CN113358553A - 海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置，包括全浸没加速腐蚀模拟区及深海压力仓加压区；全浸没加速腐蚀模拟区包括电化学工作站、电解试验池、溶液浓度控制机构、管道试件放置机构及电极组，溶液浓度控制机构用于调节电解试验池内腐蚀介质的浓度，电化学工作站用于向电解试验池提供腐蚀电流；深海压力仓加压区包括压力舱、试件装填机构、压力控制机构及水下视频监控机构，试件装填机构用于将管道试件移近或移出压力舱，压力控制机构用于调节压力舱内的压力。本发明还公开了一种基于海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置的海底管道全浸没加速腐蚀压溃方法。本发明采用先腐蚀再加压的方式，模拟管道在极端环境下腐蚀压溃的过程，实验精度高。
Description
技术领域
本发明涉及海洋加速腐蚀模拟及加压模拟测试领域，尤其涉及一种海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置及一种基于所述海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置的海底管道全浸没加速腐蚀压溃方法。
背景技术
目前，我国海洋经济发展迅速，无论是国家还是企业对于海底油气资源的关注都日益上升。海底管道作为输送海底油气资源的重要设备，也成为了海洋装备研究的重点。腐蚀是海底管道失效的主要原因之一，值得深入研究。据相关数据调查，全球每年因腐蚀造成的经济损失是巨大的，已达到7000亿至1.3万亿，约占各国生产总值的3％。因此，准确评估海底管道的腐蚀状况，科学预测管道的剩余寿命，对保证海底管道的安全运行和油气田的正常生产具有重要意义。
近年来，越来越多的研究致力于对加速腐蚀压溃试验方法的探索。然而，由于工程及实验人员缺乏有效手段探求海底管道在海洋全浸没区腐蚀及压溃情况的窘境。目前，试验人员长期仍采用小部分范围的刀刮、锤砸等物理方法来模拟实际海洋腐蚀结果后使用压力机等装置进行压溃实验，得到了与实际情况有偏差的结果的无奈。因此，有必要对海底全浸没区的腐蚀压溃试进行研究，并探索合适的全浸没加速腐蚀及加压方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置及方法，可实现模拟管道在极端环境下腐蚀压溃的过程，实验精度高。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种底管道全浸没加速腐蚀压溃装置，包括：全浸没加速腐蚀模拟区及深海压力仓加压区，所述全浸没加速腐蚀模拟区用于将管道试件置于海水全浸没条件下进行加速腐蚀，所述深海压力仓加压区用于将加速腐蚀后的管道试件置于高压中进行加压；所述全浸没加速腐蚀模拟区包括电化学工作站、电解试验池、溶液浓度控制机构、管道试件放置机构及电极组，所述电解试验池用于放置腐蚀介质，所述溶液浓度控制机构与所述电解试验池连接并用于调节所述电解试验池内腐蚀介质的浓度，所述管道试件放置机构设于所述电解试验池内并用于放置管道试件，所述电极组设于所述电解试验池内，所述电极组包括辅助电极、参比电极、特制电极及工作电极，所述特制电极与所述工作电极及管道试件连接，所述辅助电极与管道试件之间设有间距，所述电化学工作站与所述辅助电极、参比电极及特制电极连接并用于向所述电解试验池提供腐蚀电流；所述深海压力仓加压区包括压力舱、试件装填机构、压力控制机构及水下视频监控机构，所述压力舱用于放置所述管道试件，所述试件装填机构用于将所述管道试件移近或移出所述压力舱，所述压力控制机构与所述压力舱连接并用于调节所述压力舱内的压力以为所述管道试件提供深海压力环境，所述水下视频监控机构与所述压力舱连接并用于实时监测所述压力舱内的管道试件的实时状况。
作为上述方案的改进，所述辅助电极为贴附于所述电解试验池内壁的辅助板，所述辅助电极与贴附的电解试验池内壁之间设有电极接头，所述辅助电极通过所述电极接头与所述电化学工作站连接。
作为上述方案的改进，所述特制电极包括第一电极棒、电极板及第二电极棒组，所述电极板的一面与第一电极棒连接，另一面与所述第二电极棒组连接；所述第二电极棒组包括呈圆环分布的多个第二电极棒，所述圆环的直径与所述管道试件的直径相匹配，以使所述管道试件的端部嵌于所述圆环内，所述管道试件的端部与所述电极板之间设有间距。
作为上述方案的改进，所述第一电极棒的一端与所述电化学工作站连接并伸出所述电解试验池的腐蚀介质外，另一端与电极板连接并浸入所述电解试验池的腐蚀介质内，所述第一电极棒的外壁设有防腐蚀层。
作为上述方案的改进，所述管道试件放置机构包括用于放置管道试件的不导电托带，所述工作电极设于所述不导电托带上并与所述特制电极连接。
