CN113848137B - 一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验装置，包括：试验箱；力学加载结构；实验液调节结构；pH值控制结构；温度调节结构；压力调节结构。本发明基于力学加载结构模拟待测海底管道在实际使用状态下的持续受力情况的前提下，通过对试验箱中的环境参数的动态调节，模拟海底环境的实时变化情况，提高了结果的可参考性，克服了现有技术中无法同步动态调节而造成腐蚀疲劳模拟试验与实际腐蚀疲劳状态的较大误差。
Description
技术领域
本发明实施例涉及海洋领域和海底石油开采领域中的管道的检测技术领域，具体涉及一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验装置。
背景技术
现有的腐蚀疲劳试验通常有以下两种：1.先对试件预腐蚀，然后再对预腐蚀后的试件开展疲劳试验，以考察材料或构件的腐蚀疲劳性能；2.在固定环境下(压力，溶液浓度，PH)对试件开展疲劳试验。
然而，在土木工程、海洋工程、机械工程领域，结构、构件和材料往往同时承受腐蚀和疲劳作用，并且环境因素有随着时间的推移会有较大的变化。若仍采用以上两种方法，会存在以下问题：
1.缺乏对腐蚀疲劳耦合作用效果的研究。实际上，疲劳与腐蚀是一个相互作用，互相促进的过程，材料在溶液中发生电化学反应生成锈层，会加速侵蚀向材料纵深发展，锈层的脱落和蚀坑的形成会增大局部应力，继而对疲劳裂纹的产生起到促进作用，而裂纹的产生会加速腐蚀效应。
2.缺乏对实际环境的模拟。比起陆地，海洋中的温度和压力在一天的范围内都是有着很大的变化，而工程结构所经历的环境因素也是一个动态的，传统的腐蚀疲劳机只能在固定环境下进行试验，无法模拟环境参数动态调整的环境，若将以此得到的实验结果用于生产实际，将会给行业应用带来很大的误差和无法预料的安全隐患。
3.缺乏稳定的pH控制系统。海洋内的pH在相当长的一段时间内保持稳定，但是一般的腐蚀疲劳机因为容积有限，溶液含量有限，随着腐蚀的进行，溶液内的pH会有相当程度的变化，若是进行长期的腐蚀疲劳模拟，更会对溶液pH产生较大影响，因此会对试验结果产生较大的误差。
发明内容
为此，本发明实施例提供一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验装置，基于力学加载结构模拟待测海底管道在实际使用状态下的持续受力情况的前提下，通过对试验箱中的环境参数的动态调节，模拟海底环境的实时变化情况，提高了结果的可参考性，克服了现有技术中无法同步动态调节而造成腐蚀疲劳模拟试验与实际腐蚀疲劳状态的较大误差。
为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：
在本发明实施例的一个方面，提供了一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验装置，包括：
试验箱，形成有试验腔，以及固体和/或液体排出通道；
力学加载结构，包括位于所述试验腔其中一端的固定部，以及位于所述试验腔另一端且朝向所述固定部可移动地设置的加载部，所述固定部与所述加载部之间形成有用于放置待测海底管道的放置间隙；
实验液调节结构，包括分别与所述试验腔连通的浓溶液提供组件和稀释液提供组件；
pH值控制结构，包括设置于所述试验腔中的pH监测仪，与所述试验腔连通设置的pH缓冲液提供组件，以及电连于所述pH监测仪和所述pH缓冲液提供组件之间的调控单元，且当pH监测仪监测到的pH值超过预设范围时，所述调控单元控制所述pH缓冲液提供组件向所述试验腔中提供pH缓冲液；
温度调节结构，包括设置于所述试验腔中的温度传感器和至少一个加热器；
压力调节结构，包括设置于所述试验腔中的压力传感器，以及分别与所述试验腔连通的气体提供组件与气体释放组件。
作为本发明的一种优选方案，还包括控制系统，且所述控制系统与所述力学加载结构、所述实验液调节结构、所述pH值控制结构、所述温度调节结构和所述压力调节结构中的至少一个相电连。
