CN101246114A - 采用交流电阻探针的金属腐蚀速率测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种采用交流电阻探针的金属腐蚀速率测量仪及其测量方法，金属腐蚀速率测量仪具有电阻探针及采集器，电阻探针包括：腐蚀试片；补偿试片及探针杆；采集器包括：壳体、底台，二者密封配合；检测电路，设于壳体与底台形成的密闭空间内；探针接口，与检测电路相连；通讯接口，与上位机进行通讯连接。本发明方法包括以下步骤：将腐蚀试片及补偿试片同时置于温度相同的检测介质中；对腐蚀试片与补偿试片施加同一交流激励信号；获取腐蚀试片及补偿试片两端的激励响应信号，计算腐蚀试片的减薄量，根据上述减薄量求出金属的腐蚀速率。本发明测量误差小、灵敏度高，抗干扰能力强，适用范围广，能够实现远程在线测量。

Description

采用交流电阻探针的金属腐蚀速率测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量金属腐蚀速率的装置及方法，具体地说是一种采用交流电阻探针的金属腐蚀速率测量仪及其测量方法。

背景技术

近年来国内化工企业大量炼制高硫、高酸原油，使设备腐蚀加剧，所带来的问题也愈加严重，腐蚀正在不断的给企业带来经济损失并威胁着人的生命，腐蚀的发生对腐蚀实时检测提出更高的要求。石油化工腐蚀可分为低温腐蚀和高温腐蚀，低温腐蚀主要有工业冷却水的电化学腐蚀、原油介质的水和硫化氢、盐酸的电化学腐蚀等，高温腐蚀主要有硫化物高温化学腐蚀。低温部位腐蚀检测常用的方法是电化学线性极化和低温电阻探针测量技术，高温部位的腐蚀检测采用高温电阻探针技术。电化学测量采用线性极化测量方法，其测量结果反映的是介质对金属的瞬时腐蚀，只适用于有电解质的介质条件，因此应用受到限制，且测量结果受体系的影响会产生最大200％的误差。普通电阻探针测量方法是以金属损失为基础的方法，其测量结果反映的是介质对金属的均匀腐蚀，且能在所有的介质中应用，但其测量的灵敏度太低，因而在短时间内无法测出低腐蚀速率的数值，同时丝状腐蚀试件截面积小，强度低，寿命短，且局部腐蚀对丝状腐蚀试件来说会对测量结果产生较大的误差，温度补偿方法上的缺陷，也会对测量结果产生较大的误差，因而很难保证测量的准确性。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于提供一种灵敏度高、强度大、寿命长的采用交流电阻探针的金属腐蚀速率测量仪及其测量方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

本发明采用交流电阻探针的金属腐蚀速率测量仪具有电阻探针及采集器，电阻探针包括：腐蚀试片，为中空管状，用于测试金属的腐蚀速率；补偿试片，设于腐蚀试片中空管内，一端与腐蚀试片的一端部密闭连接，用于腐蚀试片的温度补偿；探针杆，为中空管状，一端头与腐蚀试片的另一端部固连，另一端头具有探针输出端口；所述采集器包括：壳体，具有一开口；底台，在壳体开口处与壳体密封配合；检测电路，设于壳体与底台形成的密闭空间内；探针接口，设于底台上，与检测电路相连；通讯接口，设于底台上，与上位机进行通讯连接。

所述腐蚀试片及探针杆内部具有填充物；所述填充物为胶质状或砂粒状耐腐蚀性物质；所述腐蚀试片及补偿试片的导线穿过探针杆与探针输出端口相连；所述检测电路包括：腐蚀试片电阻及补偿试片电阻，二者串联后与交流恒流源相连，在腐蚀试片电阻及补偿试片电阻上产生的电压信号采用差分输入的方式分别送至第1放大器及第2放大器的输入端，第1放大器及第2放大器的输出信号经再次放大、调制及A/D转换后与中央处理器的信号输入端相连，中央处理器根据输入信号的大小控制交流恒流源的输出，通过通讯单元与上位计算机进行通讯连接；所述腐蚀试片外部设有保护帽；所述保护帽上设有多个孔；所述腐蚀试片及补偿试片为同种金属材质。

本发明采用交流电阻探针的金属腐蚀速率测量方法包括以下步骤：

将腐蚀试片及补偿试片同时置于温度相同的检测介质中；在腐蚀试片及补偿试片组成的串联回路中施加同一交流激励信号；通过腐蚀试片电阻及补偿试片电阻获取腐蚀试片及补偿试片两端的响应电压，以差分输入的方式送至检测电路；

通过公式 $H_F=\frac{U_F\×L_B\×S_B}{U_B\×L_F\×W_F}$ 计算腐蚀试片的减薄量，其中L_F、L_B为腐蚀试片3和补偿试片2的长度，S_B、S_F为腐蚀试片和补偿试片的截面积，H_F为腐蚀试片的管壁厚度，W_F为腐蚀试片展开后截面的宽度；根据上述减薄量求出金属的腐蚀速率。

