CN113866083A - 一种模拟动态微生物和应力共同作用的腐蚀装置 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种模拟动态微生物和应力共同作用的腐蚀装置，包括微生物腐蚀池、拉伸机构、气液循环系统和电化学测量机构；微生物腐蚀池设置在拉伸机构内部，微生物腐蚀池用于装纳腐蚀介质，拉伸机构用于对金属试样施加拉应力，微生物腐蚀池的两侧壁上设有通孔，金属试样位于微生物腐蚀池中，金属试样的两端分别穿过微生物腐蚀池两侧壁的通孔与拉伸机构连接，气液循环系统与微生物腐蚀池连接，气液循环系统用于为微生物腐蚀池提供动态的环境条件，电化学测量机构与微生物腐蚀池和金属试样连接，电化学测量机构用于测量金属试样在腐蚀过程中的电化学参数。本发明能够研究金属材料在应力和微生物共同作用下的腐蚀行为及机理。
Description
技术领域
本发明涉及腐蚀装置技术领域，具体涉及一种模拟动态微生物和应力共同作用的腐蚀装置。
背景技术
金属材料受环境介质侵蚀会发生腐蚀，材料在服役过程中承受的应力会加速腐蚀和失效进程。应力腐蚀是材料在腐蚀环境和应力共同作用下发生的破坏，严重威胁材料的使用寿命。应力腐蚀开裂和微生物腐蚀是金属材料的两种主要的腐蚀方式，当它们共同作用于金属材料时，将会产生协同腐蚀作用，极大危害材料的寿命，可能会带来重大经济损失和安全隐患，研究金属材料在微生物和应力共同作用下的腐蚀行为及机理至关重要。
微生物腐蚀是指与腐蚀体系中存在的微生物作用有关的金属腐蚀。凡是同水、土壤和湿润空气接触的金属构件，如地下输油、水、气管道，电缆，采油系统的油井、注水井，电力等工业用冷却水系统、贮油罐、贮气罐、喷气飞机油箱等都发现有微生物腐蚀的危害。在潮湿环境中，金属材料的微生物腐蚀非常普遍。金属及合金表面为微生物提供生存所必须的金属元素，故而微生物可在金属表面大量繁殖，其代谢产物可加速金属的腐蚀。目前微生物腐蚀研究方法是在实验室环境中模拟微生物的生长环境，再将金属样品放入环境中进行腐蚀，通过形貌表征、成分分析和电化学测试等手段研究其腐蚀行为及机理。
应力腐蚀开裂是指在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的开裂，这是应力与腐蚀联合作用的结果。即使在低应力下，材料也会在腐蚀介质中发生应力腐蚀开裂，因此，应力腐蚀经常受到忽视，导致“意外”事故不断发生。目前研究应力腐蚀的方法包括恒应力腐蚀试验法、恒应变腐蚀试验法和预制裂纹式样腐蚀试验，通过这些方法可研究金属材料在不同的环境介质、应力、温度、pH和时间作用下的腐蚀行为和腐蚀机理。
在真实的腐蚀环境中，应力腐蚀开裂和微生物腐蚀通常不会单独存在，往往是两者共同作用加速腐蚀，因此研究金属在应力、微生物共存环境中的腐蚀行为及机理有重要意义。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种模拟动态微生物和应力共同作用的腐蚀装置，通过该装置可以研究金属材料在应力和微生物共同作用下的腐蚀行为及机理。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种模拟动态微生物和应力共同作用的腐蚀装置，包括微生物腐蚀池、拉伸机构、气液循环系统和电化学测量机构；微生物腐蚀池设置在拉伸机构内部，微生物腐蚀池用于装纳腐蚀介质，拉伸机构用于对金属试样施加拉应力，微生物腐蚀池的两侧壁上设有通孔，金属试样位于微生物腐蚀池中，金属试样的两端分别穿过微生物腐蚀池两侧壁的通孔与拉伸机构连接，气液循环系统与微生物腐蚀池连接，气液循环系统用于为微生物腐蚀池提供动态的环境条件，电化学测量机构与微生物腐蚀池和金属试样连接，电化学测量机构用于测量金属试样在腐蚀过程中的电化学参数。
