在焊缝试件表面；

S02：将焊缝试样装配入拉伸支架，调节梯形螺纹改变拉伸试件的预紧拉力；

S03：将焊缝试件与试验容器紧固，并在试验容器顶部布置好温度及pH探头；

S04：通过焊缝试件上的引出线将试件与腐蚀监测系统及应力监测系统连接起来；

S05：通过溶液进出口对试验容器进行腐蚀介质的加注；

S06：通过切换应力监测系统控制开关，对焊缝三个区域定时进行应力测量；

S07：通过切换腐蚀监测系统控制开关，对焊缝三个区域定时进行腐蚀深度测量；

S08：通过对比焊缝三个区域的局部应力及腐蚀变化，评估焊缝结构的性能状态。

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