作为上述方案的改进，所述压力舱包括舱体、舱盖、卡箍、卡箍启闭机构及底座；所述舱盖用于密封所述舱体，所述舱盖上设有穿舱孔，介质及电缆通过所述穿舱孔进入舱体；所述卡箍通过所述卡箍启闭机构与舱体连接或脱离；所述底座设于所述舱体底部，用于支撑所述舱体。
作为上述方案的改进，所述海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置还包括用于吊装所述管道试件的吊装区和/或试件存放区；所述吊装区设于所述全浸没加速腐蚀模拟区及深海压力仓加压区上方，所述吊装区包括吊车梁及吊车，所述吊车设于所述吊车梁上并可沿所述吊车梁移动，以将所述管道试件吊入或吊出所述电解试验池及试件装填机构；所述试件存放区包括待腐蚀存放区及待测量存放区，所述待腐蚀存放区设于所述全浸没加速腐蚀模拟区的一侧并用于放置待腐蚀的管道试件，所述待测量存放区设于所述全浸没加速腐蚀模拟区与深海压力仓加压区之间并用于放置腐蚀后的管道试件。
相应地，本发明还提供了一种基于所述海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置的海底管道全浸没加速腐蚀压溃方法，包括：将所述管道试件放置于全浸没加速腐蚀模拟区内，进行海底管道全浸没加速腐蚀模拟测试；将经海底管道全浸没加速腐蚀模拟测试后的管道试件放置于深海压力仓加压区内，进行海底管道全浸没深海加压模拟测试。
作为上述方案的改进，所述将管道试件放置于全浸没加速腐蚀模拟区内，进行海底管道全浸没加速腐蚀模拟测试的步骤包括：采集管道试件的初始重量、初始表面形状及初始厚度；将所述管道试件放置于管道试件放置机构上并使所述管道试件与辅助电极之间留有间距，密封所述管道试件的两端并将所述管道试件的一端与特制电极连接；将电化学工作站与所述辅助电极、参比电极及特制电极连接，并将所述特制电极与工作电极连接；向电解试验池内添加腐蚀介质，直至所述腐蚀介质完全浸没所述管道试件，并将所述参比电极放入腐蚀介质内；接通所述电化学工作站电源，通过溶液浓度控制机构实时调节所述电解试验池内腐蚀介质的浓度；根据预设时间及预设电流对管道试件进行腐蚀，并实时采集电化学工作站的时间信息及电流信息；腐蚀完成后，切断所述电化学工作站电源，并断开所述电化学工作站与所述辅助电极、参比电极及特制电极的连接，利用所述溶液浓度控制机构将所述电解试验池中的腐蚀介质全部排出，擦干并密封保存所述管道试件；测量时，拆除所述管道试件的密封并去除所述管道试件表面的附着物；采集所述管道试件的最终壁厚、最终表面形状及最终重量；根据所述初始表面形状及最终表面形状，构建所述管道试件的腐蚀3D模型图，根据所述初始重量及最终重量计算管道试件的损失质量，根据所述初始壁厚及最终壁厚计算管道试件的损失壁厚，根据所述时间信息及电流信息计算管道试件的理论损失质量△m’，其中，
A为金属原子量，I为电流信息，S为管道试件外表面积，n为金属失电子数，ρ为金属密度，t为时间信息。
作为上述方案的改进，所述将经海底管道全浸没加速腐蚀模拟测试后的管道试件放置于深海压力仓加压区内，进行海底管道全浸没深海加压模拟测试的步骤包括：将所述管道试件置于试件装填机构上，并闭合舱盖；通过压力控制机构对舱体进行逐级加压并稳压，使压力舱内形成高压环境以对压力舱内的管道试件进行深海加压模拟测试；测试过程中，通过水下视频监控机构实时监测所述压力舱内的管道试件的实时状况；测试完成后，通过压力控制机构对舱体进行卸压；打开舱盖，取出所述压力舱内的管道试件；采集所述管道试件的压溃表面形状，并根据所述构压溃表面形状建所述管道试件的压溃3D模型图。
实施本发明，具有如下有益效果：
本发明可分为加速腐蚀及加压处理两部分，并采用先腐蚀再加压的方式，模拟管道在极端环境下腐蚀压溃的过程，既最大程度符合实海环境下的过程，又能够大大减少所用的时间，得到的结果精度高，误差小。具体地：
加速腐蚀部分是基于电化学方程，通过电化学工作站外加均匀稳定的恒流稳定电源，将始终位于一定浓度及一定深度溶液中的管道试件加速腐蚀，模拟在实海条件下全浸没区的自然腐蚀；同时，实验可在室温下进行，以理论计算的相应时间、电流大小作用于电解池中，最终得到相应的结果，准确性高。
加压部分是采用深海压力舱，在给定的压力条件、溶液条件及时间条件下，将位于舱内的管道施加压力，最终得到相应的结果，模拟在实海条件下全浸没深海区的加压，操作简单。
附图说明
图1是本发明海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置的第一实施例结构示意图；
图2是本发明中全浸没加速腐蚀模拟区的结构示意图；
图3是本发明中全浸没加速腐蚀模拟区的立体图；
