海洋環(huán)境腐蝕模擬試驗裝置的優(yōu)化設計與研制

王受和，江 魯，王 俊，黃海軍，張曉東，陳 川

（中國電器科學研究院有限公司工業(yè)產品環(huán)境適應性國家重點實驗室，廣州 510663）

海洋環(huán)境腐蝕模擬試驗裝置的優(yōu)化設計與研制

王受和，江 魯，王 俊，黃海軍，張曉東，陳 川

（中國電器科學研究院有限公司工業(yè)產品環(huán)境適應性國家重點實驗室，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標準的試驗裝置設計要求以及試驗裝置的主要組成。重點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。本試驗裝置是一種結構簡單、能夠較真實模擬海洋環(huán)境腐蝕的試驗裝置。該試驗裝置研制成功，為研究海洋用材料的腐蝕行為與機理提供重要的技術設備支持。

海洋環(huán)境；腐蝕；試驗裝置；溫度控制；波浪；潮差；優(yōu)化設計；研制

引言

海洋腐蝕現象明顯且嚴重，一直都是極受關注的問題。據統(tǒng)計，2011年我國GDP為7.43萬億美元，而因為腐蝕造成的經濟損失高達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，而且一些鋼鐵、水泥、混凝土材料的腐蝕也進一步導致相應的碼頭、船舶、橋梁等發(fā)生突發(fā)性災難事件，給人們的生產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，研究海洋用材料的腐蝕行為機理和腐蝕規(guī)律，對于保障海洋設施安全、發(fā)展節(jié)約型經濟、保護海洋環(huán)境、促進社會可持續(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主要是在海岸線附近的海洋環(huán)境腐蝕試驗站進行實海試驗的，但是實海掛樣取樣試驗需要耗費大量的人力、物力和財力，并且存在著試驗周期長、試驗數據離散性大、不便于實時觀察和定量測試等缺點。尤其嚴重的是，在進行試驗的過程中常因狂風暴雨、海浪的拍擊等惡劣的海洋自然條件，很容易丟失掉試樣，造成試驗數據不完整，使整個試驗因此而失敗，前功盡棄。特別是對于內陸研究單位，進行實?，F場掛樣研究是很不理想的，使得海洋腐蝕相關工作無法進行。

因此，為了克服現有技術存在的問題，更好更方便地研究海洋用材料腐蝕行為與機理，本文介紹了一種新型的海洋環(huán)境腐蝕模擬試驗裝置。該裝置可以在室內模擬海洋真實環(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)分別較真實地模擬海洋環(huán)境中三個主要因素：溫度、潮差和波浪。在實驗室投樣進行試驗，實時觀察和監(jiān)測試樣腐蝕情況，將外海工作變?yōu)槭覂裙ぷ鳎瑸楹Ｑ蟾g防護技術提供實驗基礎和理論依據。

1 裝置總體思路和實現方案

1.1 總體思路

本試驗裝置的設計思想是結構盡可能簡單、且可以準確真實地模擬海洋腐蝕環(huán)境。在設計的總體思路上，首先需要明確本裝置要實現的功能要求，依據功能要求對裝置有一個總體輪廓，再分別設計優(yōu)選各個零部件，整合這些零部件對本裝置進行總體布局，最后從整體上優(yōu)化設計。然后依照優(yōu)化后的整體布局用solidworks軟件對其進行三維設計和運動仿真，檢測本裝置的可行性與直觀性，最后完成整個裝置的實物制作。

1.2 實現方案

本裝置要準確真實地模擬海洋腐蝕環(huán)境，重點模擬海洋環(huán)境的三個主要因素：溫度、潮差和波浪。針對這三個因素，分別設計了三個控制系統(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)是本裝置的關鍵所在。

1）溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)保證試驗海水維持在與實際海水相差不大接近的狀態(tài)。要求是溫度低于實際海水溫度時，需給試驗海水加熱。而當達到實際海水溫度時，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海水液面來實現模擬潮差。這需要進水箱和出水箱，若要節(jié)約水資源則要添加水循環(huán)系統(tǒng)，這樣系統(tǒng)較為復雜。且潮差周期長，流量控制不精確。本裝置采用樣品上下運動的方式來實現潮差模擬。

