直压式管道涂层耐划伤性能测试仪的制作方法
【专利摘要】本发明是一种适用于管道防腐层耐划伤性能测试的直压式管道涂层耐划伤性能测试仪。它包括机械和电子部分；机械部分的主要部件包括测试平台、划伤头、直压配重加载机构、传动机构四部分；传动机构安装在测试平台的一边，直压配重加载机构安装在测试平台的顶部，划伤头安装在配重加载机构铁杆的下部顶端；电子部分包括测重模块、配重数据采集模块、接口模块、电源模块、划伤探头、步进电机控制器和步进电机；划伤探头上的压力传感器输出接A/D转换器，A/D转换器的输出接控制器的输入，控制器的输出接步进电机控制器的输入，步进电机控制器的输出接步进电机。本发明适应于不同管径、不同壁厚和不同防腐层结构，方便易行，耐用，维护率低。
【专利说明】直压式管道涂层耐划伤性能测试仪
【技术领域】
[0001] 本发明是一种适用于管道防腐层耐划伤性能测试的直压式管道涂层耐划伤性能 测试仪。涉及金属材料的一般防蚀、其它类不包括的测试和管道系统【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 耐划伤性能作为衡量防腐涂层性能的重要指标之一，主要用于比较不同防腐层之 间抗机械损伤的性能。近年来对在役管道进行开挖检测时，发现诸多由于防腐层失效所导 致的管体腐蚀现象。快速的腐蚀不但影响了管道的质量和使用寿命，而且给生产运行管理 留下了巨大的安全隐患。管道外防腐层是保证长输管道免受外界环境对管道造成腐蚀的最 重要手段之一。因此，迫切需要在管道建设时期提高现场及实验室的防腐质量检测水平，对 防腐层相关性能进行科学有效的评价，以保证管体埋地后的防腐质量，防范于未然。
[0003] 不同生产厂家、不同工艺及不同材料的耐划伤性难免存在一定差异，从而管道在 运输、安装、穿越、回填以及服役过程中，管体涂层损伤的程度也不同。如何选择具备优异耐 划伤性能的管道外防腐层，对于能否提高管道外防腐层的抗腐蚀性能具有重要意义，也是 长输管道能否在其长期的服役过程中安全运营的基本保障之一。为此，有必要研制一套用 以准确评估防腐层耐划伤性能的测试设备用以评估防腐层耐划伤性能。
[0004] 目前国外的相关测试方法主要有国际标准IS01518 :1992《漆膜和清漆刮痕测试》 (International standard IS01518:1992E Paints and varnishes-Scratch test)和美国 腐蚀工程师协会标准NACE STG35/TG034《管道外涂层耐划伤测试》(NACE STG35/TG034Gouge test external pipeline coatings)。国内的耐划伤测试方法主要有QCNPC38-2002《埋 地钢质管道双层熔结环氧粉末外涂层技术规范》、SY/T4113- 2007《防腐涂层的耐划伤试验 方法》，它们对涂层的耐划伤性能试验方法进行了详细的规定，但是都没有对测试仪器进行 描述。
[0005] CN202599778U公开了一种管道涂层耐划伤性能测试仪，但性能不够理想。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是发明一种适应于不同管径、不同壁厚和不同防腐层结构、方便易 行、耐用、维护率低的直压式管道涂层耐划伤性能测试仪。
[0007] 本发明由机械和电子部分组成。机械部分的构成如图1-图4所示，主要部件包 括测试平台、划伤头、直压配重加载机构、传动机构四部分。传动机构安装在测试平台的一 边，直压配重加载机构安装在测试平台的顶部，划伤头安装在配重加载机构铁杆的下部顶 端。电子部分包括测重模块、配重数据采集模块、接口模块、电源模块、划伤探头、步进电机 控制器和步进电机；划伤探头上的压力传感器输出接A/D转换器，A/D转换器的输出接控制 器的输入，控制器的输出接步进电机控制器的输入，步进电机控制器的输出接步进电机；控 制器有键盘、存储器、串口和并口；电源模块接控制器。串口和并口为接口模块；压力传感 器和A/D转换器为配重数据采集模块；有按钮、存储器的控制器为测控模块；
[0008] 划伤探头上的压力传感器将测得的信号经A/D转换器转换为数字信号后输给控 制器，经控制器后控制步进电机；电源模块为控制器供电。
