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一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置

阅读：504发布：2021-02-27

IPRDB可以提供一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型公开了一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置，该装置由腐蚀测试单元、流速(转速)控制单元和温度控制单元三部分组成，其中所述腐蚀测试单元由安装在试样圆盘上的研究电极和固定在耐海水容器顶盖板上的参比电极、辅助电极组成，所述研究电极通过设置在试样圆盘圆周上的安装槽固定在试样圆盘的圆周上，所述辅助电极为环形铂金丝或网，设置在试样圆盘外围，所述参比电极沿着试样圆盘圆周均匀分布。此装置可自动控温，流速连续无级可调，可同时实现腐蚀失重与各种电化学联机测试，结构简单、操作方便、经济实用，是研究流动冷却海水体系中金属腐蚀规律和机理以及寻求有效防腐途径的可靠试验装置。，下面是一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置，该装置由腐蚀测试单元、流速控制单元和温度控制单元三部分组成，其特征在于，其中：所述流速控制单元由变频调速箱、电机、转轴和试样圆盘构成，所述试样圆盘的中部与转轴的一端连接并固定，所述转轴的另一端与电机连接并固定，所述电机与变频调速箱连接；

所述温度控制单元包括恒温水浴控温系统、耐海水容器，所述耐海水容器的内壁上设置有挡板，其整体放置于恒温水浴控温系统中；

所述腐蚀测试单元由安装在试样圆盘上的研究电极和固定在耐海水容器顶盖板上的参比电极、辅助电极组成，所述三种电极构成三电极体系并连接到外部腐蚀测试仪器上；所述研究电极通过设置在试样圆盘圆周上的安装槽固定在试样圆盘的圆周上，其信号导线通过试样圆盘的中空区，进入转轴的中间空心，再通过电刷将信号输出，所述参比电极沿着试样圆盘圆周均匀分布，所述辅助电极为环形并环绕在试样圆盘的外围，下端固定在耐海水容器底部挡板架上。

2.根据权利要求1所述的一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置，其特征在于，所述电机和转轴之间通过销键连接，所述转轴和试样圆盘通过螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置，其特征在于，所述参比电极为带鲁金毛细玻璃管的饱和甘汞电极，其数量设置为3个～9个。

4.根据权利要求1所述的一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置，其特征在于，所述参比电极为带鲁金毛细玻璃管的饱和甘汞电极，其数量设置为3个～5个。

5.根据权利要求1所述的一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置，其特征在于，所述参比电极为带鲁金毛细玻璃管的饱和甘汞电极，其数量设置为3个。

6.根据权利要求1所述的一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置，其特征在于，所述辅助电极为环形铂金丝或网。

7.根据权利要求1所述的一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置，其特征在于，所述试样圆盘由上组装件和下组装件通过螺纹连接，在试样圆盘的圆周上设置有用于安装研究电极的安装槽。

8.根据权利要求7所述的一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置，其特征在于，所述安装槽为沿着整个圆盘圆周的安装槽，通过环形密封圈将由传热管截制的整体试环安装在整个圆周安装槽中。

9.根据权利要求7所述的一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置，其特征在于，所述安装槽为沿着整个圆周均匀分布的安装槽，此时通过硅胶密封将金属试片安装在分布在圆周的安装槽中，其数量为1—4个。

10.根据权利要求1所述的一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置，其特征在于，所述试样圆盘的直径设计为25mm～200mm，高度为10mm～50mm。

说明书全文

一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置

技术领域

[0001] 本实用新型属于一种模拟试验装置技术领域，更具体地说，主要涉及一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置。

背景技术

[0002] 事实表明，流动海水体系中金属材料的腐蚀行为和腐蚀程度与在静态海水中的差别很大，其腐蚀要比静态严重得多，腐蚀速率成倍增加。这是由于金属材料与海水介质间交互作用，使电化学因素与流体力学因素间产生协同效应，从而导致金属在流体介质中腐蚀加剧。同样，海水温度的升高，也会使腐蚀速率大幅度增大。

