一種新型周浸循環(huán)腐蝕試驗箱的研制

邱碧濤，嚴(yán)開勇，張萬靈

（武鋼研究院，湖北武漢 430080）

一種新型周浸循環(huán)腐蝕試驗箱的研制

邱碧濤，嚴(yán)開勇，張萬靈

（武鋼研究院，湖北武漢 430080）

本文介紹了研制的一種新型周浸循環(huán)腐蝕試驗箱，該試驗機(jī)采用可編程控制器控制試驗箱的運(yùn)行，實現(xiàn)了對試驗條件的自動高精度控制，同時還能對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行自動采集和記錄，大大提高了設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定性，試驗數(shù)據(jù)的可重復(fù)性好。本文主要對該試驗機(jī)的組成、主要控制原理做了簡單介紹。

周浸；腐蝕；研制

前言

材料大氣腐蝕是普遍存在的腐蝕類型[1-7]，它是大氣環(huán)境諸多因素在材料表面綜合作用的結(jié)果，據(jù)統(tǒng)計，材料因大氣腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失約占總腐蝕損失的一半以上。試驗表明，自然環(huán)境下暴露試驗是研究大氣腐蝕最通常的試驗方法，是一種接近使用環(huán)境的較可靠的腐蝕試驗方法，得出的結(jié)果也接近真實使用情況，但由于試驗周期長、速度慢，耗費大量的人力與物力，而且試驗區(qū)域性很強(qiáng)，不利于試驗結(jié)果的推廣和應(yīng)用。近年來加速腐蝕試驗越來越受到重視，它能在短時間內(nèi)較快地得到試驗結(jié)果，并且通過短時間的加速試驗可在一定程度上推測材料長期腐蝕行為的可能性。周期浸潤是環(huán)境試驗中常見的試驗技術(shù)之一[8]，該方法以試樣交替地在試驗溶液浸泡以及在空氣環(huán)境中干燥為特點,由于周期浸潤試驗?zāi)M了材料在大氣環(huán)境中干濕交替的特點，可能是發(fā)展更精確加速試驗方法的基礎(chǔ),因此，周期浸潤也逐步成為一種重要的加速腐蝕試驗方法。

1.浸循環(huán)腐蝕試驗箱的設(shè)計

周浸腐蝕試驗工藝流程[9]：稱重→堿洗→漂洗→放置試樣→周浸試驗→取出試樣→酸洗除銹→漂洗→干燥→稱重，前工序和后工序主要是人工操作，可通過規(guī)范操作來避免人為的試驗誤差，周浸試驗是整個過程中的重點，各種環(huán)境因素控制必須精確，如果溫度、濕度等變化幅度過大或者不均勻，將會導(dǎo)致試驗結(jié)果不能達(dá)到預(yù)期目的，試驗的重復(fù)性變差。

一般說來，周期浸潤試驗設(shè)備有3種形式[10、11]：采用可升降的試驗架，試驗架定期地下降到溶液中和上升到空氣中，實現(xiàn)試驗架上樣品的浸潤與干燥的交替；采用輪式結(jié)構(gòu)(如六角形的Ferris輪)，試驗輪緩慢旋轉(zhuǎn)，試驗輪底部浸泡在溶液中，使得安裝在試驗輪的試樣在旋轉(zhuǎn)到試驗輪底部時浸泡到溶液中，而當(dāng)試驗旋轉(zhuǎn)到一定高度時，試樣則處于空氣中。把試樣固定在試樣箱體中，試驗溶液定期注入和抽出試驗箱，從而實現(xiàn)試樣的浸潤和干燥的交替。對于鋼鐵試驗的加速腐蝕試驗，采用輪式結(jié)構(gòu)，形式簡單，而且一次可以完成多種鋼樣同時的加速腐蝕試驗，本試驗機(jī)總體上采用輪式結(jié)構(gòu)。

