一種為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置的製作方法

2023-05-19 17:12:16

專利名稱：一種為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於海洋環境的模擬領域，具體是一種為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境 的控制裝置。
背景技術：
海洋鋼結構長期在海水浸泡以及海風、海浪、海流、海冰和地震等作用下會發生腐 蝕疲勞而導致整體結構抗力的下降，嚴重影響海洋鋼結構的服役安全，甚至釀成重大惡性 事故，造成巨大的經濟損失、人員傷亡、環境汙染和資源的浪費。海洋鋼結構的腐蝕疲勞安 全性評價和壽命預測是保障海洋工程設施經濟、安全和長壽運行，避免重大惡性事故發生 的有效途徑，是建立海洋工程設施耐久性壽命設計、施工和安全服役標準規範的科學支撐。 然而要在實驗室中進行研究，首先要求能夠在實驗室模擬海洋環境，為開展腐蝕疲勞試驗 提供保證。典型的海洋環境由靜止海水、流動海水、潮差帶以及浪花飛濺區組成。特別是飛 濺區，其特徵為海水處於乾濕交替狀態。這一區域的腐蝕速度最大，危害也最大。當前，主 要採用人工手動方法為實驗室內的腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境，這種方法存在費時費 力和控制不精確等缺點，而國內還沒有製造能夠為實驗室內的腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋 環境控制的裝置。

發明內容
本發明的目的在於提供一種為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，以實 現實驗室內開展模擬海洋環境下的腐蝕疲勞試驗，解決現有技術中存在的費時費力、控制 不精確等缺點，用於模擬潮差區、流動海水區和海洋飛濺區等環境的腐蝕疲勞試驗。本發明的技術方案如下一種為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，該裝置設有控制系統和環境 模擬系統，控制系統核心採用可編程控制器，環境模擬系統設有環境箱，以及分別與環境箱 連接的人工海水循環迴路、壓縮空氣通道和熱風通道，人工海水循環迴路、壓縮空氣通道和 熱風通道上分別設有磁力驅動循環泵、電磁式空氣壓縮機、電吹風機，可編程控制器分別通 過輸出埠連接磁力驅動循環泵、電磁式空氣壓縮機、電吹風機。所述的為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，可編程控制器是工作時 間、間歇時間、工作次數可調的順序循環控制器，共有四通道，即磁力驅動循環泵通道、電 磁式空氣壓縮機通道、電吹風機通道和備用通道，通過改變程序就能對磁力驅動循環泵、電 磁式空氣壓縮機、電吹風機的工作情況進行控制，實現多種控制方案。所述的為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，人工海水循環迴路上設有 儲水罐、磁力驅動循環泵，儲水罐底部的循環出水口處的管路上設有磁力驅動循環泵，磁力 驅動循環泵的出口分兩路，這兩路分別連接到兩個噴嘴的一個進口。所述的為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，壓縮空氣通道上設有電磁 式空氣壓縮機，電磁式空氣壓縮機的出口分兩路，這兩路分別連接到兩個噴嘴的一個進口。
所述的為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，噴嘴為三通結構，共有兩 個進口，一個通人工海水，另一個通壓縮空氣，還有一個出口 ；噴嘴固定在環境箱的噴嘴孔 上。所述的為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，熱風通道上設有電吹風 機，電吹風機出口分兩路，這兩路分別連接到環境箱上的兩個吹風孔。所述的為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，環境箱採用有機玻璃制 成，環境箱共有八個不同尺寸的圓形孔，環境箱上下底板中間各有一個用來安裝疲勞試樣 的試樣孔上底板試樣孔和下底板試樣孔；環境箱中間有5個孔，有4個圓心在同一高度、 尺寸相同對開的孔，對開的孔兩兩成90度，其中兩個對開的孔為噴嘴孔，另外兩個對開的 孔為吹風孔，在這4個孔的上方有一排氣孔；環境箱的下底板開有出水孔。