CN115013139B - 一种船用冷却水系统焊接管件性能分析的模拟试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种船用冷却水系统焊接管件性能分析的模拟试验系统，包括试验台架、水箱、循环泵和用于检测循环介质温度和压力的传感器模块，试验台架上设有若干支撑孔；将焊接管件分组设置在试验台架上，每组焊接管件具有测试入口和测试出口；水箱盛装循环介质，每组焊接管件对应设置一个水箱，每个水箱设置一个循环泵，循环泵的入口通过抽水管与相应水箱的底部出水口相连，出口通过供水管与相应组焊接管件的测试入口相连，每组焊接管件的测试出口通过回水管连通至相应水箱；试验时，启动循环泵，设置不同的试验工况，结束后拆卸管道，通过观察焊接管件在不同介质中的腐蚀行为，可以有效掌握相应腐蚀环境对焊缝区、母材区、热影响区的腐蚀情况。

Description

一种船用冷却水系统焊接管件性能分析的模拟试验系统

技术领域

本发明属于冷却水系统领域，涉及一种冷却水管道性能测试技术，具体涉及一种船用冷却水系统焊接管件性能分析的模拟试验系统。

背景技术

船舶冷却水系统作为保障船舶动力装置安全可靠运行的辅助系统之一。船舶冷却水系统承担着冷却主机气缸、缸套及活塞，空气冷却器，滑油冷却器和辅机等设备的重要任务，是保证船舶正常航行的不可或缺的系统。系统中冷却水的温度的高低变化与船舶动力装置的工作性能、运行寿命有着密切的联系，在主机运转时，如果没有进行适当冷却会使主机过热，导致充量系数下降，机油变质，极大影响船舶动力性、经济性以及可靠性，严重时甚至会发生重大安全事故；主机温度过低时，废气排放增加，加大热量损失和摩擦损失。因此，精确控制冷却水的温度，对于提高船舶动力装置的动力性、减少废气的产生、降低能源消耗等方面有着极其重要的意义。

管道作为冷却水系统连接各部件的关键部件，其铺设主要依靠焊接工艺完成，由于焊接具有不受外形限制、容易操作、密封性能好等优点，广泛地应用于各系统管道焊接。但是高温焊接会导致焊缝和热影响区的成分及组织发生改变，焊接缺陷和应力残留等问题会导致焊缝和热影响区成为整个结构件的薄弱区，在服役过程中最先发生失效，焊缝区和热影响区也是最容易发生腐蚀的地方。焊缝处的严重腐蚀，会使焊接结构遭到破坏，从而造成管道泄漏，进而影响整个设备的正常使用，如果焊缝发生腐蚀没有及时被发现，且没有采取相应的措施，就容易导致管道泄露、爆炸等事故的发生，焊缝防腐质量直接关系到系统管道安全性、可靠性及使用寿命。

发明内容

本发明的目的在于：基于船舶冷却水系统设计一种船用冷却水系统焊接管件性能分析的模拟试验系统，通过分析焊接管件在不同介质中的腐蚀行为，可以有效掌握相应腐蚀环境对焊缝区、母材区、热影响区的腐蚀情况。

为实现上述目的，本发明创造采取的技术方案为：

一种船用冷却水系统焊接管件性能分析的模拟试验系统，其特征在于，包括

试验台架，设有若干用于安装待测试焊接管件的支撑孔；根据船用冷却水系统工况对循环介质进行分类，根据循环介质的分类将所述试验台架上安装的焊接管件分组设置，每组的各个焊接管件之间依次通过中间连接管螺纹相连，使得每组焊接管件具有一个测试入口和一个测试出口；

水箱，用于盛装模拟船用冷却水的循环介质，每组焊接管件对应设置一个水箱，每个水箱均至少设有一个底部出水口；

循环泵，用于提供循环动力，每个水箱设置一个循环泵，所述循环泵的入口通过抽水管与相应水箱的底部出水口相连，所述循环泵的出口通过供水管与相应组焊接管件的测试入口相连，每组焊接管件的测试出口通过回水管连通至相应水箱的顶部内；