1.1.驗箱工作原理

在大溶液槽中配制腐蝕溶液，在控制界面上設(shè)定周浸循環(huán)腐蝕試驗的溫度、濕度、照度和運(yùn)行時間，按運(yùn)行按鈕，此時，耐腐蝕泵啟動，把大溶液槽中的液體抽到補(bǔ)充液槽中，達(dá)到預(yù)定的液位，電磁閥工作，補(bǔ)充液槽再向試驗液槽加裝液體，直到試驗液槽中的液體達(dá)到預(yù)定的液位，液體加載程序停止。PLC控制加熱單元、制冷單元工作，控制箱內(nèi)的環(huán)境溫度，加濕器噴霧，給試驗箱內(nèi)加濕，通過干燥器調(diào)節(jié)濕度，箱體內(nèi)試驗環(huán)境達(dá)到預(yù)定值，紅外燈對試驗表面加熱至預(yù)定值，通過冷卻單元微調(diào)試樣表面溫度，最終建立模擬大氣的試驗環(huán)境，試驗輪開始轉(zhuǎn)動，在試驗中如果實際值超過設(shè)定值，設(shè)備停機(jī)報警。圖1為試驗箱控制流程圖。

1.2.驗箱各功能模塊作用

傳動系統(tǒng)：由步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)、軸聯(lián)器、試驗軸共同組成，通過步進(jìn)電機(jī)、減速機(jī)和試驗軸帶動試驗輪按照設(shè)定的速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，在設(shè)計中減速機(jī)直接和試驗軸進(jìn)行連接，減少傳動皮帶等附加裝置，精簡了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減少了設(shè)備發(fā)生故障的概率。

溶液加載系統(tǒng)：試驗槽采用圓弧形結(jié)構(gòu)，通過補(bǔ)充液槽把溶液加載到試驗槽中，補(bǔ)充液槽內(nèi)的溶液則由試驗箱外的大溶液槽通過耐腐蝕泵加載，大溶液槽內(nèi)的液體的濃度采用手動配比，精密pH計檢測的方法實現(xiàn)鍍液濃度可調(diào)，試驗槽的圓弧結(jié)構(gòu)可以方便從狹窄的試驗箱內(nèi)旋出，更換試驗槽。

試樣溫度控制系統(tǒng)：紅外燈、透光玻璃、紅外測溫儀組成；通過紅外線的方式加熱試樣表面，透光玻璃起到隔絕箱體內(nèi)濕氣的作用，保護(hù)紅外燈的電源線路，同時能夠透過90%以上的紅外光，紅外測溫儀采用高分辨率型號，通過紅外測溫儀測量試樣表面溫度，根據(jù)測量結(jié)果，控制紅外燈電路的電壓，調(diào)節(jié)紅外燈的照度，從而控制試樣表面溫度。

箱體內(nèi)部溫度控制系統(tǒng)：紅外燈、透光玻璃、溫度傳感器、制冷機(jī)組、冷氣管；通過紅外燈加熱箱體內(nèi)的空氣，采用冷氣噴送的方法降低箱體內(nèi)空氣的溫度，溫度傳感器測量箱體內(nèi)實際的溫度，通過智能PID控制，調(diào)整紅外燈的加熱功率和冷氣管的冷氣噴入量，從而達(dá)到控制箱體內(nèi)溫度的作用。

濕度控制系統(tǒng)：超聲波霧化發(fā)生器、濕度傳感器、加濕孔組成；通過超聲波裝置使水霧化，透過加濕孔均勻的噴入試驗箱體內(nèi)部，通過濕度傳感器實時測量箱體內(nèi)的濕度變化。

空氣循環(huán)系統(tǒng)：風(fēng)扇、PLC系統(tǒng)組成，在箱體的左右兩側(cè)分別有一個可以正反轉(zhuǎn)的軸流風(fēng)扇，通過控制風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)，從而使箱體內(nèi)的溫度濕度達(dá)到均勻一致。

1.3.驗箱控制系統(tǒng)

自動加液系統(tǒng):試驗溶液采用耐腐蝕泵加載，當(dāng)試驗輪72°圓心角對應(yīng)的共性區(qū)在液槽中浸入到溶液時，通過液位開關(guān)動作，停止試驗溶液加載。試驗補(bǔ)充溶液通過耐腐蝕泵加載到補(bǔ)充液槽中，當(dāng)達(dá)到設(shè)定液位或人工干預(yù)停止加載。實驗過程中通過液位開關(guān)、電磁閥補(bǔ)充溶液槽中耗掉的試驗溶液，達(dá)到溶液槽內(nèi)溶液體積不變。

