一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验方法

摘要

本发明实施例公开了一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验方法，包括：对待试验管道表面进行处理，并采集材料特性；将待试验管道置于试验腔体中，通过移动部对待试验管道施加预设的拉力，使待试验管道处于预应力状态；初根据腐蚀疲劳试验参数，向试验腔体中通入初始状态下的腐蚀液，并调节初始状态下的环境数值达到初始预设范围；通过移动部以预设荷载对待试验管道进行加载，同时对试验腔体中的实验环境进行监测，并调节实验环境处于试验预设范围内，完成待试验管道的腐蚀疲劳试验。通过上述方案，针对性实现了复杂动态腐蚀环境下的疲劳性能测试、海底管道防腐蚀性能测试等的同步评价研究。

说明书

技术领域

本发明实施例涉及海洋领域和海底石油开采领域中的管道的检测技术领域，具体涉及一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验方法。

背景技术

现有的腐蚀疲劳试验通常有以下两种：1.先对试件预腐蚀，然后再对预腐蚀后的试件开展疲劳试验，以考察材料或构件的腐蚀疲劳性能；2.在固定环境下(压力，溶液浓度，PH)对试件开展疲劳试验。

然而，在土木工程、海洋工程、机械工程领域，结构、构件和材料往往同时承受腐蚀和疲劳作用，并且环境因素有随着时间的推移会有较大的变化。若仍采用以上两种方法，会存在以下问题：

1.缺乏对腐蚀疲劳耦合作用效果的研究。实际上，疲劳与腐蚀是一个相互作用，互相促进的过程，材料在溶液中发生电化学反应生成锈层，会加速侵蚀向材料纵深发展，锈层的脱落和蚀坑的形成会增大局部应力，继而对疲劳裂纹的产生起到促进作用，而裂纹的产生会加速腐蚀效应。

2.缺乏对实际环境的模拟。比起陆地，海洋中的温度和压力在一天的范围内都是有着很大的变化，而工程结构所经历的环境因素也是一个动态的，传统的腐蚀疲劳机只能在固定环境下进行试验，无法模拟环境参数动态调整的环境，若将以此得到的实验结果用于生产实际，将会给行业应用带来很大的误差和无法预料的安全隐患。

3.缺乏稳定的pH控制系统。海洋内的pH在相当长的一段时间内保持稳定，但是一般的腐蚀疲劳机因为容积有限，溶液含量有限，随着腐蚀的进行，溶液内的pH会有相当程度的变化，若是进行长期的腐蚀疲劳模拟，更会对溶液pH产生较大影响，因此会对试验结果产生较大的误差。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验方法，通过对待试验管道的材料特性进行采集，根据采集的材料特性预设腐蚀疲劳试验动态参数，针对性设置相应的初始实验环境，并在实验过程中对实验环境进行监测，同步调整实验环境，从而针对性实现复杂动态腐蚀环境下的疲劳性能测试、海底管道防腐蚀性能测试等的同步评价研究。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

在本发明实施例的一个方面，提供了一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验方法，包括：

S100、待试验管道的预处理：对待试验管道表面进行处理，并采集待试验管道的材料特性；

S200、待试验管道的安装：将待试验管道置于试验腔体中，同时将待试验管道的一端通过固定部固定设置，另一端连接于可朝向固定部靠近或远离的移动部上，通过移动部对待试验管道施加预设的拉力，使待试验管道处于预应力状态；

S300、初始实验环境的调节：根据腐蚀疲劳试验参数，向试验腔体中通入初始状态下的腐蚀液，并调节初始状态下的环境数值达到初始预设范围；

S400、试验状态：通过移动部以预设荷载对待试验管道进行加载，同时对试验腔体中的实验环境进行监测，并调节实验环境处于试验预设范围内，完成待试验管道的腐蚀疲劳试验。

作为本发明的一种优选方案，步骤S100中，待试验管道的表面处理方式为抛光打磨处理，且处理后的待试验管道的光洁度达到预设数值；

待试验管道的材料特性至少包括拉伸特性。

作为本发明的一种优选方案，步骤S200具体包括：

S201、将待试验管道吊装至固定部和移动部之间，并将其中一端固定安装于固定部上，另一端安装于移动部上；

S202、调整移动部的倾斜角度，使待试验管道的轴线平行于实验平面；

S203、将移动部朝向远离固定部的一侧移动，以使得移动部对待试验管道施加预设的拉力，使待试验管道处于预应力状态。

作为本发明的一种优选方案，所述环境数值至少包括试验腔体中的腐蚀液的pH值、温度值和压力值。

作为本发明的一种优选方案，所述预设载荷至少包括预设加载频率、预设加载幅值和预设加载波形。

作为本发明的一种优选方案，步骤S400中，实验环境通过控制系统分别对pH值、温度值和压力值进行监测和调节，且监测和调节过程具体包括：

S401、pH值的监测和调节：位于试验腔体中的pH监测仪监测试验腔体中的pH值并反馈至控制系统，当pH值超出预设pH值时，控制系统控制连通试验腔体的pH缓冲液存储箱向试验腔体中供入pH缓冲液至pH值达到预设pH值；