[0003] 关于动态腐蚀试验装置，因研究目的不同，研究者设计研发了各种动态装置，归纳为两类，一类是试样固定不动，包括管流式、喷射冲击式、高速冲刷式，这类装置电化学测试较易实现。管流试验能较好地模拟管道流体的工况条件，实验结果有很强的实用价值，但因试验费用高、操作较复杂，不能较好的模拟泵等旋转构件的工况条件，制约了其普及使用。喷射冲击试验能较好地模拟湍流态的腐蚀过程,冲击液流的速度可以精确控制，但冲刷数据比实际情况严重，测量误差较大，不能较好的模拟泵和管道等的工况条件。高速冲刷试验主要模拟舰船上水翼前缘、泵转子叶片和螺旋桨的冲刷腐蚀。另一类是试样旋转，包括旋转圆盘、旋转圆筒，这类装置能实现良好的流体动力学模型，通过调节圆盘、圆筒的转速或半径，就可以控制腐蚀介质运动的流型，装置较简单、价格低廉、操作简易，能提供稳定的流体，试验重现性好，测试溶液需用量少，但要同时实现腐蚀失重和各种电化学测试较为困难。

[0004] 众所周知，海水冷却系统金属设备均受到流动的中、高温海水的腐蚀作用，主要包括管道、泵、凝汽器或换热器等。因此，为了研究这类腐蚀的规律、控制因素和机理，以及寻求有效的防腐途径，对现有各装置的设计进行消化吸收和改进，建立一台能模拟海水冷却系统实际工况条件，同时实现腐蚀失重和电化学联机测试，既科学又经济实用的海水腐蚀模拟试验装置具有十分重要的现实意义。实用新型内容

[0005] 本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置，装置的研制关键是在能模拟海水冷却系统实际工况条件的前提下，要注重装置的科学性、合理性和经济实用性，需要解决以下关键技术问题：

[0006] （1）传动系统和海水流态的稳定性。要保证试验拆卸安装方便，传动转轴的垂直度、同轴性，避免或减小高速运转时转轴的摆动和整个装置的颤动，并保证模拟海水流态的稳定性。

[0007] （2）旋转状态下三电极测试系统的设计和布置。研究试样要有电连接，实现与其他电化学测试系统联机，便于研究腐蚀机理，辅助电极的设置要保证电力线的均匀分布和阴/阳极面积比，参比电极设计要考虑溶液欧姆降，尽可能使其降到最低值，并保证在高流速条件下测试稳定。

[0008] 本实用新型的目的和解决的技术问题，通过下述实用新型的技术方案予以实现： [0009] 一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置，该装置由腐蚀测试单元、流速（转速）控制单元和温度控制单元三部分组成，其中：

[0010] 所述流速（转速）控制单元由变频调速箱、电机、转轴和试样圆盘构成，所述试样圆盘的中部与转轴的一端连接并固定，所述转轴的另一端与电机连接并固定，所述电机与变频调速箱连接，并通过变频调速箱调控电机的转速；所述电机和转轴之间通过销键连接，所述转轴和试样圆盘通过螺纹连接，转速控制范围0～3000r/min

[0011] 所述温度控制单元包括恒温水浴控温系统、耐海水容器，所述耐海水容器的内壁上设置有挡板，其整体放置于恒温水浴控温系统中，热量通过耐海水容器壁传入试验海水介质达到恒温，温控范围为室温～90±1℃，优选50±1℃；原因在于：在敞开式海水冷却系统，一般金属材料的腐蚀速率随温度的升高而增大，但由于温度升高，海水或浓缩海水中溶解氧含量降低，导致腐蚀倾向减小，因此，在热力学稳定性和溶解氧的共同作用下，金属材料在50℃左右时腐蚀速率最大

[0012] 所述腐蚀测试单元由安装在试样圆盘上的研究电极和固定在耐海水容器顶盖板上的参比电极、辅助电极组成，所述三种电极构成三电极体系并连接到外部腐蚀测试仪器上；所述参比电极为带鲁金毛细玻璃管的饱和甘汞电极（SCE）或其他参比电极，其数量设置为3个～9个，优选3个～5个，更优选3个，沿着试样圆盘圆周均匀分布；所述辅助电极为环形铂金丝或网，环绕在试样圆盘的外围，下端固定在耐海水容器底部挡板架上；所述研究电极通过设置在试样圆盘圆周上的安装槽固定在试样圆盘的圆周上，其信号导线通过试样圆盘的中空区，进入转轴的中间空心，再通过电刷将信号输出，其数量为1～4个 [0013] 所述试样圆盘由上组装件和下组装件通过螺纹连接，在试样圆盘的圆周上设置有用于安装研究电极的安装槽，所述安装槽可以是沿着整个圆盘圆周的安装槽，此时通过环形密封圈将由传热管截制的整体试环安装在整个圆周安装槽中；还可以是沿着整个圆周均匀分布的安装槽，此时通过硅胶密封将金属试片安装在分布在圆周的安装槽中（数量为1—4个），其圆盘直径设计为25mm～200mm，高度为10mm～50mm