图4是本发明中特制电极的结构示意图；
图5是本发明中特制电极的另一结构示意图；
图6是本发明中压力舱的结构示意图；
图7是本发明中舱盖的结构示意图；
图8是本发明中水下视频监控机构的结构示意图；
图9是本发明海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置的第二实施例结构示意图；
图10是本发明基于海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置的海底管道全浸没加速腐蚀压溃方法的实施例流程图；
图11是本发明中海底管道全浸没加速腐蚀模拟测试的实施例流程图；
图12是本发明中海底管道全浸没深海加压模拟测试的实施例流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。
参见图1，图1显示了本发明海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置的第一实施例，其包括全浸没加速腐蚀模拟区100及深海压力仓加压区200。
工作时，可先通过全浸没加速腐蚀模拟区100将管道试件置于海水全浸没条件下进行加速腐蚀，从而方便快捷地获取管道试件的实时腐蚀情况，了解实海对海底油气管道腐蚀的影响；再通过深海压力仓加压区200将加速腐蚀后的管道试件置于高压中进行加压，从而方便对整根管道试件进行外压作用，更能模拟实际深海海底压力对海底油气管道的外压作用。
下面结合具体的附图对本发明中的全浸没加速腐蚀模拟区100及深海压力仓加压区200分别进行说明：
一、全浸没加速腐蚀模拟区
如图2及图3所示，所述全浸没加速腐蚀模拟区100包括电化学工作站101、电解试验池102、溶液浓度控制机构、管道试件放置机构及电极组。具体地：
所述电解试验池102用于放置腐蚀介质。所述电解试验池102优选为混凝土电解试验池102。
所述溶液浓度控制机构与所述电解试验池102连接，用于调节所述电解试验池102内腐蚀介质的浓度。
所述管道试件放置机构设于所述电解试验池102内，用于放置管道试件。
所述电极组设于所述电解试验池102内，所述电极组包括辅助电极103、参比电极106、特制电极104A及工作电极104，所述特制电极104A与所述工作电极104及管道试件连接，所述辅助电极103与管道试件之间设有间距。优选地，所述参比电极106采用锌电极。
所述电化学工作站101与所述辅助电极103、参比电极106及特制电极104A连接，用于向所述电解试验池102提供腐蚀电流。
试验前，先将管道试件固定于管道试件放置机构上并将特制电极104A与管道试件的一端连接，同时保证管道试件与辅助电极103分离；然后，通过导线将电化学工作站101与所述辅助电极103、参比电极106及特制电极104A连接，并通过导线将特制电极104A与所述工作电极104连接；接着，向电解试验池102内放入腐蚀介质；最后，启动电化学工作站101对管道试件进行腐蚀处理，腐蚀过程中通过溶液浓度控制机构实时调节所述电解试验池102内腐蚀介质的浓度。
现有技术中，试验人员采用金属试样的电解加速腐蚀代替整体管道腐蚀，而金属试样的试验结果往往会与整体管道的试验结果有较大偏差，同时试验人员还采用刀刮、锤砸等物理方法来模拟实际海洋腐蚀，而这种物理方法也与实际情况偏差较大。与现有技术不同的是，本发明通过特定的装置及模拟加速腐蚀的实验方法，可方便快捷的获取最大程度模拟海洋全浸没区的管道实时腐蚀情况，了解实海对海底油气管道腐蚀的影响。
因此，本发明通过电化学工作站101向腐蚀介质通入均匀稳定的恒流稳定电源方式，对始终位于一定浓度及一定深度腐蚀介质中的整体管道试件进行加速腐蚀，可有效模拟在实海条件下海洋全浸没区的自然腐蚀，并用较短的时间模拟出实海腐蚀几十年的结果，且结果精度高、误差小，方便快捷的了解海洋全浸没区对海底管道的腐蚀影响。
进一步，所述溶液浓度控制机构包括PH温度传感器109、第一蓄水池107B、第二蓄水池107A、第一水泵108B及第二水泵108A。具体地，所述PH温度传感器109设于所述电解试验池102内，用于实时采集所述电解试验池102内腐蚀介质的PH信息及温度信息；所述第一蓄水池107B及第二蓄水池107A分别设于所述电解试验池102的两侧；所述第一蓄水池107B通过所述第一水泵108B与电解试验池102连通，所述第一水泵108B用于将所述第一蓄水池107B内的腐蚀介质排入所述电解试验池102内或将所述电解试验池102内的腐蚀介质排入所述第一蓄水池107B内；所述第二蓄水池107A通过所述第二水泵108A与电解试验池102连通，所述第二水泵108A用于将所述第二蓄水池107A内的腐蚀介质排入所述电解试验池102内或将所述电解试验池102内的腐蚀介质排入所述第二蓄水池107A内。
