一种大载样量多功能深海环境试样框架、试验装置及试验方法与流程

本发明属于海洋自然环境腐蚀试验装置领域，涉及到深海环境中的金属材料、涂镀层、构件等环境适应性评价方面的试样框架、试验装置及试验方法。

背景技术：

深海蕴藏着丰富的油气和矿产资源，据统计，全球的现有油气储备中，有三分之二来自深海。目前发达国家已经开始研发3000米左右深海油气开采技术和装备。中国海洋石油开发正在走向深海，南海石油储量非常丰富，但75%处在2000～3000米的深海，因此迫切需要开展相关深海装备设计研发。深海工程装备的服役环境是在上千米深的海水中，材料不仅受到海水的侵蚀，同时还受到海水的静压力作用，装备在表层海水环境中普遍采用的涂层防护方法，在深海压力条件下特别是在压力交变条件下会发生涂层的剥离失效，同时，装备结构复杂，由不同种材料组成，在海水条件下极易发生电偶腐蚀，由于深海中环境因素与表层不同，电偶的极性可能发生逆转，以表层海水电偶序设计的结构可能产生完全不同的腐蚀结果。在深海环境中，不仅要了解金属材料的腐蚀，还需要了解金属的电偶腐蚀、应力腐蚀以及涂层的失效等方面的性能，因此必须开展实海试验获取相关数据。

根据现有资料，文章Materials Testing in the Deep Ocean（Materials Protection，1964）以及文章Corrosion of ferrous alloys in deep sea environments（British Corrosion Journal，2002）等，深海腐蚀试验装置可以分为两种，一种以美国为代表，使用的是一种试样框架座底的装置；另一种方法是借助于海洋水文浮标进行腐蚀试验。前者试验框架（称为STU）沉在海底，其上连接专门的回收尼龙绳索，回收绳索平铺于海底；另有一根较细的缆绳，顶端固定浮球，下部与沉块相连固定在海底并与回收绳索相连。回收时，细缆绳与沉块脱离，浮球带细缆绳浮到水面，用细缆绳将打捞用的绳索拉到回收船上，借助于船上的绞车将框架拉到海面。这种装置要求试验场要求高，海底必须是面积较大的平坦硬质海泥；试样框架长时间座沉海底，易出现吸底现象，回收时需要有较大吨位的回收船。第二种装置投放材料的种类和数量受到限制，一般每个深度只能投放几种，十几件试样，而且试样尺寸小；装置的试样框架只适合进行单金属的试验，不能进行其他种类（构件、模拟件）的试样腐蚀试验。

技术实现要素：

本发明的技术任务是针对现有技术的不足，设计研制一种适合在500米～3000米深海海水环境中进行中长期实海环境暴露试验的试样框架、试验装置及试验方法，试样框架可搭载数量较大的材料试样和/或多种形式的构件、模拟件试样进行腐蚀老化试验，以便更高效地开展深海环境试验；试验装置采用近底悬浮式结构，简单安全；试验装置中集成多种测试设备，扩展其试验功能，可在试验过程中检测环境数据和试样腐蚀过程中的原位数据。根据获得的材料在深海环境中的腐蚀性能试验数据，进行深海装备的设计选材和考核。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

１、本发明提供一种大载样量多功能深海环境试样框架，包括一围绕出容置空间的框架主体，框架主体内设中心柱，中心柱上下各设连接环与上部和下部连接件相连；框架主体内设至少一层隔框，隔框将框架主体分成相应数量的试样安装层，隔框上预设有模块安装件，并对以下试样中的至少一种试样进行可拆卸模块化装载：

针对板状试样，在板状试样上预设连接孔位，用连接棒将板状试样串接后，将其两端固定在两相对的安装板之间，板状试样之间及板状试样与连接棒之间绝缘处理，构成板状试样模块；

