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高压电场环境下进行干湿交替加速腐蚀的试验装置及方法

发明公布  在审
申请(专利)号:CN201811525711.5国省代码:福建 35
申请(专利权)人:福州大学
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摘要:
本发明提出一种高压电场环境下进行干湿交替加速腐蚀的试验装置及方法,其特征在于,包括:由形状尺寸相同的圆盘状的上极板和下极板构成的高压电场发生器;所述上极板和下极板的盘沿上各设置有一个均压环;所述上极板和下极板的盘底平行且相对设置;所述上极板通过多根可调长度或可拆装的聚乙烯柱支撑固定在下极板上方;所述上极板通过保护电阻连接高压发生器,下极板接地。其制造简单、成本低廉,充分利用了电力试验中能够接触到的常规构件,实现了设计目的并且具备优越的性能,提供了均匀的电场分布和适合的试验平台。同时提供了干湿交替加速腐蚀的试验实现过程,能够充分地模拟沿海潮湿多雨环境的腐蚀过程。

主权项:
1.一种高压电场环境下进行干湿交替加速腐蚀的试验装置,其特征在于,包括:由形状尺寸相同的圆盘状的上极板和下极板构成的高压电场发生器;所述上极板和下极板的盘沿上各设置有一个均压环;所述上极板和下极板的盘底平行且相对设置;所述上极板通过多根可调长度或可拆装的聚乙烯柱支撑固定在下极板上方;所述上极板通过保护电阻连接高压发生器,下极板接地。


说明书

高压电场环境下进行干湿交替加速腐蚀的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及电力试验领域,尤其涉及一种高压电场环境下进行干湿交替加速腐蚀
的试验装置及方法。

背景技术

对于腐蚀的研究已经持续了近百年,进行腐蚀的方法也各种各样。在2016年3月的
全球腐蚀调查报告显示,世界平均腐蚀经济损失占全球国民生产总值(GDP)的3.4%左右。通
过对腐蚀机理、腐蚀行为的研究并针对性的进行防护可以大大减少腐蚀对经济的损失。

在沿海工业区域,电力系统的高压输电过程常常面临腐蚀困扰,一方面关键导体
材料既处于潮湿多雨环境中,同时也处于强电场环境中。在多雨环境中,由于沿海区域降水
盐分较高,所以导体材料被雨水覆盖时的腐蚀是属于一种海水浸泡腐蚀。当处于潮湿环境
时,材料表面被薄液膜覆盖,材料的腐蚀属于大气腐蚀。不同模型下腐蚀机理不同。而高压
电力系统中的导体材料均处于强交变电场中,交变电场对腐蚀性离子运动、腐蚀电位以及
腐蚀电流均有重要影响。

通常进行腐蚀行为研究的方法有室外暴露试验法和实内加速试验法。

室外暴露试验是最常使用的方法,此方法的优点是能够准备反应现场的实际情
况,数据精确可靠性强。其缺点是试验周期较长,试验结果为多种因素共同作用的结果,不
能对单一因素进行分析讨论。

室内加速试验法是腐蚀研究的重要研究手段,目前主要的室内加速方法有:盐雾
试验、湿热试验、周期喷雾复合腐蚀试验、干湿周浸循环试验以及多因子循环复合腐蚀试
验。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题和不足,本发明提供了一种在高压电场环境下进行
浸泡腐蚀和大气腐蚀的装置和方法。其由一套简易的简单的装置构成,在腐蚀试验中只需
滴加腐蚀液即可实现高压电场环境下的浸泡腐蚀模型与大气腐蚀模型干湿交替进行的试
验过程。本发明具体采用以下技术方案:

本发明具体采用以下技术方案:

一种高压电场环境下进行干湿交替加速腐蚀的试验装置,其特征在于,包括:由形状尺
寸相同的圆盘状的上极板和下极板构成的高压电场发生器;所述上极板和下极板的盘沿上
各设置有一个均压环;所述上极板和下极板的盘底平行且相对设置;所述上极板通过多根
可调长度或可拆装的聚乙烯柱支撑固定在下极板上方;所述上极板通过保护电阻连接高压
发生器,下极板接地。

