CN114354467A - 一种实验室动态模拟压力交变加速试验装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种实验室动态模拟压力交变加速试验装置及其使用方法，本专利通过压力调节机构、温度调节机构、盐度调节机构及溶氧度调节机构控制压力舱中海水的压力、温度、盐度及溶氧度的变化，用于模拟深海海生物污损环境，同时加速涂层压力交变、温度交变过程。本专利通过压力调节机构、温度调节机构、盐度调节机构及溶氧度调节机构控制压力舱中海水的压力、温度、盐度及溶氧度的变化，用于模拟深海海生物污损环境，同时加速涂层压力交变、温度交变过程。
Description
技术领域
本发明涉及深海压力交变模拟装置技术领域，特别是涉及一种实验室动态模拟压力交变加速试验装置及其使用方法。
背景技术
压力交变试验装置在汽车内燃机、燃油箱等研究领域具有广泛应用，然而用于模拟海洋潜深装备和涂层使用环境的研究报道较少，国内外一些高校和科研单位对深海环境模拟实验技术开展了一些研究，并基于实际应用要求，研制了相关的深海模拟装置，但这些模拟实验装置大多功能结构较单一，大多数集中于研究加压下的结构强度、深海腐蚀方面。
目前有专利通过控制压力、温度、溶解氧和pH值等参数的周期性变化，模拟不同深度海水交变的腐蚀环境，可以进行材料腐蚀性能评价、深海腐蚀机理研究，阴极保护材料电化学性能评价以及有机涂层和金属涂层的防腐效果评价。但该装置无海水采集装置，不具备新鲜海水循环功能，因此不具备模拟深海海生物污损环境。
发明内容
为解决现有压力交变装置无法模拟深海污损环境，难以研究深海防污涂层防污性能变化的问题，本专利提供一种实验室动态模拟压力交变加速试验装置及其使用方法，本专利通过压力调节机构、温度调节机构、盐度调节机构及溶氧度调节机构控制压力舱中海水的压力、温度、盐度及溶氧度的变化，用于模拟深海海生物污损环境，同时加速涂层压力交变、温度交变过程。
本发明所采用的技术方案是：一种实验室动态模拟压力交变加速试验装置，该装置包括盐度调节机构、溶氧度调节机构、温度调节机构、压力调节机构及搅拌罐，盐度调节机构、溶氧度调节机构、温度调节机构及压力调节机构分别与搅拌罐相连通；盐度调节机构将天然海水与淡水进行配比后送入搅拌罐；溶氧度调节机构用于调整搅拌罐内海水的溶氧度；温度调节机构用于调整搅拌罐内海水的温度；压力调节机构用于调整海水的压力。
进一步的，盐度调节机构包括淡水收集槽及海水收集槽，淡水收集槽通过管道Ⅰ与搅拌罐相连通，管道Ⅰ上设置有电磁阀Ⅰ；海水收集槽通过管道Ⅱ与搅拌罐相连通，管道Ⅱ上设置有电磁阀Ⅱ。
进一步的，溶氧度调节机构包括氧气瓶及氮气瓶，氧气瓶通过管道Ⅲ与搅拌罐相连通，管道Ⅲ上设置有氧气总阀、氧气高压表、氧气调压阀、氧气低压表及氧气电磁阀，氧气总阀、氧气高压表、氧气调压阀、氧气低压表及氧气电磁阀在靠近搅拌罐的方向依次设置；氮气瓶通过管道Ⅳ与搅拌罐相连通，管道Ⅳ上设置有氮气总阀、氮气高压表、氮气调压阀、氮气低压表及氮气电磁阀，氮气总阀、氮气高压表、氮气调压阀、氮气低压表及氮气电磁阀在靠近搅拌罐的方向依次设置。
进一步的，温度调节机构包括恒温水槽、加热器、压缩机及循环泵，加热器及压缩机均设置在恒温水槽底部，循环泵的一端与恒温水槽相连，循环泵的另一端与搅拌罐相连；
进一步的，压力调节机构包括压力舱、调压组件及泄压组件，压力舱通过管道Ⅴ与恒温水槽相连，管道Ⅴ上间隔设置有低压泵和高压泵，调压组件包括管道Ⅵ及设置在管道Ⅵ上的节流阀，管道Ⅵ的一端与压力舱相连，管道Ⅵ的另一端与恒温水槽相连，泄压组件管道Ⅶ及设置在管道Ⅶ上的泄压阀，管道Ⅶ的一端与压力舱相连通，管道Ⅶ的另一端与搅拌罐相连通，管道Ⅶ上还设置有压力表。
一种实验室动态模拟压力交变加速试验装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：开机前先开启设备总电源，并开启电磁阀Ⅱ和电磁阀Ⅰ，根据盐度设定和测试结果，控制通入天然海水和淡水的比例，并在搅拌罐中将二者混合搅拌均匀；
