模拟深海高压摩擦试验机及相关海洋摩擦学的研究

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Sup 工程与 试验 ENGINEERING & TEST Mar．2Ol3模拟深海高压摩擦试验机及相关海洋摩擦学的研究韩高峰h ，王建章 ，阎逢元(1．中国科学院兰州化学物理研究所 固体润滑国家重点实验室，甘肃 兰州 730000；2．中国科学院大学，北京 1O0049)摘 要：海洋，尤其是深海海域，蕴藏着丰富的资源，是 21世纪人类研究和开发的重点领域。海洋环境下摩擦学的研究对于海洋开发具有重要的意义。模拟深海环境摩擦试验机的研制是进行海洋(深海)摩擦学研究的关键环节。

本文综述了中国科学院兰州化学物理研究所近年来在海洋摩擦学研究方面所取得的重要进展，介绍了该所研制模拟深海高压摩擦试验机的具体进展以及面临的一些问题。

关键词：深海；高压；摩擦试验机；摩擦学中图分类号 ：TH87 文献标识码 ：B doi：10．3969／j．issn．1674—3407．2013．z1．001Development of the Friction Tester ofSimulating Deep Sea High Pressure and Research on Ocean TribologyHan Gaofeng ～，Wang Jianzhang ，Yan Fengyuan(1．State Key Laboratory of the Solid Lubrication，LanzhOU Institute of Chemical Physics，Chinese Academy of Sciences，Lanzhou 730000，Gansu，China；2．University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China)Abstract：The ocean，especially the deep sea，which is rich in abundant resources，is the key arearesearched and exploited by human in 2 1 st Century． It has important significance to investigatethe ocean tribology for ocean exploitation．And it is the key to develop the friction tester of simu—lating deep—sea high pressure for the investigation on ocean tribology． In this paper，the impor—tant progress taken by Lanzhou Institute of Chemical Physics in the investigation on ocean tribol—ogy is reviewed．The development and problems in the development of the friction tester of simu—lating deep—sea high pressure are introduced.

Keywords：deep sea；high pressure；friction tester；tribology引 目深海，一般是指深度超 过 300m 的海域，这一区域约占全球海洋面积的 90 以上 。深海海底蕴藏着储量十分巨大的石油、天然气、锰结核、富钴结壳、热液硫矿以及可燃冰等资源 。同时，深海也具有极为突出的军事战略地位。因此，深海是 21世纪世界各国资源开发与军事竞争的重点区域。深海是一个极端[收稿Et期] 2o12—12—1o[作者简介] 韩高峰(1989一)，男，硕士研究生，主要研究方向：摩擦学。

苛刻的环境，耦合了高压、腐蚀、低温、生物 引员、潜流、固体颗粒冲蚀等各种不利因素。不借助于先进的装备，人类无法进行深海的探测与开发。苛刻的环境使得多数陆上与浅海装备无法应用于深海，给深海研究和开发带来了很大的困难。因此，研制先进的深海装备是进行深海开发与探索的关键l1]。

基于苛刻工况的客观需要以及环保节能的主观诉求，深海装备中的一些重要的摩擦系统 ，如深潜器的浮力调节系统 、海底天然气井 口的 自给控制系统、海水液压传动系统、水下作业机器手等，都直接采用工程与试验海水润滑，其安全性、可靠性、使用寿命等都极大地取决于其中的摩擦部件(如泵、阀门、齿轮、轴、螺旋桨等)在深海环境下的磨损与腐蚀性能。这些摩擦部件不仅要具有极佳的耐磨耐蚀综合性能，而且必须能够适应苛刻的深海环境因素，这就为传统的摩擦学与腐蚀科学的研究提出了巨大的挑战_】]。

适应海水特别是深海的摩擦材料在海洋装备中有着迫切和广泛的需求，也是我 国深海和远海开发战略中材料保障的一个重要组成。海水在材料摩擦过程中虽然有一定 的润滑作用 ]，但 同时海水是腐蚀性介质，并且在深海环境中，海水产生的压力是无法忽 略的。深度每下 降 100m，水压将增加 约1MPa，在 5000m之下，将会产生约 50MPa的压力 ，并且，摩擦材料在这种特殊环境中均表现出异常的腐蚀和摩擦损伤加速特征_lj。受传统研究手段的制约 ，目前还无法充分认识深海环境下腐蚀与磨损之间的交互作用规律和部件损伤失效特性，无法有效地指导深海的新型摩擦材料的研发。因此，迫切需要建立适宜的可模拟深海环境并原位 同步地进行摩擦和动态腐蚀研究的平台，为相关基础研究和应用工作的开展提供必要的手段。自2006年以来，中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室就部署 了深海摩擦学研究方 向，并一直开展着与本项 目相关的基础研究工作 ，已取得 了一些新颖 的研究结果 。

