干湿交替下的海洋结构物应力腐蚀试验装置的制作方法

本发明涉及一种海洋结构物在干湿交替和应力耦合条件下的腐蚀试验装置，利用该装置可以模拟在飞溅区和潮差区干湿交替环境下的承受拉、压、弯载荷的海洋结构物腐蚀规律，该装置适用于实验室模拟小尺寸试样在外界载荷(如自重引起平台支柱压力和浮力引起立管拉伸应力)和海水干湿交替共同作用引起的周浸应力腐蚀。

背景技术：

腐蚀广泛存在于金属材料中，对于长期曝露于腐蚀性环境的钢制机械设备、海洋平台，腐蚀无疑成为结构失效的最主要因素。对于海洋立管，由于顶部张紧器和自重会导致立管在轴向承受拉伸载荷，而对于海洋平台支柱，由于自重又会引起构件承受压缩载荷，由于风浪等原因，浮式海洋平台在水面以上接近水面位置的结构表面会出现干湿交替的情况，对于导管架平台由于潮汐、风浪，水面处的结构表面也会出干湿交替，根据实海挂片试验，研究表明，飞溅区的腐蚀是最严重的，但是挂片试验与实际承受复杂载荷的海洋结构不符，忽略了力学因素对腐蚀的影响，仅考虑化学因素和干湿交替的影响，因此设计一套能同时考虑力学因素、化学因素以及干湿交替环境特点的试验装置很有必要。

随着海洋油气的大力开发，海洋平台成为深海油气开采的重要载体，钢制管件结构在油气运输中也得到广泛的应用，腐蚀成为导致海洋结构物丧失承载力，管道针孔型泄漏的主要诱因。对于海洋平台、立管结构，由于波浪流和结构自重的作用，结构普遍处于复杂的受力状态，因此应力腐蚀(SCC)是海洋结构物的基本腐蚀类型。此外水面以上近水面位置的飞溅区，由于海水充分充气，以及波浪冲刷和太阳曝晒，导致结构表面出现干湿交替，这进一步加速了腐蚀。因此要准确研究水面处海洋结构物的腐蚀特性，设计合理的应力加载装置以及干湿交替环境的模拟是必要的。本发明装置主要用于实验室小尺寸结构在干湿交替环境下的应力腐蚀试验，用于模拟飞溅区实际海洋结构的腐蚀工况，进而探究干湿交替下的应力腐蚀机理。现今国内外能模拟干湿交替和应力腐蚀联合作用的试验装置方面的研究仍较为匮乏，已有相关疲劳腐蚀装置不足之处主要有：

1.结构功能单一，应力环境模拟功能匮乏，干湿交替环境模拟机构复杂，如申请号为CN201520411083.3的“一种海洋金属材料周浸应力腐蚀试验箱”，以及申请号为CN201310686889.9的“恒拉力条件下的间浸腐蚀试验方法及其设备”；

2.仅能模拟干湿环境交替，忽略了力学因素的影响，如申请号为CN200720187751.4的“一种可用于海水间浸腐蚀的可调转速试验装置”；

3.设备庞大，加载机构复杂，如申请号为CN201610177838.7的“模拟耐候钢在高湿热海洋大气中腐蚀的方法”。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种可用于实验室模拟干湿交替环境下的海洋结构物应力腐蚀试验加载装置。该装置可以实现拉、压、两点弯曲载荷模拟，结合腐蚀介质以及干湿交替循环机构，可实现飞溅区、潮差区海洋结构物的干湿交替应力腐蚀试验，本发明的技术方案如下：

一种干湿交替环境下的海洋结构物应力腐蚀试验装置，包括电机，支撑系统2，带有进水管和出水管的腐蚀水箱3-1，轮毂4和传动系统5，其中，

电机的输出轴上连接有加速滑轮1-1和减速滑轮1-2；

支撑系统包括2个竖立于腐蚀水箱3-1两侧的吊臂2-1、轮毂转轴2-2、传动转轴2-3，在所述的两个吊臂的下部和上部分别开设有用于容纳所述的两个转轴的圆形孔槽，传动转轴2-3位于水箱上方并与两个吊臂上部相连，轮毂转轴2-2位于腐蚀水箱3-1内并与两个吊臂下部相连；

轮毂4包括两个固定连接在轮毂转轴2-2上的轮盘4-4、4-11，两个轮盘通过多个横撑4-3进行紧固连接，试样或者固定在两个轮盘之间或者固定在一个轮盘上；

在传动转轴2-3上固定连接有两个不同半径的传动滑轮5-1、5-2，在轮毂转轴2-2上固定连接有两个不同半径的从动滑轮5-3、5-4，通过选取和连接减速滑轮1-2和加速滑轮1-1中的一个以及相应的传动滑轮和从动滑轮，实现轮毂4不同的转速，从而使得固定在轮盘4-4、4-11上的试样在腐蚀水箱3-1里的溶液中周期性浸泡，从而模拟干湿交替环境。

作为优选实施方式，所述的试样为压缩试样4-6，压缩试样4-6的一端固定在一个轮盘上，另一端设置有螺纹并穿过开设在另一个轮盘上的通孔，在压缩试样4-6上靠近通孔的内侧设置有弹簧4-10和螺母4-9，旋转螺母4-9能够使得第一弹簧处于压缩状态，进而给压缩试样4-6施加轴向压缩载荷。

所述的试样为拉伸试样4-15，拉伸试样4-15的一端固定在一个轮盘上，另一端设置有螺纹并穿过开设在另一个轮盘上的通孔，在拉伸试样4-15上靠近通孔的外侧设置有弹簧4-14和螺母4-13，旋转螺母4-13能够使得弹簧4-14处于压缩状态，从而给拉伸试样4-15施加轴向拉伸载荷。