步骤二：开启氮气总阀和氧气总阀，检查氮气高压表与氧气高压表数值是否正常，压力正常则开启氮气调压阀与氧气调压阀，调整氮气低压表与氧气低压表至压力为0.6MPa，输入溶解氧参数，控制氮气电磁阀和氧气电磁阀开度，实现溶解氧含量调整，搅拌罐仍开启搅拌，确保海水中溶解氧整体均匀；
步骤三：设定海水温度后，开启循环泵、加热器和压缩机，通过循环泵将恒温水槽里的海水通过压缩机冷却或加热器加热，并与搅拌罐中的海水循环起来，实现温度控制，搅拌罐继续搅拌，直至搅拌罐中温度、盐度和溶解氧数值与设定值一致时，即可向压力舱注水；
步骤四：将实验样品放入压力舱中，关闭压力舱舱盖，开启低压泵，往压力舱中注水，开启泄压阀，排空压力舱内空气，当压力舱中注满水后关闭低压泵和泄压阀；
步骤五：输入压力数值设定值，开启高压泵，往压力舱中不停注水使压力舱中水压升高，通过控制节流阀开度实现压力稳定控制。
本专利的有益效果表现在以下方面：本专利通过溢流阀开启比例控制压力舱内压力，可实现输出压力0~20MPa可调、可控；并可根据不同海水深度调节相应的盐度、溶解氧、温度等，通过压力调节机构、温度调节机构、盐度调节机构及溶氧度调节机构控制压力舱中海水的压力、温度、盐度及溶氧度的变化，用于模拟深海海生物污损环境，模拟高压和压力交变环境下海洋生物的生长过程，用于模拟潜深装备涂层和构件等的模拟加速试验，为潜深装备涂料和构件选型提供依据，同时为研究深海防污涂层失效机理研究提供坚实的基础。
附图说明
图1是发明的工作原理图；
图示标记，1、淡水收集槽，11、管道Ⅰ，12、电磁阀Ⅰ，2、海水收集槽，21、管道Ⅱ，22、电磁阀Ⅱ，3、搅拌罐，4、氧气瓶，41、管道Ⅲ，42、氧气总阀，43、氧气高压表，44、氧气调压阀，45、氧气低压表，46、氧气电磁阀，5、氮气瓶，51、管道Ⅳ，52、氮气总阀，53、氮气高压表，54、氮气调压阀，55、氮气低压表，56、氮气电磁阀，6、恒温水槽，61、加热器，62、压缩机，63、循环泵，7、压力舱，71、管道Ⅴ，72、低压泵，73、高压泵，74、管道Ⅵ，75、节流阀，76、管道Ⅶ，77、压力表，78、泄压阀。
具体实施方式
下面结合实施例附图和具体实施例对本发明做进一步具体详细的说明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种实验室动态模拟压力交变加速试验装置，该装置包括盐度调节机构、溶氧度调节机构、温度调节机构、压力调节机构及搅拌罐3，盐度调节机构、溶氧度调节机构、温度调节机构及压力调节机构分别与搅拌罐3相连通；盐度调节机构将天然海水与淡水进行配比后送入搅拌罐3；溶氧度调节机构用于调整搅拌罐3内海水的溶氧度；温度调节机构用于调整搅拌罐3内海水的温度；压力调节机构用于调整海水的压力。
盐度调节机构包括淡水收集槽1及海水收集槽2，淡水收集槽1通过管道Ⅰ11与搅拌罐3相连通，管道Ⅰ11上设置有电磁阀Ⅰ12；海水收集槽2通过管道Ⅱ21与搅拌罐3相连通，管道Ⅱ21上设置有电磁阀Ⅱ22。
溶氧度调节机构包括氧气瓶4及氮气瓶5，氧气瓶4通过管道Ⅲ41与搅拌罐3相连通，管道Ⅲ41上设置有氧气总阀42、氧气高压表43、氧气调压阀44、氧气低压表45及氧气电磁阀46，氧气总阀42、氧气高压表43、氧气调压阀44、氧气低压表45及氧气电磁阀46在靠近搅拌罐3的方向依次设置；氮气瓶5通过管道Ⅳ51与搅拌罐3相连通，管道Ⅳ51上设置有氮气总阀52、氮气高压表53、氮气调压阀54、氮气低压表55及氮气电磁阀56，氮气总阀52、氮气高压表53、氮气调压阀54、氮气低压表55及氮气电磁阀56在靠近搅拌罐3的方向依次设置。氧气高压表43、氧气调压阀44、氧气低压表45组成一个减压阀结构；通过氧气高压表43及氧气低压表45的数据显示调节氧气调压阀44进而达到目的数值的压力；氮气高压表53、氮气调压阀54、氮气低压表55组成一个减压阀结构；通过氮气高压表53及氮气低压表55的数据显示调节氮气调压阀54进而达到目的数值的压力；
