王坤，吳敬權(quán)，鄧培昌，王貴，胡杰珍

（廣東海洋大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088）

隨著我國海洋工程裝備的創(chuàng)新發(fā)展，以及“建設(shè)海洋強(qiáng)國”等政策的實(shí)施，管道的利用率大幅度增加。管道腐蝕問題長期存在于國計(jì)民生的各個(gè)方面，尤其對(duì)海洋工程裝備造成巨大損失。我國海域達(dá)300萬km2，開發(fā)海洋資源，發(fā)展沿海經(jīng)濟(jì)，對(duì)我國海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[1]。管道作為開發(fā)海洋資源的重要運(yùn)輸工具，廣泛應(yīng)用于海底石油和深海礦產(chǎn)的開采，船舶和海洋平臺(tái)的建設(shè)等。近年來，海洋管道在單相流、兩相流以及多相流沖刷腐蝕介質(zhì)的協(xié)同作用下，致使管道的腐蝕速率加快，對(duì)大型海洋工程裝備造成巨大危害。因此，研究管道的沖刷腐蝕意義重大。

目前，沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置分為旋轉(zhuǎn)式、噴射式和管流式[2]。旋轉(zhuǎn)式?jīng)_刷腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置通過把金屬試樣掛在旋轉(zhuǎn)的圓盤上，分析金屬樣品在流動(dòng)溶液中的腐蝕。該類裝置應(yīng)用較廣，設(shè)計(jì)簡單，成本較低，但容器內(nèi)液體流動(dòng)狀態(tài)不穩(wěn)定，金屬樣品的軸向和周向受力與實(shí)際腐蝕環(huán)境相差較大[3-4]。噴射式?jīng)_刷腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置通過液體的高速流動(dòng)，連續(xù)噴射在金屬樣品表面，實(shí)驗(yàn)周期短，但該裝置的控制精確度較差，金屬樣品尺寸較小[5-7]。管流式?jīng)_刷腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置通過將金屬樣品固定在管道中，利用流動(dòng)的腐蝕溶液研究金屬樣品表面的腐蝕[8-9]。該裝置能很好地模擬管道沖刷的實(shí)際工況，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠，應(yīng)用價(jià)值較高，但實(shí)驗(yàn)周期較長，控制系統(tǒng)較為復(fù)雜，在國內(nèi)外管流式?jīng)_刷腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置都比較稀缺?；谏鲜銮闆r，文中設(shè)計(jì)了管流式?jīng)_刷腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置，可對(duì)直徑40～100 mm的測(cè)試管進(jìn)行試驗(yàn)，具有調(diào)控溫度和流速，并及時(shí)保存數(shù)據(jù)，在線修改環(huán)境參數(shù)等功能。

1 裝置設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)及工作原理

管流式?jīng)_刷腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，箭頭為水流走向。該裝置能夠同時(shí)對(duì)直管段、彎管段和焊接管段進(jìn)行加速腐蝕實(shí)驗(yàn)，測(cè)試管直徑在40～ 100 mm之間可調(diào)。沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置包括水箱進(jìn)口管、水箱出水口，水泵進(jìn)水口，主管路，測(cè)試分支管路、回水管路。主管路依次設(shè)有過濾器、水泵、單向閥、壓力表、溫度傳感器；測(cè)試分支管路設(shè)有DN100、DN80、DN50三條管段，每條管段依次設(shè)有電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力表、異徑接頭、測(cè)試管、超聲波流量計(jì)；回水管路設(shè)有兩條，一條通過溢流閥回到水箱，另一條通過背壓閥回流到水箱。考慮工作人員操作方便配有控制箱，并設(shè)計(jì)了人機(jī)界面對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制。

