油气管道土壤环境腐蚀模拟装置及其腐蚀模拟方法

摘要

本发明公开了油气管道土壤环境腐蚀模拟装置及其腐蚀模拟方法，油气管道土壤环境腐蚀模拟装置，包括一个密封且设置有保温层（13）的盒体，盒体内设置有支架（5），在支架上设置有土壤实验盒（1），土壤实验盒内压实有土壤，土壤实验盒上端开口，在土壤内埋设有腐蚀试片（2），土壤实验盒的侧壁安装有2个对称设置的钛合金板（3），2个钛合金板（3）连接在腐蚀供电回路中，所述腐蚀供电回路的供电电源为输出非直线波电源的波形发生器和波形放大器（14）。

说明书

技术领域

本发明涉及金属腐蚀防护领域，具体涉及一种油气管道土壤环境腐蚀模拟装置及其腐蚀模拟方法。

背景技术

土壤环境中的材料腐蚀问题不仅是腐蚀科学研究领域中一个重要的课题，而且也是地下工程应用所急需解决的一个实际问题。随着国民经济的发展，特别是能源工业的发展，以及西部大开发的推进，还将会有大量的地下管道、钢桩、套管、储罐和电缆等地下设施投入建设和使用。这些地下构筑物常因遭受土壤腐蚀和杂散电流腐蚀而给国民经济的建设造成巨大的损失，建立、完善和发展土壤腐蚀和杂散电流腐蚀的研究方法具有重要的科学意义和经济价值。对土壤环境中的金属腐蚀问题研究是腐蚀研究领域的重要组成部分。由于土壤介质的复杂性，诸多因素单独地或相互作用影响土壤腐蚀过程，使得金属在土壤环境中的实际腐蚀行为变得十分复杂和难以预测。

长期以来，埋地油气管道的腐蚀检测主要靠人工开挖现场检测，但是存在工程量大、耗资高、容易破坏防腐层等缺点。尤其在城市管网中使用，更难以实施，且开挖测试结果带有一定随机性，偶然性。为此，研究开发一种可以模拟油气管道土壤真实环境的腐蚀模拟装置及其腐蚀模拟方法，用于在实验室模拟土壤腐蚀和杂散电流腐蚀试验研究，从而探索油气管道的腐蚀机理及防护方法，是目前急待解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提出一种以电流法模拟油气管道加速腐蚀的模拟装置，即油气管道土壤环境腐蚀模拟装置及其腐蚀模拟方法。

本发明通过下述技术方案实现：

油气管道土壤环境腐蚀模拟装置，包括一个密封且设置有保温层的盒体，盒体内设置有支架，在支架上设置有土壤实验盒，土壤实验盒内压实有土壤，土壤实验盒上端开口，在土壤内埋设有腐蚀试片，土壤实验盒的侧壁安装有2个对称设置的钛合金板，2个钛合金板连接在腐蚀供电回路中，所述腐蚀供电回路的供电电源为输出非直线波电源的波形发生器和波形放大器。非直线波包括矩形波或正弦波或余弦波或锯齿波或横波等，即排除直线波，使得本系统可以研究不同波形电源对土壤环境腐蚀腐蚀试片的影响。根据试验需求设置不同的电压、电流、波形、频率输出，为整个腐蚀试验区提供电源支持。现有技术的腐蚀供电回路的供电电源一般为直流开关电源，输出的电源为直线波，研究腐蚀环境中电压、电流的等级、腐蚀环境的变化对腐蚀试片的影响，没有将波形的影响纳入腐蚀研究。波形发生器及波形放大器中的波形发生器生成电流，波形放大器将波形发生器生成的电流放大处理。

本发明将波形引入模拟腐蚀试验装置，现有的模拟腐蚀试验装置专利中，对杂散电流的模拟都是通过直流电源实现，只有电流、电压对腐蚀有影响。而通过接地极实地测试，发现极址附近土壤间电压波形是实际存在的，波形的形状和大小对腐蚀有影响，所以在模拟腐蚀试验装置中引入波形，目前尚无任何公开文献记载了模拟直流接地极杂散电流波形的腐蚀试验装置。

