钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置和方法

技术领域

本发明涉及材料试验的技术领域，具体地涉及一种钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置和该钢材抗磨蚀的试验方法。

背景技术

近来年，我国船舶用钢产品的研发取得了长足的进步，已经基本满足了造船行业的发展需求，然而随着我国航海事业与造船事业的不断发展，极地航线越来越受到人员的关注，对极地船舶用钢的要求也越来越高。

由于全球气温上升，极地航线的海域面积越来越大，但这并不能改变极地航线低温环境，也不能消除航线上的海冰漂浮现象。因此在极地航行的船舶不仅仅受到风浪的影响，而且在低温环境下，极地航线的船舶不可避免的受到漂浮海冰的碰撞与磨蚀。根据调查57％极地船舶在平均13年船龄后船体钢结构出现裂纹或断裂现象，这说明现有船舶用钢在性能上海不能完全满足，极地低温环境下的服役要求。

这些外部环境与复杂情况对极地航线的船舶用钢的服役性能产生了巨大的影响。为了保证极地船舶的安全性能，就必须测试极地船舶用钢在低温海水/冰等情况下的性能。然而，目前我国的现有船舶用钢标准《GB/T 712-2011船舶及海洋工程用结构钢》完全中没有关于低温海水/冰磨蚀性能的要求。另外，国内也未见到可以用来测试钢材在极地低温海水/冰的综合环境下磨蚀性能的设备。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的实施例提出一种钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置，该钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置可以测试船舶用钢材的抗磨蚀性能，提高船舶的安全性能。

本发明的另一方面的实施例提出了一种钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验方法。

根据本发明的第一方面的实施例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置，包括水槽，所述水槽用于盛放海水与海冰的混合物；制冷组件，所述制冷组件的至少部分位于所述水槽内以用于为所述水槽内的混合物提供冷量；驱动组件，所述驱动组件的至少部分位于所述水槽内以用于驱动所述水槽内的混合物流动；测试组件，所述测试组件包括夹持部件和支撑部件，所述夹持部件与所述支撑部件相连，且所述夹持部件相对于所述支撑部件可移动以使所述夹持部件的一端可浸入和可浸出所述水槽，所述夹持部件的一端适于夹持试样；检测组件，所述检测组件包括流速检测件和温度检测件，所述流速检测件安装于所述水槽内以用于检测所述水槽内混合物的流速，所述温度检测件包括测温探头，所述测温探头安装于所述夹持部件上以用于探测所述试样的温度。

根据本发明实施例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置，当需要对钢材试样进行抗磨蚀试验时，在水槽内放置海水与海冰的混合物，通过驱动组件驱动水槽内的混合物流动，并通过制冷组件为混合物提供冷量，从而模拟自然状态下的海洋浮冰环境。通过夹持部件对钢材试样进行夹持，夹持部件相对于支撑部件可移动以使夹持部件的一端浸入至水槽内。同时，流速检测件对水槽内混合物的流速进行检测，温度检测件对试样的温度进行检测。进而经过一段时间之后，测量试样试验前后的磨蚀情况，然后根据试样的磨蚀情况得出试样的抗磨蚀性能。

在一些实施例中，所述水槽内设有环形流道，所述混合物位于所述环形流道内，所述驱动组件用于驱动所述混合物沿所述环形流道的周向流动。

在一些实施例中，所述制冷组件包括制冷压缩机和制冷管，所述制冷管与所述制冷压缩机相连，所述制冷管位于所述环形流道内且环绕所述环形流道设置。

在一些实施例中，所述支撑部件包括第一杆和第二杆，所述第一杆的一端与所述水槽的底壁面相连，所述第一杆的另一端与所述第二杆相连，所述第二杆与所述夹持部件相连，且所述夹持部件相对于所述第二杆可移动。

在一些实施例中，所述测试组件还包括连接部件，所述连接部件与所述第二杆和所述夹持部件相连，所述连接部件沿其长度方向可伸缩以带动所述夹持部件相对于所述第二杆可移动。

在一些实施例中，所述连接部件包括第一悬臂和第二悬臂，所述第一悬臂和所述第二悬臂分别连接于所述第二杆的两端，所述夹持部件包括第一夹头和第二夹头，所述第一夹头与所述第一悬臂远离所述第二杆的一端相连，所述第二夹头与所述第二悬臂远离所述第二杆的一端相连。