针对小型法兰试样，利用其本身的螺孔加装绝缘垫片串接在两相对的安装板之间，小型法兰试样之间绝缘处理，构成小型法兰试样模块；

针对小型管件试样，加工两个具有对称安装孔位的夹紧板，将小型管状试样夹紧固定在两夹紧板之间后，将其两端固定在两相对的安装板之间，夹紧板与小型管状试样之间绝缘接触，构成小型管件试样模块；

针对大型管件或法兰试样，将多个安装板连接为一体，将大型管件或法兰试样固定在连接棒上，连接棒与大型管件或法兰试样之间绝缘处理，构成大型管件或法兰试样模块；

框架主体剩余空间安装固定必要的测试设备（环境因素测试设备和/或腐蚀性能检测设备），所涉及的试样框架、连接棒、安装板、夹紧板均采用防腐材质，如钛质材料或有机高分子材料，如连接棒采用钛棒，安装板采用钛板，夹紧板采用PVC或PTFE板。

具体的，所述模块安装件采用模块安装孔，隔框与试样之间的可拆卸模块化装载方式为采用螺栓连接，在固定到框架本体相应的试样安装层中时，插入开口销防止螺栓松脱。

具体的，所述绝缘处理时采用尼龙套管。

2、本发明还提供一种大载样量多功能深海环境试验装置，其采取“近底悬浮”式结构，即利用浮力将试样框架固定在距离海底一定距离处，其结构是利用连接绳索单独或配合卸扣将浮体、试样框架、释放器和沉底锚自上而下连接为一体，连接绳索优选Kevlar绳，其中：浮体为整个装置提供浮力，试样框架用于装载试样材料，并在浮体浮力作用下上浮回收，释放器用于连接试样框架与沉底锚，并在回收时断开与沉底锚的连接，沉底锚用于将整个装置固定在海底；

其中，所涉及的试样框架为上述的一种大载样量多功能深海环境试样框架，框架主体上安装固定环境因素测试设备，将探头固定在框架主体中心柱上，中心柱上下各设连接环，分别连接至浮体和释放器。

具体的，所述浮体包括主浮体，主浮体包括至少一个主浮球和浮球框架，至少一个主浮球安置于浮球框架中。优选主浮球为玻璃浮球，其数量为8-16个；浮球框架为钛合金框架。

具体的，所述浮体还包括副浮体，副浮体为至少一个副浮球构成，副浮体设置于主浮体与试样框架之间的连接绳索上。优选副浮体为玻璃浮球，其数量为4-6个。

具体的，所述释放器数量为两个，两个释放器通过连接绳索并联连接在试样框架与沉底锚之间。

3、一种大载样量多功能深海环境试验方法，该方法基于上述的一种大载样量多功能深海环境试验装置，具体包括如下步骤，

S1、组装试样模块，试样模块选自以下四种试样模块中的至少一种：

针对板状试样，在板状试样上预设连接孔位，用连接棒将板状试样串接后，将其两端固定在两相对的安装板之间，板状试样之间及板状试样与连接棒之间绝缘处理，构成板状试样模块；

针对小型法兰试样，利用其本身的螺孔加装绝缘垫片串接在两相对的安装板之间，小型法兰试样之间绝缘处理，构成小型法兰试样模块；

针对小型管件试样，加工两个具有对称安装孔位的夹紧板，将小型管状试样夹紧固定在两夹紧板之间后，将其两端固定在两相对的安装板之间，夹紧板与小型管状试样之间绝缘接触，构成小型管件试样模块；

针对大型管件或法兰试样，将多个安装板连接为一体，将大型管件或法兰试样固定在连接棒上，连接棒与大型管件或法兰试样之间绝缘处理，构成大型管件或法兰试样模块；

S2、检查步骤S1所选试样模块是否牢固，相互之间是否接触，然后用螺栓将所选试样模块固定在框架本体相应的试样安装层中，在试样框架上安装固定环境因素测试设备，将探头固定在框架主体中心柱上；