作为本发明的一种优选方案，所述试验箱包括表面形成有开口的箱体，以及盖合所述开口的端盖；且，
所述箱体为耐腐蚀合金材料，所述端盖至少部分为透明材料。
作为本发明的一种优选方案，所述浓溶液提供组件包括浓溶液存储箱，顺次连通设置于所述浓溶液存储箱与所述试验箱之间的第一稳流阀和第一自动控制阀门；
所述稀释液提供组件稀释液存储箱，顺次连通设置于所述稀释液存储箱与所述试验箱之间的第二稳流阀和第二自动控制阀门。
作为本发明的一种优选方案，所述pH缓冲液提供组件包括pH缓冲液存储杯，以及连通所述pH缓冲液存储杯与所述试验腔的进液管，且所述进液管上顺次连通设置有压力泵和第三稳流阀；其中，
所述调控单元至少包括与所述压力泵和所述pH监测仪电连的pH自动稳定器，且所述pH自动稳定器与所述控制系统电连。
作为本发明的一种优选方案，所述温度传感器位于所述试验箱的内壁上，所述加热器为两个，且分设于所述温度传感器的两侧；且，
所述温度传感器与所述加热器各自与所述控制系统电连。
作为本发明的一种优选方案，所述气体提供组件包括增压泵，连通所述增压泵与所述试验腔的进气管，且所述进气管上连通设置有增压阀；
所述气体释放组件包括连通于所述试验腔上的出气管，且所述出气管中位于所述试验腔外侧的部分上还设置有泄压阀；且，
所述压力传感器、所述增压阀和所述泄压阀各自与所述控制系统电连。
作为本发明的一种优选方案，所述试验箱中设置有所述加载部的一端形成有开口，所述加载部部分贯穿所述开口并延伸至所述试验腔中；
所述加载部至少部分沿轴线方向顺次形成有至少一组间隔设置的突出段和凹陷段，且所述突出段的直径大于所述凹陷段的直径，所述突出段与所述凹陷段的外表面形成为环面；
所述开口的内壁上沿轴线方向顺次形成有用于密闭所述突出段的密闭环，以及用于密闭所述凹陷段的弹性密闭组件。
作为本发明的一种优选方案，所述密闭环与所述突出段的外侧面沿周向方向贴合设置；
所述弹性密闭组件包括相对设置的一组密闭片，且两个所述密闭片分别与所述凹陷段的两个内端面相对可贴合地设置，两个所述密闭片之间通过弹簧连接。
作为本发明的一种优选方案，所述密闭片包括连接于所述开口内壁上的硬质挡板，以及套接于所述硬质挡板上的弹性贴片；
两个所述弹性贴片之间连接有波纹管，所述弹簧设置于所述波纹管中。
本发明的实施方式具有如下优点：
本发明实施例在有效保证试验环境中pH稳定的条件下，将真实海况中采集到的温度压力随时间变化的真实历程动态作用于待测海底管道，实现待测海底管道的腐蚀与疲劳的同步作用，避免常规在预腐蚀试验后再进行疲劳试验而对试验结果造成的误差，同时避免了动态环境参数的变化以及带来的误差，避免了腐蚀产物对pH变化带来的误差，增加了结果的可靠性，大大提高了腐蚀试验相较于实际腐蚀的相关度，同时缩短了试验周期。并且，基于本发明的腐蚀疲劳试验装置进行的腐蚀疲劳试验能够更加真实地反映待测海底管道在腐蚀环境下的疲劳行为，解决了腐蚀与疲劳独立试验引起的安全问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
图1为本发明实施例提供的腐蚀疲劳试验装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的试验箱的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的加载部和试验箱的局部结构示意图。
图中：
1-试验箱；3-待测海底管道；8-控制系统；
11-试验腔；12-排出通道；13-箱体；14-端盖；15-进出气液集成箱；16-浓溶液入口；17-稀释液入口；18-进气口；19-出气口；20-pH缓冲液入口；
21-固定部；22-加载部；
221-突出段；222-凹陷段；223-密闭环；224-弹簧；225-硬质挡板；226-弹性贴片；227-波纹管；
41-浓溶液存储箱；42-第一稳流阀；43-第一自动控制阀门；44-稀释液存储箱；45-第二稳流阀；46-第二自动控制阀门；
51-pH监测仪；52-pH缓冲液存储杯；53-进液管；54-压力泵；55-第三稳流阀；56-pH自动稳定器；
