一种模拟超高温高压腐蚀环境下的老化试验装置及方法

本发明涉及一种模拟超高温高压腐蚀环境下的老化试验装置及方法，属于腐蚀环境模拟技术领域。

背景技术：

现代的土木工程结构主要以钢筋混凝土结构为主，其他结构(钢结构、木结构、砌体结构)作为补充。纵然钢筋混凝土结构具有较多的优点，但是在较长的复杂土木工程服役环境下，钢筋混凝土结构性能易发生严重退化，尤其是钢筋的锈蚀，会严重影响工程结构的正常使用与寿命，同时容易导致严重的工程安全事故。

纤维增强树脂复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀与疲劳性能，现在已经广泛的应用于土木工程结构当中。纤维增强树脂复合材料可做成frp筋替换钢筋用于增强混凝土结构；做成复合材料层合板用于加固已有的钢筋混凝土与钢结构；做成平行筋束制作索锚结构用于桥梁工程。

尽管纤维增强树脂复合材料相较于传统钢材具备较好的耐腐蚀性能，但是长期的复杂土木工程环境仍是造成纤维增强树脂复合材料性能退化的一个不可忽略的因素之一，获得纤维增强树脂复合材料在复杂环境下的性能演化规律与机理，是推动纤维复合材料大规模工程应用的关键。同时，随着国家深海、深地战略的提出，土木工程用纤维增强树脂复合材料逐渐扩展应用于海洋工程或地下采油/矿工程。对于这些新领域，纤维增强树脂复合材料可能面对更加复杂的服役环境，如矿物质水/海水、超高温以及高压条件，纤维增强树脂复合材料在上述复杂环境的长期作用下的服役性能决定了结构的安全性。

当材料在浸泡过程中，腐蚀溶液沿着纤维树脂界面逐渐扩散至材料内部引起树脂基体的塑化与水解，高温对于水分子具有加速作用，促进了纤维树脂复合材料的退化。然而，当纤维树脂复合材料逐渐应用于海洋工程、地下采油/矿工程，长期超高温高压腐蚀环境对材料性能的影响至关重要，材料性能的长期演化规律及机理更值得关注。为获得纤维增强树脂复合材料在超高温高压腐蚀液下的长期性能演化规律及机理，目前采用的最常见的方法是实验室模拟纤维增强树脂复合材料在高温高压腐蚀液下的加速老化试验。获得纤维增强树脂复合材料在加速环境下的退化规律与机理及其服役寿命，使用阿伦尼乌兹理论将纤维增强树脂复合材料在加速环境下的服役寿命转换为在实际服役环境下的服役寿命。

现有的模拟纤维增强树脂复合材料的老化试验大多是模拟100℃以下且无压力的腐蚀环境，由于缺乏模拟土木工程纤维增强树脂复合材料在超高温高压腐蚀液下的老化装置，相关模拟纤维增强树脂复合材料在高温高压腐蚀液下老化试验较少，其作用机理尚不明确，极大的限制了纤维增强树脂复合材料在海洋工程及地下采油/矿工程中的应用。

现有技术中还有一种模拟装置，其通过在罐体内注入腐蚀液、在罐外缠绕玻璃纤维加热带实现对罐内加热以及向罐内注入压力模拟高压环境，但是这种模拟装置因其结构的限制(如当加热至一定的温度后，罐体的密封性不够，罐体的结构限制了其能够承受的最大压力，玻璃纤维加热带限制了其能够实现的最高加热温度)，仍然无法实现真正意义上的超高温高压，并且无法实时监测并调节罐内的压力和温度，操作过程复杂且安全性较差。因此，急需一种能够实现在更高温度及压力下的腐蚀环境模拟装置及模拟方法。

技术实现要素：

本发明是为了解决现有的模拟装置因其结构限制，仍无法满足目前对于超高温高压腐蚀环境下的老化试验需求的问题，进而提供了一种模拟超高温高压腐蚀环境下的老化试验装置及方法。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种模拟超高温高压腐蚀环境下的老化试验装置，罐体、顶盖、加压阀、泄压阀、注压泵、温度传感器、压力传感器及温压控制箱，其中所述顶盖盖设在罐体上方且顶盖与罐体之间设置有密封垫片，所述加压阀及所述泄压阀均连通设置在盖体上，且所述加压阀与所述注压泵连接，温度传感器及压力传感器分别安装在罐体上以测量罐体内部温度及压力，罐体外壁均布有若干加热板，加压阀、泄压阀、加热板、压力传感器及温度传感器分别与温压控制箱连接，通过温压控制箱自动控制对罐体内的加压、泄压及加热，罐体内容置腐蚀溶液。