S3、将计算好重量的沉底锚和浮体分别连接在系留绳上，并将浮体、试样框架、释放器和沉底锚自上而下连接为一体，组装为试验装置；

S4、试验装置布放时，搭乘作业船到达试验海域，根据投放时测试的试验海域海流速度和水深，驶近投放地点，利用船上的吊车将试验装置从上部开始逐次起吊后，布放到水中，同时记录下投放地点的GPS坐标；当试验装置到达海底后，通过释放器的测试功能确定释放器呈竖直状态；

S5、回收试验装置时，按照投放时记录的GPS坐标回到试验海域；叫醒释放器，测试作业船与释放器的直线距离，当距离约为水深的1.2倍时，发出释放命令，释放器将浮体释放，可不断测试与释放器的距离，确认释放器是否上浮；浮体在浮力作用下将试验装置带到海面，当浮体上浮到海面后，将浮体吊上甲板，并利用绞车将试样框架回收，到甲板上后，取得试样，并对试验装置及试样进行清洗、包装。

具体的，整个所述试验装置的长度控制在50-100米之间，布放到海底后，试验装置上部距离海面至少300米。

具体的，所述投放深度范围为500-3000米，根据试验要求，可在水下布放1-36个月。

本发明的一种大载样量多功能深海环境试样框架、试验装置及试验方法，与现有技术相比所产生的有益效果是：

1、本发明的试样框架设计结构简单紧凑，可满足在某一特定深度同时进行大量材料深海环境腐蚀老化试验的需求，能够装载的板状试样（标准）数量在300-600件，同时，还可开展多种形式构件、模拟件的环境试验。框架主体内设中心柱，试样框架的重量和浮体向上的浮力均由中心柱承担，避免上下拉力过大使试验装置变形。材料腐蚀板状试样安装采用模块化设计，将试样先组成试样串，然后固定在深海试验装置的试验框架上，以达到方便现场安装、取样的效果。非标准试样可根据形状（管件、法兰、球体等）设计相应的工装夹具。此种结构设计方便实海作业时的安装、更换操作，减少布放时间，提高实海试验的安全性，适合多数海域开展环境试验。

2、本发明的试验装置采用“近底悬浮”形式，利用浮力将试样框架固定在距离海底10-50米距离处进行暴漏试验，这样试样框架不会受到海底泥沙的影响，亦可避免美国深海试验装置框架吸底现象的出现，方便安全。其结构简单紧凑，可同时开展大量材料和构件的腐蚀老化试验，试验效率较高；集成环境和测试设备，可获得更多的环境参数数据；试样组装采用模块化设计，方便实海作业时的安装、更换操作，减少布放时间，提高实海试验的安全性，适合多数海域开展环境试验；由于试验装置的总长度较短，可以利用小型船舶进行布放和回收，操作简便，安全性较高，同时具有灵活性，节省试验费用和时间。借助于本项发明，可以进行金属材料的常规腐蚀及涂层的老化等性能的评价研究，获取相关数据，可为石油矿产开采、海底管线等深海装备的选材、设计以及进行室内模拟深海环境腐蚀研究提供基本数据保证。

附图说明

附图1是本发明试验装置的整体结构示意图；

附图2是本发明图1中A部分的放大结构示意图；

附图3是本发明试样框架的结构示意图；

附图4是本发明所涉及的板状试样的安装示意图；

附图5是本发明所涉及的小型管件试样安装示意图；

附图6是本发明所涉及的大型法兰试样安装示意图。

图中，1、主浮体，2、主浮球，3、浮球框架，4、试样框架，5、连接绳索，6、释放器，7、锚链，8、沉块，9、沉底锚，10、副浮球，11、框架主体，12、连接环，13、中心柱，14、隔框，15、模块安装孔，16、试样安装层，17、安装板，18、板状试样，19、连接棒，20、钛螺栓，21、夹紧板，22、小型管件试样，23、安装孔位，24、大型法兰试样，25、尼龙套管。