[0009] 具体包括测试平台1、步进电机及连轴器2、试验滑动台3、气动支架4、支撑架5、 压力传感器及划伤头固定块6、配重7、导轨8、丝杠9、联轴器10和金属网眼防护罩11、控 制盒12、控制按钮13、皮带轮14。步进电机及连轴器2、试验滑动台安装在测试平台1的一 边，控制部分安装在测试平台1的另一边，配置加载机构8安装在测试平台1的中间顶部 位置，划伤头安装在配重加载机构8中铁杆的下部顶端。
[0010] 所述测试平台1为矩形体，使用钢架结构；
[0011] 所述传动部分包括步进电机及连轴器2和联轴器10,步进电机及连轴器2位于皮 带轮的下方，联轴器10位于皮带轮的上方，将步进电机2与丝杠9连接，丝杠9从两导轨8 之间伸至测试平台1的另一侧，用以输出稳定的划伤速率，以保证测试标准要求的划伤速 度；
[0012] 所述直压配重加载机构包括气动支架4、试验滑动台3、支撑架5 ;4个支撑架5分 别在加载部分边缘的4个脚，用于支持直压配重加载机构；2个气动支架4位于加载机构的 侧面边缘中间，用压力传感器测得加载重量后，由气泵加压后的压力进入气动支架4来调 节配重上升或下降的高度，使划伤头固定块始终处于合适的划伤位置；气动支架4可调节 上下升降高度，通过不同高度的调节以保证不同厚度样品测试时划伤头始终垂直于试件表 面；
[0013] 所述划伤头包括压力传感器及划伤头固定块6,压力传感器及划伤头固定块6安 装在配重加载机构7中铁杆的下部，之间有螺丝将划伤头和铁杆固定在一起，铁杆用于固 定划伤头结构及配重；
[0014] 所述导轨8及测试平台1结构为：在测试平台1两边下方有两条平行的导槽，试验 滑动台1固定于双平行直线导轨8的上部，导轨8横截面上部为向下开口的六边形，开口边 向外下滑过渡到下方座，这样的结构增加了滑动平台的稳定性。
[0015] 加载部分通过标明重量的哑铃片垂直给划块部分一个可以测量的正压力，该力垂 直于正下方的测试样品表面。重物直压下的划伤头上要可夹装不同尺寸的划针，划针在所 规定的压力和样品位移条件下对测试样品表面产生破坏性划痕。测试样品被固定在测试平 台上，通过控制部分对试验的测试参数进行调节后，测试平台由传动部分来完成划伤的过 程，整个台架可根据测试样品形状的不同进行调节。
[0016] 本发明的电路部分的原理框图见图5。划伤探头上的压力传感器输出接A/D转换 器，A/D转换器的输出接控制器的输入，控制器的输出接步进电机控制器的输入，步进电机 控制器的输出接步进电机；控制器有键盘、存储器、串口和并口；电源模块接控制器。串口 和并口为接口模块；压力传感器和A/D转换器为配重数据采集模块；有按钮、存储器的控 制器为测控模块。
[0017] 划伤探头上的压力传感器将测得的信号经A/D转换器转换为数字信号后输给控 制器，经控制器后控制步进电机；电源模块为控制器供电。
[0018] 所述配重数据采集电路如图6所示，以选用AD7781/20Bits为例，外接接头P5的 第四管脚与压力传感器相连接，用于接收压力变换时的电压，管脚3与数字地相接，2、3管 脚分别与数模转换器U7的5、6管脚相接，用于修正电压值；U7为采集电路的核心芯片数 模转换器，管脚1与单片机的时钟接口相接，管脚2用于输出压力的数字信号，与单片机AD DOUT管脚相接；管脚7与参考电压相接，管脚11接入5V的工作电压；
[0019] 所述电源模块电路如图7所示，以选用MC7805ACT为例，JP1为交流电接口，为系统 供220V的交流电压；U10为测控系统电压电路，主要功能是将220V交流电压转换为5V的 直流电压，为数字模块提供电压；
[0020] 所述USB接口转串口通信模块如图8所示，以选用CP2102为例，串口转USB的专用 芯片U3中管脚4、管脚5分别与USB接口的管脚4、管脚3输入、输出信号相连接，管脚25、 管脚26分别为串口接口提供读信号和写信号；