工作时，可通过PH温度传感器109实时监测所述电解试验池102内腐蚀介质的PH信息及温度信息。第一水泵108B的一头位于第一蓄水池107B中，一头位于电解试验池102中，第二水泵108A的一头位于第二蓄水池107A中，一头位于电解试验池102中；当PH温度传感器109监测到需要补充\排出腐蚀介质时可通过第一水泵108B和/或第二水泵108A用以输送两边的腐蚀介质，并调节腐蚀介质的流动速度。
因此，通过溶液浓度控制机构可有效地模拟在实海条件下海洋全浸没区的自然腐蚀，进一步提升实验的精确度，减少误差。
如图3所示，所述辅助电极103为贴附于所述电解试验池102内壁的辅助板，所述辅助电极103与贴附的电解试验池102内壁之间设有电极接头103A，所述辅助电极103通过所述电极接头103A与所述电化学工作站101连接。
具体地，所述辅助电极103由10mm厚的316不锈钢钢板焊接而成，所述辅助电极103贴附与电解试验池102内部，一侧与所述辅助电极103的边界留有100mm的空隙，并焊接相同材质的电极接头103A，所述电极接头103A通过导线连接电化学工作站101。
另外，所述管道试件放置机构包括用于放置管道试件的不导电托带105，所述工作电极104设于所述不导电托带105上并与所述特制电极104A连接。
需要说明的是，所述不导电托带105位于电解试验池102内，且所述不导电托带105由不导电的高强度编织绳件和卡扣构成。使用时，可依据实验所需的管道试件的直径大小调整绳件的长度，并将管道试件放置于绳带上进行固定，以使管道试件不与辅助电极103直接接触。同时，所述特制电极104A通过导线与管道试件的一端连接。
因此，本发明提供了一种电化学实验设计的新思路，将辅助电极103制成容器状，其中放置腐蚀介质与工作电极104，并设计使用了不导电托带105将两个电极(辅助电极103、工作电极104)隔开，增大了辅助电极103与腐蚀介质的接触，使辅助电极103电极不容易发生极化现象，减小误差。进一步，还可以根据实际要求可以设计实现分仓试验，合理利用空间。
如图4及图5所示，所述特制电极104A包括第一电极棒504、电极板502及第二电极棒组503，所述电极板502的一面与第一电极棒504连接，另一面与所述第二电极棒组503连接；所述第二电极棒组503包括呈圆环分布的多个第二电极棒，所述圆环的直径与所述管道试件的直径相匹配，以使所述管道试件的端部嵌于所述圆环内，所述管道试件的端部与所述电极板502之间设有间距。优选地，所述第一电极棒504、电极板502及第二电极棒组503均为钢结构。
具体地，可依据管道试件的直径选用合适大小大正方形钢板作为电极板502，电极板502的一面与第一电极棒504焊接，另一面与第二电极棒组503焊接；其中，所述第二电极棒组503优选由八根均匀分布的第二电极棒组成，且八根均匀分布的第二电极棒形成与管道试件直径相适应的圆环，用以固定管道试件，并使管道试件的外壁均匀受电。
相应地，所述第一电极棒504的一端与所述电化学工作站101连接并伸出所述电解试验池102的腐蚀介质外，另一端与电极板502连接并浸入所述电解试验池102的腐蚀介质内，所述第一电极棒504的外壁设有防腐蚀层。
优选地，所述第一电极棒504为“L”型结构，可根据电解试验池102内腐蚀介质的深度选取适当长度，一端焊接在电极板502上，另一端露出水面，用以连接电化学工作站101的导线。其中，在第一电极棒504浸入腐蚀介质中的部分外附树脂或聚氯乙烯，以防止第一电极棒504接触到腐蚀介质。
由上可知，本发明将电化学工作站101、电解试验池102、溶液浓度控制机构、管道试件放置机构及电极组相结合，形成了全新的海底管道全浸没加速腐蚀模拟实验设备，填补了对实际工程装备较难进行实验的空白，对于现实工程状况有更为真实的模拟，得到的数据为管道试件的整体实验数据而非某一部分(金属试样)的实验数据，对于现实工程有更为真实且重要的意义。
二、深海压力仓加压区200
如图1所示，所述深海压力仓加压区200包括压力舱、试件装填机构203、压力控制机构204及水下视频监控机构。具体地：
所述压力舱为所述深海压力仓加压区200的主体部分，用于放置所述管道试件；
所述试件装填机构203用于将所述管道试件移近或移出所述压力舱，还用于对正浮力试件进行固定。其中，所述试件装填机构203包括拖车和导向架组，所述拖车采用电机驱动，并由导向架组上的限位传感器进行定位，能够实现全自动操作。