传感器模块，用于检测每组焊接管件进出循环介质的温度和压力。

本发明还提供一种船用冷却水系统焊接管件性能分析方法，采用上述任意一项所述的模拟试验系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、搭建所述模拟试验系统，根据船用冷却水系统工况将循环介质分为海水、淡水和冰晶水；根据循环介质的分类将待测试的焊接管件分三组设置安装在试验台架上，通过中间连接管将每组的焊接管件之间依次相连，并连接至相应的水箱和循环水泵；

步骤2、启动循环泵，通过传感器模块检测每组焊接管件进出循环介质的温度和压力，并根据试验要求进行调整；

步骤3、待介质循环达到所设定时间后，停止循环泵，拆卸焊接管件；

步骤4、对拆卸出来的焊接管件进行切样处理，切取方向垂直焊接方向，所切试样包含焊缝区、母材区、热影响区，切样完成后，分为三批试样；

将第一批试样进行抛光、3%硝酸酒精溶液腐蚀处理以观察不同区域在试验后的金相组织变化；

将第二批试样进行抛光、环氧树脂封装处理以观察不同区域在试验后的开路电位、交流阻抗谱、极化曲线分析；

将第三批试样进行清洗、烘干处理以观察不同区域在试验后的微观形貌变化。

本发明的工作原理为：

设备启动前，经过管道气密性检验合格之后，通过控制箱电源开关按钮启动电源，打开离心泵进出口的阀门，之后依次打开淡水离心泵、海水离心泵、冰晶水离心泵，3台离心泵均依靠旋转叶轮对流体介质的作用把原动机的机械能传递给液体，由于作用流体介质从叶轮进口流向出口的过程中，其速度能和压力能都得到增加，被叶轮排出的液体经过压出室，大部分速度能转换成压力能，然后沿排出管路输送出去，这时，叶轮进口处因流体介质的排出而形成真空或低压，吸入口液体池中的流体介质在液面压力（大气压）的作用下，被压入叶轮的进口，旋转着的叶轮就连续不断地吸入和排出流体介质。排出的流体介质经供水管到达可拆卸的焊接管件组的测试入口，其中淡水和海水管道中的介质流向一致，冰晶水管道中介质的流向与之相反，使试验过程中的传热温差较大，进而在试验过程中，冷却效果较好，更为有效地保证模拟冷却水系统试验过程中的真实性和可靠性。经过集成箱焊接管件的有效换热后，再经流管道到达对应介质的水箱，形成一个完整的循环回路。待试验完成后，依次关闭3台离心泵，再关闭电源，之后将试验后的流体介质通过放水口放出，以防设备长时间处于非工作状态时受介质影响而腐蚀，保证其设备的最大工作寿命。

与现有技术相比较，本发明有益效果是：

1、本发明基于船舶冷却水系统，设计了一套针对焊接管件可进行性能分析的模拟试验系统，三台离心泵依次开启后，流体介质从水箱流出，不同流体介质经流中间管道进行换热，可模拟船舶运行时冷却水系统的换热情况。

2、本发明为方便进行焊接管件的腐蚀性能分析，管道采用螺纹连接，方便拆卸更换，中间可设置不同焊接管件，经过一定试验时间，拆卸管道，可观察分析焊接管件在不同介质中的腐蚀行为。

3、本发明设计结构合理，安装成本低廉，人工使用便捷，试验过程中，全程操作控制箱即可完成整套系统控制命令，保证人工操作时的安全性和可靠性。

附图说明

图1为本发明实例中模拟试验系统前侧示意图。

图2为本发明实例中模拟试验系统后侧示意图。

图3为本发明实例中模拟试验系统去掉水箱后示意图。

图4为本发明实例中试验台架上焊接管件正面分布示意图。

图5为本发明实例中试验台架上焊接管件背面分布示意图。

图6为本发明实例中试验台架示意图。

图7为本发明实例中焊接管件示意图。

附图标记：1-水箱，110-海水水箱，120-淡水水箱，130-冰晶水水箱，2-控制箱，3-试验台架，310-侧板，320-支撑孔，330-支撑管，4-焊接管件，401-焊缝，402-螺纹，420-测试入口，421-测试出口，430-冰晶水组，440-淡水组，450-海水组；5-温度表，6-压力变送器，7-压力表，8-淡水离心泵，9-海水离心泵，10-冰晶水离心泵，11-海水泵出口阀，12-淡水泵出口阀，13-冰晶水泵出口阀，14-海水水箱出口阀，15-淡水水箱出口阀，16-冰晶水水箱出口阀，17-供水管，18-回水管，19-第一中间连接管，20-第二中间连接管，21-流量表，22-支架。

