一种新型周浸循环腐蚀试验箱的研制

邱碧涛，严开勇，张万灵

（武钢研究院，湖北武汉 430080）

一种新型周浸循环腐蚀试验箱的研制

邱碧涛，严开勇，张万灵

（武钢研究院，湖北武汉 430080）

本文介绍了研制的一种新型周浸循环腐蚀试验箱，该试验机采用可编程控制器控制试验箱的运行，实现了对试验条件的自动高精度控制，同时还能对试验数据进行自动采集和记录，大大提高了设备的运行稳定性，试验数据的可重复性好。本文主要对该试验机的组成、主要控制原理做了简单介绍。

周浸；腐蚀；研制

前言

材料大气腐蚀是普遍存在的腐蚀类型[1-7]，它是大气环境诸多因素在材料表面综合作用的结果，据统计，材料因大气腐蚀造成的经济损失约占总腐蚀损失的一半以上。试验表明，自然环境下暴露试验是研究大气腐蚀最通常的试验方法，是一种接近使用环境的较可靠的腐蚀试验方法，得出的结果也接近真实使用情况，但由于试验周期长、速度慢，耗费大量的人力与物力，而且试验区域性很强，不利于试验结果的推广和应用。近年来加速腐蚀试验越来越受到重视，它能在短时间内较快地得到试验结果，并且通过短时间的加速试验可在一定程度上推测材料长期腐蚀行为的可能性。周期浸润是环境试验中常见的试验技术之一[8]，该方法以试样交替地在试验溶液浸泡以及在空气环境中干燥为特点,由于周期浸润试验模拟了材料在大气环境中干湿交替的特点，可能是发展更精确加速试验方法的基础,因此，周期浸润也逐步成为一种重要的加速腐蚀试验方法。

1.浸循环腐蚀试验箱的设计

周浸腐蚀试验工艺流程[9]：称重→碱洗→漂洗→放置试样→周浸试验→取出试样→酸洗除锈→漂洗→干燥→称重，前工序和后工序主要是人工操作，可通过规范操作来避免人为的试验误差，周浸试验是整个过程中的重点，各种环境因素控制必须精确，如果温度、湿度等变化幅度过大或者不均匀，将会导致试验结果不能达到预期目的，试验的重复性变差。

一般说来，周期浸润试验设备有3种形式[10、11]：采用可升降的试验架，试验架定期地下降到溶液中和上升到空气中，实现试验架上样品的浸润与干燥的交替；采用轮式结构(如六角形的Ferris轮)，试验轮缓慢旋转，试验轮底部浸泡在溶液中，使得安装在试验轮的试样在旋转到试验轮底部时浸泡到溶液中，而当试验旋转到一定高度时，试样则处于空气中。把试样固定在试样箱体中，试验溶液定期注入和抽出试验箱，从而实现试样的浸润和干燥的交替。对于钢铁试验的加速腐蚀试验，采用轮式结构，形式简单，而且一次可以完成多种钢样同时的加速腐蚀试验，本试验机总体上采用轮式结构。

1.1.验箱工作原理

在大溶液槽中配制腐蚀溶液，在控制界面上设定周浸循环腐蚀试验的温度、湿度、照度和运行时间，按运行按钮，此时，耐腐蚀泵启动，把大溶液槽中的液体抽到补充液槽中，达到预定的液位，电磁阀工作，补充液槽再向试验液槽加装液体，直到试验液槽中的液体达到预定的液位，液体加载程序停止。PLC控制加热单元、制冷单元工作，控制箱内的环境温度，加湿器喷雾，给试验箱内加湿，通过干燥器调节湿度，箱体内试验环境达到预定值，红外灯对试验表面加热至预定值，通过冷却单元微调试样表面温度，最终建立模拟大气的试验环境，试验轮开始转动，在试验中如果实际值超过设定值，设备停机报警。图1为试验箱控制流程图。

1.2.验箱各功能模块作用

传动系统：由步进电机、减速机、轴联器、试验轴共同组成，通过步进电机、减速机和试验轴带动试验轮按照设定的速度进行旋转，在设计中减速机直接和试验轴进行连接，减少传动皮带等附加装置，精简了系统的结构，减少了设备发生故障的概率。

溶液加载系统：试验槽采用圆弧形结构，通过补充液槽把溶液加载到试验槽中，补充液槽内的溶液则由试验箱外的大溶液槽通过耐腐蚀泵加载，大溶液槽内的液体的浓度采用手动配比，精密pH计检测的方法实现镀液浓度可调，试验槽的圆弧结构可以方便从狭窄的试验箱内旋出，更换试验槽。