所述的试样为弯梁试样4-8，其两端分别固定在一个轮盘上，在试样上实现弯矩加载。

本发明可用于实验室海洋立管疲劳外腐蚀试验，具有以下优点：

(1)设备简易，原理简单，制作成本低；

(2)本装置采用机械加载，加载机构简单，性能可靠，根据需要可改变滑轮组合，实现不同的干湿交替加载频率，此外通过改变液面高度改变干湿比；

(3)本装置可实现干湿交替和应力腐蚀联合作用模拟，以准确考虑实际海洋结构物的工况，更准确的探究腐蚀规律。

附图说明：

图1整体布置图

图中标号说明：1—电机系统；2—支撑系统；3—腐蚀水箱系统；4—轮毂；5—传动系统。

图2整体布置细节细节

图中标号说明：1—电机系统；2—支撑系统；4—轮毂；5—传动系统。

图3电机系统示意图

图中标号说明：1-1—加速滑轮；1-2—减速滑轮；1-3—电机；1-4—腹板；1-5—横梁。

图4拉压疲劳加载机构示意图

图中标号说明：2-1—吊臂；2-2—转轴；2-3—转轴。

图5拉压疲劳加载机构示意图

图中标号说明：3-1—PVC腐蚀水箱；3-2—进水管；3-3—出水管。

图6拉压疲劳加载机构示意图

图中标号说明：4-1—垫片；4-2—螺母；4-3—横撑；4-4—轮盘；4-5—螺母；4-6—压缩试样；4-7—孔槽；4-8—弯梁试样；4-9—螺母；4-10—弹簧；4-11—轮盘；2-2—转轴；4-13—螺母；4-14—弹簧，4-15—拉伸试样。

图7拉压疲劳加载机构示意图

图中标号说明：5-1—减速滑轮；5-2—加速滑轮；5-3—减速滑轮；5-4—加速滑轮。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述：

如图1-7所示，腐蚀外形测绘装置主要包：括电机系统1，支撑系统2，腐蚀水箱系统3，轮毂4和传动系统5。

本发明的干湿交替环境下的海洋结构物应力腐蚀试验装置，包括电机系统1，支撑系统2，腐蚀水箱系统3，轮毂4和传动系统5。该装置可用于对试样4-6、4-8、4-15进行试验(仅列举三个有代表性的试样形式，其余不再赘述)；电机1-3通过腹板1-4进行支撑定位，整个结构位于横梁1-5上，电机轴上有加速滑轮1-1和减速滑轮1-2；支撑系统包括2个和2-1一样的吊臂，转轴2-2和转轴2-3，横梁1-5紧固连接在两个吊臂之间，转轴2-2、2-3可通过吊臂2-1上的圆形孔槽转动；腐蚀水箱3-1用于存放腐蚀性溶液，进水管3-2用于添加溶液，出水管3-3用于排出溶液，通过进水管和排水管，可使溶液的离子浓度保持不变以及控制溶液的液面高度，进而改变试样浸泡的干湿比。轮盘4-4和轮盘4-11通过环向6个和横撑4-3一致的圆柱进行紧固连接，每个横撑间隔60°。试样4-6(4-15)穿过轮盘4-4上的螺孔，用螺母4-9(4-13)和弹簧4-10(4-14)进行恒载荷压缩(拉伸)加载，弯梁试样4-8通过轮盘4-4上的孔槽4-7进行定位，并施加恒挠度的弯曲载荷；转盘4-4和4-11和转轴2-2是一体的，通过转盘4-4和4-11的旋转，使试样周期性的浸泡在试验溶液中，模拟干湿交替的环境，加上试样上的应力环境进而模拟实际飞溅区海洋结构物的周浸应力腐蚀；滑轮5-1～5-4位于转轴2-2和2-3上，通过不同的组合可实现不同的转速，其中：

干湿交替环境的模拟是通过轮毂4的转动实现的，转轴2-2受滑轮5-3或5-4的驱动带动轮毂4转动，使轮毂4上的试样在溶液中周期性浸泡。通过调整液面高度可实现不同的干湿比模拟，通过传动系统的不同组合可实现不同的转速，实现变速浸泡模拟。如当滑轮1-1与5-2连接，5-1与5-4连接组合时，这时通过两级加速可实现高频干湿交替浸泡模拟；当滑轮1-2与5-1连接，5-2与5-3连接组合时，这时通过两级减速可实现低频干湿交替浸泡模拟。

在调整好干湿交替频率后，通过轮毂4上的应力加载机构可实现结构物不同的受力状态模拟：

恒载荷拉伸模拟时，试样4-15左端通过螺母4-2进行定位，螺母与转盘4-4之间有垫片4-1，右端通过螺母4-13和弹簧4-14进行加载，加载时，通过旋紧螺母4-13，使弹簧4-14处于压缩状态，则由于弹簧的反力会给试样4-15施加一个同等大小的拉伸载荷，载荷值可根据校准弹簧刚度和位移进行确定。

恒载荷压缩模拟时，试样4-6左端通过螺母4-5进行定位，右端通过螺母4-9和弹簧4-10进行压缩加载，加载时，通过旋紧螺母4-9，则弹簧4-10会推动螺母4-9给试样4-6施加一个恒定的压缩载荷。

本装置还可以进行两点弯曲模拟，弯曲加载模拟时，通过卡槽4-7使试样4-8顶紧在轮盘4-4和4-11之间，挠度的不同可通过改变试样长度实现。