温度调节机构包括恒温水槽6、加热器61、压缩机62及循环泵63，加热器61及压缩机62均设置在恒温水槽6底部，循环泵63的一端与恒温水槽6相连，循环泵63的另一端与搅拌罐3相连；
压力调节机构包括压力舱7、调压组件及泄压组件，压力舱7通过管道Ⅴ71与恒温水槽6相连，管道Ⅴ71上间隔设置有低压泵72和高压泵73，调压组件包括管道Ⅵ74及设置在管道Ⅵ74上的节流阀75，管道Ⅵ74的一端与压力舱7相连，管道Ⅵ74的另一端与恒温水槽6相连，泄压组件管道Ⅶ76及设置在管道Ⅶ76上的泄压阀78，管道Ⅶ76的一端与压力舱7相连通，管道Ⅶ76的另一端与搅拌罐3相连通，管道Ⅶ76上还设置有压力表77。
一种实验室动态模拟压力交变加速试验装置的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：开机前先开启设备总电源，并开启电磁阀Ⅱ22和电磁阀Ⅰ12，根据盐度设定和测试结果，控制通入天然海水和淡水的比例，并在搅拌罐3中将二者混合搅拌均匀；通过电磁阀Ⅱ22和电磁阀Ⅰ12的开关比例控制海水的盐度，海水的盐度控制范围为0-4%（精度：±1%）；
步骤二：开启氮气总阀52和氧气总阀42，检查氮气高压表53与氧气高压表43数值是否正常，压力正常则开启氮气调压阀54与氧气调压阀44，调整氮气低压表55与氧气低压表45至压力为0.6MPa，输入溶解氧参数，控制氮气电磁阀56和氧气电磁阀46开度，实现溶解氧含量调整，搅拌罐3仍开启搅拌，确保海水中溶解氧整体均匀；通过氮气电磁阀56和氧气电磁阀46 的开关比例控制水中输入的氮气和氧气量比例调节搅拌罐3中溶解氧的含量。溶解氧的控制范围0-15mg/L（精度：±1%）；
步骤三：设定海水温度后，开启循环泵63、加热器61和压缩机62，通过循环泵63将恒温水槽6里的海水通过压缩机62冷却或加热器61加热，并与搅拌罐3中的海水循环起来，实现温度控制，搅拌罐3继续搅拌，直至搅拌罐3中温度、盐度和溶解氧数值与设定值一致时，即可向压力舱7注水；海水温度控制范围为4~35℃（精度：±0.1℃）。
步骤四：将实验样品放入压力舱7中，关闭压力舱7舱盖，开启低压泵72，往压力舱7中注水，开启泄压阀78，排空压力舱7内空气，当压力舱7中注满水后关闭低压泵72和泄压阀78；
步骤五：输入压力数值设定值，开启高压泵73，往压力舱7中不停注水使压力舱7中水压升高，通过控制节流阀75开度实现压力稳定控制。
本发明所述的搅拌罐3为0.5立方米的不锈钢水槽，携带一个搅拌器，搅拌器转速为0~1500rpm，搅拌罐3内设置有搅拌桨，搅拌桨直径为0.3米，确保搅拌罐3内水质均匀。
本发明的压力舱为316L不锈钢焊接组成，耐海水腐蚀，密封形式选择剪力块+橡胶圈密封形式的密封结构。压力舱体积0.5立方米，包含舱壁、舱底和舱盖，舱盖采用液压装置控制升降和旋转开盖。
压力调节机构通过控制溢流阀开度，实现压力调节，压力显示通过机械压力表和压力探测头及数值显示组成，压力控制范围为0~20MPa，加压和泄压时间0.5~2h可调控（精度：±0.1MPa）。
系统通过预先控制搅拌罐内部的温度、盐度、溶解氧的参数实现海水环境的模拟，通过增压泵实现压力的增压，通过泄压阀实现压力的泄压。压力舱7内部配置有接头可以将被测件内部的信号采集并进行相应的控制。信号采集系统对信号进行采集，信号采集系统包括盐度采集显示模块、温度采集显示模块、溶解氧采集显示模块、压力采集显示模块，并统一集成显示于工作电脑操作界面。
