王受和，江 魯，王 俊，黃海軍，張曉東，陳 川

（中國電器科學(xué)研究院有限公司工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510663）

海洋環(huán)境腐蝕模擬試驗(yàn)裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)與研制

王受和，江 魯，王 俊，黃海軍，張曉東，陳 川

（中國電器科學(xué)研究院有限公司工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510663）

本文介紹了基于GB/T 19746—2005/ISO 11130: 1999等材料腐蝕性能試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)要求以及試驗(yàn)裝置的主要組成。重點(diǎn)是添加了溫度控制系統(tǒng)，優(yōu)化了潮差控制系統(tǒng)，模擬了海洋波浪。本試驗(yàn)裝置是一種結(jié)構(gòu)簡單、能夠較真實(shí)模擬海洋環(huán)境腐蝕的試驗(yàn)裝置。該試驗(yàn)裝置研制成功，為研究海洋用材料的腐蝕行為與機(jī)理提供重要的技術(shù)設(shè)備支持。

海洋環(huán)境；腐蝕；試驗(yàn)裝置；溫度控制；波浪；潮差；優(yōu)化設(shè)計(jì)；研制

引言

海洋腐蝕現(xiàn)象明顯且嚴(yán)重，一直都是極受關(guān)注的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年我國GDP為7.43萬億美元，而因?yàn)楦g造成的經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)2200～3700億美元，約占全國GDP總值的3%～5%。腐蝕不僅對我國的資源和能源造成了很大的浪費(fèi)，而且一些鋼鐵、水泥、混凝土材料的腐蝕也進(jìn)一步導(dǎo)致相應(yīng)的碼頭、船舶、橋梁等發(fā)生突發(fā)性災(zāi)難事件，給人們的生產(chǎn)生活安全帶來很大的危害[1]。發(fā)展探索海洋環(huán)境腐蝕控制的新方法和新技術(shù)，研究海洋用材料的腐蝕行為機(jī)理和腐蝕規(guī)律，對于保障海洋設(shè)施安全、發(fā)展節(jié)約型經(jīng)濟(jì)、保護(hù)海洋環(huán)境、促進(jìn)社會可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。

目前海洋用材料的腐蝕試驗(yàn)主要是在海岸線附近的海洋環(huán)境腐蝕試驗(yàn)站進(jìn)行實(shí)海試驗(yàn)的，但是實(shí)海掛樣取樣試驗(yàn)需要耗費(fèi)大量的人力、物力和財(cái)力，并且存在著試驗(yàn)周期長、試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性大、不便于實(shí)時觀察和定量測試等缺點(diǎn)。尤其嚴(yán)重的是，在進(jìn)行試驗(yàn)的過程中常因狂風(fēng)暴雨、海浪的拍擊等惡劣的海洋自然條件，很容易丟失掉試樣，造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)不完整，使整個試驗(yàn)因此而失敗，前功盡棄。特別是對于內(nèi)陸研究單位，進(jìn)行實(shí)?，F(xiàn)場掛樣研究是很不理想的，使得海洋腐蝕相關(guān)工作無法進(jìn)行。

因此，為了克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，更好更方便地研究海洋用材料腐蝕行為與機(jī)理，本文介紹了一種新型的海洋環(huán)境腐蝕模擬試驗(yàn)裝置。該裝置可以在室內(nèi)模擬海洋真實(shí)環(huán)境，通過溫度控制系統(tǒng)、潮差控制系統(tǒng)和波浪控制系統(tǒng)分別較真實(shí)地模擬海洋環(huán)境中三個主要因素：溫度、潮差和波浪。在實(shí)驗(yàn)室投樣進(jìn)行試驗(yàn)，實(shí)時觀察和監(jiān)測試樣腐蝕情況，將外海工作變?yōu)槭覂?nèi)工作，為海洋腐蝕防護(hù)技術(shù)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 裝置總體思路和實(shí)現(xiàn)方案

1.1 總體思路

本試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)思想是結(jié)構(gòu)盡可能簡單、且可以準(zhǔn)確真實(shí)地模擬海洋腐蝕環(huán)境。在設(shè)計(jì)的總體思路上，首先需要明確本裝置要實(shí)現(xiàn)的功能要求，依據(jù)功能要求對裝置有一個總體輪廓，再分別設(shè)計(jì)優(yōu)選各個零部件，整合這些零部件對本裝置進(jìn)行總體布局，最后從整體上優(yōu)化設(shè)計(jì)。然后依照優(yōu)化后的整體布局用solidworks軟件對其進(jìn)行三維設(shè)計(jì)和運(yùn)動仿真，檢測本裝置的可行性與直觀性，最后完成整個裝置的實(shí)物制作。