圖1 管流式?jīng)_刷腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

該裝置的工作過程是：首先將海水注入水箱到一定位置后，控制加熱器進(jìn)行加熱，定時(shí)加熱一段時(shí)間后，電磁閘閥打開，并選擇打開DN100或DN80或DN50的電磁調(diào)速閥閥門。然后離心泵運(yùn)轉(zhuǎn)，離心泵將一定量的海水送達(dá)到測(cè)試管段后，經(jīng)過背壓閥流回水箱，離心泵將多余液體經(jīng)過溢流閥流回水箱?？刂葡淅锇仓糜锌删幊炭刂破鳎≒LC）以及相關(guān)控制模塊，觸摸屏設(shè)有操作界面，操作者通過點(diǎn)動(dòng)觸摸屏相關(guān)按鈕控制離心泵、電磁閘閥、電磁調(diào)速閥等啟動(dòng)，進(jìn)而液體沿著管路循環(huán)工作。

1.2 異徑管連接方式

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，管段測(cè)試范圍在40～100 mm之間，并且定期更換測(cè)試管。測(cè)試管屬于金屬材料，而金屬與金屬在電解質(zhì)溶液中會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，進(jìn)而發(fā)生電偶腐蝕[10]，故采用硅膠軟管異徑接頭。硅膠軟管異徑接頭易于加工制造，成本較低，安裝方便，通過雙卡箍緊固連接在固定管段上，避免出現(xiàn)泄漏現(xiàn)象。測(cè)試管的連接如圖2所示。

圖2 測(cè)試管連接示意

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分：硬件主要對(duì)溫度控制系統(tǒng)、流速控制系統(tǒng)以及報(bào)警系統(tǒng)等進(jìn)行設(shè)計(jì)；軟件主要是對(duì)控制系統(tǒng)的動(dòng)作進(jìn)行編程，并制作人機(jī)界面監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)。PLC通過RS422電纜與觸摸屏連接，利用觸摸屏的人機(jī)界面控制、查看、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。軟件部分采用GX-WORK2軟件對(duì)控制系統(tǒng)的程序進(jìn)行編寫，采用EasyBuilder Pro軟件對(duì)人機(jī)界面進(jìn)行制作?？刂葡到y(tǒng)的電路接線如圖3所示。

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要對(duì)溫度控制系統(tǒng)、流速控制系統(tǒng)以及報(bào)警系統(tǒng)等進(jìn)行設(shè)計(jì)，由控制箱、離心泵、電磁閥、傳感器、加熱管、觸摸屏等組成?？刂葡涫钦麄€(gè)控制系統(tǒng)的核心，包括可編程控制器（PLC）、空氣開關(guān)、4AD模塊、4DA模塊、鉑電阻輸入模塊、可控硅調(diào)壓器、指示燈和按鈕、24 V電源等組成完整控制系統(tǒng)，集設(shè)備操作、數(shù)據(jù)處理為一體，操作方便，控制精度相對(duì)較高。為適應(yīng)海洋環(huán)境，控制箱采用316不銹鋼制造，保障外露操作設(shè)備元件的使用壽命。

圖3 控制系統(tǒng)電路接線

實(shí)驗(yàn)裝置的控制過程是各傳感器經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器，由模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)被PLC識(shí)別，并經(jīng)過PLC內(nèi)部計(jì)算，輸出數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)再經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換器，輸出電流或電壓傳送給執(zhí)行器。當(dāng)PLC接收到錯(cuò)誤信號(hào)后會(huì)發(fā)出報(bào)警響應(yīng)，并通過指示燈和蜂鳴器暗示操作人員。

2.1.1 溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)包括溫度傳感器、鉑電阻輸入模塊、PLC、4DA、可控硅調(diào)壓器、加熱管等，如圖4所示。溫度控制過程為：溫度傳感器檢測(cè)的模擬信號(hào)經(jīng)4DA轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)傳給PLC，PLC經(jīng)過內(nèi)部PID計(jì)算，輸出的數(shù)字信號(hào)經(jīng)4AD轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，可控硅調(diào)壓器接收到模擬信號(hào)，輸出給加熱器，進(jìn)而控制加熱器的連續(xù)工作狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)溫度低于58 ℃時(shí)，PLC輸出最大電壓控制加熱器的工作狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)溫度高于62 ℃時(shí)，PLC輸出0 V電壓控制加熱器的工作狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)溫度介于58～62 ℃之間時(shí)，采用PID控制算法進(jìn)行調(diào)控溫度。