还具有以下步骤：根据上述响应电压信号的大小调整交流恒流源的输出幅度。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.测量误差小。由于本发明装置的电阻探针采用管状结构的腐蚀试片，相对于现有技术中使用丝状探针受到的腐蚀来说，管状结构的腐蚀试片在其测量的腐蚀环境中受到的腐蚀可视为均匀减薄，局部腐蚀对腐蚀试片的电阻影响小，由于探针的结构改进，管状电阻探针温度补偿试片与腐蚀试片温度基本相同，同时检测电路将腐蚀试片和补偿试片采用差分输入的方式接入输入端，进行温度补偿，因此有效减小了测量误差；

2.灵敏度高，抗干扰能力强，工作效率高。本发明以交流恒流源做为激励信号，可以通过频段滤波提取有效信号以抑制噪声信号，与现有技术中采用直流恒流源相比，增强了抗干扰能力，提高了灵敏度，由此缩短了测量时间，提高了工作效率，避免了人工操作所带来的人为因素的影响；

3.适用范围广。和现有技术中的电化学测量方法相比，本发明不止限于在电解质腐蚀介质中应用，还可在非电解质腐蚀介质中应用。

4.实现远程在线测量。本发明装置与上位计算机进行通讯连接，实现测量结果的远程通讯，由上位计算机处理并显示测量结果和腐蚀曲线，可以实时在线监测金属的腐蚀状况。

附图说明

图1为本发明电阻探针结构示意图；

图2A为本发明采集器外部结构示意图；

图2B为图2A的仰视图；

图3为本发明电阻探针测量原理图；

图4为应用本发明的测量数据曲线图。

具体实施方式

如图1、图2A、2B所示，本发明装置包括电阻探针及采集器两部分，其中电阻探针由腐蚀试片3、补偿试片2及探针杆4组成，本实施例中腐蚀试片3为厚度0.5mm、直径8mm、有效长度100mm的中空管状结构，本实施例采用与监测设备相同的材质，如碳钢等，用于测试金属的腐蚀速率；补偿试片2与腐蚀试片3为同种金属材质，展开平面为片状(7mm×65mm)，弯成弧形面后可置入腐蚀试片3中空管内，一端通过封堵与腐蚀试片的前端密闭连接(本实施例采用焊接)，用于腐蚀试片的温度补偿；探针杆4为中空管状，管内用于容纳连接腐蚀试片3及补偿试片2的导线5，探针杆4的一端头与腐蚀试片3的后端固连(本实施例采用氩弧焊与腐蚀试片3焊接)，另一端头具有探针输出端口6，导线5穿过探针杆4与探针插座焊接。所述腐蚀试片及探针杆4中空管内具有胶质状或砂粒状耐腐蚀性填充物11，以防止探针泄露，保护内部引线。

本发明装置在电阻探针前端部加设一保护帽1，在运输过程中可以保护电阻探针前端不会被刮坏；保护帽上还可设有多个孔12，即在运输时起到保护作用，又可在测试过程中，减缓腐蚀介质对电阻探针的冲击。

所述采集器包括：具有一开口的壳体7，在壳体7开口处与壳体7进行密封连接的底台8，设于壳体7与底台8形成的密闭空间内的检测电路，设于底台8上的探针接口9，其与采集器内部的检测电路相连，形状与探针输出端口6匹配(或者通过适配器连接)，设于底台8上的通讯接口10，其与上位计算机进行通讯连接。

如图3所示，所述检测电路包括腐蚀试片电阻R_F及补偿试片电阻R_B，二者串联后与交流恒流源A7相连，在腐蚀试片电阻R_F及补偿试片电阻R_B上产生的响应电压U_F、U_B采用差分输入的方式分别送至第1放大器A1及第2放大器A2的输入端，第1放大器A1及第2放大器A2的输出信号分别经第3放大器A3及第4放大器A4再次放大、第1调制器A5及第2调制器A6调制成直流信号后，再经A/D转换器转换成数字信号后与中央处理器的信号输入端相连，中央处理器根据该输入信号的大小控制交流恒流源A7的输出幅度，以控制各级放大器输出不能饱和、A/D输入不能超过输入范围。通过通讯单元与上位计算机进行通讯连接。