上述结构的设计原理为：以土壤实验盒为基础结构，土壤实验盒内设置土壤，模拟油气管道与土壤接触的环境，为了获得加速腐蚀效果，在土壤实验盒两侧设置钛合金板，使得土壤、钛合金板形成一个能通过电流的结构，只要将钛合金板连接到腐蚀供电回路中，即可使得上述能通过电流的结构通过电流，使得内部腐蚀试片导电，从而达到加速腐蚀的效果，可以设置腐蚀供电回路的电流等级来获得不同加速效果的腐蚀模拟实验。而其中的腐蚀供电回路可以采用现有的一些供电回路，也可以采用本文后面设计的供电回路。波形发生器和波形放大器中的波形发生器输出电流，波形放大器放大处理波形发生器输出的电流。

优选的，为了保持盒体内的温度，达到环境温度模拟的效果，本发明还设置有加热电阻丝和风机，即，支架下方设置有加热电阻丝和风机，加热电阻丝所处高度与风机出风口高度一致。在盒体内温度超过阀值时，给加热电阻丝和风机供电，使得加热电阻丝发热、风机转动，最终在盒体内形成热风，达到环境内温度升高。

优选的，为了保持盒体内的湿度，达到环境降雨模拟的效果，土壤实验盒上方设置有降雨管，降雨管上设置有供水泵、至少1个喷头。

优选的，为了保持盒体内的湿度，达到环境湿度模拟的效果，在盒体内湿度超过阀值时，给加蒸汽加湿器供电，使得蒸汽加湿器起到给在盒体内形成水汽，达到环境内湿度升高，因此，需要在盒体内设置有蒸汽加湿器。

为了实现控制上述各个器件，本发明还包括控制系统，所述控制系统包括控制装置，信息采集装置、数据传输装置、波形发生器及波形放大器；控制装置与波形发生器及波形放大器、信息采集装置连接，信息采集装置与数据传输装置连接；

可以通过上述控制系统获得电流加速腐蚀模拟系统、降雨模拟系统、温度模拟系统、湿度模拟系统；

电流加速腐蚀模拟系统：包括腐蚀电磁开关、电阻器、电流表、波形发生器及波形放大器；波形发生器及波形放大器、腐蚀电磁开关、电阻器、电流表串联形成腐蚀供电回路；土壤实验盒的2个钛合金板形成腐蚀电极，腐蚀介质串联在腐蚀供电回路中；

信息采集装置的信号采集端与电阻器、电流表连接；

控制装置的控制端与腐蚀电磁开关的受控端、电阻器的受控端连接。

波形发生器及波形放大器为整个试验装置包括腐蚀供电回路提供电源支持，并根据试验需求，由控制装置控制输出不同波形和大小的电压、电流。

温度模拟系统：支架下方设置有加热电阻丝和风机，加热电阻丝所处高度与风机出风口高度一致，还包括加热电磁开关，波形发生器及波形放大器、加热电磁开关、加热电阻丝串联形成加热供电回路；

信息采集装置的信号采集端与放置在盒体内的温度传感器连接；

控制装置的控制端与加热电磁开关的受控端连接。

湿度模拟系统：盒体内设置有蒸汽加湿器，还包括加湿电磁开关，波形发生器及波形放大器、加湿电磁开关、蒸汽加湿器串联形成加湿供电回路；

信息采集装置的信号采集端与放置在盒体内的湿度传感器连接；

控制装置的控制端与加湿电磁开关的受控端连接。

降雨模拟系统：土壤实验盒上方设置有降雨管，降雨管上设置有供水泵、至少1个喷头，控制装置的控制端与供水泵的受控端连接。

上述装置中，信息采集装置采集相关器件的参数，可以采集电流表、电阻器、波形发生器及波形放大器、温度传感器、湿度传感器的参数，然后将上述器件的参数通过数据传输装置传输到后台记录下来，便于后期分析。

基于油气管道土壤环境腐蚀模拟装置的腐蚀模拟方法，包括以下步骤：

包括电流加速腐蚀模拟步骤：设定好腐蚀供电回路中供电电源的电压、电流、波形，启动腐蚀供电回路，使得电流通过2个钛合金板、土壤试验盒内的土壤、腐蚀试片，腐蚀周期结束之后观察腐蚀试片的腐蚀状态。

所述的腐蚀模拟方法，还包括至少一种以下步骤：

温度模拟步骤：控制装置控制波形发生器及波形放大器输出电流，控制装置控制加热电磁开关闭合，加热电阻丝发热，风机送风形成热风，对盒体内部空气加热，加热电阻丝和风机设置在支架下方，加热电阻丝所处高度与风机出风口高度一致，波形发生器及波形放大器、加热电磁开关、加热电阻丝串联形成加热供电回路；