S402、温度值的监测和调节：设置于试验腔体中的温度传感器监测试验腔体中的温度并反馈至控制系统，当温度值超出预设温度值时，控制系统控制设置于试验腔体中的加热器进行加热至温度值达到预设温度值；

S403、压力值的监控和调节：设置于试验腔体中的压力传感器监测试验腔体中的压力并反馈至控制系统，当压力值超出预设压力值时，控制系统控制连通试验腔体中的增压泵或泄压阀启动至压力值达到预设压力值。

作为本发明的一种优选方案，在步骤S400中，在完成待试验管道的腐蚀疲劳试验后，还包括对试验状态的复位，具体包括：

S404、依次停止移动部的加载、温度值的监测和调节、pH值的监测和调节、压力值的监控和调节后，对试验腔体泄压至常压；

S405、排出试验腔体中的腐蚀液后，取出试验后的管道；

S406、采用纯水冲洗试验腔体后烘干。

作为本发明的一种优选方案，腐蚀液的通入为通过与试验腔体各自连通的浓溶液供给结构和稀释液供给结构配合提供，且浓溶液存储箱与稀释液存储箱还通过腐蚀液混合箱连通试验腔体；

腐蚀液混合箱上还连通有加压泵；

浓溶液存储箱与腐蚀液混合箱之间、稀释液存储箱与腐蚀液混合箱之间、腐蚀液混合箱与试验腔体之间各自设置有流量阀，且多个流量阀各自通过控制系统控制。

作为本发明的一种优选方案，试验腔体的部分内壁上形成有容纳腔，腐蚀液混合箱与容纳腔连通，且容纳腔中朝向待试验管道的侧面上形成有多个喷孔。

本发明的实施方式具有如下优点：

本发明实施例通过对待试验管道的材料特性进行针对性采集后，将待试验管道安装于试验腔体中，并通过对待试验管道的其中一端施加一定的预设拉力，从而使其处于预应力状态下，针对性还原实际安装环境下的外力的模拟；进一步通过腐蚀液的配制和其他环境的控制，完成初始实验环境的设置，并在不断试验的过程中通过对实验环境的检测与调整，实现复杂动态腐蚀环境下的参数的不断变化，完成腐蚀疲劳的同步耦合，提高试验结果与实际结果的相关性，更加真实地反映待试验管道在腐蚀环境下的疲劳行为，为后续研究提供切实可靠的参考数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的腐蚀疲劳试验方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的腐蚀疲劳试验装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的试验箱的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的浓溶液存储箱、稀释液存储箱、腐蚀液混合箱和试验箱的局部结构示意图。

图中：

1-试验箱；3-待试验管道；8-控制系统；

11-试验腔；12-排出通道；13-箱体；14-端盖；15-进出气液集成箱；16-浓溶液入口；17-稀释液入口；18-进气口；19-出气口；20-pH缓冲液入口；

111-容纳腔；112-喷孔；

21-固定部；22-移动部；

41-浓溶液存储箱；42-第一稳流阀；43-第一自动控制阀门；44-稀释液存储箱；45-第二稳流阀；46-第二自动控制阀门；47-腐蚀液混合箱；48-流量阀；49-加压泵；

51-pH监测仪；52-pH缓冲液存储杯；53-进液管；54-压力泵；55-第三稳流阀；56-pH自动稳定器；

61-温度传感器；62-第一加热器；63-第二加热器；

71-压力传感器；72-增压泵；73-进气管；74-增压阀；75-出气管；76-泄压阀。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

以下通过具体的实施例进行进一步的阐述。

如图1-图4所示，本发明提供了一种可动态调整环境参数的海底管道的腐蚀疲劳试验方法，具体地，其可以采用腐蚀疲劳试验装置进行具体操作，其中，腐蚀疲劳装置包括用于进行电化学反应的试验箱1、力学加载结构、实验液调节结构、pH值控制结构、电化学反应模块、温度调节结构、压力调节结构和控制系统8，其中：