所述压力控制机构204与所述压力舱连接并用于调节所述压力舱内的压力以为所述管道试件提供深海压力环境。其中，所述压力控制机构204包括上位机监控软件、监控计算机、PLC控制器、加卸载管路，所述加卸载管路包括加压泵、高压管路、气动加压阀、高压手动截止阀、安全阀、压力表、压力传感器以及相关附件。需要说明的是，所述压力控制机构204工作前，需确保所述压力舱内完成注水排气；压力控制机构204调节所述压力舱内压力的过程中，当压力舱内的压力不足试验设定压力时，PLC控制器自动打开气动加压阀，并启动加压泵，给压力舱加压；当压力舱内的压力增加到试验设定压力时，PLC控制器自动停止加压泵，并关闭气动加压阀，使压力舱的压力在设定压力保持一定时间；按照试验设定的压力舱加载参数，对压力舱进行逐级加压并稳压，直至达到目标压力值。
所述水下视频监控机构与所述压力舱连接并用于实时监测所述压力舱内的管道试件的实时状况，能够耐50MPa水压力。
试验前，通过试件装填机构203将管道试件送入压力舱内，并闭合压力舱；然后，通过压力控制机构204在压力舱内搭建高压环境，以对管道试件进行水下加压试验，同时启动水下视频监控机构，实时监测压力舱内管道试件的状态；试验完成后，通过压力控制机构204进行舱体卸压，使压力舱内压力降至试验设定压力；接着，打开压力舱，取出管道试件。
因此，本发明采用先腐蚀再加压的方式，模拟管道在极端环境下腐蚀压溃的过程，既最大程度符合实海环境下的过程，又能够大大减少所用的时间，得到的结果精度高，误差小。
如图6所示，所述压力舱采用快开式锻钢设计方案，其包括舱体201A、舱盖201B、卡箍、卡箍启闭机构201C及底座201D。其中，所述舱体201A用于放置管道试件；所述卡箍可通过所述卡箍启闭机构201C与舱体201A连接或脱离；所述底座201D设于所述舱体201A底部，用于支撑所述舱体201A；所述舱盖201B可通过密封件密封所述舱体201A，进一步，所述舱盖201B上设有穿舱孔，介质及电缆可通过所述穿舱孔进入舱体201A。
工作状态下，所述舱体201A、舱盖201B、卡箍及卡箍启闭机构201C装配在一起，形成密闭空间，而压力控制机构204可通过舱盖201B上穿舱孔对舱体201A加压，以为管道试件提供深海压力环境。
如图7所示，所述舱盖201B上开设有多个穿舱孔，如，穿舱孔A1-A5，穿舱孔C1，穿舱孔C2，穿舱孔B1-B3；所述穿舱孔主要用于电缆穿舱和介质进出，能够满足多套摄像系统及多个测点通道应变测试要求。
如图8所示，所述水下视频监控机构包括一体化监控箱205A、水下电缆、水面电缆205B、水下摄像机205C及水下照明灯205D、205E。所述一体化监控箱设于舱体201A外部，所述水下摄像机205C及水下照明灯205D、205E设于舱体201A内部，而水下电缆或水面电缆205B的一端与水下摄像机205C及水下照明灯205D、205E连接，另一端穿过所述舱盖201B上的穿舱孔伸出舱体201A外部与一体化监控箱连接，从而实现了舱体201A内部设备与外部设备之间的交互，密封性强，可有效保证舱体201A内的气压稳定。
参见图9，图9显示了本发明海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置的第二实施例，与图1所示的第一实施例不同的是，本实施例中还包括用于吊装所述管道试件的吊装区400和试件存放区。需要说明的是，可根据实际情况单独设置吊装区或试件存放区。
所述吊装区400设于所述全浸没加速腐蚀模拟区100及深海压力仓加压区200上方，所述吊装区包括吊车梁402及吊车401，所述吊车设于所述吊车梁上并可沿所述吊车梁移动，以将所述管道试件吊入或吊出所述电解试验池102及试件装填机构203。
需要说明的是，吊车梁402的两头分别装有由电力驱动的可动轮，所述吊车401由可动轮驱动，并可在吊车梁402上移动。当管道试件较重时，可以使用吊车401将管道试件吊入或吊出电解试验池102。优选地，所述吊车401的吊装范围在1000kg以内。
另外，所述试件存放区包括待腐蚀存放区300A及待测量存放区300B，所述待腐蚀存放区300A及待测量存放区300B优选为矩形，方便吊装作业；其中，所述待腐蚀存放区300A设于所述全浸没加速腐蚀模拟区100的一侧，并用于放置待腐蚀的管道试件；所述待测量存放区300B设于所述全浸没加速腐蚀模拟区100与深海压力仓加压区200之间，底部设有软垫，并用于放置腐蚀后的管道试件。
参见图10，图10显示了本发明基于海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置的海底管道全浸没加速腐蚀压溃方法的实施例流程图，其包括：
S1，将管道试件放置于全浸没加速腐蚀模拟区内，进行海底管道全浸没加速腐蚀模拟测试。
S2，将经海底管道全浸没加速腐蚀模拟测试后的管道试件放置于深海压力仓加压区内，进行海底管道全浸没深海加压模拟测试。