具体实施方式

下面结合附图1-6，对本发明的一种大载样量多功能深海环境试样框架、试验装置及试验方法作以下详细说明。

如附图1所示，本发明提供一种大载样量多功能深海环境试验装置，其采取“近底悬浮”式结构，即利用浮力将试样框架4固定在距离海底10-50米距离处进行暴露试验，这样试样框架4不会受到海底泥沙的影响，亦可避免美国深海试验装置框架吸底现象的出现。其结构是利用连接绳索5单独或配合钛制卸扣将浮体、试样框架4、释放器6和沉底锚9自上而下连接为一体，连接绳索5优选Kevlar绳。其中：

（1）浮体：为整个装置提供浮力，其包括主浮体1，主浮体1包括至少一个主浮球2和浮球框架3，至少一个主浮球2安置于浮球框架3中。如附图2所示，浮体还可包括副浮体，副浮体为至少一个副浮球10构成，副浮体设置于主浮体1与试样框架4之间的连接绳索5上。优选主浮球2为玻璃浮球，其数量为8-16个；浮球框架3为钛合金框架；副浮体为玻璃浮球，其数量为4-6个。（2）试样框架4：用于装载试样材料，并在浮体浮力作用下上浮回收。（3）释放器6：用于连接试样框架4与沉底锚9，并在回收时断开与沉底锚9的连接，沉底锚9用于将整个装置固定在海底。优选释放器6数量为两个，两个释放器6通过连接绳索5并联连接在试样框架4与沉底锚9之间。（4）沉底锚9：包括沉块8和锚链7，沉块8优选为水泥重块，作用是将整个装置固定在海底。

整个试验装置的长度控制在50-100米之间，布放到海底后，试验装置上部距离海面至少300米，即使海洋表面海流速度较大，试验装置在海底受到的冲击影响也很小，同时也不容易受到渔船拖网的影响，安全性高。

如附图3所示，所涉及的试样框架4包括：一围绕出容置空间的框架主体11，框架主体11为一长方体，尺寸为1600×1600×1800 mm，框架主体11内设中心柱13，中心柱13上下各设连接环12，分别连接至浮体和释放器6。试样框架4的重量和浮体向上的浮力均由中心柱13承担，避免上下拉力过大使试验装置变形。框架主体11内设至少一层隔框14，隔框14将框架主体11分成相应数量的试样安装层16，隔框14上预设有模块安装孔15，并对以下试样中的至少一种试样进行可拆卸模块化装载：

如附图4所示，针对板状试样18，标准尺寸为200×100 mm，在板状试样18长对称轴上加工两个中心距为140 mm、直径为12 mm的圆孔，用两根φ10 mm的连接棒19将板状试样18串接后，将其两端固定在两相对的安装板17之间，一般为9-15件板状试样18，板状试样18之间及板状试样18与连接棒19之间绝缘处理，构成板状试样18模块。试验前，将试样模块利用钛螺栓20固定在试样框架4的试样安装层16。

试样框架4空间较大，除了装载板状试样18外，还可以在试样框架4中安装部件、零件类的试样，考察试样的综合性能，更加接近实际应用条件。

针对小型法兰试样，利用其本身的螺孔加装绝缘垫片串接在两相对的安装板17之间，小型法兰试样之间绝缘处理，构成小型法兰试样模块。小型法兰试样模块未图示，其结构同附图3，所不同的是将板状试样18直接替换为小型法兰试样。

如附图5所示，针对小型管件试样22，加工两个具有对称安装孔位23的夹紧板21，将小型管状试样夹紧固定在两夹紧板21之间后，将其两端固定在两相对的安装板17之间，夹紧板21与小型管状试样之间绝缘接触，构成小型管件试样22模块。

