一种用于探究潮差区氢渗透的模拟潮差装置

技术领域

本发明涉及模拟潮差装置，具体地说是一种用于探究潮差区氢渗透的模拟潮差装置。

背景技术

由于海水的含盐量高等特性，金属在海洋环境中极易发生腐蚀，海洋环境分为五个区带，包括海洋大气区、浪花飞溅区、海洋潮差区、海水全浸区和海底海泥区。其中，伴随着金属材料表面的干湿交替效应，海洋潮差区是腐蚀较为严重的区带。金属腐蚀的过程中伴随着氢渗透进入金属基体中，从而引起材料发生氢脆，最终使材料失效，氢的渗入是海洋工程中金属材料失效的主要原因之一。因此探究海洋环境特别是腐蚀较为严重的海洋潮差区环境中氢向金属材料中的渗透行为和规律，具有重大意义。

通过模拟潮差装置初步探究可控变量(加干湿交替时间、海水温度等)对氢向金属材料中的渗透行为的影响，从而为复杂的实海潮差环境下的氢渗透实验奠定基础，便于分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于探究潮差区氢渗透的模拟潮差装置。该装置既能够模拟潮差区干湿交替的环境特点，同时又能够实时记录海水的温度及液位的变化；该装置占地面积小，同时能够在实验室真实地再现海洋潮差区涨潮、落潮随时间的变化过程，从而为认识和分析潮差区氢向金属材料中的渗透行为和规律创造实验环境。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明包括试样筒A、储水桶、潜水泵及试样筒B，其中试样筒A分别通过液体输送管路A及液体输送管路B与试样筒B相连通，该液体输送管路A上分别设有变频式计量泵A、电磁阀A及三通阀B，所述液体输送管路B上分别设有三通阀C、电磁阀B及变频式计量泵B，所述三通阀B通过液体输送管路C与三通阀C相连，并在该液体输送管路C上设有三通D；所述储水桶中盛放有海水，该储水桶内部设有潜水泵，所述潜水泵通过液体输送管路E与三通阀A相连，该三通阀A通过液体输送管路D与所述三通相连。

其中：所述三通阀A的一个接口通过液体输送管路E与潜水泵相连，第二个接口通过液体输送管路D与三通相连，第三个接口连接自吸泵的进口，该自吸泵的出口连接有液体输送管路F；所述试样筒A与试样筒B内的海水经三通阀B、三通阀C、三通、三通阀A通过自吸泵再经液体输送管路F排出。

所述变频式计量泵A、电磁阀A的工作状态与所述变频式计量泵B、电磁阀B的工作状态相反，即所述变频式计量泵A、电磁阀A开启或关闭时，所述变频式计量泵B、电磁阀B关闭或开启。

所述试样筒A或试样筒B内安装有液位传感器，该液位传感器位于试样筒A或试样筒B的最底端。

所述试样筒A或试样筒B的外壁上安装有温度传感器，该温度传感器的位置低于所述试样筒A或试样筒B最低潮液位。

所述试样筒A及试样筒B的外壁上分别贴附有便于观测水位变化情况的标尺。

所述变频式计量泵A、电磁阀A、变频式计量泵B及电磁阀B分别与电气控制箱内的控制器连接，该控制器用于控制变频式计量泵A、电磁阀A、变频式计量泵B及电磁阀B，所述控制器还设有时间设定器，用于设定变频式计量泵A、电磁阀A、变频式计量泵B及电磁阀B的工作时间，并实现周期性的定时开启或关闭。

所述试样筒A与试样筒B的潮差状态相反，即试样筒A处于涨潮状态或落潮状态，所述试样筒B处于落潮状态或涨潮状态。

本发明的优点与积极效果为：

1.发明能够实现同一时刻下两个试样筒处于涨潮和落潮的相反状态，从而在同一时间段内可同时进行两组实验，并控制干湿状态为唯一的不同点；因此，不仅能够缩短实验周期，更有利于氢渗透实验中的变量控制，便于分析。

2.本发明能够创造接近实海的潮差环境，模拟规律性的干湿交替状态，同时能够实时监控和记录自然条件状态下水温和水位的变化情况，从而为探究潮差区环境中氢向金属材料中的渗透行为和规律提供便利和可控的模拟实验环境，有利于分析部分可控因素的影响机制，从而为更复杂的实海实验奠定基础。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明试样筒A内海水液位随时间变化图；