由上可知，本发明可分为加速腐蚀及加压两部分。其中，加速腐蚀部分采用基于电化学方程的方式，模拟在实海条件下全浸没区的自然腐蚀；而加压部分则采用深海压力舱的方式，模拟在实海条件下全浸没深海区的加压；从而实现腐蚀及加压的精准控制，准确度高。
如图11所示，所述步骤S1包括：
S101，采集管道试件的初始重量、初始表面形状及初始厚度。
记录腐蚀实验前管道试件的初始数据，初始数据包括初始重量、初始表面形状及初始厚度等，并擦拭管道外壁使其不存在干扰实验结果的异物。
S102，将管道试件放置于管道试件放置机构上并使管道试件与辅助电极之间留有间距，密封管道试件的两端并将管道试件的一端与特制电极连接。
确认电化学工作站断电，根据管道试件的尺寸，调节管道试件放置机构中不导电托带的长度，将待腐蚀的管道试件放置于不导电托带上，确保管道试件不会与辅助电极接触且不会在实验过程中发生摇晃掉落。其中，针对重量较大的管道试件可通过吊车将管道试件放置于不导电托带上。
然后，将管道试件的两端用防水布和防水胶水封起，且将管道试件的一端接上特制电极。
S103，将电化学工作站与辅助电极、参比电极及特制电极连接，并将特制电极与工作电极连接。
将电化学工作站用导线连接至辅助电极、参比电极及特制电极上。
S104，向电解试验池内添加腐蚀介质，直至腐蚀介质完全浸没管道试件，并将参比电极放入腐蚀介质内。
向电解试验池内添加腐蚀介质至向电解试验池内完全浸没管道试件，并使管道试件至少离腐蚀介质的液面30mm；然后，将连接好的参比电极放入腐蚀介质内；再打开溶液浓度控制机构中的PH温度传感器，测试并校准腐蚀介质中的Fe2+、Fe3+初始浓度。其中，所述参比电极为锌电极。
进一步，腐蚀介质为发生电解腐蚀的海水或类海水溶液。具体是指PH值在7.8-7.5之间的实际中、深层海水溶液或PH值在7.8-7.5之间的相应NaCl人工类海水溶液。
通过溶液浓度控制机构可实时监测腐蚀介质的PH信息及温度信息，并采用腐蚀介质排进、排出的循环方式，动态的保持腐蚀介质的浓度与体积。
S105，接通电化学工作站电源，通过溶液浓度控制机构实时调节电解试验池内腐蚀介质的浓度。
接通电化学工作站电源，并依据PH信息及温度信息，打开水泵，通过规律的进水与排水使腐蚀介质的浓度数值保持固定。
S106，根据预设时间及预设电流对管道试件进行腐蚀，并实时采集电化学工作站的时间信息及电流信息。
根据之前计算的预设时间通入相应的预设电流，同时观察管道试件的变化，并记录电化学工作站实时得出的数据(时间-电流曲线)，确保实验过程顺利直至腐蚀完成。
因此，通过电化学工作站外加均匀稳定的恒流稳定电源，将始终位于一定浓度及一定深度腐蚀介质中的管道试件加速腐蚀，模拟在实海条件下海洋全浸没区的自然腐蚀。
S107，腐蚀完成后，切断电化学工作站电源，并断开电化学工作站与辅助电极、参比电极及特制电极的连接，利用溶液浓度控制机构将电解试验池中的腐蚀介质全部排出，擦干并密封保存管道试件。
腐蚀完成后，立刻切断电化学工作站电源，将导线以及特制电极撤下，利用水泵将腐蚀介质全部排出，并立刻使用干净抹布将管道试件表面液体擦干，随即使用保鲜膜将管道试件包装好以防止管道被空气腐蚀影响准确性。完成包装后，将管道试件放置至电解试验池外，并放置于阴凉的地方保存好。
其中，针对重量较大的管道试件可通过吊车将管道试件吊至电解试验池外。
S108，测量时，拆除管道试件的密封并去除管道试件表面的附着物。
测量时，将管道试件从保鲜膜内取出，用抹布清理表面，将表面的附着物除去，并用小锤子轻敲管道试件，将深层附着物震落，待管道试件表面彻底没有红褐色的铁锈时，方可开始测量。
S109，采集管道试件的最终壁厚、最终表面形状及最终重量。
观察并测量管道试件表面，记录最终壁厚、最终表面形状(管道试件表面坑洼的大致情况)及最终重量。具体地，可通过拍摄管道试件照片的方式记录最终表面形状。
S110，根据初始表面形状及最终表面形状，构建腐蚀管道试件的3D模型图，根据初始重量及最终重量计算管道试件的损失质量，根据初始壁厚及最终壁厚计算管道试件的损失壁厚，根据时间信息及电流信息计算管道试件的理论损失质量。
具体地，可采用以下方式实现对3D模型图、损失质量、损失壁厚及理论损失质量的构建或计算。
根据初始表面形状及最终表面形状，利用扫描仪建立腐蚀管道试件的3D模型图，直观反映管道的腐蚀情况。
根据初始重量m1及最终重量m2计算管道试件的损失质量△m，其中：
△m＝m1-m2
根据初始壁厚d1及最终壁厚d2计算管道试件的损失壁厚△d，其中：
△d＝d1-d2
根据时间信息及电流信息(时间-电流曲线)计算管道试件的理论损失质量△m’，其中：
A为金属原子量；
n为金属失电子数；
S为管道试件外表面积；
icor为金属腐蚀电流密度(A/m2)，icor＝I/S，I为电流信息；
ρ为金属密度(g/cm3)；