2 常压海水环境下的摩擦学研究2．1 聚合物材料在常压海水环境下摩擦学行为的研究借助现有 MRH-03高速环块摩擦试验机 (如图1所示)，通过 向摩擦表 面滴加水相介质 以实现介质润滑，研究了在多种流体介质润滑下聚合物及其复合材料的摩擦学行为『2 。研究发现，在干摩擦、蒸馏水 、NaC1溶液 、海水及海水不同成分条件下 ，聚合物材料具有截然不同的磨损行为 ]。该结果不仅说明了海水介质 的特殊性，也初步发现了海水 中微量成分的摩擦学作用，同时也证实 了用 NaC1溶液替代海水来研究材料的摩擦学性能是一个误区。

研究还发现，聚合物在海水中具有特殊的“选择性转移”现象，而且这种摩擦转移是受海水中微量成分影响的 ，如图2所示。此外，研究还发现了材料的“间接腐蚀”作用，对金属对偶的耐海水腐蚀性极大影响着聚合物材料的摩擦学性能 ]。研究结果已初步证实，在特定条件下，海水具有一定 的“润滑和抗磨作用”，如何利用这一作用发展新材料需要进一· 。

步开展深入而细致的研究工作 。

荷l’ 一ll l／图 1 摩擦副接触方式示意图(单位 mm)血塘曲 n)(其中，s1、s2、s3为海水主成分与不同微量成分的组合)图2 PTFE在干摩擦及多种流体介质中的摩擦磨损特性 ]此外，研究工作还发现了一些异常摩擦及转移膜形成的现象：聚合物在海水中有可能出现类橡胶的摩擦 特性_6 ；海水摩擦试验后可以发现稳定存在着的“绿锈”(Green Rusts)，这是一种近年来被腐蚀科学家极大关注的新物质，它具有类似于水滑石的层状结构，具有一定的润滑和抗磨作用l_5]，但对于罄 H 口 8 苣 I1兰 韩高峰，等：模拟深海高压摩擦试验机及相关海洋摩擦学的研究“绿锈”产生和稳定存在的原因以及如何控制其生成仍需要进一步的试验研究。

2．2 耐腐蚀金属材料在 常压海水环境下腐蚀磨 损行为的研究借助现有的立式万能摩擦试验机，通过与电化学工作站的连接 ，实现 了金属材料摩擦过程与动态腐蚀过程的同步监测 (见图 3)，并初步 开展 了耐腐蚀金属 的机 械腐蚀—— 电化学交 互作用 的定量研究_l。 。研究结果表 明，尽管温度 、盐度等均会影响材料的腐蚀电位变化，但摩擦导致惰性金属材料的腐蚀电位变化更为剧烈，摩擦停止后极化电位可逐渐恢复原状(见图 4)；耐腐蚀金属材料在静态腐蚀条件下的腐蚀速率非常缓慢，而在摩擦作用下其腐蚀速率迅速增大，导致了严重腐蚀结果的发生，例如，钛合金的动态腐蚀速率比静态腐蚀速率增大了3个数量级以上(见图 5)。结果表明，在常压海水中，电化学腐蚀与机械磨损交互作用量占到金属材料总损失量的 50％～6O ，其 中，腐蚀 加速磨损分量约占6O ，而磨损加速腐蚀分量约 40 ，腐蚀～磨损交互作用是材料在海水中快速损伤失效的重要原因，是不可忽视的。

图 3 电化学 一摩擦 测量装置图图 4 摩擦导 致极化电位变化图 5 TC4合金在静态腐蚀与腐蚀磨损过程中的极化 曲线3 模拟深海高压环境摩擦试验机的研制及相关摩擦学研究的初步进展3．1 第一代模拟深海环境摩擦试验机该试验机由兰州化学物理研究所研制开发，如图 6所示 。采用在人工海水液面之上通气(氮气或氩气)加压的方式来模拟深海高压，最大模拟深度 1200m(对应海水静压 12啪Pa)。摩擦副接触方式为销～盘，驱动与加载都通过磁传 动来实现。法 向最 大加载力值 为100N，运动摩擦试样最大转速 600r／min。不具备摩擦系数采集功能与温度控制功能。不带腐蚀电化学测试装置。目前 ，该试验机已经投入试验使用。