试样温度控制系统：红外灯、透光玻璃、红外测温仪组成；通过红外线的方式加热试样表面，透光玻璃起到隔绝箱体内湿气的作用，保护红外灯的电源线路，同时能够透过90%以上的红外光，红外测温仪采用高分辨率型号，通过红外测温仪测量试样表面温度，根据测量结果，控制红外灯电路的电压，调节红外灯的照度，从而控制试样表面温度。

箱体内部温度控制系统：红外灯、透光玻璃、温度传感器、制冷机组、冷气管；通过红外灯加热箱体内的空气，采用冷气喷送的方法降低箱体内空气的温度，温度传感器测量箱体内实际的温度，通过智能PID控制，调整红外灯的加热功率和冷气管的冷气喷入量，从而达到控制箱体内温度的作用。

湿度控制系统：超声波雾化发生器、湿度传感器、加湿孔组成；通过超声波装置使水雾化，透过加湿孔均匀的喷入试验箱体内部，通过湿度传感器实时测量箱体内的湿度变化。

空气循环系统：风扇、PLC系统组成，在箱体的左右两侧分别有一个可以正反转的轴流风扇，通过控制风扇的旋转，从而使箱体内的温度湿度达到均匀一致。

1.3.验箱控制系统

自动加液系统:试验溶液采用耐腐蚀泵加载，当试验轮72°圆心角对应的共性区在液槽中浸入到溶液时，通过液位开关动作，停止试验溶液加载。试验补充溶液通过耐腐蚀泵加载到补充液槽中，当达到设定液位或人工干预停止加载。实验过程中通过液位开关、电磁阀补充溶液槽中耗掉的试验溶液，达到溶液槽内溶液体积不变。

试验液的电气控制基本原理（见图2）：

1）1DT得电(阀通)，M1电机启动，往试验液槽中充液至SFH高液位，电机M1停，1DT失电(阀关闭)；

2）2DT得电(阀通)，M1电机启动，往补充液槽中充液至BFH高液位，电机M1停，2DT失电(阀关闭)；

3）1DT得电(阀通)，3DT得电(阀通)，试验液槽中液体排空；

4）2DT得电(阀通)，3DT得电(阀通)，补充液槽中液体排空。

试验箱温度控制系统：采用电加热棒（两台）加热空气，用热空气控制箱体温度，利用制冷设备抑制过高温度，实现40～50℃内可调可控，控制温度±1℃。为保证箱体内温度均匀，在箱体内安装电扇，促进箱体内空气自循环。

（1）加热棒工作，功率可分3档，两加热棒可分别控制，并且两加热棒位于箱体的靠前的两侧安装。温度开关用以控制加热棒和制冷设备的启、停。

（2）制冷设备采用循环水冷却的方法，在箱体左右两端分别安装进气孔和出气孔，以便监测箱体内的温度。其中循环水管上安装两位两通电磁阀，当箱体内温度过高时，电磁阀导通。当箱体内温度达到冷却温度时，电磁阀关闭。需要注意的是：水冷装置中的风扇处于常开状态，以保证箱体内的空气循环流动。

（3）电扇启、停动作，正常工作时，电扇保持工作状态。

图3为环境温度控制原理图。

温湿度解耦控制系统：环境温湿度的解耦控制、工件表面温度和环境温度的解耦控制，解耦控制原理如图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反映了相邻通道对主通道i的耦合作用，作为i通道模糊前馈解耦控制器的输入。模糊前馈解耦控制器的输出为补偿解耦信号βi，与主通道控制器Di(s)的输出信号ui叠加，作为被控量的控制量Ui。即Ui=ui+βi，其中，βi= F ( Di, Di-1)。

2.验箱的主要技术指标

研制的周浸腐蚀试验箱具有很高的控制精度：

(1)箱体内温度均匀一致，并能在30～60℃可调，控制精度±1℃；

(2)在40%RH～89%RH范围内可以控制试验箱内的湿度，控制精度≯2%RH；

(3)试样表面温度在65～80℃可控可调，控制精度±1℃；

(4)主轴转速在0.5～2r/h之间可控可调；

(5)试验机能够自动补充溶液；

(6)整个试验过程可以计算机控制，并且出现故障能自动报警。

3.电安全控制

试验箱能长时间无人看管连续工作，具有以下安全保护能力：

(1)停电保护，在设备运行中电网停电，电网恢复供电后，设备不自行运行。每次设备启动都需要人工给出信号，设备才能启动运行；

(2)短路保护，设备运行中，由于电线老化或其它不明原因导致设备内线路短路，设备能跳闸自动切断电源；

(3)过热保护，设备运行过程中，由于控温系统失灵，当温度达到报警保护温度时，温度开关给出信号，设备停机，自动切断电源保护，报警保护温度在60～70℃内可调；

(4)缺水保护，设备长时间运行，当雾化器缺水，设备长时间达不到规定相对湿度（给出信号），或其它原因导致试验溶液泄漏，不能满足试验最低需要时，可增加液位超低开关量信号或通过程序控制，实现设备停机。