进一步的，拉伸机构包括第一支撑板和第二支撑板，第一支撑板和第二支撑板分别设置在微生物腐蚀池的左右两侧，第一支撑板和第二支撑板之间连接有四根支撑杆，其中两根支撑杆位于微生物腐蚀池前方，另外两根支撑杆位于微生物腐蚀池后方，第一支撑板的中部连接有第一连接杆，第二支撑板的中部连接有第二连接杆，金属试样的一端与第一连接杆连接，金属试样的另一端与第二连接杆连接，第二连接杆上还设置有拉力传感器，第二连接杆上还套装有压力弹簧，压力弹簧位于第二连接杆的压紧螺母与第二支撑板之间。
进一步的，气液循环系统包括进气管、排气管、进液管和排液管，进气管穿过微生物腐蚀池顶部伸入到腐蚀介质中，排气管穿过微生物腐蚀池顶部并位于腐蚀介质上方，进液管穿过微生物腐蚀池顶部并位于微生物腐蚀池中，排液管穿过微生物腐蚀池顶部并伸入到腐蚀介质中，进液管和排液管上均安装有抽液泵。
进一步的，电化学测量机构包括电化学工作站、对电极和参比电极，对电极和参比电极均安装在微生物腐蚀池顶部，对电极和参比电极的底端均伸入到腐蚀介质中，对电极和参比电极的顶端分别通过电路与电化学工作站连接，电化学工作站还通过电路与伸出微生物腐蚀池的金属试样的一端连接。
进一步的，第一支撑板和第二支撑板的四个角上均设有通孔，支撑杆的两端设有阶梯式螺纹，支撑杆的两端分别穿过第一支撑板和第二支撑板上的通孔，并通过螺母固定在第一支撑板和第二支撑板上。
进一步的，第一连接杆和第二连接杆与金属试样连接的连接端上均设有凹槽，连接端上还设有通孔，金属试样上也设有对应的通孔，金属试样端部位于凹槽中并通过螺栓与连接端连接固定。
进一步的，进气管和排气管上均安装有过滤器，过滤器内含有微米级滤膜。
进一步的，微生物腐蚀池采用透明的亚克力制成，微生物腐蚀池侧壁上的通孔与金属试样之间的缝隙通过密封硅胶密封。
进一步的，对电极为铂片电极，参比电极为饱和甘汞电极或Ag/AgCl电极。
进一步的，拉力传感器为S型拉力传感器。
总的说来，本发明具有如下优点：
1、本发明的金属试样位于微生物腐蚀池中，金属试样的两端分别穿过微生物腐蚀池两侧壁与拉伸机构连接，拉伸机构对金属试样施加拉应力，拉伸机构上的拉力传感器实时精确测试金属试样承受的应力大小，同时拉应力和微生物腐蚀池中的微生物持续侵蚀金属试样，气液循环系统为微生物腐蚀池提供动态的环境条件，电化学工作站实时监测金属试样在微生物和应力共同腐蚀下的电化学参数。本发明能够同时满足微生物腐蚀和应力腐蚀的所需条件，并能模拟出动态环境，更加贴近实际环境，便于研究金属材料在应力和微生物共同作用下的腐蚀行为及机理。
2、本发明结构简单、成本低、操作方便，拉力传感器能够实时显示拉力大小，电化学工作站能够实时监测金属试样的电化学参数，便于快速准确地知道测试结果。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明拉伸装置的俯视图。