61-温度传感器；62-第一加热器；63-第二加热器；
71-压力传感器；72-增压泵；73-进气管；74-增压阀；75-出气管；76-泄压阀。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，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。
以下通过一种具体的实施例进行进一步的阐述。
如图1-图3所示，本发明提供了一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验装置，具体地，包括用于进行电化学反应的试验箱1、力学加载结构、实验液调节结构、pH值控制结构、电化学反应模块、温度调节结构、压力调节结构和控制系统8，其中：
力学加载结构包括位于试验箱1左侧(这里的左和右的方位限定是按照图1的摆放状态下的一种具体的位置限定，本发明在实际操作过程中并不局限上述摆放位置)的固定部21，位于试验箱1右侧的加载部22，待测海底管道3位于固定部21和加载部22之间形成的放置间隙中，且在实验过程中通过固定部21和加载部22配合夹持，其中，固定部21和加载部22中朝向待测海底管道3的一端形成有用于夹持待测海底管道3的夹持端。在试验过程中，左侧的固定部21保持固定不动，右侧的加载部22通过沿左右方向上的移动实现对待测海底管道3提供给定频率的疲劳载荷。
实验液调节结构包括用于存储浓溶液的浓溶液存储箱41和用于存储稀释液(例如，一般可以选择为纯水)的稀释液存储箱44，且浓溶液通过顺次连通的第一稳流阀42和第一自动控制阀门43连通试验箱1，稀释液存储箱44通过顺次连通的第二稳流阀45和第二自动控制阀门46连通试验箱1。具体的连接方式中，浓溶液存储箱41中装有足量的实验用浓溶液，出口与第一稳流阀42连接(其中，选择稳流阀的作用在于稳定流速，避免流速过快造成试验压力过大，下述选择稳流阀的作用与前述一致)，第一稳流阀42的另一端与第一自动控制阀门43连接，第一自动控制阀门43与控制系统8电连，并通过控制系统8控制第一自动控制阀门43和开合和通入的浓溶液的流量大小；同样地，稀释液存储箱44、第二稳流阀45和第二自动控制阀门46顺次连通，第二控制阀门电连控制系统8，并通过控制系统8控制其开合和通入的稀释液的流量大小。
pH值控制结构包括设置于试验腔11中的用于测量试验箱1中溶液的实时pH值的pH监测仪51，位于试验箱1外部的pH缓冲液存储杯52，以及连通pH缓冲液存储杯52与试验腔11的进液管53，且进液管53上顺次连通设置有压力泵54和第三稳流阀55，pH监测仪51与压力泵54之间还电连有pH自动稳定器56。其中，pH自动稳定器56与控制系统8电连，并用于控制压力泵54的开合和向试验箱1中输入的pH缓冲液的流量，以调节试验箱1中液体的pH值在设定的范围内。
温度调节结构包括各自设置于试验箱1中且分别与控制系统8电连的温度传感器61、第一加热器62和第二加热器63，其中，温度传感器61将采集到的温度值传输至控制系统8，控制系统8根据预设的限值调控第一加热器62和第二加热器63进行加热，以实现对试验箱1中的温度的维持和控制。
压力调节结构包括设置于试验箱1中的压力传感器71，以及分别与试验腔11连通的气体提供组件与气体释放组件。具体地，气体提供组件包括增压泵72，连通增压泵72与试验箱1的进气管73，且进气管73上连通设置有增压阀74；气体释放组件包括连通于试验箱1上的出气管75，且出气管75中位于试验腔11外侧的部分上还设置有泄压阀76。压力传感器71与控制系统8电连，并将采集到的实时压力值传输至控制系统8中，控制系统8根据预设范围反馈调控增压阀74和泄压阀76，实现试验箱1中压力值的实时调控。