在一些实施例中，所述第一夹头和所述第二夹头均设有U形槽，所述第一夹头和所述第二夹头均通过所述U形槽夹持所述试样。

在一些实施例中，所述驱动装置包括驱动电机和驱动轮，所述驱动轮位于所述环形流道内，且所述驱动电机用于驱动所述驱动轮转动，以使所述混合物沿所述环形流道的周向流动。

在一些实施例中，所述钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置还包括保温盖，所述保温盖设在所述水槽的顶部，且所述保温盖与所述水槽可拆卸地连接。

在一些实施例中，所述保温盖上开设有加料口和试验口，所述加料口用于向所述水槽内加入混合物，所述试验口用于供所述夹持部件穿过。

根据本发明的第二方面的实施例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验方法包括以下步骤：

在水槽内加入海水与海冰的混合物，所述海冰占所述水槽的表面积的50％以下；

对至少两个试样进行加工，以使两个所述试样呈圆柱状，且两个所述试样的大小大体相同和表面粗糙度大体一致；

测量两个所述试样的质量分别为M1和M2，测量两个所述试样的直径分别为D1和D2；

将两个所述试样安装到夹持部件上，并将两个所述试样浸入至所述混合物内；

通过制冷装置对所述混合物进行制冷，以使所述混合物不融化，当两个所述试样的温度一致后，保持两个所述试样浸入至所述混合物内T小时；

通过驱动装置驱动所述混合物绕所述水槽的周向流动，保持所述水槽内所述混合物的流速为每小时n节；

将两个所述试样从所述水槽内取出，测量两个所述试样的质量分别为M3和M4，测量两个所述试样的直径分别为D3和D4；

计算两个所述试样的质量变化率：ΔW1＝(M1-M3)/M1×100％，ΔW2＝(M2-M4)/M2×100％；

计算两个所述试样的直径变化率：ΔD1＝(D1-D3)/D1×100％，ΔD2＝(D2-D4)/D2×100％；

根据所述质量变化率与所述直径变化率检测两个所述试样的抗磨蚀的性能。

根据本发明实施例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验方法，在水槽内模拟自然状态下的海洋浮冰环境，并将试样置于水槽内，然后通过测量试样试验前后的质量和体积变化，进而得出试样的抗磨蚀性能。

在一些实施例中，驱动所述混合物绕所述水槽的周向流动包括：驱动所述混合物绕所述水槽正向周向流动；驱动所述混合物绕所述水槽反向周向流动，所述正向周向流动和反向周向流动交替进行。

附图说明

图1是本发明实施例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置的俯视图。

图2是本发明实施例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置的测试组件的示意图。

图3是本发明实施例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置的保温盖的示意图。

图4是本发明实施例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置的夹持部件的示意图。

图5是本发明实施例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置所夹持的试样的示意图。

附图标记：

1、水槽；12、环形流道；

2、制冷组件；21、制冷压缩机；22、制冷管；

3、驱动组件；31、驱动电机；32、驱动轮；

4、测试组件；41、支撑部件；411、第一杆；412、第二杆；413、支撑底座；42、连接部件；421、第一悬臂；422、第二悬臂；43、夹持部件；431、第一夹头；432、第二夹头；433、U形槽；

5、检测组件；51、流速检测件；52、温度检测件；521、测温探头；522、测温箱；

6、保温盖；61、加料口；62、试验口；621、第一试验口；622、第二试验口；

7、试样。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参考图1描述根据本发明实施例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置和方法。

如图1至图5所示，根据本发明实施例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置包括水槽1、制冷组件2、驱动组件3、测试组件4和检测组件5。

如图1所示，水槽1用于盛放海水与海冰的混合物。制冷组件2的至少部分位于水槽1内以用于为水槽1内的混合物提供冷量。驱动组件3的至少部分位于水槽1内以用于驱动水槽1内的混合物流动，进而模拟自然状态下的海洋浮冰环境。