图3是本发明支撑杆的结构示意图。
图4是本发明第一连接杆的结构示意图。
图5是本发明金属试样的结构示意图。
其中：1为微生物腐蚀池，2为拉伸机构，2-1为第一支撑板，2-2为第二支撑板，2-3为支撑杆，2-4为第一连接杆，2-5为第二连接杆，2-6为拉力传感器，2-7为压力弹簧，2-8为压紧螺母，3为气液循环系统，3-1为进气管，3-2为排气管，3-3为排液管，3-4为进液管，3-5为抽液泵，3-6为过滤器，4为电化学测量机构，4-1为电化学工作站，4-2为对电极，4-3为参比电极，5为金属试样。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式来对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，一种模拟动态微生物和应力共同作用的腐蚀装置，包括微生物腐蚀池、拉伸机构、气液循环系统和电化学测量机构；微生物腐蚀池设置在拉伸机构内部，微生物腐蚀池用于装纳腐蚀介质，拉伸机构用于对金属试样施加拉应力，微生物腐蚀池的两侧壁上设有通孔，金属试样位于微生物腐蚀池中，金属试样的两端分别穿过微生物腐蚀池两侧壁的通孔与拉伸机构连接，气液循环系统与微生物腐蚀池连接，气液循环系统用于为微生物腐蚀池提供动态的环境条件，电化学测量机构与微生物腐蚀池和金属试样连接，电化学测量机构用于测量金属试样在腐蚀过程中的电化学参数。
在本实施方式中，微生物腐蚀池采用透明的亚克力制成，便于观察微生物腐蚀池内的情况。微生物腐蚀池侧壁上的通孔与金属试样之间的缝隙通过密封硅胶密封，防止微生物腐蚀池漏液。
如图1至图5所示，拉伸机构包括第一支撑板和第二支撑板，第一支撑板和第二支撑板分别设置在微生物腐蚀池1的左右两侧，第一支撑板和第二支撑板之间连接有四根支撑杆，其中两根支撑杆位于微生物腐蚀池前方，另外两根支撑杆位于微生物腐蚀池后方，具体的，第一支撑板和第二支撑板的四个角上均设有通孔，支撑杆的两端设有阶梯式螺纹，支撑杆的两端分别穿过第一支撑板和第二支撑板上的通孔，并通过螺母固定在第一支撑板和第二支撑板上；第一支撑板的中部连接有第一连接杆，第二支撑板的中部连接有第二连接杆，第一连接杆和二连接杆位于同一水平面上，金属试样的一端与第一连接杆连接，金属试样的另一端与第二连接杆连接，即金属试样的一端穿过微生物腐蚀池左侧壁的通孔与第一连接杆连接，金属试样的另一端穿过微生物腐蚀池右侧壁的通孔与第二连接杆连接，具体的，第一连接杆和第二连接杆与金属试样连接的连接端上均设有凹槽，连接端上还设有通孔，金属试样上也设有对应的通孔，金属试样端部位于凹槽中并通过螺栓与连接端连接固定；第二连接杆上还设置有拉力传感器，拉力传感器与第二连接杆通过螺纹连接，第二连接杆上还套装有压力弹簧，压力弹簧位于第二连接杆的压紧螺母与第二支撑板之间。在使用时，手动扭紧第二连接杆的压紧螺母，压紧螺母会压缩压力弹簧，压力弹簧会产生回弹力对金属试样施加拉力。拉力传感器用于测试金属试样受到的拉应力大小，在本实施方式中，拉力传感器为SBT620型S型力传感器，测量误差小于0.15％。
