PID控制的埋地管线钢可变速率拉伸应力腐蚀试验装置

文档序号:33193788发布日期:2023-02-04 10:05阅读:48来源:国知局
PID控制的埋地管线钢可变速率拉伸应力腐蚀试验装置
pid控制的埋地管线钢可变速率拉伸应力腐蚀试验装置
技术领域
1.本发明涉及土壤腐蚀试验领域,具体为一种模拟阴极保护和硫酸盐还原菌(srb)作用下的基于pid控制的可变速率拉伸埋地管线钢应力腐蚀电化学试验装置。


背景技术:

2.随着我国能源消费的增长,埋地金属管线飞速发展,纵横交错的油气管网一旦发生腐蚀失效,则会影响能源供给,更会对环境甚至人身安全造成重大影响,并产生巨大的经济损失。应力腐蚀开裂(scc)是指处于特定腐蚀环境中的金属材料在拉应力的作用下发生的腐蚀开裂。由于其发生速度有时极快且没有预兆,因此被认为是各种金属管道腐蚀形式中破坏性最大的一种。因此,高强管线钢土壤环境scc受到研究人员的重视,成为了土壤腐蚀热点问题。而近年来的现场调查和实验室研究表明,土壤环境中的硫酸盐还原菌(srb)可以加速金属的腐蚀过程,且在应力作用下促进金属的开裂过程。
3.由于诸多客观因素的限制以及scc的复杂性,对埋地管线scc行为研究仅以实验室研究为主。为了准确评估管线钢在实际服役中的使用寿命,实验室通常采用应力腐蚀试验的手段来研究scc机理。恒应变速率试验法具有试验周期短,试验环境可以与材料实际服役环境相符等优点,因此在研究管线钢应力腐蚀机理上得到广泛的应用。
4.在恒应变速率试验过程中,需要控制恒定的应变速率加载作用于试样,应变速率是否恒定会直接影响试验结果的准确性。为了保证试样能被以恒定应变速率加载,需要应力腐蚀测试装置在试验过程中根据试样处于不同的拉伸阶段自动切换不同的拉伸速度。而目前国内外现有的实验室装置只能进行恒定应变速率加载,不能同时进行原位腐蚀分析实验。


技术实现要素:

5.为了克服现有试验装置的不足,本发明的目的在于提供一种模拟阴极保护(cp)和硫酸盐还原菌(srb)作用下的基于比例积分微分(pid)控制的埋地管线钢可变速率拉伸应力腐蚀电化学试验装置,该装置用于研究cp和srb作用下管线钢应力腐蚀开裂敏感性以及应力腐蚀过程的力-化效应和微区相电化学过程。
6.本发明的技术方案是:
7.一种pid控制的埋地管线钢可变速率拉伸应力腐蚀试验装置,该装置包括:电化学工作站、恒电位仪、固定端、力传感器、位移传感器、电解池、管线钢试样、pt电极、参比电极、石墨电极、工作台,具体结构如下:
8.电解池内装有土壤浸出液,参比电极、石墨电极和pt电极插装于电解池上盖板,参比电极、石墨电极和pt电极的下端伸入电解池的土壤浸出液中;管线钢试样沿水平方向穿设于电解池,管线钢试样的两端露出电解池外,恒电位仪通过一组三条线路分别与pt电极的上端、参比电极的上端、管线钢试样的一端连接,电化学工作站通过另一组三条线路分别与石墨电极的上端、参比电极的上端、管线钢试样的另一端连接;管线钢试样的一端与固定
端的一侧之间通过力传感器连接,管线钢试样的另一端直接与工作台的一侧连接,固定端与工作台之间安装位移传感器;
9.工作台的另一侧水平安装滚珠丝杠,电机依次通过行星齿轮减速箱、一级蜗轮蜗杆、传动轴、二级蜗轮蜗杆与滚珠丝杠连接;其中,电机的输出端安装行星齿轮减速箱,行星齿轮减速箱的输出端安装一级蜗轮蜗杆,一级蜗轮蜗杆的输出端通过传动轴与二级蜗轮蜗杆的输入端连接,二级蜗轮蜗杆的输出端与滚珠丝杠的一端连接,滚珠丝杠的另一端与工作台另一侧安装的丝杠螺母连接。