2.1.2 流速控制系統(tǒng)

流速控制系統(tǒng)包括超聲波流量計(jì)、FX3U-4AD模塊、PLC、FX3U-4DA模塊、電動(dòng)調(diào)速閥等。流速控制過程為：超聲波流量計(jì)檢測(cè)到被測(cè)信號(hào)，存入FX3U-4AD轉(zhuǎn)換器，并將被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。數(shù)字信號(hào)與設(shè)定參數(shù)作對(duì)比得出偏差，偏差信號(hào)經(jīng)過PLC中PID運(yùn)算后，輸出數(shù)字信號(hào)。FX3U-4DA將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，直接控制電動(dòng)調(diào)速閥的開口角度，進(jìn)而達(dá)到控制流速的目的。流速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖5 流速控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括控制系統(tǒng)PLC程序的設(shè)計(jì)和人機(jī)界面的制作。PLC程序主要采用GX-WORK2軟件進(jìn)行編寫。GX-WORK2軟件通過FX-USB-AW ICO電纜將程序?qū)隤LC中。人機(jī)界面采用威綸通觸摸屏MT8103iE，使用EasyBuilder Pro軟件進(jìn)行觸摸屏控制界面的編輯。EasyBuilder Pro軟件通過雙絞線將人機(jī)界面程序?qū)胗|摸屏中。

2.2.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序采用GX-WORK2軟件進(jìn)行編寫，主要功能包括控制水泵、電動(dòng)閘閥的啟停，溫度、流速控制程序，以及系統(tǒng)報(bào)警。對(duì)應(yīng)的PLC網(wǎng)絡(luò)程序包括：系統(tǒng)初始化、水泵電機(jī)運(yùn)行、溫度模數(shù)轉(zhuǎn)換、流速的模數(shù)轉(zhuǎn)換、PID程序、4DA轉(zhuǎn)換程序、指示燈和報(bào)警程序。觸摸屏根據(jù)輔助繼電器的啟?？刂葡到y(tǒng)運(yùn)行，節(jié)省輸入端子的數(shù)量。溫度控制系統(tǒng)比較指令梯形圖 如圖6所示。

2.2.2 觸摸屏軟件設(shè)計(jì)

觸摸屏程序采用EasyBuilder Pro軟件進(jìn)行編寫，主要界面包括系統(tǒng)設(shè)置、溫度查詢、DN100查詢、DN80查詢、DN50查詢、參數(shù)監(jiān)測(cè)、狀態(tài)監(jiān)控、報(bào)警系統(tǒng)。系統(tǒng)設(shè)置主要對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)、停止、手動(dòng)、急停等選擇設(shè)置。溫度查詢、DN100查詢、DN80查詢、DN50查詢主要是顯示參數(shù)，以及實(shí)時(shí)記錄并保存溫度或流速數(shù)據(jù)。參數(shù)監(jiān)測(cè)主要包括顯示溫度的檢測(cè)值和設(shè)定值，顯示DN100管、DN80管和DN50管的流速檢測(cè)值和設(shè)定值。狀態(tài)監(jiān)控主要監(jiān)視外圍設(shè)備是否正常工作，并及時(shí)報(bào)警。報(bào)警系統(tǒng)主要包括低溫或高溫報(bào)警、各支管低速或高速報(bào)警，以及實(shí)時(shí)記錄報(bào)警數(shù)據(jù)。狀態(tài)監(jiān)控畫面如圖7所示。

圖6 溫度控制系統(tǒng)比較指令梯形圖

3 裝置樣機(jī)制作與實(shí)驗(yàn)

3.1 裝置樣機(jī)