如图2所示，测试组件4包括夹持部件43和支撑部件41，夹持部件43与支撑部件41相连，且夹持部件43相对于支撑部件41可移动以使夹持部件43的一端可浸入和可浸出水槽1，夹持部件43的一端适于夹持试样7，其中试样7可以为船舶用钢材。

如图1所示，检测组件5包括流速检测件51和温度检测件52，流速检测件51安装于水槽1内以用于检测水槽1内混合物的流速，温度检测件52包括测温探头521，测温探头521安装于夹持部件43上以用于探测试样7的温度。

根据本发明实施例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置，当需要对钢材试样7进行抗磨蚀试验时，在水槽1内放置海水与海冰的混合物，通过驱动组件3驱动水槽1内的混合物流动，并通过制冷组件2为混合物提供冷量，从而模拟自然状态下的海洋浮冰环境。通过夹持部件43对钢材试样7进行夹持，夹持部件43相对于支撑部件41可移动以使夹持部件43的一端浸入至水槽1内。同时，流速检测件51对水槽1内混合物的流速进行检测，温度检测件52对试样7的温度进行检测。进而经过一段时间之后，测量试样7试验前后的磨蚀情况，然后根据试样7的磨蚀情况得出试样7的抗磨蚀性能，以提高船舶的安全性能。

在一些实施例中，如图1所示，水槽1内设有环形流道12，混合物位于环形流道12内，驱动组件3用于驱动混合物沿环形流道12的周向流动。

可选地，水槽1可以设计成环状，通过水槽1的侧壁围成环形流道12，或者在水槽1内单独设置环形流道12。可选地，环形流道12为圆形、椭圆形、矩形等，即以构成导通的回路为目的。本发明实施例的钢材抗腐蚀实验装置，通过在水槽1内设置环形流道12，可以使水槽1内的混合物可以沿水槽1内周向流动。

在一些实施例中，如图1所示，制冷组件2包括制冷压缩机21和制冷管22，制冷管22与制冷压缩机21相连，制冷管22位于环形流道12内且环绕环形流道12设置。制冷压缩机21位于环形流道12的外侧或内侧，例如制冷压缩机21位于环形流道12的中部，即环形流道12的内圈中，从而可以减少钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置的占地面积。

在一些实施例中，如图1所示，驱动装置包括驱动电机31和驱动轮32，驱动轮32位于环形流道12内。驱动电机31用于驱动驱动轮32转动，以使混合物沿环形流道12的周向流动。驱动电机31位于环形流道12的外侧或内侧，例如驱动电机31位于环形流道12的中部，即环形流道12的内圈中，从而可以减少钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置的占地面积。

在一些实施例中，如图2所示，支撑部件41包括第一杆411和第二杆412，第一杆411的一端(如图2中第一杆411的下端)与水槽1的底壁面相连，第一杆411的另一端(如图2中第一杆411的上端)与第二杆412相连，第二杆412与夹持部件43相连，且夹持部件43相对于第二杆412可移动。

具体地，如图2所示，支撑部件41还包括支撑底座413，支撑底座413安装于水槽1的底壁，第一杆411的一端(如图2中第一杆411的下端)与支撑底座413相连，且第一杆411的长度方向垂直于支撑底座413的上表面。

进一步地，如图2所示，测试组件4还包括连接部件42，连接部件42与第二杆412和夹持部件43相连，连接部件42沿其长度方向可伸缩以带动夹持部件43相对于第二杆412可移动。可以理解的是，连接部件42为伸缩结构件，其中连接部件42可以通过液压或者气压驱动连接部件42的伸缩，也可以通过螺杆或电缸等部件驱动连接部件42的伸缩。