4.浸循环腐蚀试验箱的应用

研制的新型周浸循环腐蚀试验箱是综合了本单位多年来加速腐蚀试验经验和业内同行建议的基础上开发出来的，相比以前试验箱有了很多的改进，该试验机主要用于以下几个方面。

加速腐蚀试验。由于周期浸润试验模拟了大气腐蚀过程中干湿交替的特点，因此周浸腐蚀试验可以用作一些标准的加速腐蚀试验，典型的试验标准如TB/T 2375-2005，该标准采用0.01mol/L亚硫酸氢钠溶液，要求试验温度为（45±2）℃，相对湿度为（70±5）RH ，每一循环周期：60min，其中浸润时间（12±1.5）min，试样烘烤后表面最高温度（70±10）℃。

其它非标试验。可以根据需要设计一些非标试验，例如可以在浸润溶液中加入各种腐蚀性介质模拟不同的腐蚀性环境，也可以根据所模拟环境的湿润时间和干燥时间的情况，通过改变试验轮的转速和溶液高度来控制试验中的干湿比。

4.1.关试验过程

从图5可以看出，试验箱内温度基本上可以在3～4个波峰压制住，平均波动幅度不超过±1℃；湿度控制呈近似正弦波动，这是由于加湿、除湿控制为脉动输入的原因，从实测数据看，有效湿度可以达到控制精度≯2%RH；从表1可以看出各平行试样间的温度误差在±1℃，达到了控制精度。

5.论

(1)研制了一种以轮式结构为基础的周期浸润试验机，该试验机可以对试验箱内温度、湿度、照度、试验轮转速进行调节，控制精度高、控制指标均匀性好。

表1.件表面温度

(2)溶液槽内溶液能够自动补给、自动调节液位高度，试验过程中的试验条件数据可自动记录。

(3)试验箱具有高度的用电安全性，具有故障紧急停机功能。

[1] LYON S B, THOMPSON G E,JOHNSON J B. New Methods for Corrosion Testing of Aluminum Alloys[M]. Philadelphia：ASTM STP 1134, 1992： 20.

[2] BALDWIN K G, SMITH C F E. Accelerated Corrosion Test for Aerospace Materials：Current Limitation and Future Trends[J].Aircraft Engineering and Aerospace Technology , 1999,71(3) ：239-244.

[3]徐明德，刘颖．周期浸润腐蚀试验方法[K].金属腐蚀与防护标准手册，北京：中国环境科学出版社，1996：52．

[4]王振尧. 金属材料大气腐蚀研究动态[J ] . 全面腐蚀控制,1995 ,(4)：1-3

[5]Feliu S ,Morcillo M,Chico B. Effect of distance from sea on atmospheric corrosion rate[J ] . Corrosion ,1999 ,55 (9) ：883 - 891

[6]孙志华,李金桂,李牧铮.金属材料大气腐蚀加速试验研究的发展趋势 [J]. 材料工程 ,1995 , (12) ：41 - 42.

[7]金蕾,唐其环,彭长灏等.大气腐蚀的模拟加速试验方法(摘要)[J].腐蚀科学与防护技术,1995 ,7 (3) ：214 - 215.

[8] Khobaib M,Chang F C ,Kepple E E ,et al. Accelerated atmospheric corrosion testing[A]. A Symposium Sponsored by ASTM Committee G-1 on Corrosion of Metals[C] . Denver Colo,1980.

[9] Miranda L R,Sathier L,Nogueira R, et al. Atmospheric corrosion tests in Brazilian legal Amazon，field and laboratory tests[J].Mater. Corros., 2000,51(3)：182- 185.

[10] Johansson L G, Vannerberg N G. The atmospheric corrosion of unprotected carbon steel. A comparison between fi eld study and laboratory test [J]. Werkstoffe Und Korrosion,1981,32：265-268.

[11] 李牧铮等．周期浸润腐蚀试验方法的研究，技术资料汇编，第三机械工业部第621研究所，1981.

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