本发明与现有技术相比，更加注重的是压力交变的精度和加压泄压速度和能力，同时抽入天然海水，确保海水中的藻类、海水物幼体随海水进入压力舱，模拟真实的深海海生物生长环境，从而实现模拟深海防污涂层防污性能加速评价的目的。
本专利的目的是设计制作一个模拟潜器下潜和上浮过程中海水中压力、温度、盐度、溶解氧变化过程的装置。创新点：在实验室模拟海洋环境随深度变化过程中，环境中多种因素变化过程，实现在实验室模拟实际环境的试验，节约试验成本，加快试验过程。
实施例1
将原本生长上藻类污损生物的防污涂层进行压力交变性能测试。试验条件：溶解氧6ppm；盐度：3.5%，温度：5℃，试验压力：0MPa与3MPa交变；试验时间：100～400周期。实验结果：如表1。
表1 实验室周期对污损生物的影响
实施例2
将原本生长上藻类污损生物的防污涂层进行性能测试。试验条件：溶解氧1-6ppm；盐度：3.5%，温度：5℃；试验压力：0MPa与3MPa交变；试验时间：200周期；。实验结果：如表2。
表2 溶解氧对污损生物的影响
实施例1和实施例2表明：在本专利的模拟环境下，表面污损生物可以存活，而现有的设备进行压力或其他试验时，污损生物死亡，由以上可知：本发明可以较好的模拟海洋污损生物生长环境。
将需要进行试验的防污涂层样板放入实验室动态模拟压力交变加速试验装置的压力舱中，将压力舱中注满海水，并开启循环；控制压力舱中海水的压力、温度、盐度及溶氧度的变化，用于模拟深海海生物污损环境，压力、温度、盐度及溶氧度的变化参数见实施例3；
经过上述多因素耦合试验的测试样板再进行浅海浸泡性能、动态模拟性能、力学性能、铜离子渗出率和涂层附着力性能测试，综合评价防污涂层性能。
本专利防污涂层失效判定的标准为：当浅海浸泡或动态模拟低于85分或铜离子渗出率低于10µg·cm2/d或涂层附着力下降50%时判定防污漆失效；只要浅海浸泡、动态模拟、铜离子渗出率或附着力其中一项失效，即判定该防污涂层为失效。
铜离子渗出率参照GB/T6824-2008标准进行100天的铜离子渗出率测试，动态模拟样板按照GB/T7789-2007标准进行3-8周期的模拟试验、浅海挂板样板按照GB/T530-2007标准进行1-3个海生物旺季的浅海挂板和附着力样板进行附着力测试，并根据渗出率测试结果、或者动态模拟试验结果、或者浅海挂板模拟试验结果、或者附着力试验结果判定防污涂层是否有效，当铜离子渗出率低于10µg•cm2/d 或者动态模拟评分低于85分、或者浅海挂板评分低于85分、或者附着力小于原始附着力的50%时，则判定防污涂层失效。
本发明通过多因素耦合加速试验，结合常规的浅海浸泡、动态模拟、铜离子渗出率和附着力，实现潜器防污涂层快速评价。
实施例3
将试验的防污涂层样板：某磨蚀型防污涂层，其防污期效为3年，包含铜离子渗出率圆筒3个、动态模拟样板3块、浅海挂板样板3块和附着力样板3块放入实验室动态模拟压力交变加速试验装置的压力舱中，将压力舱中注满海水，并开启循环，控制压力从常压上升至3MPa，同时控制海水温度从25℃降低至5℃，海水盐度从3.3%升至3.5%，溶解氧从6mg/L降低至2mg/L，保压5分钟，5分钟后压力从3MPa降至常压、海水温度从5℃升高至25℃，海水盐度从3.5%降低至3.3%，溶解氧从2mg/L提升至6 mg/L为1个周期，共进行300个周期加速试验，后将经过300个周期多因素加速试验的试验进行如下测试：铜离子渗出率圆筒参照GB/T6824-2008标准进行100天的铜离子渗出率测试，动态模拟样板按照GB/T7789-2007标准进行3周期的模拟试验、浅海挂板样板按照GB/T530-2007标准进行1个海生物旺季的浅海挂板和附着力样板进行附着力测试，测试结果为：浅海浸泡评分40分，失效；动态模拟评分56分，失效；铜离子渗出率12µg•cm2/d，有效；附着力为原来的70%,有效；判定该防污涂层为失效。综上证明，本发明可以较好的模拟海洋污损生物生长环境，可以模拟潜深装备涂层和构件等的模拟加速试验，为潜深装备涂料和构件选型提供依据，同时为研究深海防污涂层失效机理研究提供坚实的基础。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。