[0014] 经典的电化学测试采用三电极测试系统，由于该试验装置要求在动态旋转条件下实现电化学测试而非静态条件，因此采用常规的三电极设置方法不能满足电化学测试的要求。在本实用新型的技术方案中，通过辅助电极和参比电极的设置来实现动态旋转条件下的测试：

[0015] （1）辅助电极的设置要保证电力线的均匀分布（辅助电极和研究电极正对）和阴/阳极面积比，分析其设计过程如图4所示。本实用新型采用辅助电极A用一定直径的铂金丝或网加工制成环形电极，保证了电力线的均匀分布和阴/阳极面积比，辅助电极A和研究电极W间的溶液电阻小于R1，这种设计可满足常规测试要求。

[0016] （2）对参比电极设计要考虑溶液欧姆降，尽可能使其降到最低值，并保证在高流速条件下测试稳定，而单个的参比电极不能满足此试验要求，本实用新型采用多个参比电极并联的方式解决此问题（即沿着圆盘圆周呈正多边形均匀分布）。考虑到海水的电阻值较小和系统测量的稳定性，为方便试验操作，参比电极的数量选择3～6只较适宜。

[0017] 本实用新型采用的所有与海水接触的材料均选择耐海水腐蚀金属材料（如钛合金、特种不锈钢）、非金属材料（如玻璃、聚四氟乙烯）、复合材料（如金属衬氟）的一种或多种。 [0018] 本实用新型模拟海水流态采用旋转式来实现，此种方式有利于实验室内进行。原因在于：①在实际中，无论是海水泵、冷凝器、换热器，还是海水输送管道，切向力对磨损腐蚀都将起主要作用，故将研究试样镶嵌在旋转圆盘的侧壁上，以实现研究试样在海水中仅受切线方向力的作用。②试验容器内安装挡板，使海水的流向特点为轴流型，防止径流型的产生。尽管此时海水以轴向流动占优势，由于试样是镶嵌在圆盘的侧壁上，在机械带动下，旋转仍是主体运动。故研究试样表面主要是受流体切应力的作用，轴向力可以忽略不计。从而也避免了容器中介质旋涡的形成，导致试样暴露在海水外。同时大幅度提高研究试样与海水间的相对运动速度。③为便于研究金属在流动海水中的腐蚀规律，试样的旋转速度能实现连续无级调速。

[0019] 本实用新型一种海水海水系统金属材料腐蚀模拟试验装置，根据海水冷却系统金属材料服役工况条件，以及电化学腐蚀测试研究的基本原理和试验方法，经科学剖析和理论计算，巧妙设计（三电极）并制作了一台海水腐蚀模拟试验装置。此装置可自动控温，流速连续无级可调，可同时实现腐蚀失重与各种电化学联机测试，结构简单、操作方便、经济实用，是研究流动冷却海水体系中金属腐蚀规律和机理以及寻求有效防腐途径的可靠试验装置。

附图说明

[0020] 图1为本实用新型的结构示意简图，其中1为变频调速箱，2为电机，3为电刷，4为耐海水容器，5为参比电极，6为辅助电极，7为研究电极，8为挡板，9为试样圆盘，10为转轴，11为控温系统，12为底盘（带支架）。

[0021] 图2为一种试样圆盘的结构示意图，其中14为上组装件，15为试片，16为下组装件。

[0022] 图3为另一种试样圆盘的结构示意图，其中17为上组装件，18为试环，19为环形密封圈，20为下组装件。

[0023] 图4为辅助电极的设计分析。

[0024] 图5为原海水中碳钢开路电位与流速的关系。

[0025] 图6为原海水中弱极化测试极化电阻与流速的关系。

[0026] 图7为原海水中弱极化测试腐蚀失重与流速的关系。

[0027] 图8为2倍浓缩海水中腐蚀失重与流速的关系。

具体实施方式

[0028] 下面结合具体实施例进一步说明本实用新型的技术方案。

[0029] 如附图1所示的本实用新型的结构示意图，一种海水冷却系统金属材料腐蚀模拟试验装置，该装置由腐蚀测试单元、流速（转速）控制单元和温度控制单元三部分组成，其中：