优选地,所述上极板和下极板的上下两侧分别设置有带螺丝和螺母的螺孔。

优选地,所述上极板和下极板的材质为不锈钢;所述均压环为表面由铜箔或锡箔
覆盖的圆环管。

优选地,所述上极板和下极板的直径为30cm-50cm;所述均压环的直径为3cm-8cm。

优选地,所述高压电场发生器设置在腐蚀箱中;所述腐蚀箱包括:由亚克力板构成
的外部框架、水平设置在所述外部框架内的网状支撑板、设置在所述网状支撑板下方的溶
液槽、设置在所述溶液槽下方的恒温加热垫、以及设置在网状支撑板上的气流风扇;所述下
极板设置在网状支撑板上。

以及根据以上试验装置的试验方法,其特征在于,包括以下步骤:

步骤S1:制备腐蚀样品,通过绝缘胶将所述腐蚀样品的边缘密封,所述绝缘胶高出腐蚀
样品的上表面2-3mm;

步骤S2:将所述腐蚀样品放置于下极板的盘底上;

步骤S3:采用移液枪滴加腐蚀液在腐蚀样品上表面,并控制腐蚀液的厚度;

步骤S4:将所述高压电场发生器放入腐蚀箱中,并对所述上极板通电,观察所述腐蚀样
品的腐蚀状况。

优选地,所述腐蚀箱包括:由亚克力板构成的外部框架、水平设置在所述外部框架
内的网状支撑板、设置在所述网状支撑板下方的溶液槽、设置在所述溶液槽下方的恒温加
热垫、以及设置在网状支撑板上的气流风扇;所述下极板设置在网状支撑板上;所述溶液槽
中注入甘油-水溶液。

优选地,通过调节所述高压电场发生器的输出电压,以及上极板和下极板的间距,
控制电场的强度;

通过所述甘油-水溶液中甘油相对含量调节相对湿度;

通过调节所述气流风扇的转速控制气流速率;

通过所述恒温加热垫控制温度并保持恒温。

优选地,执行步骤S4时,

将腐蚀液的厚度大于阈值时的状态定义为浸泡腐蚀阶段;

将腐蚀液的厚度小于阈值时的薄液膜的状态定义为大气腐蚀阶段;

将腐蚀液的厚度为零时的状态定义为干环境阶段;

以浸泡腐蚀阶段至大气腐蚀阶段再至干环境阶段为一个腐蚀周期,当经历一个腐蚀周
期后,再次执行步骤S3和步骤S4,并控制腐蚀液的厚度与前一个腐蚀周期开始时一致,共重
复N个腐蚀周期。

本发明及其优选方案提供的装置设计方案制造简单、成本低廉,充分利用了电力
试验中能够接触到的常规构件,实现了设计目的并且具备优越的性能,提供了均匀的电场
分布和适合的试验平台。本实施例装置在上极板和下极板之间产生了足够均匀的电场,并
可以通过控制上极板和下极板的间距灵活调整电场强度;下极板的底盘作为试验平台,提
供了足够宽的操作空间,可以容易进行各种试验操作。

采用移液枪滴加腐蚀液精确控制腐蚀液厚度、绝缘胶密封试样控制腐蚀区域进行
局部腐蚀、均压环改善上下极板周围电场环境,避免尖端放电,具有良好的可操作性和安全
性。本发明提供的方法既考虑了浸泡腐蚀模型,也包含了大气腐蚀模型,同时提供了干湿交
替加速腐蚀的试验实现过程,能够充分地模拟在沿海潮湿多雨环境中,户外金属腐蚀通常
既有浸泡腐蚀模型,也包含有大气腐蚀模型的环境,且此方法可以实现局部腐蚀,试样不受
形状影响。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明:

图1是本发明实施例整体结构立体示意图;

图2是本发明实施例整体结构侧视示意图(设置在腐蚀箱中);

图3是本发明实施例铝合金表面12小时过程中腐蚀液厚度变化示意图;

图4中 a、b、c分别表示在0KV/m、200KV/m以及400KV/m的电场下腐蚀7个循环的扫描电
镜拍摄结果图;

图5是本发明实施例在不同电场强度下腐蚀7个循环周期后的拉伸曲线示意图;

图中:1-上极板;2-下极板;3-均压环;4-聚乙烯柱;5-导线;10-外部框架;11-气流风
扇;12-网状支撑板;13-溶液槽;14-恒温加热垫;21-腐蚀样品。

