一种阴极保护下海洋环境的腐蚀疲劳模拟系统

本技术属于疲劳试验领域，更具体地，涉及一种阴极保护下海洋环境的腐蚀疲劳模拟系统。

背景技术：

1、随着全球石油供求的失衡和能源危机的加剧，开发海洋能源日益成为保障国家能源安全的重要手段。据相关报道统计，2023年我国海洋原油产量当量超6200万吨，成为我国的原油关键增量。海洋平台作为能源探测和油气开采的重要工具，在服役过程中的突然失效会对海洋环境和经济效益造成难以估量的损失。在海洋平台钢失效的原因中，因受海洋环境腐蚀而引发失效的比例高达90％，与此同时，海洋平台用钢在严苛的腐蚀环境下还要承受机械震动载荷，两者的加速耦合效应导致海洋平台用钢发生失效的概率大大增加，这种失效的现象成为腐蚀疲劳。海洋环境下的腐蚀疲劳失效往往发生于钢表面的点蚀坑，使用寿命远远低于空气疲劳寿命。

2、海洋环境根据腐蚀程度不同可以分为五个区域：大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区，五个区域的腐蚀特征各有不同，大气区的结构物表面常有一层电解液薄膜，且大气中氧含量充足，在强电解质和高含氧量的作用下会造成该区域金属腐蚀速率加快；飞溅区介于大气区和潮差区之间，其不仅含有大气区的腐蚀特征，还有浪花飞溅的作用和更充足的湿度，飞溅区的腐蚀速率是五大区域中最快的区域；潮差区受涨落潮和大气环境的影响，腐蚀环境复杂多变，但由于和大气区形成宏观电池，受阴极保护，故其腐蚀速率小于大气区；全浸区金属面临全时段的海水腐蚀，微生物、海水ph、盐含量等均会对其造成影响，由于海水中的氧含量较低，其腐蚀现象相对并不严重；海泥区的特点是受厌氧微生物的影响严重，其应力腐蚀敏感性较高。由于五大腐蚀区域的特征差异性明显，因此开展区域不同的腐蚀疲劳试验需要模拟特定的腐蚀环境，现有的腐蚀疲劳试验机仅能模拟单一的腐蚀环境，且不能针对标准试样模拟多种海洋腐蚀区域下的温度、湿度、浪花飞溅、盐雾等多变量的腐蚀环境，难以阐释海洋腐蚀各域的腐蚀疲劳断裂过程，亟需一种可模拟多区域海洋腐蚀环境的腐蚀疲劳试验装置。

3、另一方面，阴极保护一直以来是海洋结构腐蚀防护最有效的手段之一。国内的阴极保护技术广泛应用于土壤或海水中管道和码头及船舶的腐蚀控制领域。然而，服役状态下的海洋管道、船舶等在特定的海洋腐蚀区域会不可避免的遭受机械震动载荷，在特定的腐蚀介质和交变载荷的耦合作用下极易导致腐蚀疲劳失效，且有大量研究表明，阴极保护状态下的腐蚀和传统的腐蚀作用机理具有显著差异。腐蚀机理的差异会明显改变相同环境下腐蚀疲劳效应，但当前针对海洋环境下的腐蚀疲劳装置缺乏考虑阴极保护对腐蚀疲劳作用的影响，不能阐释实际环境中被广泛应用的阴极保护技术下的腐蚀疲劳作用机制。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本技术提供了一种阴极保护下海洋环境的腐蚀疲劳模拟系统，旨在解决现有的腐蚀疲劳试验无法接近实际服役工况的问题。

2、本技术提供的一种阴极保护下海洋环境的腐蚀疲劳模拟系统，具体包括腐蚀单元、环境模拟单元、阴极保护单元和疲劳试验机，其中：

3、所述腐蚀单元用于穿过待测试样并为待测试样提供不同的腐蚀环境；

4、所述环境模拟单元包括盐雾发生组件、盛液箱、潮差组件、飞溅组件、加热组件和换气组件，所述盐雾发生组件与腐蚀单元连接，用于控制腐蚀单元内的盐雾沉积量；所述盛液箱用于盛放腐蚀液；所述潮差组件的一端与盛液箱连接，其另一端与腐蚀单元连接，用于控制腐蚀单元中腐蚀液的水位高度；所述飞溅组件的一端与盛液箱连接，其另一端设置在腐蚀单元中，用于向待测试样喷射腐蚀液以模拟浪花喷溅；所述加热组件设置在腐蚀单元的外侧，用于控制腐蚀单元的温度；所述换气组件与腐蚀单元连接，用于控制腐蚀单元的湿度；