具体实施方式

下面将结合本发明创造实施例中的附图，对本发明创造实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明创造一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明创造中的实施例，本领域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，都应属于本发明创造保护的范围。

如图1和图2所示，一种船用冷却水系统焊接管件性能分析的模拟试验系统，包括

试验台架3，设有若干用于安装待测试焊接管件4的支撑孔320；根据船用冷却水系统工况对循环介质进行分类，根据循环介质的分类将所述试验台架3上安装的焊接管件4分组设置，每组的各个焊接管件4之间依次通过中间连接管螺纹相连，使得每组焊接管件具有一个测试入口420和一个测试出口421；

水箱1，用于盛装模拟船用冷却水的循环介质，每组焊接管件4对应设置一个水箱，每个水箱均至少设有一个底部出水口；

循环泵，用于提供循环动力，每个水箱设置一个循环泵，所述循环泵的入口通过抽水管与相应水箱的底部出水口相连，所述循环泵的出口通过供水管17与相应组焊接管件的测试入口420相连，每组焊接管件的测试出口421通过回水管18连通至相应水箱的顶部内；

传感器模块，用于检测每组焊接管件进出循环介质的温度和压力。

作为本发明的测试对象，如图7所示，所述焊接管件4为不锈钢管，中间为所需测试的焊接连接形成焊缝401，两端为用于连接的螺纹402；每组焊接管件4的焊缝401可以设置为相同，也可以设置为不同，比如采用不同的焊接工艺或者焊接参数，焊接材质，甚至连焊接管件本身的材料也可以选择不同，以进行分析对比，具体根据需要研究方向做调整。

需要说明的是，本发明除了焊接管件4中间具有焊缝401以外，其他管道连接全部采用螺纹或者法兰连接。

作为一种优选实施例，所述试验台架3上的支撑孔320为行列型阵列分布。进一步优选，如图3和图6所示，所述试验台架3为由四个侧板310加底板相连组成的箱型框架，其中两个相对的侧板310之间设有若干阵列型分布的支撑管330，支撑管330两端延伸到两个相对的侧板310外，支撑管330的内孔略大于焊接管件4的外径，形成支撑孔320，使用时，将焊接管件4置于支撑管330内孔即可。

作为另一种优选实施例，所述支撑孔320还可以是成对设置于两个相对侧板310上的通孔（图中未画出），每个侧板310上的通孔为行列阵列分布，且阵列位置和尺寸完全一样，使得两个侧板310上对应位置的通孔为一对，形成用于安装一个待测试焊接管件4的支撑孔320（图中未画出）；本发明实施例中，所述支撑孔320无需特殊设置，只是需要完成对焊接管件4的支撑即可，孔径比待测试的焊接管件4外径略大即可，当然也可以采用间隙配合的方式安装焊接管件4。

作为一种优选实施例，如图1至图6所示，所述循环介质包括海水、淡水和冰晶水三种，对应的水箱为海水水箱110、淡水水箱120和冰晶水水箱130，焊接管件分为海水组450、淡水组440和冰晶水组430，海水组450的子组和淡水组440的子组均设置在相邻冰晶水组430的子组之间；焊接管件内，海水、淡水与冰晶水的流向相反，使得不同循环介质之间具有热交换。