试验箱1包括表面形成有开口的箱体13，以及盖合所述开口的端盖14，具体地，可以将箱体13与端盖14之间通过螺纹连接，且箱体13和/或端盖14上贯通形成有浓溶液入口16(连通浓溶液提供组件)、稀释液入口17(连通稀释液提供组件)、进气口18(连接进气管73)、出气口19(连接出气管75)、pH缓冲液入口20(连通pH缓冲液提供组件)、排出通道12(可用于排出液体和/或固体)。具体地，箱体13可以采用镍基合金制成，能够较好地抵抗腐蚀溶液对结构的破坏，端盖14采用有机玻璃材料制成，这样能够清楚观察到实验过程中待测海底管道3的状态。箱体13和/或端盖14上的浓溶液入口16、稀释液入口17、进气口18、出气口19、pH缓冲液入口20和排出通道12均采用高分子黏胶与高弹性橡胶材料进行密封，保证试验箱1内的环境参数稳定可靠。进一步地，这里的试验箱1上还可以延伸贯通设置有进出气液集成箱15，用于固体和/或液体排出通道12以及进液管53在通入试验箱1中的一个转接部分，进一步提高整体的密闭性能，避免试验箱1与二者的连接处出现漏液或是漏气而出现的试验隐患问题。当然，这里的固体和/或液体排出通道12以及进液管53的入口还是位于试验箱1中，且部分管体位于进出气液集成箱15中。
进一步地，由于试验箱1中用于安装加载部22的一侧需要形成有开口，以实现加载部22的贯通设置，且在实际试验过程中，加载部22需要沿轴向方向往复运动，因此，为了更好地降低往复运动过程对密闭性的影响，试验箱1中设置有加载部22的一端形成有开口，加载部22部分贯穿开口并延伸至试验腔11中；加载部22至少部分沿轴线方向顺次形成有至少一组间隔设置的突出段221和凹陷段222，且突出段221的直径大于凹陷段222的直径，突出段221与凹陷段222的外表面形成为环面，开口的内壁上沿轴线方向顺次形成有用于密闭突出段221的密闭环223，以及用于密闭凹陷段222的弹性密闭组件。这里的弹性密闭组件在密闭凹陷段222的同时，能够随着加载部22的移动而抵触凹陷段222的至少一侧的内侧面，以进一步提高整体的密闭性能。
例如，一种具体的实施例中，密闭环223与突出段221的外侧面沿周向方向贴合设置；
弹性密闭组件包括相对设置的一组密闭片，且两个密闭片分别与凹陷段222的两个内端面相对可贴合地设置，两个密闭片之间通过弹簧224连接。在移动过程中，由于弹性密闭组件连接于开口的内壁上，因此，密闭片在凹陷段222上滑动密封，在此基础上，通过相对设置的密闭片与之间的弹簧224配合，从而使得至少一侧密闭片受到抵触力从而更好地贴合凹陷段222的内侧壁，进而更好地实现多方向上的密闭。进一步地，为了在保证密闭片稳定的前提下更好地实现密闭片整体与凹陷段222内表面上的紧密贴合，密闭片包括连接于开口内壁上的硬质挡板225，以及套接于硬质挡板225上的弹性贴片226；两个弹性贴片226之间连接有波纹管227，弹簧224设置于波纹管227中。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验装置，其特征在于，包括：
试验箱（1），形成有试验腔（11），以及固体和/或液体排出通道（12）；
力学加载结构，包括位于所述试验腔（11）其中一端的固定部（21），以及位于所述试验腔（11）另一端且朝向所述固定部（21）可移动地设置的加载部（22），所述固定部（21）与所述加载部（22）之间形成有用于放置待测海底管道（3）的放置间隙；
实验液调节结构，包括分别与所述试验腔（11）连通的浓溶液提供组件和稀释液提供组件；
pH值控制结构，包括设置于所述试验腔（11）中的pH监测仪（51），与所述试验腔（11）连通设置的pH缓冲液提供组件，以及电连于所述pH监测仪（51）和所述pH缓冲液提供组件之间的调控单元，且当pH监测仪（51）监测到的pH值超过预设范围时，所述调控单元控制所述pH缓冲液提供组件向所述试验腔（11）中提供pH缓冲液；
温度调节结构，包括设置于所述试验腔（11）中的温度传感器（61）和至少一个加热器；
压力调节结构，包括设置于所述试验腔（11）中的压力传感器（71），以及分别与所述试验腔（11）连通的气体提供组件与气体释放组件；
所述试验箱（1）中设置有所述加载部（22）的一端形成有开口，所述加载部（22）部分贯穿所述开口并延伸至所述试验腔（11）中；