v为腐蚀速率(mm/h)；
t为时间信息(h)。
需要说明的是，本发明在室温下进行，以理论计算的相应时间信息及电流信息作用于电解试验池中，最终得到相应结果(3D模型图、损失质量、损失壁厚及理论损失质量)，完成实验。
因此，本发明通过采用特定的装置及模拟加速腐蚀的实验方法，可方便快捷的获取最大程度模拟海洋全浸没区的管道实时腐蚀情况，了解实海对海底油气管道腐蚀的影响；同时，本发明可对大型管道试件进行电解加速腐蚀，通过实验与实际数据的对比，极大的减小了腐蚀的时间，能够用若干小时、若干天的时间模拟出实海腐蚀几十年的结果，且结果精度高、误差小，缓解了实验人员没有真实实验对象的尴尬现状。
如图12所示，所述步骤S2包括：
S201，将管道试件置于试件装填机构上，并闭合舱盖。
测试前，先安装并调整好压力舱、试件装填机构、压力控制机构及水下视频监控机构等设备。然后，使用吊车将待加压的管道试件置于试件装填机构上，确认好管道试件的位置后，启动拖车将舱盖闭合。
S202，通过压力控制机构对舱体进行逐级加压并稳压，使压力舱内形成高压环境以对压力舱内的管道试件进行深海加压模拟测试。
在压力控制机构上根据试验要求预先设置试验压力，加压时间、保压时间、卸压时间等参数；然后启动压力控制机构中的加压系统，加压系统在进行自检后，根据设定的参数在压力舱中建立一个高压环境，进行水下试件测试，并对压力进行记录和调控；当舱体中的压力不足试验设定压力时，PLC控制器自动打开气动加压阀，并启动加压泵，给舱体加压；当舱体内压力增加到试验设定压力时，PLC控制器自动停止加压泵，并关闭气动加压阀，使舱体内的压力在设定压力保持一定时间；按照试验设定的舱体加载参数，对舱体进行逐级加压并稳压，直至达到目标压力值。
S203，测试过程中，通过水下视频监控机构实时监测压力舱内的管道试件的实时状况。
在有必要的条件下，启动水下视频监控机构，实时监测压力舱内管道试件的状态。
S204，测试完成后，通过压力控制机构对舱体进行卸压。
卸压时，PLC控制器自动打开气动卸压阀，使舱体内压力降至试验设定压力时，自动关闭气动卸压阀。
S205，打开舱盖，取出压力舱内的管道试件。
启动拖车将舱盖打开，用吊车将管道试件吊至试件存放区；
S206，采集管道试件的压溃表面形状，并根据构压溃表面形状建管道试件的压溃3D模型图。
观察管道试件表面，拍摄管道试件照片，利用扫描仪建立管道试件的3d模型图，直观反映管道的受压情况。
因此，本发明填补了对实际工程装备较难进行试验的空白，对于现实工程状况有更为真实的模拟，得到的数据为构件整体而非某一部分，对于现实工程有更为真实且重要的意义。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置，其特征在于，包括全浸没加速腐蚀模拟区及深海压力仓加压区，所述全浸没加速腐蚀模拟区用于将管道试件置于海水全浸没条件下进行加速腐蚀，所述深海压力仓加压区用于将加速腐蚀后的管道试件置于高压中进行加压；
所述全浸没加速腐蚀模拟区包括电化学工作站、电解试验池、溶液浓度控制机构、管道试件放置机构及电极组，所述电解试验池用于放置腐蚀介质，所述溶液浓度控制机构与所述电解试验池连接并用于调节所述电解试验池内腐蚀介质的浓度，所述管道试件放置机构设于所述电解试验池内并用于放置管道试件，所述电极组设于所述电解试验池内，所述电极组包括辅助电极、参比电极、特制电极及工作电极，所述特制电极与所述工作电极及管道试件连接，所述辅助电极与管道试件之间设有间距，所述电化学工作站与所述辅助电极、参比电极及特制电极连接并用于向所述电解试验池提供腐蚀电流；
所述深海压力仓加压区包括压力舱、试件装填机构、压力控制机构及水下视频监控机构，所述压力舱用于放置所述管道试件，所述试件装填机构用于将所述管道试件移近或移出所述压力舱，所述压力控制机构与所述压力舱连接并用于调节所述压力舱内的压力以为所述管道试件提供深海压力环境，所述水下视频监控机构与所述压力舱连接并用于实时监测所述压力舱内的管道试件的实时状况。
2.如权利要求1所述的海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置，其特征在于，所述辅助电极为贴附于所述电解试验池内壁的辅助板，所述辅助电极与贴附的电解试验池内壁之间设有电极接头，所述辅助电极通过所述电极接头与所述电化学工作站连接。
3.如权利要求1所述的海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置，其特征在于，所述特制电极包括第一电极棒、电极板及第二电极棒组，所述电极板的一面与第一电极棒连接，另一面与所述第二电极棒组连接；