力学加载结构包括位于试验箱1左侧(这里的左和右的方位限定是按照图1的摆放状态下的一种具体的位置限定，本发明在实际操作过程中并不局限上述摆放位置)的固定部21，位于试验箱1右侧的移动部22，待测海底管道3位于固定部21和移动部22之间形成的放置间隙中，且在实验过程中通过固定部21和移动部22配合夹持，其中，固定部21和移动部22中朝向待测海底管道3的一端形成有用于夹持待测海底管道3的夹持端。在试验过程中，左侧的固定部21保持固定不动，右侧的移动部22通过沿左右方向上的移动实现对待测海底管道3提供给定频率的疲劳载荷。

实验液调节结构包括用于存储浓溶液的浓溶液存储箱41和用于存储稀释液(例如，一般可以选择为纯水)的稀释液存储箱44，且浓溶液通过顺次连通的第一稳流阀42和第一自动控制阀门43连通试验箱1，稀释液存储箱44通过顺次连通的第二稳流阀45和第二自动控制阀门46连通试验箱1。具体的连接方式中，浓溶液存储箱41中装有足量的实验用浓溶液，出口与第一稳流阀42连接(其中，选择稳流阀的作用在于稳定流速，避免流速过快造成试验压力过大，下述选择稳流阀的作用与前述一致)，第一稳流阀42的另一端与第一自动控制阀门43连接，第一自动控制阀门43与控制系统8电连，并通过控制系统8控制第一自动控制阀门43和开合和通入的浓溶液的流量大小；同样地，稀释液存储箱44、第二稳流阀45和第二自动控制阀门46顺次连通，第二控制阀门电连控制系统8，并通过控制系统8控制其开合和通入的稀释液的流量大小。

pH值控制结构包括设置于试验腔11中的用于测量试验箱1中溶液的实时pH值的pH监测仪51，位于试验箱1外部的pH缓冲液存储杯52，以及连通pH缓冲液存储杯52与试验腔11的进液管53，且进液管53上顺次连通设置有压力泵54和第三稳流阀55，pH监测仪51与压力泵54之间还电连有pH自动稳定器56。其中，pH自动稳定器56与控制系统8电连，并用于控制压力泵54的开合和向试验箱1中输入的pH缓冲液的流量，以调节试验箱1中液体的pH值在设定的范围内。

温度调节结构包括各自设置于试验箱1中且分别与控制系统8电连的温度传感器61、第一加热器62和第二加热器63，其中，温度传感器61将采集到的温度值传输至控制系统8，控制系统8根据预设的限值调控第一加热器62和第二加热器63进行加热，以实现对试验箱1中的温度的维持和控制。

压力调节结构包括设置于试验箱1中的压力传感器71，以及分别与试验腔11连通的气体提供组件与气体释放组件。具体地，气体提供组件包括增压泵72，连通增压泵72与试验箱1的进气管73，且进气管73上连通设置有增压阀74；气体释放组件包括连通于试验箱1上的出气管75，且出气管75中位于试验腔11外侧的部分上还设置有泄压阀76。压力传感器71与控制系统8电连，并将采集到的实时压力值传输至控制系统8中，控制系统8根据预设范围反馈调控增压阀74和泄压阀76，实现试验箱1中压力值的实时调控。

试验箱1包括表面形成有开口的箱体13，以及盖合所述开口的端盖14，具体地，可以将箱体13与端盖14之间通过螺纹连接，且箱体13和/或端盖14上贯通形成有浓溶液入口16(连通浓溶液提供组件)、稀释液入口17(连通稀释液提供组件)、进气口18(连接进气管73)、出气口19(连接出气管75)、pH缓冲液入口20(连通pH缓冲液提供组件)、排出通道12(可用于排出液体和/或固体)。具体地，箱体13可以采用镍基合金制成，能够较好地抵抗腐蚀溶液对结构的破坏，端盖14采用有机玻璃材料制成，这样能够清楚观察到实验过程中待测海底管道3的状态。箱体13和/或端盖14上的浓溶液入口16、稀释液入口17、进气口18、出气口19、pH缓冲液入口20和排出通道12均采用高分子黏胶与高弹性橡胶材料进行密封，保证试验箱1内的环境参数稳定可靠。进一步地，这里的试验箱1上还可以延伸贯通设置有进出气液集成箱15，用于固体和/或液体排出通道12以及进液管53在通入试验箱1中的一个转接部分，进一步提高整体的密闭性能，避免试验箱1与二者的连接处出现漏液或是漏气而出现的试验隐患问题。当然，这里的固体和/或液体排出通道12以及进液管53的入口还是位于试验箱1中，且部分管体位于进出气液集成箱15中。