所述的為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，環境箱上的排氣孔通過管 路與排氣罐連通。所述的為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，環境箱底部的出水孔通過 管路與儲水罐連通。本發明的有益效果是1、本發明的控制裝置主要由以下兩個系統組成控制系統、環境模擬系統，在這兩 個系統的配合下，本發明裝置可以為實驗室內開展模擬海洋環境下的腐蝕疲勞試驗提供模 擬環境及相應的參數控制。2、本發明的控制系統可以對海洋環境各參數進行精確到秒的控制，通過控制器的 編程，可以實現不同間隔比例的潮差區和海洋飛濺區的模擬。該裝置操作簡便，並可做到自 動控制，不需要人工值守，可完成超強度(或長時間)的模擬海洋環境下的腐蝕疲勞試驗任務。3、本發明的環境模擬系統可以進行海水流動區、潮差區和浪花飛濺區的模擬，通 過閥門，可以調節人工海水流速以及浪花飛濺的強度和速度，進行不同海區的模擬。


圖l(a)_(b)為環境模擬系統結構圖。其中，圖1(a)為主視圖；圖1(b)為側視圖。圖中，1-電磁式空氣壓縮機；2-儲水罐；3-閥門；4-磁力驅動循環泵；5-疲勞試 驗機；6-出水孔；7-噴嘴；8-疲勞試樣；9-非氣孔；10-環境箱；11-排氣罐；12-電吹風機； 13-吹風孔；一海水流動方向空氣流動方向。圖2為環境控制系統的電路圖。
3 (a)-(c)為環境箱結構圖。其中，圖3(a)為主視圖；圖3(b)為俯視圖；圖3(c) 為側視圖。圖中，6-出水孔；9-排氣孔；13-吹風孔；14-上底板試樣孔；15-噴嘴孔；16-下底 板試樣孔。
具體實施例方式如圖1-3所示，本發明的控制裝置主要由控制系統、環境模擬系統兩個系統組成， 其中控制系統能對人工海水循環和乾濕交替時間進行編程控制，可精確到秒，環境模擬系統能進行海水流動區、潮差區和浪花飛濺區的模擬。與疲勞試驗程序配合，該裝置可實現多 種環境譜和載荷譜組合的海洋環境下的腐蝕疲勞試驗。操作簡便，無需人工值守，因而能完 成強負荷(超強度或長時間)的腐蝕疲勞試驗任務。具體如下如圖1、3所示，環境模擬系統包括人工海水循環迴路、壓縮空氣通道和熱風通 道。其中，人工海水循環迴路的結構及工作原理為儲水罐2儲存著一定量的人工海水，其 底部的循環出水口處的管路上設有閥門3和磁力驅動循環泵4，閥門3用來調節循環迴路中 的人工海水流量，磁力驅動循環泵4可將儲水罐2內的人工海水泵到循環迴路中循環，而後 通過磁力驅動循環泵4出口處的三通將人工海水分成兩個迴路，分別連接到兩個具有三通 結構的噴嘴7的一個進口(每個噴嘴共有兩個進口，一個通人工海水，另一個通壓縮空氣； 另外，還有一個出口)，噴嘴7固定在環境箱10的噴嘴孔15上。人工海水和壓縮空氣在噴 嘴內混合產生霧狀液滴，霧狀液滴通過兩個噴嘴7的出口噴射到疲勞試樣8的兩個表面。而 後人工海水順著疲勞試樣8表面流到環境箱10底部，最後人工海水經管路從環境箱10底 部的出水孔6流回到儲水罐2，完成人工海水的循環。壓縮空氣通道的結構及工作原理為壓縮空氣由電磁式空氣壓縮機1產生，先通 過電磁式空氣壓縮機1出口處的三通裝置將壓縮空氣分成兩個迴路，而後將兩個迴路分別 連接到兩個噴嘴7的一個進口(另一進口通人工海水)。人工海水和壓縮空氣在噴嘴內混 合產生霧狀液滴，噴射到疲勞試樣8表面，最後環境箱10內的空氣通過環境箱10上的排氣 孔9和一個裝有一定量水的排氣罐11排放到大氣中，環境箱10上的排氣孔9通過管路與 排氣罐11連通。熱風通道的結構及工作原理為熱風由電吹風機12產生，先通過電吹風機12出 口處的三通裝置將熱風分成兩個迴路，而後將兩個迴路分別連接到環境箱上的兩個吹風孔 13，通過吹風孔13對疲勞試樣8表面進行吹風乾燥，最後熱風通過環境箱10上的排氣孔9 和一個裝有一定量水的排氣罐11排放到大氣中。如圖3 (a) - (c)所示，本發明中的環境箱10採用有機玻璃製成，環境箱共有八個不 同尺寸的圓形孔，環境箱上下底板中間各有一個試樣孔上底板試樣孔14和下底板試樣孔 16，用來安裝疲勞試樣8。環境箱中間有5個孔，有4個圓心在同一高度、尺寸相同對開的 孔，對開的孔兩兩成90度，其中兩個對開的孔為噴嘴孔15，另外兩個對開的孔為吹風孔13， 在這4個孔的上方有一排氣孔9，用來將空氣排出環境箱10。環境箱的下底板開有另一個 孔，為出水孔6。