如图1所示，气液循环系统包括进气管、排气管、进液管和排液管，进气管穿过微生物腐蚀池顶部伸入到腐蚀介质中，排气管穿过微生物腐蚀池顶部并位于腐蚀介质上方，通过进气管和排气管可以控制微生物腐蚀池内的气体环境，进而创造微生物所需的有氧/厌氧条件，在本实施方式中，进气管和排气管上均安装有过滤器，过滤器内含有微米级滤膜，过滤器能够在透气的情况下防止空气中的杂菌进入微生物腐蚀池；进液管穿过微生物腐蚀池顶部并位于微生物腐蚀池中，排液管穿过微生物腐蚀池顶部并伸入到腐蚀介质中，通过进液管可以向微生物腐蚀池内注入包含菌液和营养物质的腐蚀溶液，创造微生物腐蚀环境，进行微生物和应力的共同腐蚀，进液管和排液管上均安装有抽液泵，抽液泵为可调节流量的小型抽液泵，通过抽液泵可以实现微生物腐蚀池内的液体环境动态循环。
如图1所示，电化学测量机构包括电化学工作站、对电极和参比电极，对电极和参比电极均安装在微生物腐蚀池顶部，对电极和参比电极的底端均伸入到腐蚀介质(腐蚀溶液)中，对电极和参比电极的顶端分别通过电路与电化学工作站连接，电化学工作站还通过电路与伸出微生物腐蚀池的金属试样的一端连接。对电极、参比电极和作为工作电极的金属试样形成三电极体系，并通过电化学工作站对金属试样进行电化学测量，测量的电化学参数包括开路电位、阻抗、极化曲线等。在本实施方式中，对电极为铂片电极，参比电极为饱和甘汞电极或Ag/AgCl电极，电化学工作站为CS350H型电化学工作站。
在使用本发明时，先将金属试样加工成所需形状，并在金属试样两端开孔，然后用砂纸打磨去除金属试样表面的氧化物和污垢，然后在无水乙醇中超声清洗十分钟，晾干；然后将金属试样放入微生物腐蚀池中，金属试样的一端穿过微生物腐蚀池左侧壁的通孔与第一连接杆连接，金属试样的另一端穿过微生物腐蚀池右侧壁的通孔与第二连接杆连接，然后手动拧紧第二连接杆的压紧螺母压缩压力弹簧，对金属试样施加拉力，通过观察拉力传感器将拉应力调整至所需的应力值；然后将对电极和参比电极分别通过电路与电化学工作站连接，将伸出微生物腐蚀池的金属试样的一端通过电路与电化学工作站连接；然后通过排气管和进气管调整微生物腐蚀池内的气体环境，创造微生物所需的有氧/无氧条件，再通过进液管注入含有菌液和营养物质的腐蚀溶液，并保持腐蚀溶液的稳定流动，腐蚀溶液完成淹没金属试样，对电极和参比电极均伸入到腐蚀溶液中，进液管和排液管的抽液泵均以相同的功率工作，即可通过电化学工作站实时监测金属试样在微生物和应力共同作用下腐蚀行为的电化学参数。测试完成后，缓慢卸载拉力，通过排液管排出腐蚀溶液，取下金属试样、对电极、参比电极，并进行清洗，再将装置拆分后进行清洗和干燥以便重复使用。
总的说来，本发明的金属试样位于微生物腐蚀池中，金属试样的两端分别穿过微生物腐蚀池两侧壁与拉伸机构连接，拉伸机构对金属试样施加拉应力，拉伸机构上的拉力传感器实时精确测试金属试样承受的应力大小，同时拉应力和微生物腐蚀池中的微生物持续侵蚀金属试样，气液循环系统为微生物腐蚀池提供动态的环境条件，电化学工作站实时监测金属试样在微生物和应力共同腐蚀下的电化学参数。本发明能够同时满足微生物腐蚀和应力腐蚀的所需条件，并能模拟出动态环境，更加贴近实际环境，便于研究金属材料在应力和微生物共同作用下的腐蚀行为及机理。本发明结构简单、成本低、操作方便，拉力传感器能够实时显示拉力大小，电化学工作站能够实时监测金属试样的电化学参数，便于快速准确地知道测试结果。