一种应力耦合作用下的微生物腐蚀电化学测试装置的制作方法

1.本发明涉及一种金属材料微生物腐蚀的电化学测试装置，具体涉及一种可以实现弯曲应力和微生物腐蚀环境共同作用下进行试样耐腐蚀性能测试的装置。


背景技术：

2.酸性油气田中含有大量的h2s、co2等腐蚀性介质，导致地面集输管线系统的腐蚀问题十分严重。此外，国内许多油气田的集输管线还面临着严重的微生物腐蚀（microbiologically influenced corrosion, mic）危害，由于腐蚀穿孔引起的集输管线失效而导致泄露、甚至爆炸等事故时有发生。油气集输系统中存在的多种微生物群落中，数量最多、危害最大的当属硫酸盐还原菌（sulfate reducing bacteria, srb），在美国油井的生产中，由硫酸盐还原菌造成的腐蚀达到77%以上，在硫酸盐还原菌的协同作用下，钢的腐蚀速率可增加15倍左右。
3.管线在服役过程中，除了受到腐蚀介质和微生物的危害外，应力作用也对管线的安全运行有重要的影响。特别是当管道发生局部弯曲变形时，更是成为其安全运行的薄弱环节，容易发生腐蚀破坏。由此，研究含腐蚀介质中应力和微生物共同作用对金属腐蚀行为的影响十分重要。但是，目前现有的电化学腐蚀测试装置罕有能够测量试样在含腐蚀介质的应力和微生物共同作用下的耐蚀性能。
4.如公开号cn107727564-《流动体系下金属微生物腐蚀的电化学测试装置》，是使微生物在金属表面聚集生长，对流动体系下金属材料的微生物腐蚀进行实时电化学测量；cn109507263-《微生物对接地金属材料的腐蚀试验系统》，公开了一种微生物对接地金属材料的腐蚀测试的试验系统；cn104458559-《应力-电化学腐蚀测试置》，是利用重物提供恒定拉力，研究不同温度下厌氧菌存在时的应力腐蚀情况；cn102590298-《利用电化学手段测试抗菌不锈钢耐微生物腐蚀性能的方法》，具体介绍了为一种利用电化学手段测试抗菌不锈钢耐微生物腐蚀性能的方法。此外，现有测试装置方法还存在诸多局限性：不便于拆卸和多次测量；试样工作面积手动密封方式处理，工作面积不精确，平行度差；装置的设计复杂，体积大，不易于携带。