在一些实施例中，如图2所示，连接部件42包括第一悬臂421和第二悬臂422，第一悬臂421连接于第二杆412的左端，第二悬臂422连接于第二杆412的右端。夹持部件43包括第一夹头431和第二夹头432，第一夹头431与第一悬臂421远离第二杆412的一端(如图2中第一悬臂421的下端)相连，第二夹头432与第二悬臂422远离第二杆412的一端(如图2中第二悬臂422的下端)相连。可以理解的是，第一夹头431和第二夹头432可以分别夹持试样7，第一悬臂421带动第一夹头431以使第一夹头431夹持的试样7浸入和浸出环形流道12，第二悬臂422带动第二夹头432以使第二夹头432夹持的试样7浸入和浸出环形流道12。

如图1和图2所示，第一夹头431和第二夹头432间隔设置。如图1所示，第一夹头431和第二夹头432间隔排布于沿水槽1前后方向的两侧。可选地，如图4所示，第一夹头431和第二夹头432均设有U形槽433，第一夹头431和第二夹头432均通过相应地U形槽433夹持试样7。

在一些实施例中，如图3所示，水槽1的顶部设有保温盖6，用以维持水槽1内混合物较低温度。具体地，水槽1与保温盖6可拆卸地连接，保温盖6上开设有加料口61和试验口62，加料口61用于向水槽1内加入混合物，试验口62用于供夹持部件43穿过。

可选地，试验口62包括第一试验口621和第二试验口622，第一夹头431和第二夹头432分别与第一试验口621和第二试验口622相互对应。可以理解的是，夹持着试样7的第一夹头431可以穿过第一试验口621以浸入和浸出水槽1，夹持着试样7的第二夹头432可以穿过第二试验口622以浸入和浸出水槽1。

根据本发明另一实施例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验方法，采用根据本发明实施例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置，包括如下步骤：

在水槽1内加入海水与海冰的混合物，海冰占水槽1的表面积的50％以下；

对两个试样7进行加工，以使两个试样7呈圆柱状，且两个试样7的大小大体相同和表面粗糙度大体一致；

测量两个试样7的质量分别为M1和M2，测量两个试样7的直径分别为D1和D2；

将两个试样7安装到夹持部件43上，并将两个试样7浸入至混合物内；

通过制冷装置对混合物进行制冷，以使混合物不融化，当两个试样7的温度一致后，保持两个试样7浸入至混合物内T小时；

通过驱动装置驱动混合物绕水槽1正向周向流动，驱动混合物绕水槽1反向周向流动，正向周向流动和反向周向流动交替进行，并保持水槽1内混合物的流速为每小时n节；

将两个试样7从水槽1内取出，测量两个试样7的质量分别为M3和M4，测量两个试样7的直径分别为D3和D4；

计算两个试样7的质量变化率：ΔW1＝(M1-M3)/M1×100％，ΔW2＝(M2-M4)/M2×100％；

计算两个试样7的直径变化率：ΔD1＝(D1-D3)/D1×100％，ΔD2＝(D2-D4)/D2×100％；

根据质量变化率与直径变化率检测两个试样7的抗磨蚀的性能。

根据本发明实施例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验方法，在水槽1内模拟自然状态下的海洋浮冰环境，将试样7置于水槽1内，然后通过测量试样7试验前后的质量和体积变化，进而得出试样7的抗磨蚀性能。具体地，质量变化率ΔW越小和直径变化率ΔD越小的试样7抗海水和海冰的磨蚀性能越好。

下面参考附图描述根据发明一些具体示例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置和方法。

如图1至图5所示，根据本发明实施例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验装置包括水槽1、保温盖6、制冷组件2、驱动组件3、测试组件4和检测组件5。测试组件4包括夹持部件43、连接部件42和支撑部件41，制冷组件2包括制冷压缩机21和制冷管22，驱动装置包括驱动电机31和驱动轮32，检测组件5包括流速检测件51和温度检测件52。

如图1所示，水槽1内设有环形流道12，环形流道12内盛放有海水与海冰的混合物。

如图1所示，制冷管22与制冷压缩机21相连，制冷管22位于环形流道12内且环绕环形流道12设置，制冷压缩机21位于环形流道12的内圈中，制冷压缩机21为制冷管22制冷进而为水槽1内的混合物提供冷量。

如图1所示，驱动电机31与驱动轮32相连，驱动轮32位于环形流道12内，驱动电机31位于环形流道12的内圈中。驱动电机31驱动驱动轮32转动，以驱动水槽1内的混合物流动，进而模拟自然状态下的海洋浮冰环境。