进一步地，罐体的底部以及顶盖均为圆弧形结构。

进一步地，罐体的外部套装有钢外套，若干加热板位于钢外套内，所述钢外套内部还填充有保温层。

进一步地，所述密封垫片为钢铅合金材质。

进一步地，压力传感器的数量为两个且沿罐体周向均布。

进一步地，顶盖与罐体之间通过法兰盘及若干高强螺栓固接。

进一步地，加压阀、泄压阀、压力传感器与温度传感器的最大有效工作压强与温度分别为30mpa与350℃。

进一步地，罐体为圆桶形结构，壁厚为10mm，高度为1600mm，法兰盘与顶盖的厚度以及罐体底部的厚度均为15mm，高强螺栓的直径为16mm，数量为8个。

一种采用上述试验装置的试验方法，它包括如下步骤：

步骤一、将准备好的纤维增强树脂复合材料有序的放入罐体内部；

步骤二、将配置好的腐蚀液缓慢导入罐体内部，直至液体充满整个罐体；

步骤三、将密封垫片对中放置于罐体顶部，并将顶盖固定安装在罐体的顶部；

步骤四、将加压阀、泄压阀、加热板、压力传感器、温度传感器与温压控制箱连接在一起，同时连接加压阀与注压泵；

步骤五、打开温压控制箱开关，设定罐体内部所要施加的温度值，同时设定加压阀与泄压阀的控制压强值；

步骤六、先通过加热板对罐体内部升温，当罐体内部温度达到设定值时，加热板自动断电而停止加热；

步骤七、打开注压泵开关，对罐体内部进行加压，当罐体内部压强达到设定值时，加压阀自动关闭而停止加压；当罐体内部温度、压强低于设定值时，温压控制箱自动开启加压阀与加热板；

步骤八、达到预定的老化时间以后，关闭温度控制器开关，待罐体内部温度降至室温，将泄压控制器的压强控制值设为0，通过泄压阀卸除罐体内部剩余压强；

步骤九、拧开高强螺栓，打开顶盖，取出纤维增强树脂复合材料；至此完成模拟纤维增强树脂复合材料在超高温高压腐蚀液下的老化实验。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

本申请设置有温度传感器与压力传感器，且均与温压控制箱连接，通过数显屏幕给出装置当前温度与压强，相较于传统机械式的热电偶与压力表，可实现温度与压强的实时监测与记录。

同时，本申请配有加压阀与泄压阀，均与温压控制箱连接，加压时，温压控制箱可智能控制加压阀的开启与关闭，使得罐体内部压强精准达到设定值，同时也可通过温压控制箱智能控制泄压阀的开启与关闭，设定泄压阀的阈值，可作为罐体的及时泄压的安全保护，防止因意外导致罐体压强过高而发生爆裂破坏。通过温压控制箱可实现装置内温度与压强的智能调控，无需实验人员手动操作，操作简单，安全性高。

通过均布的加热板实现对罐体内部快速的加热效果。优选在罐体外壁沿其高度方向均布四组加热板。与传统玻璃纤维加热带相比，加热板可以承受远高于加热带的温度(加热板的工作温度可达1000℃以上，而加热带的工作温度最高为350℃)，提高装置最大工作温度，安全性更好。

附图说明

图1为本申请的主剖视示意图；

图2为本申请的立体结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～2说明本实施方式，一种模拟超高温高压腐蚀环境下的老化试验装置，罐体1、顶盖2、加压阀3、泄压阀4、注压泵5、温度传感器6、压力传感器7及温压控制箱8，其中所述顶盖2盖设在罐体1上方且顶盖2与罐体1之间设置有密封垫片9，所述加压阀3及所述泄压阀4均连通设置在盖体上，且所述加压阀3与所述注压泵5连接，温度传感器6及压力传感器7分别安装在罐体1上以测量罐体1内部温度及压力，罐体1外壁均布有若干加热板10，加压阀3、泄压阀4、加热板10、压力传感器7及温度传感器6分别与温压控制箱8连接，通过温压控制箱8自动控制对罐体1内的加压、泄压及加热，罐体1内容置腐蚀溶液。

密封垫片9对中放置于罐体1与顶盖2之间，防止高温、高压气体的流出。

通过压力传感器7与温度传感器6，可实时监测罐体1内部压强与温度。

通过均布的加热板10实现对罐体1内部快速的加热效果。优选在罐体1外壁沿其高度方向均布四组加热板10。与传统玻璃纤维加热带相比，加热板10可以承受远高于加热带的温度(加热板10的工作温度可达1000℃以上，而加热带的工作温度最高为350℃)，提高装置最大工作温度，安全性更好。