試驗液的電氣控制基本原理（見圖2）：

1）1DT得電(閥通)，M1電機(jī)啟動，往試驗液槽中充液至SFH高液位，電機(jī)M1停，1DT失電(閥關(guān)閉)；

2）2DT得電(閥通)，M1電機(jī)啟動，往補(bǔ)充液槽中充液至BFH高液位，電機(jī)M1停，2DT失電(閥關(guān)閉)；

3）1DT得電(閥通)，3DT得電(閥通)，試驗液槽中液體排空；

4）2DT得電(閥通)，3DT得電(閥通)，補(bǔ)充液槽中液體排空。

試驗箱溫度控制系統(tǒng)：采用電加熱棒（兩臺）加熱空氣，用熱空氣控制箱體溫度，利用制冷設(shè)備抑制過高溫度，實現(xiàn)40～50℃內(nèi)可調(diào)可控，控制溫度±1℃。為保證箱體內(nèi)溫度均勻，在箱體內(nèi)安裝電扇，促進(jìn)箱體內(nèi)空氣自循環(huán)。

（1）加熱棒工作，功率可分3檔，兩加熱棒可分別控制，并且兩加熱棒位于箱體的靠前的兩側(cè)安裝。溫度開關(guān)用以控制加熱棒和制冷設(shè)備的啟、停。

（2）制冷設(shè)備采用循環(huán)水冷卻的方法，在箱體左右兩端分別安裝進(jìn)氣孔和出氣孔，以便監(jiān)測箱體內(nèi)的溫度。其中循環(huán)水管上安裝兩位兩通電磁閥，當(dāng)箱體內(nèi)溫度過高時，電磁閥導(dǎo)通。當(dāng)箱體內(nèi)溫度達(dá)到冷卻溫度時，電磁閥關(guān)閉。需要注意的是：水冷裝置中的風(fēng)扇處于常開狀態(tài)，以保證箱體內(nèi)的空氣循環(huán)流動。

（3）電扇啟、停動作，正常工作時，電扇保持工作狀態(tài)。

圖3為環(huán)境溫度控制原理圖。

溫濕度解耦控制系統(tǒng)：環(huán)境溫濕度的解耦控制、工件表面溫度和環(huán)境溫度的解耦控制，解耦控制原理如圖4所示。

取Di= ( Pi+1- Pi) - ( Pi+1(t) - Pi(t))

Di-1= ( Pi- Pi-1) - ( Pi(t) - Pi-1(t))

Di和Di-1反映了相鄰?fù)ǖ缹χ魍ǖ纈的耦合作用，作為i通道模糊前饋解耦控制器的輸入。模糊前饋解耦控制器的輸出為補(bǔ)償解耦信號βi，與主通道控制器Di(s)的輸出信號ui疊加，作為被控量的控制量Ui。即Ui=ui+βi，其中，βi= F ( Di, Di-1)。

2.驗箱的主要技術(shù)指標(biāo)

研制的周浸腐蝕試驗箱具有很高的控制精度：

(1)箱體內(nèi)溫度均勻一致，并能在30～60℃可調(diào)，控制精度±1℃；

(2)在40%RH～89%RH范圍內(nèi)可以控制試驗箱內(nèi)的濕度，控制精度≯2%RH；

(3)試樣表面溫度在65～80℃可控可調(diào)，控制精度±1℃；

(4)主軸轉(zhuǎn)速在0.5～2r/h之間可控可調(diào)；

(5)試驗機(jī)能夠自動補(bǔ)充溶液；

(6)整個試驗過程可以計算機(jī)控制，并且出現(xiàn)故障能自動報警。

3.電安全控制

試驗箱能長時間無人看管連續(xù)工作，具有以下安全保護(hù)能力：

(1)停電保護(hù)，在設(shè)備運(yùn)行中電網(wǎng)停電，電網(wǎng)恢復(fù)供電后，設(shè)備不自行運(yùn)行。每次設(shè)備啟動都需要人工給出信號，設(shè)備才能啟動運(yùn)行；