图3为本发明试样筒A内海水温度随时间变化图；

其中：1为试样筒A，2为自粘性标尺A，3为温度传感器，4为液位传感器，5为变频式计量泵A，6为储水桶，7为潜水泵，8为三通阀A，9为自吸泵，10为电磁阀A，11为三通阀B，12为自粘性标尺B，13为试样筒B，14为变频式计量泵B，15为电磁阀B，16为电气控制箱，17为三通，18为三通阀C，19为液体输送管路A，20为液体输送管路B，21为液体输送管路C，22为液体输送管路D，23为液体输送管路E，24为液体输送管路F。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详述。

如图1所示,本发明包括试样筒A1、储水桶6、潜水泵7、自吸泵9及试样筒B13，其中试样筒A1分别通过液体输送管路A19及液体输送管路B20与试样筒B13相连通，该液体输送管路A19上分别设有变频式计量泵A5、电磁阀A10及三通阀B11，液体输送管路B20上分别设有三通阀C18、电磁阀B15及变频式计量泵B14，实现海水在试样筒A1和试样筒B13之间的流动；三通阀B11通过液体输送管路C21与三通阀C18相连，并在该液体输送管路C21上设有三通D22；储水桶6中盛放有海水，该储水桶6内部设有潜水泵7，潜水泵7通过液体输送管路E23与三通阀A8相连，该三通阀A8通过液体输送管路D22与三通17相连。三通阀A8的一个接口通过液体输送管路E23与潜水泵7相连，第二个接口通过液体输送管路D22与三通17的一个接口相连，三通阀A8的第三个接口连接自吸泵9的进口，该自吸泵9的出口连接有液体输送管路F24；三通17的第二个接口与三通阀C18的一个接口相连，三通17的第三个接口与三通阀B11的一个接口相连；三通阀B11的第二个接口通过液体输出管路与试样筒B13相连，第三个接口通过液体输送管路与试样筒A1相连，变频式计量泵A5及电磁阀A10设置在试样筒A1与三通阀B11第三个接口之间的液体输送管路上；三通阀C18的第二个接口通过液体输送管路与试样筒A1相连，第三个接口通过液体输送管路与试样筒B13相连，变频式计量泵B14及电磁阀B15设置在试样筒B13与三通阀C18第三个接口之间的液体输送管路上。试样筒A1与试样筒B13内的海水经三通阀B11、三通阀C18、三通17、三通阀A8通过自吸泵9再经液体输送管路F24排出。

本实施例的试样筒A1与试样筒B13的潮差状态相反，即试样筒A1处于涨潮状态或落潮状态，试样筒B13处于落潮状态或涨潮状态。

本实施例的变频式计量泵A5、电磁阀A10的工作状态与变频式计量泵B14、电磁阀B15的工作状态相反，即变频式计量泵A5、电磁阀A10开启或关闭时，变频式计量泵B14、电磁阀B15关闭或开启。本实施例的变频式计量泵A5、变频式计量泵B14可以人为设置频率改变海水的流速。

试样筒A1或试样筒B13的外壁上安装有温度传感器3，该温度传感器3的位置低于试样筒A1或试样筒B13最低潮液位。本实施例的温度传感器3安装于度样筒A1的外壁上。

试样筒A1或试样筒B13内安装有液位传感器4，该液位传感器4位于试样筒A1或试样筒B13的最底端。本实施例的液位传感器4安装于试样筒A1的内部。

本实施例的试样筒A1及试样筒B13的外壁上分别贴附有自粘性标尺A2及自粘性标尺B12，便于直观地观测水位的变化情况。

本实施例的变频式计量泵A5、电磁阀A10、变频式计量泵B14及电磁阀B15分别与电气控制箱16内的控制器连接，该控制器用于控制变频式计量泵A5、电磁阀A10、变频式计量泵B14及电磁阀B15，控制器还设有时间设定器，时间设定范围为0s至99h，可分别独立设定变频式计量泵A5、变频式计量泵B14的工作时间；其中，电磁阀A10与变频式计量泵A5处于同一控制回路，电磁阀B15与变频式计量泵B14处于同一控制回路；工作时间设定完毕后，进入周期性定时开关循环模式。

本实施例的变频式计量泵A5、变频式计量泵B14控制流速的工作频率的调节范围为1～360。

本发明的工作原理为：

试样筒A1和试样筒B13均为有机玻璃材质的上部开放式圆柱体，直径为20cm，高度为3m，模拟的海水涨落发生在圆筒内。

储水桶6内的海水由潜水泵7经液体输送管路E23以及三通阀A8、三通17以及三通阀C18注入试样筒A1，达到模拟潮差的最高潮位；同时，将储水桶6内的海水由潜水泵7经液体输送管路E23以及三通阀A8、三通17以及三通阀B11注入试样筒B13，达到模拟潮差的最低潮位。