5、所述阴极保护单元与待测试样连接，用于为待测试样提供阴极保护；

6、所述疲劳试验机通过试样夹头与待测试样的两端连接，用于在不同腐蚀环境及阴极保护下对待测试样进行疲劳模拟。

7、通过本技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于本技术对环境模拟单元的组成进行优化，并设置了阴极保护单元，能够模拟大气区、飞溅区、潮差区和全浸区的腐蚀环境，并根据服役条件为全浸区和潮差区提供阴极保护环境，使得模拟结果更接近实际服役工况。

8、作为进一步优选的，所述阴极保护单元包括恒电位仪、甘汞电极和铂片电极，所述恒电位仪的工作电极端口与待测试样连接，该恒电位仪的参比电极端口与甘汞电极连接，该恒电位仪的辅助电极端口与铂片电极连接，同时所述甘汞电极和铂片电极伸入腐蚀单元中。

9、作为进一步优选的，所述腐蚀单元包括环境箱组件和传感组件，所述环境箱组件的上下开口用于穿过待测试样，同时该环境箱组件与环境模拟单元连接，用于为其内部的待测试样提供不同的腐蚀环境；所述传感组件伸入环境箱组件的内部，用于检测环境箱组件的腐蚀环境；优选的，所述传感组件包括液位传感器、温度传感器、湿度传感器、ph传感器和cl离子传感器，所述液位传感器用于检测环境箱组件的水位高度，所述温度传感器用于检测环境箱组件的温度，所述湿度传感器用于检测环境箱组件的湿度，所述ph传感器用于检测腐蚀液的ph，所述cl离子传感器用于检测腐蚀液的cl离子含量，以根据腐蚀液的ph和cl离子含量判断腐蚀液是否需要更换。

10、作为进一步优选的，所述疲劳试验机还包括两个绝缘环和两个陶瓷垫片，两个所述绝缘环分别设置在试样夹头的内壁，同时两个所述陶瓷垫片设置在试样夹头与待测试样之间。

11、作为进一步优选的，所述腐蚀单元通过金属支架与疲劳试验机连接，以此实现腐蚀单元的固定。

12、作为进一步优选的，所述腐蚀疲劳模拟系统还包括接液单元，所述接液单元包括接液槽和废液箱，所述接液槽设置在腐蚀单元的正下方，用于承接腐蚀单元的漏液；所述废液箱与接液槽连接，用于储存接液槽中的废液。

13、作为进一步优选的，所述接液槽与试样夹头固定连接。

14、作为进一步优选的，所述潮差组件包括潮差水泵、入水管和出水管，所述潮差水泵的一端与盛液箱连接，另一端与入水管连接，同时所述入水管伸入腐蚀单元中，用于向腐蚀单元通入腐蚀液；所述出水管与腐蚀单元的底部连接，并且该出水管上设置有出水阀，通过出水阀控制出水管的开闭，用于与入水管配合控制腐蚀单元的水位高度。

15、作为进一步优选的，所述飞溅组件包括飞溅水泵、左喷头和右喷头，所述飞溅水泵的一端与盛液箱连接，另一端与左喷头、右喷头连接，以将腐蚀液送入左喷头和右喷头；所述左喷头和右喷头设置在待测试样的左右两侧，用于对待测试样喷射腐蚀液以模拟浪花喷溅。

16、作为进一步优选的，所述腐蚀疲劳模拟系统还包括控制单元，所述控制单元与腐蚀单元和环境模拟单元连接，用于根据腐蚀单元的腐蚀环境控制环境模拟单元，同时控制单元还与阴极保护单元连接，用于控制阴极保护单元。

17、总体而言，通过本技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

18、1.本技术对环境模拟单元的组成进行优化，通过设置盐雾发生组件、潮差组件、飞溅组件、加热组件和换气组件，能够精准调节腐蚀单元的腐蚀环境，进而模拟大气区、飞溅区、潮差区和全浸区的腐蚀环境，并且通过设置阴极保护单元，能够根据服役条件为全浸区和潮差区提供阴极保护环境，进而使得模拟结果更接近实际服役工况；

19、2.尤其是，本技术根据阴极保护的要求，在腐蚀单元的传感组件中设置ph传感器和cl离子传感器，能够根据腐蚀液的ph和cl离子含量判断腐蚀液是否需要更换，避免长时间试验造成腐蚀液的理化性质发生变化，从而影响阴极保护的效果，进而造成试验环境与实际工况产生偏差，影响模拟结果的准确性；

20、3.此外，本技术通过在疲劳试验机上加装绝缘环和陶瓷垫片，能够确保待测试样与疲劳试验机绝缘连接，避免待测试样表面电流不均匀，影响阴极保护效果，造成数据波动，并且还能够避免电流泄漏导致恒电位仪或疲劳试验机损坏。