[0030] 所述流速（转速）控制单元由变频调速箱1、电机2、转轴10和试样圆盘9构成，所述试样圆盘的中部与转轴的一端连接并固定，所述转轴的另一端与电机连接并固定，所述电机与变频调速箱连接，并通过变频调速箱调控电机的转速；所述电机和转轴之间通过销键连接，所述转轴和试样圆盘通过螺纹连接，转速控制范围0～3000r/min。

[0031] 所述温度控制单元包括恒温水浴控温系统11、耐海水容器4，所述耐海水容器的内壁上设置有挡板8，其整体放置于恒温水浴控温系统中，热量通过耐海水容器壁传入试验海水介质达到恒温，温控范围为室温～90±1℃，优选50±1℃。

[0032] 所述腐蚀测试单元由安装在试样圆盘9上的研究电极7和固定在耐海水容器顶盖板上的参比电极5、辅助电极6组成，所述三种电极构成三电极体系并连接到外部腐蚀测试仪器上；所述参比电极5为带鲁金毛细玻璃管的饱和甘汞电极（SCE），其数量设置为3，沿着试样圆盘圆周均匀分布；所述辅助电极6为环形铂金丝，环绕在试样圆盘9的外围，下端固定在耐海水容器底部挡板架8上。

[0033] 所述试样圆盘9由上组装件和下组装件通过螺纹连接，在试样圆盘的圆周上设置有用于安装研究电极的安装槽，所述安装槽可以是沿着整个圆盘圆周的安装槽，此时通过环形密封圈将由传热管截制的整体试环18安装在整个圆周安装槽中（如附图3所示）；还可以是沿着整个圆周均匀分布的安装槽，此时通过硅胶密封将金属试片15安装在分布在圆周的安装槽中，数量为4个（如附图2所示）。

[0034] 试样圆盘直径设计为25mm～200mm，高度为10mm～50mm，选用聚四氟乙烯；转轴也选用聚四氟乙烯，研究电极通过设置在试样圆盘圆周上的安装槽固定在试样圆盘的圆周上，其信号导线通过试样圆盘的中空区，进入转轴的中间空心，再通过电刷将信号输出。 [0035] 实施例1

[0036] 已有研究表明，碳钢在原海水中的腐蚀，阳极溶解反应遵循塔菲尔规律，阴极还原反应受氧的扩散控制，因此从动力学推导可以得到开路电位的表达式为：

[0037]

[0038] 式中：φc-开路电位

[0039] φea-金属的平衡电位

[0040] D-氧在溶液中的扩散系数

[0041] βa-金属阳极的塔菲尔常数

[0042] δ-氧的扩散层厚度

[0043] I0,a-金属阳极反应的交换电流密度

[0044] 如图5所示，开路电位是与海水中溶解氧的浓度有关。当溶液静止时，到达电极表面的氧的浓度相对比动态时要小，因此开路电位较负。动态时，氧的扩散层厚度由于流速的增大而减薄，同时传递到电极表面的氧的量又增多，自然开路电位就会明显正移。 [0045] 实施例2

[0046] 如图6和7所示，极化电阻Rp大小标志着腐蚀反应进行的难易程度，因此，在某种意义上说，腐蚀速率与极化电阻的倒数1/Rp成正比。静态时极化电阻较大，腐蚀失重较小，随着流速的增加，极化电阻Rp逐渐减小，1/Rp逐渐增大，腐蚀加剧。

[0047] 实施例3

[0048] 由极化曲线实验结果得知，碳钢在流动2倍浓缩海水中的腐蚀仍主要是阴极氧去极化控制，而阳极溶解反应不是控制因素。并且随着流速的增大，阴极氧的极限扩散电流密度逐渐增大，但阳极过程变化不明显。流速达到一定程度，阴极氧的极限扩散电流密度基本上变化不大，而阳极过程随流速的增大基本无大的变化。因此假如腐蚀受电化学因素控制，此后的腐蚀速率也不应有明显变化。但由腐蚀失重试验结果（如图8所示）看，当流速超过3m/s时，腐蚀速率却急剧上升。这表明碳钢的腐蚀并非完全由电化学因素控制，也与介质的相对运动所产生的切应力有紧密联系。

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