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种模拟动态微生物和应力共同作用的腐蚀装置，其特征在于：包括微生物腐蚀池、拉伸机构、气液循环系统和电化学测量机构；微生物腐蚀池设置在拉伸机构内部，微生物腐蚀池用于装纳腐蚀介质，拉伸机构用于对金属试样施加拉应力，微生物腐蚀池的两侧壁上设有通孔，金属试样位于微生物腐蚀池中，金属试样的两端分别穿过微生物腐蚀池两侧壁的通孔与拉伸机构连接，气液循环系统与微生物腐蚀池连接，气液循环系统用于为微生物腐蚀池提供动态的环境条件，电化学测量机构与微生物腐蚀池和金属试样连接，电化学测量机构用于测量金属试样在腐蚀过程中的电化学参数。
2.根据权利要求1所述的一种模拟动态微生物和应力共同作用的腐蚀装置，其特征在于：拉伸机构包括第一支撑板和第二支撑板，第一支撑板和第二支撑板分别设置在微生物腐蚀池的左右两侧，第一支撑板和第二支撑板之间连接有四根支撑杆，其中两根支撑杆位于微生物腐蚀池前方，另外两根支撑杆位于微生物腐蚀池后方，第一支撑板的中部连接有第一连接杆，第二支撑板的中部连接有第二连接杆，金属试样的一端与第一连接杆连接，金属试样的另一端与第二连接杆连接，第二连接杆上还设置有拉力传感器，第二连接杆上还套装有压力弹簧，压力弹簧位于第二连接杆的压紧螺母与第二支撑板之间。
3.根据权利要求1所述的一种模拟动态微生物和应力共同作用的腐蚀装置，其特征在于：气液循环系统包括进气管、排气管、进液管和排液管，进气管穿过微生物腐蚀池顶部伸入到腐蚀介质中，排气管穿过微生物腐蚀池顶部并位于腐蚀介质上方，进液管穿过微生物腐蚀池顶部并位于微生物腐蚀池中，排液管穿过微生物腐蚀池顶部并伸入到腐蚀介质中，进液管和排液管上均安装有抽液泵。
4.根据权利要求1所述的一种模拟动态微生物和应力共同作用的腐蚀装置，其特征在于：电化学测量机构包括电化学工作站、对电极和参比电极，对电极和参比电极均安装在微生物腐蚀池顶部，对电极和参比电极的底端均伸入到腐蚀介质中，对电极和参比电极的顶端分别通过电路与电化学工作站连接，电化学工作站还通过电路与伸出微生物腐蚀池的金属试样的一端连接。
5.根据权利要求2所述的一种模拟动态微生物和应力共同作用的腐蚀装置，其特征在于：第一支撑板和第二支撑板的四个角上均设有通孔，支撑杆的两端设有阶梯式螺纹，支撑杆的两端分别穿过第一支撑板和第二支撑板上的通孔，并通过螺母固定在第一支撑板和第二支撑板上。
6.根据权利要求2所述的一种模拟动态微生物和应力共同作用的腐蚀装置，其特征在于：第一连接杆和第二连接杆与金属试样连接的连接端上均设有凹槽，连接端上还设有通孔，金属试样上也设有对应的通孔，金属试样端部位于凹槽中并通过螺栓与连接端连接固定。
7.根据权利要求3所述的一种模拟动态微生物和应力共同作用的腐蚀装置，其特征在于：进气管和排气管上均安装有过滤器，过滤器内含有微米级滤膜。
8.根据权利要求1所述的一种模拟动态微生物和应力共同作用的腐蚀装置，其特征在于：微生物腐蚀池采用透明的亚克力制成，微生物腐蚀池侧壁上的通孔与金属试样之间的缝隙通过密封硅胶密封。
9.根据权利要求4所述的一种模拟动态微生物和应力共同作用的腐蚀装置，其特征在于：对电极为铂片电极，参比电极为饱和甘汞电极或Ag/AgCl电极。
10.根据权利要求2所述的一种模拟动态微生物和应力共同作用的腐蚀装置，其特征在于：拉力传感器为S型拉力传感器。
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