1.2 實(shí)現(xiàn)方案

本裝置要準(zhǔn)確真實(shí)地模擬海洋腐蝕環(huán)境，重點(diǎn)模擬海洋環(huán)境的三個主要因素：溫度、潮差和波浪。針對這三個因素，分別設(shè)計(jì)了三個控制系統(tǒng)：溫度控制系統(tǒng)、潮差控制系統(tǒng)和波浪控制系統(tǒng)。這三個控制系統(tǒng)是本裝置的關(guān)鍵所在。

1）溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)保證試驗(yàn)海水維持在與實(shí)際海水相差不大接近的狀態(tài)。要求是溫度低于實(shí)際海水溫度時，需給試驗(yàn)海水加熱。而當(dāng)達(dá)到實(shí)際海水溫度時，需停止加熱。給海水加熱需要加熱器，測定海水實(shí)時溫度需要溫度傳感器，接收溫度信息并控制加熱器需要溫度控制器，所以溫度控制系統(tǒng)包括加熱器、溫度傳感器和溫度控制器三部分。

2）潮差控制系統(tǒng)

潮差控制系統(tǒng)需控制潮差范圍，一般都是用虹吸管改變試驗(yàn)海水液面來實(shí)現(xiàn)模擬潮差。這需要進(jìn)水箱和出水箱，若要節(jié)約水資源則要添加水循環(huán)系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)較為復(fù)雜。且潮差周期長，流量控制不精確。本裝置采用樣品上下運(yùn)動的方式來實(shí)現(xiàn)潮差模擬。

3）波浪控制系統(tǒng)

波浪控制系統(tǒng)需要造波，使海水產(chǎn)生波動，模擬海洋波浪。系統(tǒng)包括造波機(jī)、傳動系統(tǒng)、減速器和電動機(jī)四部分。

現(xiàn)在，造波機(jī)主要以機(jī)械式[2]為主，即通過造波板的機(jī)械運(yùn)動對水體施加擾動而產(chǎn)生波動，形成波浪。常見的有：①搖板式。通過機(jī)械驅(qū)動使搖板繞固定軸擺動，使池中水產(chǎn)生波動。搖板的擺動幅度控制波高，波長或周期則由擺動的頻率來確定。②活塞式。通過連桿驅(qū)動設(shè)在水糟一端的活塞進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動，使池中水產(chǎn)生波動。波高取決于活塞沖程和速度，波長則取決于往復(fù)頻率。③沖箱式。造波部件為斷面呈特殊形狀的柱體，通過該柱體沿垂直水面方向圍繞水面作往復(fù)運(yùn)動達(dá)到造波的目的。④轉(zhuǎn)桶式。轉(zhuǎn)桶式則是通過設(shè)置在水面的圓柱體繞偏心輪旋轉(zhuǎn)使水產(chǎn)生波動[3]。本裝置設(shè)計(jì)采用搖板式。

而現(xiàn)行的造波機(jī)有兩種傳動類型：液壓傳動和機(jī)械傳動。由于液壓傳動中的液壓元件制造精度高，價(jià)格高，介質(zhì)是液體，漏油現(xiàn)象很難消除，而且液壓傳動系統(tǒng)出現(xiàn)故障時不容易追查原因，維修困難。因此選擇價(jià)格相對較低，性能也可靠的機(jī)械傳動。本試驗(yàn)裝置是在室內(nèi)進(jìn)行模擬海洋環(huán)境試驗(yàn)的，空間比較有限，這對于傳動系統(tǒng)的要求是結(jié)構(gòu)盡可能簡單。所以在進(jìn)行選擇減速器的時候必須注意要有比較大的傳動比，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇也同樣重要，目前在波浪控制系統(tǒng)里通常都是用四桿機(jī)構(gòu)來完成這個目的。因此本試驗(yàn)裝置也同樣選擇四桿機(jī)構(gòu)來作為傳動機(jī)構(gòu)。

2 裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 電機(jī)的選擇

選擇電動機(jī)的原則有以下幾點(diǎn)：

1）依據(jù)機(jī)械的負(fù)載性質(zhì)和生產(chǎn)工藝，對電動機(jī)的起動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，合理選擇電機(jī)的類型。