所述加载部（22）至少部分沿轴线方向顺次形成有至少一组间隔设置的突出段（221）和凹陷段（222），且所述突出段（221）的直径大于所述凹陷段（222）的直径，所述突出段（221）与所述凹陷段（222）的外表面形成为环面；
所述开口的内壁上沿轴线方向顺次形成有用于密闭所述突出段（221）的密闭环（223），以及用于密闭所述凹陷段（222）的弹性密闭组件；
所述密闭环（223）与所述突出段（221）的外侧面沿周向方向贴合设置；
所述弹性密闭组件包括相对设置的一组密闭片，且两个所述密闭片分别与所述凹陷段（222）的两个内端面相对可贴合地设置，两个所述密闭片之间通过弹簧（224）连接。
2.根据权利要求1所述的一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验装置，其特征在于，还包括控制系统（8），且所述控制系统（8）与所述力学加载结构、所述实验液调节结构、所述pH值控制结构、所述温度调节结构和所述压力调节结构中的至少一个相电连。
3.根据权利要求1或2所述的一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验装置，其特征在于，所述试验箱（1）包括表面形成有开口的箱体（13），以及盖合所述开口的端盖（14）；且，
所述箱体（13）为耐腐蚀合金材料，所述端盖（14）至少部分为透明材料。
4.根据权利要求1或2所述的一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验装置，其特征在于，所述浓溶液提供组件包括浓溶液存储箱（41），顺次连通设置于所述浓溶液存储箱（41）与所述试验箱（1）之间的第一稳流阀（42）和第一自动控制阀门（43）；
所述稀释液提供组件包括稀释液存储箱（44），顺次连通设置于所述稀释液存储箱（44）与所述试验箱（1）之间的第二稳流阀（45）和第二自动控制阀门（46）。
5.根据权利要求2所述的一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验装置，其特征在于，所述pH缓冲液提供组件包括pH缓冲液存储杯（52），以及连通所述pH缓冲液存储杯（52）与所述试验腔（11）的进液管（53），且所述进液管（53）上顺次连通设置有压力泵（54）和第三稳流阀（55）；其中，
所述调控单元至少包括与所述压力泵（54）和所述pH监测仪（51）电连的pH自动稳定器（56），且所述pH自动稳定器（56）与所述控制系统（8）电连。
6.根据权利要求2所述的一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验装置，其特征在于，所述温度传感器（61）位于所述试验箱（1）的内壁上，所述加热器为两个，且分设于所述温度传感器（61）的两侧；且，
所述温度传感器（61）与所述加热器各自与所述控制系统（8）电连。
7.根据权利要求2所述的一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验装置，其特征在于，所述气体提供组件包括增压泵（72），连通所述增压泵（72）与所述试验腔（11）的进气管（73），且所述进气管（73）上连通设置有增压阀（74）；
所述气体释放组件包括连通于所述试验腔（11）上的出气管（75），且所述出气管（75）中位于所述试验腔（11）外侧的部分上还设置有泄压阀（76）；且，
所述压力传感器（71）、所述增压阀（74）和所述泄压阀（76）各自与所述控制系统（8）电连。
8.根据权利要求1或2所述的一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验装置，其特征在于，所述密闭片包括连接于所述开口内壁上的硬质挡板（225），以及套接于所述硬质挡板（225）上的弹性贴片（226）；
两个所述弹性贴片（226）之间连接有波纹管（227），所述弹簧（224）设置于所述波纹管（227）中。
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