电气控制箱16内的控制器控制着电磁阀A10、电磁阀B15以及变频式计量泵A5、变频式计量泵B14的开关及工作时间，当变频式计量泵A5以及电磁阀A10开启时，变频式计量泵B14及电磁阀B15关闭时，海水由试样筒A1经液体输送管路A19以及变频式计量泵A5、电磁阀A10注入试样筒B13，从而实现试样筒A1内液位的下降以及试样筒B13内液位的上升。相反，当变频式计量泵B14及电磁阀B15开启时，变频式计量泵A5以及电磁阀A10关闭时，海水由试样筒B13经液体输送管路B20以及变频式计量泵B14、电磁阀B15注入试样筒A1，从而实现试样筒B13内液位的下降以及试样筒A1内液位的上升，从而模拟相应的涨潮及落潮过程。

变频式计量泵A5、变频式计量泵B14的工作时间可通过电气控制箱16内的控制器自由设定调节，实现变频式计量泵A5、变频式计量泵B14二者之间循环工作的模式，并控制电磁阀A10、电磁阀B15的工作状态。在探究潮差区氢渗透实验中，模拟自然海水涨落规律，以12个小时为一个涨落周期，即控制变频式计量泵A5连续工作6h后关闭，同时开启变频式计量泵B14连续工作6h，以此为一个周期，如此往复循环，模拟潮涨潮落。

试样筒A1以及试样筒B13内的液位变化以及海水温度变化由液位传感器4以及温度传感器3分别实时监测并记录。

试样筒A1及试样筒B13内的海水经三通阀B11、三通阀C18、三通17以及三通阀A8由自吸泵9排出，以此实现试样筒A1、试样筒B13内海水的更新。

实验例

通过电气控制箱16中的时间设定器设定变频式计量泵A5与变频式计量泵B14的工作时间均为6h,调节变频式计量泵A5的工作频率为211，变频式计量泵B14的工作频率为246，控制潮差高度为2m,12h为一次潮差周期，实现模拟半日潮的效果。

通过潜水泵7将储水桶6内的海水经液体输送管路E23、液体输送管路D22、液体输送管路C21、液体输送管路B20注入试样筒A1，使试样筒A1内的液面高度为270cm；经液体输送管路E23、液体输送管路D22、液体输送管路C21、液体输送管路A19注入试样筒B13，使试样筒B13内的液面高度为70cm。

通过电气控制箱16中的控制器，控制开启变频式计量泵A5和电磁阀A10，使试样筒A1内的海水注入试样筒B13内；经6小时工作使试样筒B13内的液位到达270cm后，控制关闭变频式计量泵A5和电磁阀A10，同时控制开启变频式计量泵B14和电磁阀B15，使试样筒B13内的海水回流至试样筒A1；经6小时工作后使试样筒A1内海水液位到达270cm后，控制关闭变频式计量泵B14和电磁阀B15，同时开启变频式计量泵A5和电磁阀A10，以此自动往复循环工作，控制最低潮位为70cm，最高潮位为270cm，潮差高度为2米。

通过数据记录仪记录分别记录由液位传感器4和温度传感器3获得的海水的温度变化和液位变化数据，数据采集时间间隔为2s。

实验结束后通过自吸泵9将试样筒A1和试样筒B13内的海水排出。

得到的试样筒A1内的海水液位的变化情况如图2所示，横坐标为时间，纵坐标为试样筒A1内的海水液位，试样筒A1内液位的最大值对应于试样筒B13内液位的最小值；得到的过程中海水的温度变化情况如图3所示，横坐标为时间，纵坐标为温度。

本发明的技术条件如下：

模拟潮差试验装置占地面积较小，可以选择安装在室内或户外。

通过电气控制箱16内的控制器调节变频式计量泵的工作时间，同时配合改变变频式计量泵的工作频率，实现试样筒内水位的规律性升降。

模拟潮差的最大范围由试样筒的尺寸决定，试样筒内包含全浸区和潮差区两种不同环境。

模拟潮差实验装置包含两个试样筒，通过电气控制箱16内的控制器实现对变频式计量泵、电磁泵工作状态的控制，实现两个试样筒处于相反的潮差状态，即涨潮状态和落潮状态；

实验所采用的的介质为天然海水，通过潜水泵将天然海水由储水箱经管路输入试样筒内。

本发明综合考虑实海潮差区海水干湿交替规律，贴合实际海洋潮差周期与潮差高度，模拟真实的海洋潮差环境，实现对潮差区海水液位及温度的实时记录，为探究潮差区氢渗透规律提供了实验基础。