技术实现要素：

5.为了克服现有微生物腐蚀测试装置无法同时耦合腐蚀介质下的弯应力作用、装置设计复杂、试样工作面积不精确、不易于拆卸的不足，本发明提供了一种含腐蚀介质和弯应力作用下微生物腐蚀电化学测试装置。该装置能够实现试样在弯曲应力作用下微生物腐蚀性能的测试，并且结构简单、试样工作面积确定、易携带和拆卸。
6.本发明所采用的技术方案为：一种应力耦合作用下的微生物腐蚀电化学测试装置，所述装置包括电化学工作站、弯曲加载夹具、腐蚀反应池和恒温箱；所述的腐蚀反应池呈倒“凹”字型，所述倒“凹”字形开口的表面（端面）固定安装弯
曲加载夹具；同时，倒凹字形开口的上表面开孔；开孔处安装有密封绝缘软垫片，密封绝缘软垫片的中间开孔，且形状尺寸与腐蚀反应池的开孔区域匹配；所述的弯曲加载夹具包括加载支架、加载杆和位于加载支架内部、且可上下移动的加载模块；其中，——所述的加载支架内部中空且上部敞口；上部敞口处相对的两侧具有向内相向凸出的支脚，所述支脚内侧端面（即远离反应池开孔的端面）固定至少一对对称设置的滚轴；——所述加载模块与开孔相对的端面开有至少一条或若干对称设置的凹槽，所述凹槽包括可容纳于其中的滚轴；——所述加载模块与加载杆连接，且加载模块随加载杆的动作仅可产生上下移动（而不产生水平位移）。
7.进一步地，加载杆转动时可驱动加载模块向上或向下移动。
8.进一步地，所述的加载支架通过至少一对紧固螺栓和紧固螺母固定在反应池倒凹字形开口的平面上。
9.进一步地，加载杆与加载模块之间采用螺纹连接，加载杆贯穿加载支架（下端面）设置。在此种情况下，加载杆仅可转动，而不产生相对于加载支架的相对（上下）位移。或者，加载杆下端（下部）通过螺纹连接于加载支架上，加载杆上端与加载模块之间固定连接，加载杆可在加载模块内转动，但不产生相对于加载模块的上下位移。其中，所述螺纹连接为本领域的常规结构。
10.进一步地，所述加载模块可以采用内部中空结构。
11.进一步地，密封绝缘软垫片的开孔与凹陷平面区域的开孔相匹配，是指二者开孔的开孔面积相差不大。
12.进一步地，加载支架支脚上所设置滚轴的长度应当大于或等于待测试样的宽度，支脚上滚轴的间距应当小于待测试样的长度。加载支架一侧的支脚可以为整体连续结构，或者为中部镂空结构。
13.进一步地，加载模块上设置滚轴（凹槽）的数量为一个以上，优选为两个以上。对于两个以上的滚轴（凹槽），其中最外侧的一对滚轴（凹槽）之间的间距应当小于加载支架支脚上凹槽（滚轴）之间的间距。通过加载支架支脚上设置的滚轴，以及加载模块上的凹槽及滚轴，加载夹具可以对试样实现四点弯曲、三点弯曲、u型弯曲等不同形式弯曲变形及应力加载。
14.进一步地，加载模块与加载支架支脚上滚轴之间用于放置待测试样。放置好待测试样后，根据需要，在加载模块上合适的凹槽处插入一个或一对滚轴。
15.进一步地，所述的滚轴可以由玻璃或陶瓷等具有一定刚度且不易产生变形的材质制成。滚轴优选为圆柱形结构。
16.进一步地，所述腐蚀反应池的上端面设有至少四个开口，四个以上开口优选在上端面上间隔设置。其中的两个开口分别设置盐桥和铂片，盐桥内连接参比电极。所述盐桥和铂片应当浸入反应池的反应溶液内。盐桥、铂片与反应池上端面之间密封固定。其中的另外一组开口分别可以为进气口和出气口、加药孔和取样口，所述进气口（加药口）用于往腐蚀反应池通入氮气、硫化氢、二氧化碳等气体或加注药液，所述出气口（取样口）用于排出气体
或取样。
17.进一步地，所述的盐桥和铂片应当设置在靠近加载试样与反应池中间开孔的部位。盐桥和铂片的下端应当与反应池倒凹字型开口平面上开孔在同一高度上。
18.进一步地，所述的密封绝缘软垫片可以由硅橡胶、聚烯烃类等弹性好、防水的材料制成。
19.进一步地，所述的腐蚀反应池和密封绝缘软垫片的开口为方型或圆形等形状，可方便地确定试样与反应溶液的接触面积。
20.进一步地，所述的电化学工作站包括辅助电极接口、工作电极接口和参比电极接口。其中，所述的铂片连接到工作站的辅助电极接口，夹具中加载试样连接到工作站的工作电极接口，参比电极连接到工作站的参比电极接口。
21.进一步地，所述的恒温箱用于容纳腐蚀反应池，用于保证测试环境的温度恒定，以研究不同温度下微生物对试样的腐蚀作用。恒温箱的侧壁设有小孔，用于将测试时腐蚀反应池上所需接入的管线与恒温箱外部设备相连。盐桥连接参比电极，铂片、加载夹具中的试样及参比电极分别连接到电化学工作站的各个电极接口。
22.进一步地，所述腐蚀反应池内可根据试验要求容纳氯化钾、盐酸等各类溶液介质。
23.本发明中，所述试样在夹具内经弯曲加载变形，通过固定器将夹具固定在腐蚀反应池下部倒“凹”字型开口的平面上，使夹具中试样与腐蚀反应池的软垫片紧密接触并保证试样加载应力恒定。
24.所述腐蚀反应池内可根据试验要求加入经特定细菌接种的培养液。
25.所述进气口可通入氮气、硫化氢、二氧化碳等气体。