罐体1为不锈钢材质，具备较好的耐腐蚀性能。

温压控制箱8内设置有温度控制器、加压控制器、泄压控制器及显示屏幕，在温度控制器、加压控制器与泄压控制器上设定好所要施加的控制温度值与控制压强值，屏幕会显示当前罐体1内部温度值、压强值与设定的控制温度值、控制压强值。

通过加热板10对罐体1内部升温，当罐体1内部温度达到设定值时，加热板10自动断电而停止加热。

通过注压泵5罐体1内部进行加压。当罐体1内部压强达到设定值时，加压阀3会自动关闭而停止加压。

当罐体1内部温度、压强低于设定值时，加压阀3与加热板10会自动开启至工作状态。老化试验经过一定时间后，关闭温度控制器开关，待罐体1内部温度冷却至室温，将泄压控制器的压强控制值设为0，通过泄压阀4卸除罐体1内部剩余压强，取出纤维增强树脂复合材料。至此完成模拟纤维增强树脂复合材料在超高温高压腐蚀液下的老化实验。

通过本申请能够实现温度与压强的智能控制。

罐体1的高度应根据所放入的实验材料长度设定，罐体1的厚度根据所需要施加的压强计算获得。法兰盘13与顶盖2的厚度以及罐体1底部的厚度要大于罐体1壁厚，保证连接处的安全与可靠性。螺栓的数量与直径应根据其实际受力计算获得。

罐体1的底部以及顶盖2均为圆弧形结构。如此设计，与罐体1内部所受压力相吻合，与平板型顶盖2或底盖相比，受力性能更好，安全性更高。

罐体1的外部套装有钢外套11，若干加热板10位于钢外套11内，所述钢外套11内部还填充有保温层12。通过设置钢外套11，避免实验人员触碰高温罐体1而受伤害。通过设置保温层12，防止罐体1内部温度过快散失，节约电能。保温层12为岩棉材料，具有较好的耐高温与保温性能，其可替换成其它耐高温的保温材料。

所述密封垫片9为钢铅合金材质。如此设计，保证其在超高温高压环境下仍有较好的密封效果。其还可以为其它耐超高温高压的其它合金垫片。解决了传统高分子垫片不耐高温的缺点，同时具备可塑性，在施加螺栓预紧力后可紧密与顶盖2和罐体1连接在一起，密封效果极好。

压力传感器7的数量为两个且沿罐体1周向均布。

顶盖2与罐体1之间通过法兰盘13及若干高强螺栓14固接。如此设计，保证罐体1与顶盖2连接紧固。若干高强螺栓14沿周向均布。

加压阀3、泄压阀4、压力传感器7与温度传感器6的最大有效工作压强与温度分别为30mpa与350℃。工作量程可根据实验需要选定。

罐体1为圆桶形结构，壁厚为10mm，高度为1600mm，法兰盘13与顶盖2的厚度以及罐体1底部的厚度均为15mm，高强螺栓14的直径为16mm，数量为8个。

一种采用上述试验装置的试验方法，它包括如下步骤：

步骤一、将准备好的纤维增强树脂复合材料有序的放入罐体1内部；

步骤二、将配置好的腐蚀液缓慢导入罐体1内部，直至液体充满整个罐体1；

步骤三、将密封垫片9对中放置于罐体1顶部，并将顶盖2固定安装在罐体1的顶部；安放顶盖2时，对中法兰盘13上的螺栓孔，将高强螺栓14依次插入螺栓孔内，使用扳手依次拧紧高强螺栓14，实现顶盖2与罐体1的紧密连接。

步骤四、将加压阀3、泄压阀4、加热板10、压力传感器7、温度传感器6与温压控制箱8连接在一起，同时连接加压阀3与注压泵5；

步骤五、打开温压控制箱8开关，(在温度控制器上)设定罐体1内部所要施加的温度值，同时(在加压控制器与泄压控制器上分别)设定加压阀3与泄压阀4的控制压强值；设定好所要施加的控制温度值与控制压强值，屏幕会显示当前罐体1内部温度值、压强值与设定的控制温度值、控制压强值。

步骤六、先通过加热板10对罐体1内部升温，当罐体1内部温度达到设定值时，加热板10自动断电而停止加热；

步骤七、打开注压泵5开关，对罐体1内部进行加压，当罐体1内部压强达到设定值时，加压阀3自动关闭而停止加压；当罐体1内部温度、压强低于设定值时，温压控制箱8自动开启加压阀3与加热板10；

步骤八、达到预定的老化时间以后，关闭温度控制器开关，待罐体1内部温度降至室温，将泄压控制器的压强控制值设为0，通过泄压阀4卸除罐体1内部剩余压强；

步骤九、拧开高强螺栓14，打开顶盖2，取出纤维增强树脂复合材料；至此完成模拟纤维增强树脂复合材料在超高温高压腐蚀液下的老化实验。