湿度模拟步骤：控制装置控制波形发生器及波形放大器输出电流，控制装置控制湿度电磁开关闭合，蒸汽加湿器喷出蒸汽，蒸汽加湿器设置在盒体内，波形发生器及波形放大器、加湿电磁开关、蒸汽加湿器串联形成加湿供电回路；

降雨模拟步骤：控制装置控制供水泵，水流经过供水泵流入到降雨管后从喷头喷出，降雨管设置在土壤实验盒上方，供水泵与降雨管连通，降雨管上设置有至少1个喷头。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：可实现模拟土壤温湿度、自然降雨、杂散电流等腐蚀环境的功能，具有操作简单，自动化程度高等优点。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明各部件的布局示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1、土壤试验盒；2、腐蚀试片；3、钛合金板；4、湿度传感器；5、支架；6、风机；7、加热电阻丝；8、温度传感器；9、降雨管；10、电流表；11、腐蚀电磁开关；111、加热电磁开关，112、加湿电磁开关；12、电阻器；13、保温层；14、波形发生器及波形放大器；15、数据传输装置；16、信息采集装置；17、控制装置；18、蒸汽加湿器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，油气管道土壤环境腐蚀模拟装置，包括一个密封且设置有保温层13的盒体，盒体内设置有支架5，在支架上设置有土壤实验盒1，土壤实验盒内压实有土壤，在土壤内埋设有腐蚀试片2，土壤实验盒的侧壁安装有2个对称设置的钛合金板3，2个钛合金板3连接在腐蚀供电回路中。所述腐蚀供电回路的供电电源为输出非直线波电源的波形发生器和波形放大器14。

上述结构的设计原理为：以土壤实验盒为基础结构，土壤实验盒内设置土壤，模拟油气管道与土壤接触的环境，为了获得加速腐蚀效果，在土壤实验盒两侧设置钛合金板，使得土壤、钛合金板形成一个能通过电流的结构，只要将钛合金板连接到腐蚀供电回路中，即可使得上述能通过电流的结构通过电流，使得内部腐蚀试片导电，从而达到加速腐蚀的效果，可以设置腐蚀供电回路的电流等级来获得不同加速效果的腐蚀模拟实验。而其中的腐蚀供电回路可以采用现有的一些供电回路，也可以采用本文后面设计的供电回路。

优选的，为了保持盒体内的温度，达到环境温度模拟的效果，本发明还设置有加热电阻丝和风机，即，支架下方设置有加热电阻丝7和风机6，加热电阻丝7所处高度与风机出风口高度一致。在盒体内温度超过阀值时，给加热电阻丝和风机供电，使得加热电阻丝发热、风机转动，最终在盒体内形成热风，达到环境内温度升高。优选的，为了保持盒体内的湿度，达到环境降雨模拟的效果，土壤实验盒上方设置有降雨管9，降雨管9上设置有供水泵、至少1个喷头。

优选的，为了保持盒体内的湿度，达到环境湿度模拟的效果，在盒体内湿度超过阀值时，给加蒸汽加湿器供电，使得蒸汽加湿器起到给在盒体内形成水汽，达到环境内湿度升高，因此，需要在盒体内设置有蒸汽加湿器8。

为了实现控制上述各个器件，本发明还包括控制系统，所述控制系统包括控制装置17，信息采集装置16、数据传输装置15、波形发生器及波形放大器14；控制装置17与波形发生器及波形放大器14、信息采集装置16连接，信息采集装置16与数据传输装置15连接；

可以通过上述控制系统获得电流加速腐蚀模拟系统、降雨模拟系统、温度模拟系统、湿度模拟系统；

电流加速腐蚀模拟系统：包括腐蚀电磁开关11、电阻器12、电流表10、波形发生器及波形放大器14；波形发生器及波形放大器14、腐蚀电磁开关11、电阻器12、电流表10串联形成腐蚀供电回路；土壤实验盒的2个钛合金板形成腐蚀电极，腐蚀介质串联在腐蚀供电回路中；

信息采集装置16的信号采集端与电阻器、电流表连接；

控制装置17的控制端与腐蚀电磁开关的受控端、电阻器的受控端连接。

波形发生器及波形放大器14为整个试验装置包括腐蚀供电回路提供电源支持，并根据试验需求，由控制装置控制输出不同波形和大小的电压、电流输出。

温度模拟系统：支架下方设置有加热电阻丝7和风机6，加热电阻丝7所处高度与风机出风口高度一致，还包括加热电磁开关111，波形发生器及波形放大器14、加热电磁开关111、加热电阻丝串联形成加热供电回路；