10.所述的pid控制的埋地管线钢可变速率拉伸应力腐蚀试验装置,pid控制器设置于位移传感器之后,pid控制器的输入端与位移传感器相连,pid控制器的输出端与电机相连。
11.所述的pid控制的埋地管线钢可变速率拉伸应力腐蚀试验装置,电解池上盖板设置取/进样孔,取/进样孔的尺寸为仅供毛细管伸入。
12.所述的pid控制的埋地管线钢可变速率拉伸应力腐蚀试验装置,取/进样孔通过管路连接气瓶、储液瓶,气瓶、储液瓶并联于管路上,气瓶所在的管路上设置第一单向止通阀,储液瓶所在的管路上设置第二单向止通阀。
13.所述的pid控制的埋地管线钢可变速率拉伸应力腐蚀试验装置,电解池上盖板设置原位观测窗口,原位观测窗口处安装单晶蓝宝石窗片,单晶蓝宝石窗片的上方设置共聚焦显微拉曼光谱仪。
14.所述的pid控制的埋地管线钢可变速率拉伸应力腐蚀试验装置,在直流伺服电机上设置光电编码器,集成有行星齿轮减速箱和光电编码器的直流伺服电机为机械加载单元提供动力,设置行星齿轮减速箱的减速増扭。
15.所述的pid控制的埋地管线钢可变速率拉伸应力腐蚀试验装置,还包括控制系统,通过滤波器将交流电源220v连接到24v直流电源上,为力传感器放大器、位移传感器放大器、直流伺服电机驱动器和分压器模块供电;通过力传感器放大器和位移传感器放大器给力传感器和位移传感器供电,并且将传感器信号进行放大;通过分压器模块给限位开关供电,分压器模块的信号输入端与限位开关连接,分压器模块的信号输出端与数据采集卡连接;电机驱动器的输出端和光电编码器的输入端分别与电机的电源端和光电编码器的输出端连接,电机驱动器的控制端与数据采集卡连接。
16.所述的pid控制的埋地管线钢可变速率拉伸应力腐蚀试验装置,上位机的输出端与数据采集卡连接,采用数据采集卡采集力传感器、位移传感器、直流伺服电机转速三个电压模拟信号和限位开关的数字信号、直流伺服电机驱动器的转速信号,由数据采集卡输出控制直流伺服电机的电压模拟信号。
17.所述的pid控制的埋地管线钢可变速率拉伸应力腐蚀试验装置,在工作台上设置限位开关,保证测试装置加载超出最大行程自动停止加载。
18.所述的pid控制的埋地管线钢可变速率拉伸应力腐蚀试验装置,数据采集卡采用外加设铜网方式屏蔽外界信号源干扰。
19.本发明的优点及有益效果是:
20.1、本发明实验装置由电化学工作站、恒电位仪、共聚焦显微拉曼光谱仪、力传感器及复合微电极(包括氧化还原微电极及ph微电极)等组成,通过电极电位、线性极化电阻(r
p
)、动电位极化扫描(tafel)和局部电化学阻抗谱(eis)测量可获得力化交互作用及对应
局部化学/电化学过程等信息,便于深入解析点蚀、微裂纹形核、萌生动力学过程。
21.2、本发明开发了原位光学观测窗口和恒载荷加载装置,实现了原位腐蚀形貌观测和拉曼光谱检测。
22.3、本发明实验装置用于cp和环境微生物耦合作用下,管线钢应力腐蚀过程的力化效应和微区相电化学过程。
23.4、本发明实验装置通过pid控制保证试样能被以恒定应变速率加载,需要应力腐蚀测试装置在试验过程中根据试样处于不同的拉伸阶段自动切换不同的拉伸速度。
24.5.本发明pid程控信号切换装置采用外加设铜网方式屏蔽外界信号源干扰。