除上述实施例外，本发明装置还可以有其他型式，应当指出，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种实验室动态模拟压力交变加速试验装置，其特征在于：该装置包括盐度调节机构、溶氧度调节机构、温度调节机构、压力调节机构及搅拌罐，盐度调节机构、溶氧度调节机构、温度调节机构及压力调节机构分别与搅拌罐相连通；盐度调节机构将天然海水与淡水进行配比后送入搅拌罐；溶氧度调节机构用于调整搅拌罐内海水的溶氧度；温度调节机构用于调整搅拌罐内海水的温度；压力调节机构用于调整海水的压力。
2.根据权利要求1所述的一种实验室动态模拟压力交变加速试验装置，其特征在于：盐度调节机构包括淡水收集槽及海水收集槽，淡水收集槽通过管道Ⅰ与搅拌罐相连通，管道Ⅰ上设置有电磁阀Ⅰ；海水收集槽通过管道Ⅱ与搅拌罐相连通，管道Ⅱ上设置有电磁阀Ⅱ。
3.根据权利要求1所述的一种实验室动态模拟压力交变加速试验装置，其特征在于：溶氧度调节机构包括氧气瓶及氮气瓶，氧气瓶通过管道Ⅲ与搅拌罐相连通，管道Ⅲ上设置有氧气总阀、氧气高压表、氧气调压阀、氧气低压表及氧气电磁阀，氧气总阀、氧气高压表、氧气调压阀、氧气低压表及氧气电磁阀在靠近搅拌罐的方向依次设置；氮气瓶通过管道Ⅳ与搅拌罐相连通，管道Ⅳ上设置有氮气总阀、氮气高压表、氮气调压阀、氮气低压表及氮气电磁阀，氮气总阀、氮气高压表、氮气调压阀、氮气低压表及氮气电磁阀在靠近搅拌罐的方向依次设置。
4.根据权利要求1所述的一种实验室动态模拟压力交变加速试验装置，其特征在于：温度调节机构包括恒温水槽、加热器、压缩机及循环泵，加热器及压缩机均设置在恒温水槽底部，循环泵的一端与恒温水槽相连，循环泵的另一端与搅拌罐相连。
5.根据权利要求1所述的一种实验室动态模拟压力交变加速试验装置，其特征在于：压力调节机构包括压力舱、调压组件及泄压组件，压力舱通过管道Ⅴ与恒温水槽相连，管道Ⅴ上间隔设置有低压泵和高压泵，调压组件包括管道Ⅵ及设置在管道Ⅵ上的节流阀，管道Ⅵ的一端与压力舱相连，管道Ⅵ的另一端与恒温水槽相连，泄压组件管道Ⅶ及设置在管道Ⅶ上的泄压阀，管道Ⅶ的一端与压力舱相连通，管道Ⅶ的另一端与搅拌罐相连通，管道Ⅶ上还设置有压力表。
6.根据权利要求1~5任意一项所述的一种实验室动态模拟压力交变加速试验装置的使用方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：开机前先开启设备总电源，并开启电磁阀Ⅱ和电磁阀Ⅰ，根据盐度设定和测试结果，控制通入天然海水和淡水的比例，并在搅拌罐中将二者混合搅拌均匀；
步骤二：开启氮气总阀和氧气总阀，检查氮气高压表与氧气高压表数值是否正常，压力正常则开启氮气调压阀与氧气调压阀，调整氮气低压表与氧气低压表至压力为0.6MPa，输入溶解氧参数，控制氮气电磁阀和氧气电磁阀开度，实现溶解氧含量调整，搅拌罐仍开启搅拌，确保海水中溶解氧整体均匀；
步骤三：设定海水温度后，开启循环泵、加热器和压缩机，通过循环泵将恒温水槽里的海水通过压缩机冷却或加热器加热，并与搅拌罐中的海水循环起来，实现温度控制，搅拌罐继续搅拌，直至搅拌罐中温度、盐度和溶解氧数值与设定值一致时，即可向压力舱注水；
步骤四：将实验样品放入压力舱中，关闭压力舱舱盖，开启低压泵，往压力舱中注水，开启泄压阀，排空压力舱内空气，当压力舱中注满水后关闭低压泵和泄压阀；
步骤五：输入压力数值设定值，开启高压泵，往压力舱中不停注水使压力舱中水压升高，通过控制节流阀开度实现压力稳定控制。
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