在此基础上，腐蚀疲劳试验方法具体包括：

一、试验准备工作

对待试验管道3根据相关规范及要求抛光打磨至指定光洁度，并使用拉伸机对同种材料的小件(即由于后续是为了获得此种类型材料的材料属性，因此，可以不采用待试验管道3本身进行检测，只需要采用这一材料，可以为截取的片状或是筒状等任意形状的小件材料)进行预拉伸试验，测得相关的材料属性(至少包括拉伸特性)。需要指出的是，对于需要测试防腐涂层的性质的待试验管道3(一般表面会喷涂一层防腐涂层)，则在预拉伸试验时对截取的与待试验管道3本体相同的材料表面喷涂与待试验管道3表层喷涂的材料相同的防腐涂层后进行测试。

同时，此时可以同步完成腐蚀液的预配，具体地，根据腐蚀疲劳试验参数(至少包括试验需要的时间)，配置相应体积的饱和溶液加入浓溶液存储箱41，将相应体积的纯水加入稀释液存储箱44，将pH缓冲液加入pH缓冲液存储杯52，将所要求的时变环境参数输入控制系统8。

二、待试验管道3的安装

将待试验管道3通过吊车吊装至固定部21与移动部22之间，调整移动部22的倾斜角度，使待试验管道3平行于实验平面(由于一般放置于地表进行实验，因此，这里可以进一步选择为平行于地平面)，并适当拉伸移动部22，使待试验管道3处于预应力状态。

三、初始实验环境的调节

打开第一自动控制阀门43、第二自动控制阀门46、增压阀74和泄压阀76，控制系统8将通过输入的溶液初始参数(包括浓度和压力)对上述阀门进行自动控制，当配制形成预设的腐蚀液后，上述阀门关闭。打开pH监测仪51、压力传感器71和温度传感器61，将测到的数据回传至控制系统8，若环境参数与初始输入的时变参数有差距，将会通过控制第一加热器62和第二加热器63调整温度，通过增压泵72调节压力，通过压力泵54调节溶液pH稳定。

四、试验开始

预设移动部22的荷载(包括加载频率、加载幅值、加载波形)，通过移动部22进行加载，期间可通过控制系统8同时调节环境参数；试验期间监测溶液浓度、试验箱1内的压力、溶液pH，保持其在规定范围。随着腐蚀过程的不断进行，需要不断补充浓溶液或是稀释液，或是将二者进行调配后补充，而在这一过程中，由于其加入试验箱1中是通过连通的入口进行添加，因此，容易造成局部浓度过高等问题，而由于待试验管道3位于试验箱1中，因此，常规的搅拌结构在其中往往难以设置。因此，在本发明的一种优选的实施例中，针对性地，浓溶液存储箱41与稀释液存储箱44还通过腐蚀液混合箱47连通试验腔11；

腐蚀液混合箱47上还连通有加压泵49；

浓溶液存储箱41与腐蚀液混合箱47之间、稀释液存储箱44与腐蚀液混合箱47之间、腐蚀液混合箱47与试验腔11之间各自设置有流量阀48，且多个流量阀48各自通过控制系统8控制。

进一步地，试验腔11的部分内壁上形成有容纳腔111，腐蚀液混合箱47与容纳腔111连通，且容纳腔111中朝向待试验管道3的侧面上形成有多个喷孔112。通过这样的设置，预先将配制好的待加入腐蚀液置于腐蚀液混合箱47中，然后闭合浓溶液存储箱41与腐蚀液混合箱47之间、稀释液存储箱44与腐蚀液混合箱47之间的流量阀48，打开腐蚀液混合箱47与试验腔11之间的流量阀48，通过加压泵49加压，将其中的腐蚀液通过喷注的方式经容纳腔111通过喷孔112注入试验腔11中，同时，可以根据腐蚀液的量针对性调整加压泵49的压力，更好地提高腐蚀液注入的均匀性。

同时，需要说明的是，随着腐蚀过程的不断进行，会有废气和废液等产生，因此，可以根据实际情况通过出气管75和排出通道12排出腐蚀产物。

五、试验后的整理工作

依次停止移动部22、加热器(包括第一加热器62和第二加热器63)、阀门(包括第一自动控制阀门43、第二自动控制阀门46、增压阀74和泄压阀76)、增压泵72；打开排气口，将试验箱1内压力泄至常压，再打开排出通道12排尽溶液；将待试验管道3从试验箱1内取出；最后用纯水反复冲洗试验箱1，并烘干以便下次使用。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。