25.6.本发明数据处理控制系统依据使用要求包括:包括24v直流电源、定时采点模块、滤波器、力传感器放大器、位移传感器放大器、直流伺服电机驱动器、分压器、集成总控制模块实现实验同步进行。
附图说明
26.图1为可变速率拉伸埋地管线钢应力腐蚀试验装置试样结构示意图。图中,1、电化学工作站;2、恒电位仪;3、第一单向止通阀;4、气瓶;5、储液瓶;6、第二单向止通阀;7、固定端;8、力传感器;9、位移传感器;10、电解池;11、管线钢试样;12、pt电极;13、取/进样孔;14、参比电极;15、石墨电极;16、单晶蓝宝石窗片;17、共聚焦显微拉曼光谱仪;18、工作台;19、滚珠丝杠;20、二级蜗轮蜗杆;21、传动轴;22、一级蜗轮蜗杆;23、行星齿轮减速箱;24、电机。
27.图2为pid控制方框图。
28.图3为控制系统工作原理图。
具体实施方式
29.如图1所示,本发明一种模拟阴极保护和硫酸盐还原菌(srb)作用下的基于pid控制的埋地管线钢可变速率拉伸应力腐蚀电化学试验装置,主要包括:电化学工作站1、恒电位仪2、第一单向止通阀3、气瓶4、储液瓶5、第二单向止通阀6、固定端7、力传感器8、位移传感器9、电解池10、管线钢试样11、pt电极12、取/进样孔13、参比电极14、石墨电极15、单晶蓝宝石窗片16、共聚焦显微拉曼光谱仪17、工作台18、滚珠丝杠19、二级蜗轮蜗杆20、传动轴21、一级蜗轮蜗杆22、行星齿轮减速箱23、电机24等,具体结构如下:
30.电解池10内装有土壤浸出液,参比电极14、石墨电极15和pt电极12插装于电解池10上盖板,参比电极14、石墨电极15和pt电极12的下端伸入电解池10的土壤浸出液中。电解池10上盖板设置取/进样孔13,通过取/进样孔13可以进行取/进液(气),取/进样孔13的尺寸为仅供毛细管伸入,实现长期实验过程中土壤溶液更换与补充。取/进样孔13通过管路连接气瓶4、储液瓶5,气瓶4、储液瓶5并联于管路上,气瓶4所在的管路上设置第一单向止通阀3,储液瓶5所在的管路上设置第二单向止通阀6。电解池10上盖板设置原位观测窗口,原位观测窗口处安装单晶蓝宝石窗片16,单晶蓝宝石窗片16的上方设置共聚焦显微拉曼光谱仪17。
31.管线钢试样11沿水平方向穿设于电解池10,管线钢试样11的两端露出电解池10外,恒电位仪2通过一组三条线路分别与pt电极12的上端、参比电极14的上端、管线钢试样11的一端连接,电化学工作站1通过另一组三条线路分别与石墨电极15的上端、参比电极14
的上端、管线钢试样11的另一端连接。管线钢试样11的一端与固定端7的一侧之间通过力传感器8连接,管线钢试样11的另一端直接与工作台18的一侧连接,固定端7与工作台18之间安装位移传感器9,工作台18的另一侧水平安装滚珠丝杠19,电机24依次通过行星齿轮减速箱23、一级蜗轮蜗杆22、传动轴21、二级蜗轮蜗杆20与滚珠丝杠19连接。其中,电机24的输出端安装行星齿轮减速箱23,行星齿轮减速箱23的输出端安装一级蜗轮蜗杆22,一级蜗轮蜗杆22的输出端通过传动轴21与二级蜗轮蜗杆20的输入端连接,二级蜗轮蜗杆20的输出端与滚珠丝杠19的一端连接,滚珠丝杠19的另一端与工作台18另一侧安装的丝杠螺母连接。
32.pid控制器设置于位移传感器之后,pid控制器与输入端与位移传感器相连,输出端与电机相连。