2）依據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和起動頻繁程度等要求。考慮電動機(jī)的溫升限制、過載能力和起動轉(zhuǎn)矩，合理選擇電動機(jī)的功率，使功率匹配合理，力求安全、可靠、經(jīng)濟(jì)。

3）依據(jù)使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯、腐蝕及易爆氣體含量等，考慮必要的保護(hù)方式，選擇電動機(jī)的防護(hù)結(jié)構(gòu)型式。

4）依據(jù)企業(yè)電網(wǎng)的電壓標(biāo)準(zhǔn)、頻率和對功率因數(shù)的要求，確定電動機(jī)的電壓等級和頻率。

5）依據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的要求，以及機(jī)械減速的復(fù)雜程度，選擇電動機(jī)的電壓等級。

6）選擇電動機(jī)時，要考慮產(chǎn)品的價(jià)格、建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，力求綜合經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最好，比如在干燥、潔凈的場所，應(yīng)盡量采用“IP23”的電機(jī)，因?yàn)檫@種電機(jī)的價(jià)格約為同容量“IP44”電機(jī)的70%，而且制造廠商可以節(jié)約材料，而對于連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)、負(fù)載率高的負(fù)載，宜采用高效率電機(jī)，以求節(jié)能和提高綜合經(jīng)濟(jì)效益。

7）選擇電機(jī)時，要考慮影響安裝、運(yùn)行和維護(hù)的因數(shù)，力求安裝和檢修方便，運(yùn)行可靠。

2.1.1 造波電機(jī)的選型（圖1）

根據(jù)實(shí)驗(yàn)裝置要求及安裝環(huán)境[4]，選擇封閉式小型三相異步電機(jī)。其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是自扇冷卻、封閉性，可以防止灰塵、水滴大量進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部，作一般用途的驅(qū)動源。選用功率7.5Kw、轉(zhuǎn)速1500r/min的Y132M型號電動機(jī)。

2.1.2 直線電機(jī)的選型

本裝置試驗(yàn)一片樣品約重200g，最大樣品量可達(dá)72片，則樣品最大重量為：

樣品架的體積約為0.00223m3，密度為7.98×103Kg/ m3，則樣品架重為：

則樣品架與樣品總重為：

當(dāng)樣品勻速運(yùn)動時，牽引力F=G=322N

電機(jī)功率P=Fv/η=322×0.1÷0.8=40.25W

考慮樣品重量變化、樣品速度變化和電機(jī)啟動功率要求等因素，選用功率為104W的MLCE0260-255-00直線電機(jī)。

2.1.3 減速器的選型

造波電機(jī)的轉(zhuǎn)速為1500r/min較高，搖板造浪的周期是2s，這就需要選用一種傳動比比較大的減速器，依據(jù)實(shí)際情況選用傳動比1:40，型號WD53-2-40的蝸輪蝸桿減速器。

2.2 溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)的功能主要有兩個，一個是實(shí)時測定顯示試驗(yàn)海水的溫度，另一個是給海水加熱。這個系統(tǒng)包括加熱管、溫度傳感器和溫度控制器三部分。其中加熱管和溫度傳感器需要耐海水腐蝕。加熱管的選用主要考慮其功率，要滿足加熱要求，溫度傳感器主要需要考慮選用類型和精度，溫度控制器要滿足顯示海水溫度并控制加熱管的功能要求。

2.2.1 加熱管功率計(jì)算

本試驗(yàn)裝置需加熱海水體積為V=1m×1m×0.6m = 0.6m3

則海水質(zhì)量為M=ρV=1×103×0.6Kg=600Kg

式中：C—加熱介質(zhì)的比熱容

M—加熱介質(zhì)的質(zhì)量

ΔT—加熱溫差

P—加熱功率

t—加熱時間

海水比熱容比水的要小，約為3900J/Kg·℃。

海水溫度與內(nèi)陸溫度相差約10℃左右，ΔT=10℃加熱時間t=10min。

代入公式計(jì)算得出功率：P=39Kw

考慮熱量散失等因素取 10Kw

2.2.2 溫度傳感器的選擇

溫度傳感器有兩種類型：熱電偶和熱電阻。熱電偶的測溫原理是基于熱電效應(yīng)，其是將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體連接形成閉合回路，當(dāng)兩個接點(diǎn)處的溫度不同時，回路中將產(chǎn)生熱電勢。熱電偶的測量范圍寬，性能較穩(wěn)定，同時結(jié)構(gòu)簡單，動態(tài)響應(yīng)好，更能夠遠(yuǎn)傳4-20mA電信號，便于自動控制和集中控制。熱電阻的測溫原理是基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨著溫度的變化而變化的特性。其優(yōu)點(diǎn)也很多，也可以遠(yuǎn)傳電信號，靈敏度高，穩(wěn)定性強(qiáng)，互換性以及準(zhǔn)確性都比較好，但是需要電源激勵，不能夠瞬時測量溫度的變化。