為了驗(yàn)證自主設(shè)計(jì)的管流式?jīng)_刷腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置的性能，試制了裝置物理樣機(jī)，并對(duì)控制系統(tǒng)和零部件進(jìn)行調(diào)試。由于管段存在高度差，因此各管段采用螺桿支架支撐固定。該試驗(yàn)在室外進(jìn)行調(diào)試，打開空氣開關(guān)，裝置運(yùn)行。溫度采樣時(shí)間為3 s，流速 采樣時(shí)間為6 s，采樣數(shù)據(jù)通過觸摸屏的USB端口存儲(chǔ)在U盤中。運(yùn)行一段時(shí)間后，關(guān)閉電源裝置停止運(yùn)行。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

溫度測(cè)試結(jié)果如圖8所示。溫度由常溫加熱到60 ℃時(shí)，控制系統(tǒng)以恒定的電壓輸出，存在加熱過程，溫度曲線緩慢上升。當(dāng)溫度接近60 ℃時(shí)，溫度的上升斜率高于下降斜率，在上限溫度（61 ℃）和下限溫度（59 ℃）之間波動(dòng)。這是由于溫度控制系統(tǒng)未設(shè)置冷卻系統(tǒng)，當(dāng)溫度接近設(shè)定溫度60 ℃時(shí)，溫度的加熱速度大于自然冷卻速度。流速測(cè)試結(jié)果如圖9所示。當(dāng)流速未達(dá)到設(shè)定值2.5 m/s時(shí)，由于電磁閥輸入電流與流速一一對(duì)應(yīng)，在調(diào)速閥接收到模擬信號(hào)時(shí)，能夠快速作出反應(yīng)，因此電磁閥快速響應(yīng)達(dá)到設(shè)定值并趨于穩(wěn)定。由流速曲線可知，當(dāng)流速接近設(shè)定值時(shí)，開啟調(diào)速閥，液體湍動(dòng)能較大，對(duì)電磁閥門有沖擊作用，出現(xiàn)超調(diào)現(xiàn)象。而后湍動(dòng)能趨于穩(wěn)定，但流速過高，流態(tài)為紊流，因此流速達(dá)到設(shè)定值后存在輕微的波動(dòng)。

4 裝置性能分析

該裝置選用100ZX100-40離心式海水泵，額定流量為27.8 L/s。故DN100分支管、DN80分支管、DN50分支管最高流速分別為：。

另外，溫度檢測(cè)采用PT100鉑電阻傳感器，其溫度控制范圍為-50～150 ℃。采用超聲波流量計(jì)檢測(cè)流速，其流速范圍在0～10 m/s之間。人機(jī)界面監(jiān)控系統(tǒng)采用威綸通觸摸屏制作，可以在線顯示、遠(yuǎn)程傳輸和自動(dòng)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。測(cè)試管沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)后，計(jì)算腐蝕質(zhì)量損失率，拍攝整體宏觀形貌，采用切割機(jī)對(duì)管樣進(jìn)行切割，拍攝切割后宏觀形貌，并進(jìn)行表面、截面SEM和EDS分析，表面EIS、MS和LSV分析，表面銹層XRD和XPS分析。裝置性能指標(biāo)見表1。

5 結(jié)論

基于南海高溫、高濕、高鹽的特殊環(huán)境，自主設(shè)計(jì)了一種管流式?jīng)_刷腐蝕實(shí)驗(yàn)裝置，利用硅膠軟管異徑接頭實(shí)現(xiàn)不同公稱直徑的測(cè)試管快速連接，控制系統(tǒng)能對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在線顯示和自動(dòng)存儲(chǔ)。同時(shí)，對(duì)溫度控制系統(tǒng)和流速控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明，裝置運(yùn)行可靠，性能較多，溫度的控制精度可達(dá)到-0.5～+0.8 ℃，流速的控制精度可達(dá)到±0.01 m/s，能夠滿足裝置設(shè)計(jì)要求，具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。