33.如图2所示,本发明采用模糊比例微分积分(pid)控制系统实现应力腐蚀过程中的应变速率控制,pid控制原理如下:将设定值应变速率与实时应变速率反馈值做差,得到的偏差作为pid控制器的输入,pid控制器再将该偏差进行比例、积分和微分操作,并且将三者线性相加作为pid控制器的输出作用于控制对象。
34.如图1、图3所示,本发明管线钢应力腐蚀机械加载与电控过程如下:
35.本发明通过行星齿轮减速箱23减速増扭,在直流伺服电机上设置光电编码器,光电编码器实时反馈电机的转速,将两者集成的直流伺服电机为机械加载单元提供动力。直流伺服电机提供的动力经过行星齿轮减速箱23和两级蜗轮蜗杆(一级蜗轮蜗杆22、二级蜗轮蜗杆20)传递到滚珠丝杠19,将旋转运动转化为直线运动,与工作台18装配在一起丝杠螺母带动工作台18实现管线钢试样11的加载拉伸,并在工作台上设置限位开关,保证测试装置加载超出最大行程自动停止加载。通过滤波器将交流电源220v连接到24v直流电源上,为力传感器放大器、位移传感器放大器、直流伺服电机驱动器和分压器模块供电;同时,交流电源220v与数据采集卡连接,其作用是:为数据采集卡模块供电。通过力传感器放大器和位移传感器放大器给力传感器和位移传感器供电,并且将传感器信号进行放大。通过分压器模块给限位开关供电,分压器模块的信号输入端与限位开关连接,分压器模块的信号输出端与数据采集卡连接。电机驱动器的输出端和光电编码器的输入端分别与电机的电源端和光电编码器的输出端连接,电机驱动器的控制端与数据采集卡连接,其作用是:电机驱动器给直流伺服电机供电,采集卡采集力、位移和转速三个电压模拟信号和限位开关的数字信号,输出控制直流伺服电机的电压模拟信号。
36.上位机的输出端与数据采集卡连接,其作用是:将输出信号由数据采集卡进行采集。采用数据采集卡采集力传感器、位移传感器、直流伺服电机转速三个电压模拟信号和限位开关的数字信号、直流伺服电机驱动器的转速信号由数据采集卡输出控制直流伺服电机的电压模拟信号,数据采集卡采用外加设铜网方式屏蔽外界信号源干扰。
37.管线钢应力腐蚀化学环境的微电极原位测试:
38.通过电解池10上所开设的取/进样孔13,采用微电极原位测试、微管取液样分析等方法,利用紫外分光光度计和毛细管电泳技术测量土壤溶液中的cl-、so
42-等离子浓度以及微生物数量,综合分析微生物和阴极保护作用下管线钢应力腐蚀过程中化学环境及演化过程。
39.腐蚀电化学过程测试:
40.利用开路电位(ocp)、线性极化(lpr)、电化学阻抗谱(eis)和快慢扫动电位极化曲
线测试(tafel)等电化学方法,研究阴极保护和微生物耦合作用下管线钢应力腐蚀的电化学动力学参数,确定腐蚀过程中阳极、阴极反应的动力学过程,裂纹尖端的动力学信息,获得电位分布、腐蚀速率、腐蚀电流等关键参数的时-空分布规律。
41.电化学过程腐蚀产物分析:
42.通过原位观测窗口采用共聚焦显微拉曼光谱原位实现管线钢应力腐蚀过程中的原位光学观测和原位拉曼光谱腐蚀产物成分检测,分析应力腐蚀机制。
43.结果表明,本发明采用比例微分积分(pid)控制系统实现应力腐蚀过程中的应变速率控制,可用于研究阴极保护和微生物耦合作用下,管线钢动态载荷及慢应变应力腐蚀过程的力化效应和相电化学过程。
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