依據(jù)熱電偶和熱電阻的特性，本裝置選用K型熱電偶傳感器，可以實(shí)時測定試驗(yàn)海水的瞬時溫度。K型熱電偶具有線性度好，靈敏度高，穩(wěn)定性和均勻性較好，價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.3 溫度控制器

溫度控制器，根據(jù)工作環(huán)境的溫度變化，在開關(guān)內(nèi)部發(fā)生物理形變，從而產(chǎn)生某些特殊效應(yīng)，產(chǎn)生導(dǎo)通或者斷開動作的一系列自動控制元件，或者電子原件在不同溫度下，工作狀態(tài)的不同原理給電路提供溫度數(shù)據(jù)，以供電路采集溫度數(shù)據(jù)。

溫度傳感器測定的試驗(yàn)海水溫度實(shí)時傳送到并顯示在溫度控制器中，與設(shè)定的海水溫度進(jìn)行比較判斷，是否需要接通加熱管電源，對試驗(yàn)海水進(jìn)行加熱。

依照試驗(yàn)要求可選XMT6000智能型數(shù)字顯示溫度控制器，這種控制器廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)場合作溫度、流量、壓力等的自動控制系統(tǒng)。

2.3 潮差控制系統(tǒng)

潮差的實(shí)現(xiàn)方式有兩種，一種是用虹吸管控制液面高度，另一種是使樣品上下運(yùn)動。本裝置是使用第二種方式，通過采用滑輪變向，直線電機(jī)驅(qū)動來實(shí)現(xiàn)樣品上下控制運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)潮差的模擬。

樣品運(yùn)動要求是上下直線往復(fù)運(yùn)動，試驗(yàn)箱上方裝有滑輪架，定滑輪裝在滑輪架上，鋼絲繩繞過定滑輪進(jìn)行變向，鋼絲繩一端連接在樣品架上，另一端連接在直線電機(jī)上，電機(jī)驅(qū)動鋼絲繩使得吊掛在樣品架上的樣品上下移動，有效地模擬海洋潮差狀態(tài)，同時，通過調(diào)節(jié)直線電機(jī)的周期和行程可以分別模擬漲潮、落潮周期和潮差，此外，還可將樣品架提升到試驗(yàn)箱的上方，方便人工取樣和放樣。

直線電機(jī)特點(diǎn)：

1）傳遞效率高。采用直線電機(jī)來驅(qū)動傳動裝置，不需要使用任何轉(zhuǎn)換裝置而是直接產(chǎn)生推動力，省去了中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，簡化了系統(tǒng)裝置，并且可保證運(yùn)行的可靠性，易于維護(hù)。

2）機(jī)械損耗小。直線電機(jī)是通過電能直接就產(chǎn)生直線電磁推力的，其在驅(qū)動裝置中，運(yùn)動可以做到無機(jī)械接觸、無傳動零部件磨損，這樣噪聲也小。

3）易于調(diào)節(jié)和控制。通過調(diào)節(jié)電源電壓或頻率，或更換次級材料，就可以得到不同的速度、電磁推力，適用于低速往復(fù)運(yùn)行場合。

2.4 波浪控制系統(tǒng)

2.4.1 波高與搖板擺幅的關(guān)系

搖板造波理論是建立在微幅波理論的基礎(chǔ)上，是微幅波理論在實(shí)際應(yīng)用方面的一個應(yīng)用。首先假定水是理想流體，不可壓縮，波浪是無旋的，可借助勢函數(shù)ψ(x,y,t)來分析，搖板布置如圖2所示，設(shè)水深為h；造波板在水面下垂直深度為l；水面處搖幅為E；造波板以搖幅E來運(yùn)動產(chǎn)生波浪；設(shè)波浪高度為A；波長為λ；周期為T。波浪傳播方向設(shè)為正，X軸與水底部平面重合，Y軸與造波板處的垂直位置重合，且方向向上[5]。如圖2所示。