所述第二电极棒组包括呈圆环分布的多个第二电极棒，所述圆环的直径与所述管道试件的直径相匹配，以使所述管道试件的端部嵌于所述圆环内，所述管道试件的端部与所述电极板之间设有间距。
4.如权利要求3所述的海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置，其特征在于，所述第一电极棒的一端与所述电化学工作站连接并伸出所述电解试验池的腐蚀介质外，另一端与电极板连接并浸入所述电解试验池的腐蚀介质内，所述第一电极棒的外壁设有防腐蚀层。
5.如权利要求1所述的海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置，其特征在于，所述管道试件放置机构包括用于放置管道试件的不导电托带，所述工作电极设于所述不导电托带上并与所述特制电极连接。
6.如权利要求1所述的海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置，其特征在于，所述压力舱包括舱体、舱盖、卡箍、卡箍启闭机构及底座；
所述舱盖用于密封所述舱体，所述舱盖上设有穿舱孔，介质及电缆通过所述穿舱孔进入舱体；
所述卡箍通过所述卡箍启闭机构与舱体连接或脱离；
所述底座设于所述舱体底部，用于支撑所述舱体。
7.如权利要求1所述的海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置，其特征在于，还包括用于吊装所述管道试件的吊装区和/或试件存放区；
所述吊装区设于所述全浸没加速腐蚀模拟区及深海压力仓加压区上方，所述吊装区包括吊车梁及吊车，所述吊车设于所述吊车梁上并可沿所述吊车梁移动，以将所述管道试件吊入或吊出所述电解试验池及试件装填机构；
所述试件存放区包括待腐蚀存放区及待测量存放区，所述待腐蚀存放区设于所述全浸没加速腐蚀模拟区的一侧并用于放置待腐蚀的管道试件，所述待测量存放区设于所述全浸没加速腐蚀模拟区与深海压力仓加压区之间并用于放置腐蚀后的管道试件。
8.一种基于权利要求1-7任一项所述的海底管道全浸没加速腐蚀压溃装置的海底管道全浸没加速腐蚀压溃方法，包括：
将所述管道试件放置于全浸没加速腐蚀模拟区内，进行海底管道全浸没加速腐蚀模拟测试；
将经海底管道全浸没加速腐蚀模拟测试后的管道试件放置于深海压力仓加压区内，进行海底管道全浸没深海加压模拟测试。
9.如权利要求8所述的海底管道全浸没加速腐蚀压溃方法，其特征在于，所述将管道试件放置于全浸没加速腐蚀模拟区内，进行海底管道全浸没加速腐蚀模拟测试的步骤包括：
采集管道试件的初始重量、初始表面形状及初始厚度；
将所述管道试件放置于管道试件放置机构上并使所述管道试件与辅助电极之间留有间距，密封所述管道试件的两端并将所述管道试件的一端与特制电极连接；
将电化学工作站与所述辅助电极、参比电极及特制电极连接，并将所述特制电极与工作电极连接；
向电解试验池内添加腐蚀介质，直至所述腐蚀介质完全浸没所述管道试件，并将所述参比电极放入腐蚀介质内；
接通所述电化学工作站电源，通过溶液浓度控制机构实时调节所述电解试验池内腐蚀介质的浓度；
根据预设时间及预设电流对管道试件进行腐蚀，并实时采集电化学工作站的时间信息及电流信息；
腐蚀完成后，切断所述电化学工作站电源，并断开所述电化学工作站与所述辅助电极、参比电极及特制电极的连接，利用所述溶液浓度控制机构将所述电解试验池中的腐蚀介质全部排出，擦干并密封保存所述管道试件；
测量时，拆除所述管道试件的密封并去除所述管道试件表面的附着物；
采集所述管道试件的最终壁厚、最终表面形状及最终重量；
根据所述初始表面形状及最终表面形状，构建所述管道试件的腐蚀3D模型图，
根据所述初始重量及最终重量计算管道试件的损失质量，
根据所述初始壁厚及最终壁厚计算管道试件的损失壁厚，
根据所述时间信息及电流信息计算管道试件的理论损失质量△m’，其中，
A为金属原子量，I为电流信息，S为管道试件外表面积，n为金属失电子数，ρ为金属密度，t为时间信息。
10.如权利要求8所述的海底管道全浸没加速腐蚀压溃方法，其特征在于，所述将经海底管道全浸没加速腐蚀模拟测试后的管道试件放置于深海压力仓加压区内，进行海底管道全浸没深海加压模拟测试的步骤包括：
将所述管道试件置于试件装填机构上，并闭合舱盖；
通过压力控制机构对舱体进行逐级加压并稳压，使压力舱内形成高压环境以对压力舱内的管道试件进行深海加压模拟测试；
测试过程中，通过水下视频监控机构实时监测所述压力舱内的管道试件的实时状况；
测试完成后，通过压力控制机构对舱体进行卸压；
打开舱盖，取出所述压力舱内的管道试件；
采集所述管道试件的压溃表面形状，并根据所述构压溃表面形状建所述管道试件的压溃3D模型图。
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