作为一种优选实施例，如图4和图5所示，所述焊接管件4分组方式如下：

每组焊接管件4分为若干子组，同一子组的焊接管件4安装在同一高度的支撑孔320内，且焊接管件之间依次通过第一中间连接管19相连；

若干子组的焊接管件4间隔安装在不同高度的支撑孔320内，且焊接管件之间通过第二中间连接管20相连；

不同组焊接管件4的子组之间交叉设置。

本实施例中，如图4和图5所示，所述焊接管件4设置9行9列阵列分布，从上往下，第一行、第四行和第七行为冰晶水组430；第二行、第五行和第八行为淡水组440；剩下的第三行、第六行和第九行为海水组450，冰晶水组430的测试入口420和淡水组440、海水组450的测试入口420相对设置，确保了冰晶水与淡水、海水之间能够进行换热，同一行的焊接管件4之间依次通过水平设置U型连接管相连，同一组的不同子组之间通过竖直设置的U型连接管，由于竖直方向有交叉，存在干扰，因此U型连接管可以设置为不同的长度或者进行侧向弯折，避免相互干扰。

作为一种优选实施例，所述传感器模块包括

设于每个循环泵的入口或者抽水管上的温度表5、压力表7，温度表5用于测量水箱的底部出水温度，压力表7用于测量循环泵入口压力；

设于每个循环泵的出口或者供水管17上的温度表5、压力表7、压力变送器6、流量表21（可以为内螺纹的转子流量计），用于测量循环泵出口温度、压力和流量；以及

设于每个回水管18上的温度表5、压力表7，用于测量回水温度和压力。

需要说明的是，本发明传感器模块的传感器类型和位置可以根据具体试验要求进行增减或者改动，上述仅为举例说明，不对本发明传感器模块的具体传感器类型和位置构成限定。

作为一种优选实施例，所述压力表7和压力变送器6均置于经流离心泵后的非焊接管件（供水管17为非焊接管件）处，可实时监测管道内流体介质压力，通过压力变送器6可将管道内实时压力数值传输到控制箱2，在设备运行过程中，通过控制箱2电子显示屏可直观观察管道内流体介质压力是否正常，确保试验过程管道内流体介质无泄漏，保证管道密封性。

作为一种优选实施例，如图1至图6所示，每个循环泵的出入口均设有控制流量的阀门，本实施例中均为球阀，其中入口的球阀设置在靠近水箱的底部出水口上，分别为海水水箱出口阀14、淡水水箱出口阀15和冰晶水水箱出口阀16，出口的球阀设置在循环泵的出口，分别为海水泵出口阀11、淡水泵出口阀12和冰晶水泵出口阀13。过调节阀门的开度来实现试验过程中不同介质流体流量大小的调节与控制，进而改变试验工况，更为真实地模拟船舶冷却水系统运行环境，可为关键部件焊接管件腐蚀情况提供真实有效的试验数据。

作为一种优选实施例，所述循环泵为离心泵，如图3所示，所述离心泵包括淡水离心泵8、海水离心泵9、冰晶水离心泵10，淡水离心泵8和海水离心泵9放置在同一侧，冰晶水离心泵10放置在另一侧，使模拟试验系统空间分布更为合理，且与对应管道铺设方向一致，3台离心泵大小型号一致，均为立式离心泵，一侧的入口连接水箱的底部出水口，中间为离心泵主体部件，另一侧的出口连接供水管17，形成通路，可正常输送流体介质。

作为一种优选实施例，如图1和图2所示，本发明还包括控制箱2，所述控制箱2用于控制各循环泵的启停及接收传感器模块采集的数据。所述控制箱2为PLC控制箱，置于试验台架3正前方，方便进行人工操作，试验过程中，通过控制箱2来实现电源和离心泵的启停以及通过观察压力变送器6显示的管道内实时压力，可灵活调节阀门开度，控制管道内流体介质压力，进而改变试验工况，方便进行后续试验。本控制系统设计电路采用三相四线制，外部电源接入电路后，首先连接断路器，之后三台离心泵的工作电机作为负载并联接入电路，工作电机与电路之间通过熔断器、接触器和热过载继电器连接。工作电机采用三相交流电机，使用Y型接法接入三相电路。三相电路其中两相连接依次按钮开关、熔断器、变压器，最后得到满足设备运行的直流电源为PLC控制箱提供电力。