3）波浪控制系統(tǒng)

波浪控制系統(tǒng)需要造波，使海水產生波動，模擬海洋波浪。系統(tǒng)包括造波機、傳動系統(tǒng)、減速器和電動機四部分。

現在，造波機主要以機械式[2]為主，即通過造波板的機械運動對水體施加擾動而產生波動，形成波浪。常見的有：①搖板式。通過機械驅動使搖板繞固定軸擺動，使池中水產生波動。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。通過連桿驅動設在水糟一端的活塞進行往復運動，使池中水產生波動。波高取決于活塞沖程和速度，波長則取決于往復頻率。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運動達到造波的目的。④轉桶式。轉桶式則是通過設置在水面的圓柱體繞偏心輪旋轉使水產生波動[3]。本裝置設計采用搖板式。

而現行的造波機有兩種傳動類型：液壓傳動和機械傳動。由于液壓傳動中的液壓元件制造精度高，價格高，介質是液體，漏油現象很難消除，而且液壓傳動系統(tǒng)出現故障時不容易追查原因，維修困難。因此選擇價格相對較低，性能也可靠的機械傳動。本試驗裝置是在室內進行模擬海洋環(huán)境試驗的，空間比較有限，這對于傳動系統(tǒng)的要求是結構盡可能簡單。所以在進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)行機構的選擇也同樣重要，目前在波浪控制系統(tǒng)里通常都是用四桿機構來完成這個目的。因此本試驗裝置也同樣選擇四桿機構來作為傳動機構。

2 裝置的優(yōu)化設計

2.1 電機的選擇

選擇電動機的原則有以下幾點：

1）依據機械的負載性質和生產工藝，對電動機的起動、制動、反轉、調速等要求，合理選擇電機的類型。

2）依據負載轉矩、轉速變化范圍和起動頻繁程度等要求?？紤]電動機的溫升限制、過載能力和起動轉矩，合理選擇電動機的功率，使功率匹配合理，力求安全、可靠、經濟。

3）依據使用場所的環(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，考慮必要的保護方式，選擇電動機的防護結構型式。

4）依據企業(yè)電網的電壓標準、頻率和對功率因數的要求，確定電動機的電壓等級和頻率。

5）依據生產機械的最高轉速和對電力傳動調速系統(tǒng)的要求，以及機械減速的復雜程度，選擇電動機的電壓等級。

6）選擇電動機時，要考慮產品的價格、建設費用和運行費用，力求綜合經濟效益達到最好，比如在干燥、潔凈的場所，應盡量采用“IP23”的電機，因為這種電機的價格約為同容量“IP44”電機的70%，而且制造廠商可以節(jié)約材料，而對于連續(xù)運轉、負載率高的負載，宜采用高效率電機，以求節(jié)能和提高綜合經濟效益。

7）選擇電機時，要考慮影響安裝、運行和維護的因數，力求安裝和檢修方便，運行可靠。

2.1.1 造波電機的選型（圖1）

根據實驗裝置要求及安裝環(huán)境[4]，選擇封閉式小型三相異步電機。其結構特點是自扇冷卻、封閉性，可以防止灰塵、水滴大量進入電機內部，作一般用途的驅動源。選用功率7.5Kw、轉速1500r/min的Y132M型號電動機。

2.1.2 直線電機的選型

本裝置試驗一片樣品約重200g，最大樣品量可達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：

當樣品勻速運動時，牽引力F=G=322N

電機功率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啟動功率要求等因素，選用功率為104W的MLCE0260-255-00直線電機。

2.1.3 減速器的選型

造波電機的轉速為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，依據實際情況選用傳動比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，一個是實時測定顯示試驗海水的溫度，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 加熱管功率計算