如圖2所示，控制系統是工作時間、間歇時間、工作次數可調的順序循環控制器， 核心採用可編程控制器，共有四通道，即磁力驅動循環泵通道、電磁式空氣壓縮機通道、電 吹風機通道和備用通道。通過改變程序就能對磁力驅動循環泵、電磁式空氣壓縮機、電吹風 機的工作情況進行控制，實現多種控制方案。控制系統的各部分的連接關係及工作過程如 下控制系統主要由可編程控制器PLC進行控制，其各部分的連接關係如圖2所示。其 中，Y0，Y1，Y2，Y3為可編程控制器PLC的輸出埠，每個輸出埠所在的迴路上分別連有回 路保險、繼電器、時間顯示錶、插座；FU1，FU2，FU3，FU4，FU5，FU6，FU7為迴路保險；KM1，KM2， KM3，KM4為繼電器；KTl, KT2，KT3，KT4為時間顯示錶；CAl, CA2，CA3，CA4為插座；SBl為急停按鈕，SB2為電源開關。其中，三個輸出埠 Y0，Yl, Y2分別連接磁力驅動循環泵、電磁式空氣壓縮機、電吹風 機，另一輸出埠 Y3為備用埠。輸出埠 YO所在的迴路上連有繼電器KM1、時間顯示錶 KT1、迴路保險FU4和插座CA1，輸出埠 Y1所在的迴路上連有繼電器KM2、時間顯示錶KT2、 迴路保險FU5和插座CA2，輸出埠 Y2所在的迴路上連有繼電器KM3、時間顯示錶KT3、迴路 保險FU6和插座CA3，輸出埠 Y3所在的迴路上連有繼電器KM4、時間顯示錶KT4、迴路保險 FU7和插座CA4，在迴路總線L上設有迴路保險FU1、迴路保險FU2和急停按鈕SB1，在迴路 總線N上設有迴路保險FU3和電源開關SB2。控制系統工作時，由可編程控制器PLC通過編制的程序按順序打開或關閉輸出端 口 ￥0、￥1、￥2、丫3，繼電器疆1、疆2、疆3、疆4隨之吸合或釋放，與此同時插座CA1、CA2、CA3、 CA4將處於有電或無電狀態，並帶動負載進行工作或停車。時間顯示錶KT1、KT2、KT3、KT4 將顯示負載工作或停車的時間。工作時，運行這套海洋環境模擬裝置，包括如下步驟1、將疲勞試樣8通過橡皮塞固定到環境箱10的試樣孔中，而後採用矽膠將疲勞試 樣8與橡皮塞、橡皮塞與環境箱之間的間隙進行密封。等矽膠乾燥後，即可將疲勞試樣8在 疲勞試驗機5上進行裝樣。2、根據試驗要求，選擇不同的環境模擬系統。對於潮差區和流動海水區的模擬，只 需選用人工海水循環迴路，不需要壓縮空氣通道和熱風通道。浪花飛濺區的模擬需要人工 海水循環迴路、壓縮空氣通道和熱風通道，根據選定的迴路和通道，將磁力驅動循環泵、電 磁式空氣壓縮機、電吹風機、三通、閥門、環境箱等設備通過管路進行正確的連接。3、根據環境參數，對控制系統的不同通道的工作時間、間歇時間、工作次數進行編 程控制，得到預期的潮差區時間間隔比或者飛濺區的乾濕交替時間比。本實施例中，進行浪花飛濺區模擬環境下的腐蝕疲勞試驗。人工海水成分如表1 所示，人工海水循環速度120ml/min。表1人工海水成分COOOOOX CD參OJ 1~I寸CJO00OCMOOOin-I-HMOCO-I-HCJOXCMOLOOi1~ICDOOOJ ι~ICDO-I-HCJ-I-H寸 00OicdO^寸OX CD參-I-H1~I-I-HOb￡)-I-HS-I-H1~ICOOLO寸CM1~I \b￡) N.『<R_ 本實施例中，模擬浪花飛濺區時的環境參數，即不同通道的工作時間、間歇時間、工作次數舉例如下人工海水循環迴路的工作時間可設為10分鐘，間歇時間為10分鐘；同 時壓縮空氣通道的工作時間為10分鐘，間歇時間為10分鐘；而熱風通道的工作時間為2分 鍾；間歇時間為18分鐘。4、在儲水罐中裝入一定數量的人工海水，將選定的磁力驅動循環泵、電磁式空氣 壓縮機、電吹風機電源線插入控制系統的相應通道。5、對疲勞試驗機5的參數進行設定，等再次檢查各迴路和通道，確定無誤後，即可 進行試驗。試驗過程中，可以通過閥門來調節人工海水流速以調節浪花飛濺的強度和速度。本實施例中，疲勞試驗機5的具體參數設定如下頻率1Hz ；波型正弦波；載荷 控制，應力比0 ；最大應力400MPa，最小應力0MPa。6、試驗結束，先關閉閥門，再關閉控制系統，將各管路、三通等裝置拆除，最後將疲 勞試樣從疲勞試驗機5上卸下。實施例結果表明，本發明中的控制系統能對人工海水循環和乾濕交替時間進行編 程控制，可精確到秒。本發明中的環境模擬系統能進行海水流動區、潮差區和浪花飛濺區的 模擬。與疲勞試驗程序配合，該裝置可實現多種環境譜和載荷譜組合的海洋環境下的腐蝕 疲勞試驗。操作簡便，無需人工值守，因而能完成強負荷的腐蝕疲勞試驗任務。
權利要求