26.所述的加药孔中可投入特定细菌的杀菌剂。
27.本发明还提供了一种应力耦合作用下的微生物腐蚀电化学测试方法，其中应用了前面所述的测试装置。
28.与现有技术相比，本发明的测试装置具有以下有益效果：1、本发明通过在腐蚀反应池和加载夹具中引入螺栓结构，可使加载夹具通过固定紧固螺栓固定在腐蚀反应池的相应位置，方便加载夹具在反应池上进行加载和腐蚀反应池的固定放置，可保证试样与垫片接触后的受力不变且稳定，能够更加准确的确定对试样所施加的载荷值。加载方式可选择手动机械式加载，也可以引入电机和应力传感器等进行电动机械式加载。
29.2、通过在加载支架下部支脚上设置的凹槽、凹槽中设置的滚轴，以及加载模块下端面的凹槽以及可插置的滚轴，加上该滚轴采用绝缘材料制成，可以确保加载模块能够对试样施加弯曲应力，同时又不与试样直接接触，从而保证了试验数据的准确性。
30.3、针对现有技术的不足，本发明提供了可用于弯曲应力下微生物腐蚀的电化学评价装置，弥补了现有技术的不足。同时，本发明的测试装置在使用时，装配试样过程时无需做防水密封处理，试样工作面积无需每次手动密封处理，同时工作面积精确，平行度高。此外，本发明的装置还具有拆卸方便、易于携带、设计简单，体积小的优点。
附图说明
31.图1为本发明微生物腐蚀电化学测试装置的主视剖视图。
32.图2为本发明装置中腐蚀反应池的左视图。
33.图3为本发明装置中腐蚀反应池的俯视图。
34.图中装置构成为：1-电化学工作站，2-恒温箱，3-腐蚀反应池，4-凹槽，5-加载杆，6-加载支架，7-加载模块，8-滚轴，9-试样，10-开口垫片，11-紧固螺母，12-紧固螺栓，13-参比电极，14-盐桥，15-铂片，16-（加载支架）支脚，17-参比电极接口，18-辅助电极接口，19-进气口（加药孔），20-出气口，21-腐蚀反应池底部开孔。
具体实施方式
35.为使本发明的目的、技术方案及特点更加明确，现结合附图及实施方式对本发明做进一步详细的阐述。需说明的是，所描述的实施例仅为本发明的部分实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。
36.如图1、2和3所示，本发明的测试装置包括电化学工作站1、恒温箱2、腐蚀反应池3、加载夹具。腐蚀反应池3呈倒“凹”字型，倒“凹”字形开口的端面固定安装弯曲加载夹具，倒凹字形开口的上表面具有开孔21。开孔处安装有密封绝缘的开口垫片10，密封绝缘软垫片的中间开孔，且形状尺寸与腐蚀反应池的开孔匹配。
37.将紧固螺母11穿过腐蚀反应池3底部相应的开口处，通过紧固螺栓12将弯曲加载夹具（加载支架6）固定在腐蚀反应池3的中间底部。
38.弯曲加载夹具包括加载支架6、加载杆5和位于加载支架内部、且可上下移动的加载模块7。加载支架6内部中空且上部敞口；上部敞口处相对的两侧具有向内相向凸出的16支脚，支脚16内侧端面（即远离反应池开孔的端面）固定至少一对对称设置的滚轴8。加载模块与开孔相对的端面开有至少一条或若干对称设置的凹槽4，所述凹槽包括可容纳于其中的滚轴8。加载模块与加载杆可以通过螺纹连接，且加载模块随加载杆的动作仅可产生上下移动（而不产生水平位移）。优选地，加载杆5转动时，可驱动加载模块7向上或向下移动。
39.试样9通过放置在凹槽内的圆柱滚轴8固定在加载支架6中。试样9与腐蚀反应池3间设有开口垫片10，开口垫片10中间设有开口，试样9的中间受力部分通过开口与腐蚀反应池3中的腐蚀溶液接触。通过旋转加载杆5使夹具的加载模块7向腐蚀反应池3开口方向移动，给试样9进行加载。
40.腐蚀反应池3上部设有多个孔洞，包括进气口（加药口）19可通入硫化氢、二氧化碳等腐蚀气体（加入特定杀菌剂）；出气口20用于通入溶液中的气体的排出，参比电极插口17放置盐桥14和参比电极13，辅助电极插口18放置铂片15，盐桥14和铂片15靠近加载试样9放置，将参比电极13、铂片15和加载试样9分别与电化学工作站1中的参比电极接口、辅助电极接口和工作电极接口相连接。
41.本发明中，反应液中还可以包括微生物培养液。如，所选取微生物可以为硫酸盐还原菌（srb），菌种的培养采用api推荐的液体培养基和实验条件。由于srb最适宜生长环境ph值为7.0-7.5，因此培养基使用氢氧化钠溶液调节ph值至7.2。使用前，srb培养基用氮气除氧1h，将培养基密封置于高温高压灭菌锅中高温121℃+15psi灭菌20min。在厌氧手套箱中将细菌接种到培养液中，放置于38℃生化培养箱中进行富集培养。将培养液加入到腐蚀反应池3中，实验时将腐蚀反应池3放置于38℃恒温箱2中。可根据试验需要分别测量开路电
位、极化曲线和交流阻抗（eis）等数据结果。试验测试后，对试样9进行及时处理，包括固定腐蚀产物进行宏观照片观察，喷金处理进行扫描电子显微镜观察，表面细菌浓度测量和试样9点蚀及深度测量等。