本試驗裝置需加熱海水體積為V=1m×1m×0.6m = 0.6m3

則海水質量為M=ρV=1×103×0.6Kg=600Kg

式中：C—加熱介質的比熱容

M—加熱介質的質量

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·℃。

海水溫度與內陸溫度相差約10℃左右，ΔT=10℃加熱時間t=10min。

代入公式計算得出功率：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，其是將兩種不同的導體或半導體連接形成閉合回路，當兩個接點處的溫度不同時，回路中將產生熱電勢。熱電偶的測量范圍寬，性能較穩(wěn)定，同時結構簡單，動態(tài)響應好，更能夠遠傳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體或半導體的電阻值隨著溫度的變化而變化的特性。其優(yōu)點也很多，也可以遠傳電信號，靈敏度高，穩(wěn)定性強，互換性以及準確性都比較好，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，可以實時測定試驗海水的瞬時溫度。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，價格便宜等優(yōu)點。

2.2.3 溫度控制器

溫度控制器，根據工作環(huán)境的溫度變化，在開關內部發(fā)生物理形變，從而產生某些特殊效應，產生導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據，以供電路采集溫度數據。

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

依照試驗要求可選XMT6000智能型數字顯示溫度控制器，這種控制器廣泛應用于各種工業(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)

潮差的實現方式有兩種，一種是用虹吸管控制液面高度，另一種是使樣品上下運動。本裝置是使用第二種方式，通過采用滑輪變向，直線電機驅動來實現樣品上下控制運動，實現潮差的模擬。

樣品運動要求是上下直線往復運動，試驗箱上方裝有滑輪架，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上，電機驅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，通過調節(jié)直線電機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箱的上方，方便人工取樣和放樣。

直線電機特點：

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

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

3）易于調節(jié)和控制。通過調節(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，適用于低速往復運行場合。

2.4 波浪控制系統(tǒng)

2.4.1 波高與搖板擺幅的關系

搖板造波理論是建立在微幅波理論的基礎上，是微幅波理論在實際應用方面的一個應用。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ψ(x,y,t)來分析，搖板布置如圖2所示，設水深為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來運動產生波浪；設波浪高度為A；波長為λ；周期為T。波浪傳播方向設為正，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。

通過計算可得出：

這就是搖板擺幅與波高的關系。

2.4.2 搖板的擺幅和擺角（圖3）由幾何關系得：

由幾何公式

可得出擺幅 C1C2

可計算出擺角θ

在本裝置中連桿長度可調，有兩種極限位置：

由以上公式計算得出：擺幅 C1C2=460mm，擺角θ=35°

圖3 曲柄搖桿機構示意圖

圖4 樣品架及樣品

圖5 裝置整體造型及剖面圖

由以上公式計算得出：擺幅 C1C2=210mm，擺角θ=16°

2.5 樣品架的設計

樣品架的設計要求是結構簡單、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 裝置總體設計效果

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

4 結束語

海洋腐蝕防護工作任重而道遠，防腐技術面臨快速發(fā)展機遇的同時，也面臨著挑戰(zhàn)。本文對海洋環(huán)境模擬腐蝕試驗裝置進行優(yōu)化設計和研制，為研究海洋用材料腐蝕行為與機理提供可靠、簡單并能真實模擬海洋環(huán)境的設備。

通過海洋環(huán)境模擬試驗裝置，室內模擬試驗研究，分析各種材料海洋腐蝕的過程與腐蝕損傷機理，并建立各種海洋環(huán)境模擬試驗方法，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，可分析并評價防腐蝕措施的有效性與可行性，取得實驗室模擬海洋環(huán)境腐蝕試驗的結果與實海環(huán)境腐蝕試驗結果之間的相關性，進一步實現材料腐蝕性能的預測。

為了更精確地模擬海洋腐蝕環(huán)境，獲得更準確的海水腐蝕試驗數據，應積極探索海洋環(huán)境腐蝕試驗新方法、新技術，研制新設備。

[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].化工技術與開發(fā), 2013(8):48～50.

[2]葉春生,孫贊盈,彭紅,等.機械式造波機的機構設計及其運動性能分析[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,陳輝.一種改進的海洋腐蝕模擬試驗裝置的設計[J].科學時代,2010(7): 59～60.

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

[5]蔣頡.主動吸波式造波機造波原理研究[D].哈爾濱工程大學, 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，學士，助理工程師，從事工業(yè)產品的環(huán)境適應性技術研究。