通過計(jì)算可得出：

這就是搖板擺幅與波高的關(guān)系。

2.4.2 搖板的擺幅和擺角（圖3）由幾何關(guān)系得：

由幾何公式

可得出擺幅 C1C2

可計(jì)算出擺角θ

在本裝置中連桿長度可調(diào)，有兩種極限位置：

由以上公式計(jì)算得出：擺幅 C1C2=460mm，擺角θ=35°

圖3 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)示意圖

圖4 樣品架及樣品

圖5 裝置整體造型及剖面圖

由以上公式計(jì)算得出：擺幅 C1C2=210mm，擺角θ=16°

2.5 樣品架的設(shè)計(jì)

樣品架的設(shè)計(jì)要求是結(jié)構(gòu)簡單、使用方便。本裝置樣品架采用鏤空式不銹鋼板作為主體框架，這可以減輕樣品架的重量又能夠滿足使用要求。樣品作為一個相對獨(dú)立的整體連接在樣品架上，掛樣和取樣操作方便。樣品架及樣品連接方式如圖4所示。

3 裝置總體設(shè)計(jì)效果

對海洋模擬試驗(yàn)裝置各部件優(yōu)化后所形成的整體效果，借助solidworks等三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件完成對裝置的整體造型，具體見圖5。

4 結(jié)束語

海洋腐蝕防護(hù)工作任重而道遠(yuǎn)，防腐技術(shù)面臨快速發(fā)展機(jī)遇的同時，也面臨著挑戰(zhàn)。本文對海洋環(huán)境模擬腐蝕試驗(yàn)裝置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和研制，為研究海洋用材料腐蝕行為與機(jī)理提供可靠、簡單并能真實(shí)模擬海洋環(huán)境的設(shè)備。

通過海洋環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置，室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究，分析各種材料海洋腐蝕的過程與腐蝕損傷機(jī)理，并建立各種海洋環(huán)境模擬試驗(yàn)方法，了解各種因素對于材料腐蝕的影響，測試材料的耐海水腐蝕性能，可分析并評價(jià)防腐蝕措施的有效性與可行性，取得實(shí)驗(yàn)室模擬海洋環(huán)境腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)海環(huán)境腐蝕試驗(yàn)結(jié)果之間的相關(guān)性，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)材料腐蝕性能的預(yù)測。

為了更精確地模擬海洋腐蝕環(huán)境，獲得更準(zhǔn)確的海水腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)積極探索海洋環(huán)境腐蝕試驗(yàn)新方法、新技術(shù)，研制新設(shè)備。

[1]焦淑菲,尹艷鎮(zhèn),梁金祿,史忠豐,蔡成翔.海洋環(huán)境中的鋼鐵腐蝕模擬研究[J].化工技術(shù)與開發(fā), 2013(8):48～50.

[2]葉春生,孫贊盈,彭紅,等.機(jī)械式造波機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及其運(yùn)動性能分析[J].人民黃河,2007,29(5): 56～57.

[3]施勤龍,趙曉棟,周楓,謝亞勝,胡亞運(yùn),陳輝.一種改進(jìn)的海洋腐蝕模擬試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)時代,2010(7): 59～60.

[4]葉春生,龔煌,孫贊盈,姜乃遷.搖板式造波機(jī)系統(tǒng)交流電機(jī)額定功率的選取[J].人民黃河,2011(1):121～122.

[5]蔣頡.主動吸波式造波機(jī)造波原理研究[D].哈爾濱工程大學(xué), 2009:9～14.

Development and Optimization of the Simulation Test Device for Corrosion in Marine Environment

WANG Shou-he，JIANG Lu，WANG Jun，HUANG Hai-jun，ZHANG Xiao-dong，CHEN Chuan
（State Key Laboratory of Environmental Adaptability for Industrial Products, China Electric Apparatus Research Institute Co., Ltd, Guangzhou 510663）

This paper introduces the design of the simulation test device for corrosion in marine environment based on the corrosive standards for material such as GB/T 19746—2005/ISO 11130: 1999 and the main composition. The focus is to add a temperature control system, optimize tidal range control system, simulate the ocean waves. The test device has the advantages of simple structure and making a real simulated environment of marine corrosion. Successful development of the test device provides important technical support for the study of marine corrosion behavior and mechanism.

marine environment；simulation；test device；temperature control；wave；tidal range；optimize；development

TG174.3+7

A

1004-7204（2014）01-0055-05

王受和（1990-），男，江西，學(xué)士，助理工程師，從事工業(yè)產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)研究。