一種為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，其特徵在於，該裝置設有控制系統和環境模擬系統，控制系統核心採用可編程控制器，環境模擬系統設有環境箱，以及分別與環境箱連接的人工海水循環迴路、壓縮空氣通道和熱風通道，人工海水循環迴路、壓縮空氣通道和熱風通道上分別設有磁力驅動循環泵、電磁式空氣壓縮機、電吹風機，可編程控制器分別通過輸出埠連接磁力驅動循環泵、電磁式空氣壓縮機、電吹風機。
2.按照權利要求1所述的為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，其特徵在 於，可編程控制器是工作時間、間歇時間、工作次數可調的順序循環控制器，共有四通道， 即磁力驅動循環泵通道、電磁式空氣壓縮機通道、電吹風機通道和備用通道，通過改變程 序就能對磁力驅動循環泵、電磁式空氣壓縮機、電吹風機的工作情況進行控制，實現多種控 制方案。
3.按照權利要求1所述的為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，其特徵在 於，人工海水循環迴路上設有儲水罐(2)、磁力驅動循環泵(4)，儲水罐(2)底部的循環出水 口處的管路上設有磁力驅動循環泵(4)，磁力驅動循環泵(4)的出口分兩路，這兩路分別連 接到兩個噴嘴(7)的一個進口。
4.按照權利要求1所述的為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，其特徵在 於，壓縮空氣通道上設有電磁式空氣壓縮機(1)，電磁式空氣壓縮機(1)的出口分兩路，這 兩路分別連接到兩個噴嘴(7)的一個進口。
5.按照權利要求3或4所述的為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，其特徵 在於，噴嘴(7)為三通結構，共有兩個進口，一個通人工海水，另一個通壓縮空氣，還有一個 出口 ；噴嘴⑵固定在環境箱(10)的噴嘴孔(15)上。
6.按照權利要求1所述的為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，其特徵在 於，熱風通道上設有電吹風機(12)，電吹風機(12)出口分兩路，這兩路分別連接到環境箱 上的兩個吹風孔(13)。
7.按照權利要求1所述的為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，其特徵在 於，環境箱(10)採用有機玻璃製成，環境箱(10)共有八個不同尺寸的圓形孔，環境箱上下 底板中間各有一個用來安裝疲勞試樣(8)的試樣孔上底板試樣孔(14)和下底板試樣孔 (16)；環境箱(10)中間有5個孔，有4個圓心在同一高度、尺寸相同對開的孔，對開的孔兩 兩成90度，其中兩個對開的孔為噴嘴孔(15)，另外兩個對開的孔為吹風孔(13)，在這4個 孔的上方有一排氣孔(9)；環境箱(10)的下底板開有出水孔(6)。
8.按照權利要求7所述的為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，其特徵在 於，環境箱(10)上的排氣孔(9)通過管路與排氣罐(11)連通。
9.按照權利要求7所述的為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，其特徵在 於，環境箱(10)底部的出水孔(6)通過管路與儲水罐(2)連通。
全文摘要
本發明屬於海洋環境的模擬領域，具體是一種為腐蝕疲勞試驗提供模擬海洋環境的控制裝置，解決現有技術中存在的費時費力、控制不精確等缺點，用於模擬潮差區、流動海水區和海洋飛濺區等環境的腐蝕疲勞試驗。該裝置設有控制系統和環境模擬系統，控制系統核心採用可編程控制器，環境模擬系統設有環境箱，以及分別與環境箱連接的人工海水循環迴路、壓縮空氣通道和熱風通道。控制系統能對與試驗樣品接觸的人工海水循環間隔和乾濕交替時間進行編程控制，可精確到秒。環境模擬系統能模擬海水流動區、潮差區和浪花飛濺區的環境模式。與疲勞試驗程序配合，該裝置可實現任意環境譜和載荷譜組合下材料在流動海水區、潮差帶區、浪花飛濺區的腐蝕疲勞試驗。
文檔編號G01N17/00GK101986224SQ200910012789
公開日2011年3月16日 申請日期2009年7月29日 優先權日2009年7月29日
發明者張波, 柯偉, 王儉秋, 鄭宇禮, 韓恩厚, 馬進 申請人:中國科學院金屬研究所