具体实施方式

为让本专利的特征和优点能更明显易懂,下文特举实施例,并配合附图,作详细说
明如下:

如图1、图2所示,本实施例装置的核心构件包括:由形状尺寸相同的圆盘状的上极板1
和下极板2构成的高压电场发生器。

其中,上极板1和下极板2的盘沿上各设置有一个均压环3,上极板1和下极板2的直
径为30cm-50cm;均压环3的直径为3cm-8cm。上极板1和下极板2的材质为不锈钢;均压环3为
表面由铜箔或锡箔覆盖的圆环管,使圆管环上每一点为等势点。均压环3用以消除不锈钢圆
盘边沿高压放电现象。

上极板1和下极板2的盘底平行且相对设置;上极板1由多根(本实施例选用三根)
绝缘材料聚乙烯柱4支撑,聚乙烯柱4固定在下极板2表面,该聚乙烯柱4的一种选择为长度
可调,其可以采用的常规设置方式为聚乙烯柱4的两端设置有螺杆状的结构,并配合上极板
1和下极板2的盘底上的对应螺孔,通过螺纹连接的方式调节其支撑部分的长度,也可精确
地对上极板1进行调平。聚乙烯柱4的另一种选择为可拆卸和安装的结构,其也可以采用聚
乙烯柱4的两端设置有螺杆状的结构,并配合上极板1和下极板2的盘底上的对应螺孔的方
案,并配备有多种不同固定长度的聚乙烯柱4可以根据实际需要进行替换,从而调整上极板
1和下极板2之间的距离。

上极板1和下极板2的上下两侧分别设置有带螺丝和螺母的螺孔。通过螺丝螺母将
导线5连接在圆盘内侧或外侧。上极板1通过串联保护电阻接到高压发生器,下极板2接地。
通过上下极板形成高压电场。调节高压大小以及聚乙烯支撑柱的高度可以调整电场强度。
导线5优先采用粗导线,并可在外也包裹有均压环以避免尖端放电从而保证安全性。保护电
阻可以采用高阻值水电阻,电阻中溶液为去离子水。阻值约为80KΩ。保护电阻与导线5相连
接的两端也可以设置有均压环,提高安全性。

腐蚀样品21制备时,通过绝缘胶(如AB胶)将腐蚀试样边缘密封,并密封胶高出腐
蚀样品21表面2-3mm,并放置在下极板2的上表面,在腐蚀过程中,使用移液枪滴加腐蚀液在
腐蚀区域,通过腐蚀样的上表面积以及腐蚀液的量来控制腐蚀液的厚度。在腐蚀周期的前
段时间,腐蚀液厚度较高时,腐蚀过程为浸泡腐蚀模型,当腐蚀液为薄液膜时,腐蚀模型为
大气腐蚀模型。周期末端为干环境阶段。实现了由浸泡腐蚀到大气腐蚀干湿交替的腐蚀方
法,在沿海潮湿多雨的环境中,此方法更加贴近真实情况。且试样不受形状的影响。

腐蚀环境可以由亚克力玻璃制造的腐蚀箱提供。腐蚀箱内由恒温加热垫14、小风
扇以及甘油-水溶液来调控环境的温度、空气流通率以及湿度等因素。

本实施例提供的腐蚀箱方案包括:由亚克力板构成的外部框架10、水平设置在外
部框架10内的网状支撑板12、设置在网状支撑板12下方的溶液槽13、设置在溶液槽13下方
的恒温加热垫14、以及设置在网状支撑板12上的气流风扇11;下极板2设置在网状支撑板12
上。溶液槽13中注入甘油-水溶液。

在构建试验的过程中,还可以同时设置有两组上极板1和下极板2之间间距不同的
高压电场发生器,两个上极板1串联并连接高压发生器,以取得相同的高压输入,并使上极
板1和下极板2的间距不同以获得不同的电势分布,互为对照组,可以进行对应的对照试验。

由此构建的基本的试验方法可以归纳为以下步骤:

步骤S1:制备腐蚀样品21,通过绝缘胶将腐蚀样品21的边缘密封,绝缘胶高出腐蚀样品
21的上表面2-3mm;

步骤S2:将腐蚀样品21放置于下极板2的盘底上;

步骤S3:采用移液枪滴加腐蚀液在腐蚀样品21上表面,并控制腐蚀液的厚度;