(2)短路保護(hù)，設(shè)備運(yùn)行中，由于電線老化或其它不明原因?qū)е略O(shè)備內(nèi)線路短路，設(shè)備能跳閘自動切斷電源；

(3)過熱保護(hù)，設(shè)備運(yùn)行過程中，由于控溫系統(tǒng)失靈，當(dāng)溫度達(dá)到報警保護(hù)溫度時，溫度開關(guān)給出信號，設(shè)備停機(jī)，自動切斷電源保護(hù)，報警保護(hù)溫度在60～70℃內(nèi)可調(diào)；

(4)缺水保護(hù)，設(shè)備長時間運(yùn)行，當(dāng)霧化器缺水，設(shè)備長時間達(dá)不到規(guī)定相對濕度（給出信號），或其它原因?qū)е略囼炄芤盒孤荒軡M足試驗最低需要時，可增加液位超低開關(guān)量信號或通過程序控制，實現(xiàn)設(shè)備停機(jī)。

4.浸循環(huán)腐蝕試驗箱的應(yīng)用

研制的新型周浸循環(huán)腐蝕試驗箱是綜合了本單位多年來加速腐蝕試驗經(jīng)驗和業(yè)內(nèi)同行建議的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的，相比以前試驗箱有了很多的改進(jìn)，該試驗機(jī)主要用于以下幾個方面。

加速腐蝕試驗。由于周期浸潤試驗?zāi)M了大氣腐蝕過程中干濕交替的特點，因此周浸腐蝕試驗可以用作一些標(biāo)準(zhǔn)的加速腐蝕試驗，典型的試驗標(biāo)準(zhǔn)如TB/T 2375-2005，該標(biāo)準(zhǔn)采用0.01mol/L亞硫酸氫鈉溶液，要求試驗溫度為（45±2）℃，相對濕度為（70±5）RH ，每一循環(huán)周期：60min，其中浸潤時間（12±1.5）min，試樣烘烤后表面最高溫度（70±10）℃。

其它非標(biāo)試驗?？梢愿鶕?jù)需要設(shè)計一些非標(biāo)試驗，例如可以在浸潤溶液中加入各種腐蝕性介質(zhì)模擬不同的腐蝕性環(huán)境，也可以根據(jù)所模擬環(huán)境的濕潤時間和干燥時間的情況，通過改變試驗輪的轉(zhuǎn)速和溶液高度來控制試驗中的干濕比。

4.1.關(guān)試驗過程

從圖5可以看出，試驗箱內(nèi)溫度基本上可以在3～4個波峰壓制住，平均波動幅度不超過±1℃；濕度控制呈近似正弦波動，這是由于加濕、除濕控制為脈動輸入的原因，從實測數(shù)據(jù)看，有效濕度可以達(dá)到控制精度≯2%RH；從表1可以看出各平行試樣間的溫度誤差在±1℃，達(dá)到了控制精度。

5.論

(1)研制了一種以輪式結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的周期浸潤試驗機(jī)，該試驗機(jī)可以對試驗箱內(nèi)溫度、濕度、照度、試驗輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，控制精度高、控制指標(biāo)均勻性好。

表1.件表面溫度

(2)溶液槽內(nèi)溶液能夠自動補(bǔ)給、自動調(diào)節(jié)液位高度，試驗過程中的試驗條件數(shù)據(jù)可自動記錄。

(3)試驗箱具有高度的用電安全性，具有故障緊急停機(jī)功能。

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Development of A New Type of Alternate Immersion Cyclic Corrosion Tester

QIU Bi-tao，YAN Kai-yong，ZHANG Wan-ling
（Research and Development Center of WISCO,Wuhan 430080）

This paper introduced a new type of alternate immersion cyclic corrosion tester which was developed. The tester was controlled by programmed logic controller automatically and could collect and record the test data by PLC. The tester’s reliability was greatly enhanced and the experiment data repeat capability was good. This paper introduced the tester’s component and control method mainly.

alternate immersion；corrosion；development

V216.5

A

1004-7204（2012）03-0053-05