作为一种优选实施例，如图1所示，所述水箱通过支架22安装于试验台架3上方，海水水箱110、淡水水箱120和冰晶水水箱130之间并列设置，为了保持温度稳定性，各个水箱也可以采用保温材料制成，或者包覆保温材料。

本发明还提供一种船用冷却水系统焊接管件性能分析方法，采用上述的模拟试验系统，分析方法包括以下步骤：

步骤1、搭建所述模拟试验系统，根据船用冷却水系统工况将循环介质分为海水、淡水和冰晶水；根据循环介质的分类将待测试的焊接管件4分三组设置安装在试验台架3上，通过中间连接管将每组的焊接管件4之间依次相连，并连接至相应的水箱和循环水泵；

步骤2、启动循环泵，通过传感器模块检测每组焊接管件4进出循环介质的温度和压力，并根据试验要求进行调整；

步骤3、待介质循环达到所设定时间后，停止循环泵，拆卸焊接管件4；

步骤4、对拆卸出来的焊接管件4进行切样处理，切取方向垂直焊接方向，所切试样包含焊缝区、母材区、热影响区，切样完成后，分为三批试样；

将第一批试样依次经由粗到细的砂纸进行抛光处理，直至试样表面无明显划痕，再用3%硝酸酒精溶液腐蚀，腐蚀时间为7s左右，之后用清水冲洗，且用无水乙醇清洗残留水分，待烘干后，可在金相显微镜下观察不同区域在试验后的金相组织变化；

将第二批试样同样依次经由粗到细的砂纸进行抛光处理，直至试样表面无明显划痕，再用丙酮浸泡以去除表面杂质，紧接着无水乙醇脱水60 s左右后进行烘干，之后用锡焊将铜线和测试面背面焊住，用万用表测试其通路，再用环氧树脂将测试面以外的其他面全部进行封装处理，最后通过电化学工作站观察不同区域在试验后的开路电位、交流阻抗谱、极化曲线分析；

将第三批试样用无水乙醇清洗表面杂质，放入烘箱进行烘干，待烘干后，通过激光共聚焦显微镜观察并构建3D形貌图且通过扫描电子显微镜观察不同区域在试验后的微观形貌变化。通过以上三批试样观察分析焊接管件在不同流体介质中的腐蚀行为，进而准确有效地掌握焊接管件中焊缝区、母材区、热影响区在相应腐蚀环境中的腐蚀情况，从而制定对应区域的防腐措施。

需要说明的是，本发明以淡水、海水、冰晶水作为试验介质为例进行说明，实际上试验过程可更换其它的流体介质，凡是符合试验要求的流体介质均可以在本设备进行；

需要说明的是，本发明更换拆卸焊接管件4时，必须关闭电源，停机运行，待更换完成后，确保更换后的管道密封无误，管道内压力正常，保证试验过程中的安全性和可靠性，方可正常启动设备，继续进行试验。

本发明的工作原理为：

设备启动前，经过管道气密性检验合格之后，通过控制箱2电源开关按钮启动电源，打开离心泵进出口的阀门，之后依次打开淡水离心泵8、海水离心泵9、冰晶水离心泵10，3台离心泵均依靠旋转叶轮对流体介质的作用把原动机的机械能传递给液体，由于作用流体介质从叶轮进口流向出口的过程中，其速度能和压力能都得到增加，被叶轮排出的液体经过压出室，大部分速度能转换成压力能，然后沿排出管路输送出去，这时，叶轮进口处因流体介质的排出而形成真空或低压，吸入口液体池中的流体介质在液面压力（大气压）的作用下，被压入叶轮的进口，旋转着的叶轮就连续不断地吸入和排出流体介质。排出的流体介质经供水管17到达可拆卸的焊接管件组的测试入口420，其中淡水和海水管道中的介质流向一致，冰晶水管道中介质的流向与之相反，使试验过程中的传热温差较大，进而在试验过程中，冷却效果较好，更为有效地保证模拟冷却水系统试验过程中的真实性和可靠性。经过集成箱焊接管件的有效换热后，再经流管道到达对应介质的水箱，形成一个完整的循环回路。待试验完成后，依次关闭3台离心泵，再关闭电源，之后将试验后的流体介质通过放水口放出，以防设备长时间处于非工作状态时受介质影响而腐蚀，保证其设备的最大工作寿命。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种船用冷却水系统焊接管件性能分析的模拟试验系统，其特征在于，包括