信息采集装置16的信号采集端与放置在盒体内的温度传感器8连接；

控制装置17的控制端与加热电磁开关111的受控端连接。

湿度模拟系统：盒体内设置有蒸汽加湿器8，还包括加湿电磁开关112，波形发生器及波形放大器14、加湿电磁开关112、蒸汽加湿器10串联形成加湿供电回路；

信息采集装置16的信号采集端与放置在盒体内的湿度传感器4连接；

控制装置17的控制端与加湿电磁开关112的受控端连接。

降雨模拟系统：土壤实验盒上方设置有降雨管9，降雨管9上设置有供水泵、至少1个喷头，控制装置17的控制端与供水泵的受控端连接。

上述装置中，信息采集装置16采集相关器件的参数，可以采集电流表、电阻器、波形发生器及波形放大器、温度传感器、湿度传感器的参数，然后将上述器件的参数通过数据传输装置传输到后台记录下来，便于后期分析。

实施例2

基于油气管道土壤环境腐蚀模拟装置的腐蚀模拟方法，包括以下步骤：

包括电流加速腐蚀模拟步骤：设定好腐蚀供电回路中供电电源的电压、电流、波形，启动腐蚀供电回路，使得电流通过2个钛合金板3、土壤试验盒内的土壤、腐蚀试片，之后观察腐蚀试片的腐蚀状态。

实施例3

在实施例2的基础上，所述的腐蚀模拟方法，还包括至少一种以下步骤：

温度模拟步骤：控制装置控制波形发生器及波形放大器14输出电流，控制装置控制加热电磁开关闭合，加热电阻丝发热，风机6送风形成热风，对盒体内部空气加热，加热电阻丝7和风机6设置在支架下方，加热电阻丝7所处高度与风机出风口高度一致，波形发生器及波形放大器14、加热电磁开关111、加热电阻丝串联形成加热供电回路；

湿度模拟步骤：控制装置控制波形发生器及波形放大器14输出电流，控制装置控制湿度电磁开关闭合，蒸汽加湿器10喷出蒸汽，蒸汽加湿器8设置在盒体内，波形发生器及波形放大器14、加湿电磁开关112、蒸汽加湿器10串联形成加湿供电回路；

降雨模拟步骤：控制装置控制供水泵，水流经过供水泵流入到降雨管后从喷头喷出，降雨管9设置在土壤实验盒上方，供水泵与降雨管9连通，降雨管9上设置有至少1个喷头。上述装置和方法中：

所述波形发生器及波形放大器为整个试验装置提供电源支持，并根据试验需求设置不同波形和大小的电压、电流输出。

所述温控系统由加热电阻丝、风机、控制装置、波形发生器及波形放大器、加热电磁开关组成。

所述湿度控制系统由湿度传感器、加湿电磁开关、蒸汽加湿器、控制装置组成。

所述降雨系统由降雨管、喷头、供水泵、控制装置组成。

所述装有腐蚀试片的土壤试验盒两端设置钛合金板，试验盒端面最低处设有螺钉封闭的孔道，可以打开注水或排水，保证土壤湿度的均一性。试验箱体内设置1~10个土壤实验盒，两个土壤实验盒的2个钛合金板通过端子排组合成串联回路或并联回路，还可以将10个土壤实验盒分两层，上层串联电路，下层并联电路，可以形成比较，研究串联和并联的腐蚀效果。

所述信息采集装置采集相关器件的信号，并将信号传输至控制装置。

所述控制装置还可以设置触摸屏，用于调节控制温度、湿度，根据油气管线自然环境气候特征，通过触摸屏设定24小时温度、湿度、风速、降雨变化规律，控制装置发出指令控制发热，通风、降雨，进行相关参数的控制。

所述数据传输装置，可以采用基于4G或WIFI的无线数据传输装置，数据输出到中控室或技术人员办公室进行试验过程的监视、控制及历史数据的存储。

所述各个接头采用防水防尘接头，主要作用是防止试验箱体内的水或灰尘对导线与元器件连接处的腐蚀损害，起到阻隔水、尘的作用。

所述保温层由保温材料组装而成，为试验箱体提供一个恒定的温度环境。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。