如图2所示，支撑部件41包括支撑底座413、第一杆411和第二杆412，支撑底座413安装于环形流道12的内圈的底壁上，第一杆411的下端与支撑底座413相连，且第一杆411的长度方向垂直于支撑底座413的上表面。第一杆411的上端与第二杆412相连，且第一杆411与第二杆412的结构大体呈T形。

如图2所示，连接部件42包括第一悬臂421和第二悬臂422，第一悬臂421连接于第二杆412的左端，第二悬臂422连接于第二杆412的右端。第一悬臂421和第二悬臂422均可沿上下方向伸缩以带动夹持部件43相对于第二杆412可移动。夹持部件43包括第一夹头431和第二夹头432，第一夹头431与第一悬臂421的下端相连，第二夹头432与第二悬臂422的下端相连。可以理解的是，第一夹头431和第二夹头432分别对试样7进行夹持，然后通过第一悬臂421带动第一夹头431和第二悬臂422带动第二夹头432浸入和浸出环形流道12。

进一步地，如图1所示，第一夹头431和第二夹头432间隔排布于沿环形流道12前后方向的两侧。如图4所示，第一夹头431和第二夹头432均设有U形槽433，第一夹头431和第二夹头432均通过U形槽433夹持试样7。

如图3所示，保温盖6设在环形流道12的顶部，且环形流道12与保温盖6可拆卸地连接。保温盖6上开设有加料口61和试验口62。试验口62包括第一试验口621和第二试验口622，第一夹头431和第二夹头432分别与第一试验口621和第二试验口622对应，可以理解的是，夹持着试样7的第一夹头431可以穿过第一试验口621以浸入和浸出水槽1，夹持着试样7的第二夹头432可以穿过第二试验口622以浸入和浸出水槽1。

如图1所示，流速检测件51为两个且间隔排布于环形流道12内，流速检测件51用于检测水槽1内混合物的流速情况。温度检测件52包括测温箱522和两个测温探头521，两个测温探头521与测温箱522电连接，两个测温探头521分别安装于第一夹头431的U形槽433和第二夹头432的U形槽433内侧。测温探头521用于探测试样7的温度，在U形槽433夹持试样7时，测温探头521与试样7直接接触。

具体地，根据本发明实施例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验方法的步骤如下：

在环形流道12内加入海水与海冰的混合物，海冰占环形流道12的表面积的50％以下；

对两个试样7进行加工，以使两个试样7呈圆柱状，且两个试样7的大小大体相同和表面粗糙度大体一致；

测量两个试样7的质量分别为M1和M2，测量两个试样7的直径分别为D1和D2；

将两个试样7安装到U形槽433上，并将两个试样7浸入至混合物内；

通过制冷装置对混合物进行制冷，以使混合物不融化，当两个试样7的温度一致后，保持两个试样7浸入至混合物内T小时；

通过驱动装置驱动混合物绕环形流道12正向周向流动，驱动混合物绕环形流道12反向周向流动，正向周向流动和反向周向流动交替进行，并保持环形流道12内混合物的流速为每小时n节；

将两个试样7从环形流道12内取出，测量两个试样7的质量分别为M3和M4，测量两个试样7的直径分别为D3和D4；

计算两个试样7的质量变化率：ΔW1＝(M1-M3)/M1×100％，ΔW2＝(M2-M4)/M2×100％；

计算两个试样7的直径变化率：ΔD1＝(D1-D3)/D1×100％，ΔD2＝(D2-D4)/D2×100％；

根据质量变化率与直径变化率检测两个试样7的抗磨蚀的性能。

根据本发明实施例的钢材抗海水海冰混合物磨蚀试验方法，在水槽1内模拟自然状态下的海洋浮冰环境，将试样7置于水槽1内，然后通过测量试样7试验前后的质量和体积变化，进而得出试样7的抗磨蚀性能。具体地，质量变化率ΔW越小和直径变化率ΔD越小的试样7抗海水和海冰的磨蚀性能越好。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。