试验台架，设有若干用于安装待测试焊接管件的支撑孔；根据船用冷却水系统工况对循环介质进行分类，根据循环介质的分类将所述试验台架上安装的焊接管件分组设置，每组的各个焊接管件之间依次通过中间连接管螺纹相连，使得每组焊接管件具有一个测试入口和一个测试出口；

水箱，用于盛装模拟船用冷却水的循环介质，每组焊接管件对应设置一个水箱，每个水箱均至少设有一个底部出水口；

循环泵，用于提供循环动力，每个水箱设置一个循环泵，所述循环泵的入口通过抽水管与相应水箱的底部出水口相连，所述循环泵的出口通过供水管与相应组焊接管件的测试入口相连，每组焊接管件的测试出口通过回水管连通至相应水箱的顶部内；

传感器模块，用于检测每组焊接管件进出循环介质的温度和压力；

所述焊接管件分组方式如下：

每组焊接管件分为若干子组，同一子组的焊接管件安装在同一高度的支撑孔内，且焊接管件之间依次通过第一中间连接管相连；

若干子组的焊接管件间隔安装在不同高度的支撑孔内，且焊接管件之间通过第二中间连接管相连；

不同组焊接管件的子组之间交叉设置。

2.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征在于：所述试验台架上的支撑孔为行列型阵列分布。

3.根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征在于：所述循环介质包括海水、淡水和冰晶水三种，对应的水箱为海水水箱、淡水水箱和冰晶水水箱，焊接管件分为海水组、淡水组和冰晶水组，海水组的子组和淡水组的子组均设置在相邻冰晶水组的子组之间；焊接管件内，海水与冰晶水的流向相反，淡水与冰晶水的流向相反，使得不同循环介质之间具有热交换。

4. 根据权利要求1所述的模拟试验系统，其特征在于：所述第一中间连接管为水平设置U型连接管，所述第二中间连接管为竖直设置的U型连接管。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的模拟试验系统，其特征在于：所述传感器模块包括

设于每个循环泵的入口或者抽水管上的温度表、压力表；

设于每个循环泵的出口或者供水管上的温度表、压力表、压力变送器、流量表；以及

设于每个回水管上的温度表、压力表。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的模拟试验系统，其特征在于：每个循环泵的出入口均设有控制流量的阀门。

7.根据权利要求1-4任意一项所述的模拟试验系统，其特征在于：还包括控制箱，所述控制箱用于控制各循环泵的启停及接收传感器模块采集的数据。

8.根据权利要求1-4任意一项所述的模拟试验系统，其特征在于：所述水箱通过支架安装于试验台架上方，若干水箱之间并列设置。

9.一种船用冷却水系统焊接管件性能分析方法，采用权利要求1-8任意一项所述的模拟试验系统，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、搭建所述模拟试验系统，根据船用冷却水系统工况将循环介质分为海水、淡水和冰晶水；根据循环介质的分类将待测试的焊接管件分三组设置安装在试验台架上，通过中间连接管将每组的焊接管件之间依次相连，并连接至相应的水箱和循环水泵；

步骤2、启动循环泵，通过传感器模块检测每组焊接管件进出循环介质的温度和压力，并根据试验要求进行调整；

步骤3、待介质循环达到所设定时间后，停止循环泵，拆卸焊接管件；

步骤4、对拆卸出来的焊接管件进行切样处理，切取方向垂直焊接方向，所切试样包含焊缝区、母材区、热影响区，切样完成后，分为三批试样；

将第一批试样进行抛光、3%硝酸酒精溶液腐蚀处理以观察不同区域在试验后的金相组织变化；

将第二批试样进行抛光、环氧树脂封装处理以观察不同区域在试验后的开路电位、交流阻抗谱、极化曲线分析；

将第三批试样进行清洗、烘干处理以观察不同区域在试验后的微观形貌变化。