1一砝码；2一加载平台；3一磁力加载系统；4一压力表；5一氮气瓶l 6一进气阀；7一氮气 ；8一海水；9一放气阀；1O～静止销试样及夹具；11一旋转盘试样及样品台；12一高压釜；13一磁力驱动系统l14一旋转电机图 6 第一代模拟深海环境摩擦试验机示意图· 3工 程与试验利用该试验机评价了几种耐腐蚀金属材料高压海水环境下 摩擦 学行 为 ]。初步 的研 究结果表 明(见图 7)，随海水静压增大，耐腐蚀金属材料的磨损率呈指数变化趋势，这种环境 压力 的影响结果是材料摩擦学研究尚未认知的问题，可能需要从流体介质特性、材料磨损机理以及腐蚀与磨损交互作用等方面综合认识和深入理解。此外，也发现了钛合金在深海环境中优良的摩擦学特性，这些结果将是深海防护技术和新材料研制的重要参考。

· 4 ·4．0×l0’43．5×10_43．O×10-42．5×1('2．0×l0．41．5×l0_4I．O×l5．O×1Pressum(MPa)／Depth(am)Pressure(MPa)／Depth(hin)Pressure(MPa)／Depth(hm)图 7 海水静压 与材料磨损 率的关系?3．2 第二代模拟深海环境摩擦试验机该试验机由兰州化学物理研究所与武汉某研究所共同研制开发，如图 8所示。采用在人工海水液面之上通气加压的方式来模拟深海高压 ，最大模拟深度 1500m(对应海水静压 15MPa)。摩擦副接触方式为销一盘，驱动通过机械传动来实现，加载通过波纹管实现。密封采用氟塑料组合密封件。法向最大加 载力 值 1000N，运动 摩 擦 试 样 最 大转 速600r／min。通过传感器实现摩擦数据采集功能，具备温度调控功能，不带腐蚀电化学测试装置。目前，该试验机正处于调试阶段。

图 8 第二代模拟深海环境摩擦试验机3．3 第三代模拟深海环境摩擦试验机该试验机由兰州化学物理研究所与济南某公司共同研制开发 。采用液压泵压缩人工海水来模拟深海高压，最大模 拟 深度 3000m(对应 海水 静压30MPa)。摩擦副接触方式为销一盘，驱动与加载都通过磁传动来实现。法向最大加载力值 1000N，运动摩擦试样最大转速 2000r／rain。通过磁传动实现了摩擦力动态采集功能 ，最大测量摩擦力 100N。具有海水温度冷却控制功能，控制范围 1—20℃。具有试验力 、摩擦力、转速 、温度、转数计算机输 出接口，外接计算机可记录摩擦力一时间曲线 ，温度一时间曲线 ，可同时显示试验力 、摩擦力矩 、转速 、温度 、转数、摩擦系数，打印曲线及试验报告。不带腐蚀电化学测试装置。 目前 ，该试验机正处于加工阶段 。

3．4 第四代模拟深海环境摩擦学——腐蚀电化学联动测试系统该测试系统由兰州化学物理研究所研制开发。

具有如下功能 ：(1)基本功能模拟表层一5Ooom深度的海水环境，并能够精确控制模拟海水环境的特征参数 ，包括 ：海水静压 、溶氧量、温度(尤其是 O一5℃的低温)、盐度、pH值等；0 — 4 O O O O O × × × × × X8 6 4 2 0 O l I o0一g 暑g一 g ∞Supplement 韩高峰，等：模拟深海高压摩擦试验机及相关海洋摩擦学的研究按照标准 ASTM G 119一O9，进行摩擦学——腐蚀电化学的联动测试，定量评测金属材料的腐蚀、磨损 以及二者之间的交互作用 ；精确调控试验参数(摩擦试件间的相对运行速度与载荷、摩擦试样 的极化电位)与介质参数 (海水静压、溶氧量、温度、盐度、pH值)等的变化，按照标准 ASTM G l19—09进行摩擦学——腐蚀 电化学的联动测试，依据试验结果绘制金属材料腐蚀～磨损图，包括：机制图、流失图、选材图、协同作用图。

(2)拓展功能考查 陶瓷、聚合物等非金属材料在模拟深海环境下的摩擦学行为；考查金属 与非金属材 料在常压一5OMPa高压气氛下的摩擦学行为；考查金属 与非金属材 料在常压一50MPa高压非海水流体环境下的摩擦学行为 ；考查金属材料在常压一5OMPa高压非海水流体环境下的动／静态腐蚀行为及腐蚀磨损行为。

目前，该试验机正处于研制阶段。

4 展 望目前，兰州化学物理研究所已经开展了模拟深海环境的摩擦试验机的研制工作，并取得了一定的成果，积累了丰富的经验。但试验机的研制还面临诸多技术难题 ，主要包括：(1)试验力及摩擦力在高压釜体及外界环境之间的精确传递 ；(2)高压环境下电化学的精确测量。这也是未来试验机研制需要重点关注与解决的问题。

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