[0021] 所述测控单元模块如图9所示，U5以C8051单片机为例，管脚1、管脚2、管脚3、 管脚4分别与并口的TMS、TCK、TDI以及TD0管脚相连，用于并口通信写入测控程序；管脚 5与系统重启按钮相连接；管脚11与14相连接；管脚12、管脚15、管脚16、管脚17与参考 电压VREF连接；管脚26、管脚27分别与晶振相连接，用以提供时钟信号；管脚29-管脚36 分别与4*4的键盘连接；管脚37用于输入所需的3. 3V直流电压；管脚39、管脚40分别与 步进电机相连，用于提供电机的驱动信号及方向信号；管脚43-管脚46分别与AD转换器 AD_FILTER、AD_GAIN、AD_D0UT、AD_SCLK 管脚相连；管脚 59、管脚 60 分别与 EEPR0M 的 SCL、 SDA管脚相连，用于控制存储器的读取；管脚73-管脚80与步进电机各驱动口相接，用于提 供电机的时钟信号；管脚81-管脚88和管脚91 一管脚98分别与预留接口相接。
[0022] 本发明为管道防腐层耐划伤性能提供一种专用的自动化测试仪器，能够减小试验 人员劳动强度，提高工作效率。将自动化技术应用于阴极剥离试验中，实现自动实时在线监 测，且成本较低。该测试系统具有自动、连续、及时的特点，能够准确及时掌握耐划伤测试时 的状态，数据准确性、复现性高，为测试结果提供更为科学、客观准确的依据。本试验装置可 以在同一测试样品的不同位置多次测量，具有操作简单、压力准确稳定、重复性强、耐用、维 护率低等特点，能够更为高效、准确、客观地反映实验数据，提供评价测试涂层的耐划伤性 能好坏。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1直压式管道涂层耐划伤性能测试仪机械部分正视图
[0024] 图2直压式管道涂层耐划伤性能测试仪机械部分俯视图
[0025] 图3导轨8的侧面图
[0026] 图4导轨8的俯视图
[0027] 图5直压式管道涂层耐划伤性能测试仪电原理框图
[0028] 图6配重数据采集电路图
[0029] 图7电源模块电路图
[0030] 图8接口模块电路图
[0031] 图9测控模块电路图
[0032] 其中1 一测试平台 2-步进电机及连轴器
[0033] 3-试验滑动台 4 一气动支架
[0034] 5-支撑架 6-压力传感器及划伤头固定块
[0035] 7-配重 8-导轨
[0036] 9 一丝杠 10-联轴器
[0037] 11-金属网眼防护罩 12-控制盒
[0038] 13-控制按钮 14 一皮带轮
【具体实施方式】
[0039] 实施例.以本例来说明本发明的【具体实施方式】并对本发明作进一步的说明。本例 是一实验样机，其构成如图1-图4所示。包括测试平台1、步进电机及连轴器2、试验滑动 台3、气动支架4、支撑架5、压力传感器及划伤头固定块6、配重7、导轨8、丝杠9、联轴器10 和金属网眼防护罩11、控制盒12、控制按钮13、皮带轮14。步进电机及连轴器2、试验滑动 台安装在测试平台1的一边，控制部分安装在测试平台1的另一边，配置加载机构8安装 在测试平台1的中间顶部位置，划伤头安装在配重加载机构8中铁杆的下部顶端。
[0040] 机械部分的主要尺寸如下：
[0041] 耐划伤测试仪底箱尺寸为520mm*380mm*30mm ;测试平台尺寸为520mm*380mm ; 导轨尺寸为520mm*30mm ;滑动平台尺寸为250mm*170mm ;丝杆尺寸直径为21. 5mm，长度为 590mm ;气动支架高度为150mm，直径为25mm ;支撑架长度为190mm，直径为25. 1mm。
[0042] 本例的电路部分的原理框图见图5。划伤探头上的压力传感器输出接A/D转换器， A/D转换器的输出接控制器的输入，控制器的输出接步进电机控制器的输入，步进电机控制 器的输出接步进电机；控制器有键盘、存储器、串口和并口；电源模块接控制器。串口和并 口为接口模块；压力传感器和A/D转换器为配重数据采集模块；有键盘、存储器的控制器 为测控模块。
[0043] 配重数据采集电路如图6所示，电压模块电路如图7所示，USB接口转串口通信模 块如图8所示，测控单元模块如图9所示。选用的元器件如图所示。
[0044] 本例的具体技术参数如下：
[0045] 1.适应管径试件：0 100mm ?1000mm ;
[0046] 2.适应试件壁厚：6?35mm ;
[0047] 3.适应涂层类型：单层FBE、双层熔结环氧粉末、三层PE ;
[0048] 4.适应试件钢管：螺旋焊缝钢管、直焊缝钢管和无缝钢管；
[0049] 5.试件最大尺寸：200X200mm ;