步骤S4:将高压电场发生器放入腐蚀箱中,并对上极板1通电,观察腐蚀样品21的腐蚀
状况。

其中,通过调节高压电场发生器的输出电压,以及上极板1和下极板2的间距,控制
电场的强度;通过甘油-水溶液中甘油相对含量调节相对湿度;通过调节气流风扇11的转速
控制气流速率;通过恒温加热垫14控制温度并保持恒温。

特别地,执行步骤S4时,

将腐蚀液的厚度大于阈值时的状态定义为浸泡腐蚀阶段;

将腐蚀液的厚度小于阈值时的薄液膜的状态定义为大气腐蚀阶段;

将腐蚀液的厚度为零时的状态定义为干环境阶段;

以浸泡腐蚀阶段至大气腐蚀阶段再至干环境阶段为一个腐蚀周期,当经历一个腐蚀周
期后,再次执行步骤S3和步骤S4,并控制腐蚀液的厚度与前一个腐蚀周期开始时一致,共重
复N个腐蚀周期。

通过本实施例装置及方法,进行具体试验的情况如下:

实例1:采用5052系铝合金板,将铝合金试样制成20mm×20mm×2mm的样品,使用水磨砂
纸将试样表面从1500目到4000目逐级打磨光滑,并进行抛光。并在去离子水中超声清洗5分
钟,再用乙醇冲洗。等待干燥后将试样四周用AB胶密封,且AB胶高出铝合金上表面0.2-
0.3mm高。等待AB胶完全固化后,在放入高压电场中,用移液枪滴加400μL3.5w%氯化钠溶液
在腐蚀区域,使腐蚀液厚度为1000微米。将其放置于35℃、75%湿度的腐蚀箱中。通过称重法
测量腐蚀液的厚度,图3为12小时腐蚀过程中腐蚀液厚度变化。前5个小时为浸泡腐蚀模型,
中间四小时为大气腐蚀模型,之后是干环境。通过此方法实现了浸泡腐蚀模型和大气腐蚀
模型在一起的干湿交替加速腐蚀。

实例2:采用5052系铝合金板,将铝合金试样制成20mm×20mm×2mm的样品,使用水
磨砂纸将试样表面从1500目到4000目逐级打磨光滑,并进行抛光。并在去离子水中超声清
洗5分钟,再用乙醇冲洗。等待干燥后将试样四周用AB胶密封,且AB胶高出铝合金上表面
0.2-0.3mm高。等待AB胶完全固化,高压电场采用40mm和80mm聚乙烯绝缘柱支撑,高压发生
器调节为16KV,使电场强度为200KV/m和400KV/m,将铝合金试样放在下极板2上,用移液枪
滴加400μL3.5w%氯化钠溶液,使腐蚀液厚度为1000微米。将其放置于35℃、75%湿度的环境
中。24小时为1个循环,图4为在0KV/m、200KV/m以及400KV/m的电场环境下腐蚀7个循环后表
面的SEM(扫描电镜)形貌,从中可以发现在0KV/m电场强度下腐蚀7个循环周期后,铝合金表
面呈现龟裂状,并有部分脱落。在200KV/m电场下腐蚀7个循环周期后,铝合金表面呈现出更
细小的龟裂状,同样是有部分脱落。在400KV/m电场下腐蚀7个周期后,铝合金龟裂状表层以
全部脱落,变成不规格的坑坑洼洼状。

实例3:采用5052系铝合金标准试样,试样尺寸依据标准GB/T228.1-2010加工成哑
铃型拉伸试样。将试样的腐蚀区四周用AB胶密封,且AB胶高出铝合金上表面0.2-0.3mm高。
等待AB胶完全固化,高压电场采用40mm和80mm聚乙烯绝缘柱支撑,高压发生器调节为16KV,
使电场强度为200KV/m和400KV/m,将铝合金试样放在下极板2上,用移液枪滴加400μL3.5w%
氯化钠溶液,使腐蚀液厚度为1000微米。将其放置于35℃、75%湿度的环境中。24小时为1个
循环,4个循环后使用美特斯工业系统CMT5504电子万能试验机测试拉伸性能。F-变形曲线
如图5所示,其中发现在400KV/m电场下腐蚀过后抗拉强度明显低于200KV/m下腐蚀的抗拉
强度,且全都低于在没有电...

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图1
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