如附图6所示，针对大型管件或法兰试样（还可以是其他试样，直径不大于500 mm），可将多个安装板17连接为一体，将大型管件或法兰试样固定在连接棒19上，连接棒19与大型管件或法兰试样之间绝缘处理，构成大型管件或法兰试样模块。图6中仅图示了大型法兰试样24模块的结构图，对于大型管件试样或构件、球形试样等非标准试样亦可采用图6的结构形式。

上述所涉及的试样框架4、连接棒19、安装板17、夹紧板21均采用防腐材质，可采用钛质材料或有机高分子材料，本实施例中，连接棒19采用钛棒，安装板17采用钛板，夹紧板21采用PVC或PTFE板。

在附图1中，框架主体11内隔框14的数量为三层，相应的，将框架主体11分成三层试样安装层16，共可装载200×100 mm的板状试样18 300-600件，即100-200种不同的材料，一次投放便可对大量试样材料进行试验。

试样框架4中的剩余空间还可集成环境因素测试设备和腐蚀性能检测设备，将探头固定在框架主体11中心柱13上。

在上述结构的基础上，隔框14与试样之间的可拆卸模块化装载方式为采用钛螺栓20连接，在固定到框架本体相应的试样安装层16中时，插入开口销防止螺栓松脱。此处可拆卸模块化装卸方式也可替换为卡扣连接方式。

在上述结构的基础上，绝缘处理时采用尼龙套管25。

本发明的一种大载样量多功能深海环境试样装置，进行试验时，包括步骤如下：

S1、组装试样模块，试样模块选自以下四种试样模块中的至少一种：

针对板状试样18，在板状试样18上预设连接孔位，用连接棒19将板状试样18串接后，将其两端固定在两相对的安装板17之间，板状试样18之间及板状试样18与连接棒19之间绝缘处理，构成板状试样18模块；

针对小型法兰试样，利用其本身的螺孔加装绝缘垫片串接在两相对的安装板17之间，小型法兰试样之间绝缘处理，构成小型法兰试样模块；

针对小型管件试样22，加工两个具有对称安装孔位23的夹紧板21，将小型管状试样夹紧固定在两夹紧板21之间后，将其两端固定在两相对的安装板17之间，夹紧板21与小型管状试样之间绝缘接触，构成小型管件试样22模块；

针对大型管件或法兰试样，将多个安装板17连接为一体，将大型管件或法兰试样固定在连接棒19上，连接棒19与大型管件或法兰试样之间绝缘处理，构成大型管件或法兰试样模块；

S2、检查步骤S1所选试样模块是否牢固，相互之间是否接触，然后用螺栓将所选试样模块固定在框架本体相应的试样安装层16中，在试样框架4上安装固定环境因素测试设备，将探头固定在框架主体11中心柱13上；

S3、将计算好重量的沉块8和浮体分别连接在系留绳上，并将浮体、试样框架4、释放器6和沉底锚9自上而下连接为一体，组装为试验装置；

S4、试验装置布放时，搭乘作业船到达试验海域，根据投放时测试的试验海域海流速度和水深，驶近投放地点，投放深度范围为500-3000米，利用船上的吊车将试验装置从上部开始逐次起吊后，布放到水中，同时记录下投放地点的GPS坐标；当试验装置到达海底后，通过释放器6的测试功能确定释放器6呈竖直状态；根据试验要求，可在水下布放1-36个月；

S5、回收试验装置时，按照投放时记录的GPS坐标回到试验海域；叫醒释放器6，测试作业船与释放器6的直线距离，当距离约为水深的1.2倍时，发出释放命令，释放器6将浮体释放，可不断测试与释放器6的距离，确认释放器6是否上浮；浮体在浮力作用下将试验装置带到海面，当浮体上浮到海面后，将浮体吊上甲板，并利用绞车将试样框架4回收，到甲板上后，取得试样，并对试验装置及试样进行清洗、包装。