[0050] 6.最大加载配重：70kg ;
[0051] 7.试件移动速度：200 ?600mm/min ；
[0052] 8.工作环境温度：一20?45°C。
[0053] 本例经试验，实现了自动实时在线监测，且成本较低。该测试系统具有自动、连续、 及时的特点，能够准确及时掌握耐划伤测试时的状态，数据准确性、复现性高。该设备操作 简单、耐用、维护率低，能够减小试验人员劳动强度，提高工作效率。
[0054] 直压型设备测试实例
[0055] 使用防腐层类型为双层环氧粉末防腐涂层，划伤头类型为R-35合金划伤头，试件 选用100X 100mm的管段试样。直压型设备对于两种不同双层环氧粉末测试数据如下：
[0056] 表1直压型设备对于不同双层环氧粉末测试数据
[0057]
【权利要求】
1. 一种适用于管道防腐层耐划伤性能测试的直压式管道涂层耐划伤性能测试仪，包括 机械和电子部分；电子部分包括测重模块、配重数据采集模块、接口模块、电源模块、划伤探 头、步进电机控制器和步进电机；划伤探头上的压力传感器输出接A/D转换器，A/D转换器 的输出接控制器的输入，控制器的输出接步进电机控制器的输入，步进电机控制器的输出 接步进电机；控制器有键盘、存储器、串口和并口；电源模块接控制器；串口和并口为接口 模块；压力传感器和A/D转换器为配重数据采集模块；有按钮、存储器的控制器为测控模 块；其特征是机械部分的主要部件包括测试平台、划伤头、直压配重加载机构、传动机构四 部分；传动机构安装在测试平台的一边，直压配重加载机构安装在测试平台的顶部，划伤 头安装在配重加载机构铁杆的下部顶端；具体包括测试平台（1)、步进电机及连轴器（2)、 试验滑动台（3)、气动支架（4)、支撑架（5)、压力传感器及划伤头固定块（6)、配重（7)、导 轨（8)、丝杠（9)、联轴器（10)和金属网眼防护罩（11)、控制盒（12)、控制按钮（13)、皮带轮 (14);步进电机及连轴器（2)、试验滑动台安装在测试平台（1)的一边，控制部分安装在测 试平台（1)的另一边，配置加载机构（8)安装在测试平台（1)的中间顶部位置，划伤头安装 在配重加载机构（8)中铁杆的下部顶端。
2. 根据权利要求1所述的直压式管道涂层耐划伤性能测试仪，其特征是所述测试平台 (1)为矩形体，使用钢架结构。
3. 根据权利要求1所述的直压式管道涂层耐划伤性能测试仪，其特征是所述传动部分 包括步进电机及连轴器（2)和联轴器（10)，步进电机及连轴器（2)位于皮带轮的下方，联 轴器（10)位于皮带轮的上方，将步进电机及连轴器（2)与丝杠（9)连接，丝杠（9)从两导轨 (8 )之间伸至测试平台（1)的另一侧。
4. 根据权利要求1所述的直压式管道涂层耐划伤性能测试仪，其特征是所述直压配重 加载机构包括气动支架（4)、试验滑动台（3)、支撑架（5);4个支撑架（5)分别在加载部分边 缘的4个脚；2个气动支架（4)位于加载机构的侧面边缘中间，用压力传感器测得加载重量 后，由气泵加压后的压力进入气动支架（4)来调节配重上升或下降的高度；能调节上下升 降高度的气动支架（4)，通过不同高度的调节使划伤头始终垂直于试件表面。
5. 根据权利要求1所述的直压式管道涂层耐划伤性能测试仪，其特征是所述划伤头包 括压力传感器及划伤头固定块（6)，压力传感器及划伤头固定块（6)安装在配重加载机构 (7)中铁杆的下部，之间有螺丝将划伤头和固定划伤头结构及配重的铁杆固定在一起。
6. 根据权利要求1所述的直压式管道涂层耐划伤性能测试仪，其特征是所述导轨（8) 及测试平台（1)结构为：在测试平台（1)两边下方有两条平行的导槽，试验滑动台（1)固定 于双平行直线导轨（8)的上部，导轨（8)横截面上部为向下开口的六边形，开口边向外下滑 过渡到下方座。
【文档编号】G01N3/56GK104062195SQ201310088435
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年3月19日 优先权日:2013年3月19日
【发明者】李睿, 刘国豪, 张鑫, 赵国星, 李荣光, 李云杰, 冯少广, 段瑞哲, 许铁, 张宏亮, 杨光, 杨磊, 施若思, 李章青 申请人:中国石油天然气股份有限公司