本发明装置的工作过程如下：

电阻探针腐蚀监测技术是以测量金属腐蚀损失为基础，通过测量金属的腐蚀损耗减薄而得出金属腐蚀速率的变化。腐蚀试片电阻R_F随着金属腐蚀损失而增大，其随时间变化的函数曲线即可得到金属损失量随时间的函数曲线，也就是腐蚀速率；另一方面，腐蚀试片电阻R_F随温度的变化会增大或减小，为了消除由于温度变化带来的测量误差，通过温度补偿电路即以差分输入方式测量与腐蚀试片3在同一温度条件的补偿试片2来消除温度对测量结果的影响，减小信号干扰。检测电路中第1、2放大器A1、A2采用高输入阻抗、高精度仪表放大器，其输入端接收腐蚀试片电阻R_F、补偿试片电阻R_B两端的响应电压U_F、U_B，第1、2放大器A1、A2的输出信号分别经过第3、4放大器A3、A4(本实施例采用高精度运算放大器的进一步放大后，由第1、2调制器A5、A6进行信号调制，将交流信号调制成直流信号输入A/D转换器进行模数转换，中央处理器根据A/D转换器输出的数字信号大小控制交流恒流源A7的输出幅度，形成闭环控制，以保证接收到的信号不会产生线性失真，减小测量误差，同时中央处理器通过通讯单元与上位计算机进行通讯连接，由上位计算机对检测数据进行计算处理，并显示测量结果和和腐蚀曲线，通过显示实现检测系统的在线测量。

本发明方法具体步骤如下：

将腐蚀试片3及补偿试片2同时置于温度相同的检测介质中；

在腐蚀试片3及补偿试片2组成的串联回路中施加同一交流激励信号；

通过腐蚀试片电阻R_F及补偿试片电阻R_B获取两电阻两端的响应电压U_F、U_B，以差分输入的方式送至检测电路；

通过腐蚀试片厚度公式

$H_F=\frac{U_F\×L_B\×S_B}{U_B\×L_F\×W_F}---\left(3\right)$

计算腐蚀试片的减薄量，其中U_F、U_B，分别为腐蚀试片电阻R_F和补偿试片电阻R_B两端的电压，L_F、L_B为腐蚀试片3和补偿试片2的长度，S_B、S_F为腐蚀试片3和补偿试片2的截面积，H_F为腐蚀试片管壁厚度，W_F为腐蚀试片展开后截面的宽度。

根据上述减薄量求出金属的腐蚀速率。

上述计算公式(3)的推导过程如下：

腐蚀试片电阻R_F随着腐蚀试片3在腐蚀介质中的腐蚀增大而增加，同时腐蚀试片电阻R_F及补偿试片电阻R_B随温度的变化而增加或减小。通过对腐蚀试片电阻R_F及补偿试片电阻R_B施加交流恒定电流激励信号，测量腐蚀试片电阻R_F及补偿试片电阻R_B两端的激励响应电压U_F、U_B，计算R_F、R_B的变化：

U_F＝R_F×I_H

U_B＝R_B×I_H

其中：I_H为交流恒定电流

$\frac{U_F}{U_B}=\frac{R_F\×I_H}{R_B\×I_H}$

又有：R_F＝ρ×L_F÷S_F

R_B＝ρ×L_B÷S_B

其中：ρ为金属电阻率，随温度而改变

L_F、L_B为腐蚀试片和补偿试片的长度，为常数

S_F、S_B为腐蚀试片3和补偿试片2的截面积，S_F随着金属的腐蚀厚度减薄而减小，S_B为常数(补偿试片2不参与腐蚀)

$\frac{U_F}{U_B}=\frac{R_F}{R_B}=\frac{\mathrm{\ρ}\×L_F\÷S_F}{\mathrm{\ρ}\×L_B\÷S_B}---\left(1\right)$

由于：S_F＝H_F×W_F    (2)

其中：H_F是腐蚀试片3管壁厚度，W_F是腐蚀试片3展开截面宽度。

由式(1)、(2)可得：

$H_F=\frac{U_F\×L_B\×S_B}{U_B\×L_F\×W_F}---\left(3\right)$

由式(3)可见，通过测量试片的激励响应电压就可求出试片的减薄量，从而得出金属的腐蚀速率。

如图4所示，本实施例以某石化厂蒸馏装置--常顶空冷器(型号EC-3001A-H)为例，利用本发明装置在2006年历经13天测得的常顶空冷器出口(90℃/0.3Mpa)腐蚀实验数据曲线为A，常顶空冷器进口(170℃/0.3Mpa)腐蚀实验数据曲线为B。根据测试结果可见，本发明装置的分辨率可达到1nm，当腐蚀率为0.021mm/年时，30分钟系统就能做出清晰响应，普通电阻探针分辨率为0.1μm(微米)，同样的腐蚀率情况下大约需要3天才能做出响应，可见本发明装置具有更高的灵敏度及更快的响应速度。曲线A与曲线B的曲线斜率不同，是由于在该蒸馏装置内加入了缓蚀剂，按生产工艺要求，常顶空冷器出口管线腐蚀控制小于0.125mm/年。从测试曲线可见，期间常顶空冷器进口腐蚀损耗9692nm，腐蚀率为0.295mm/年，常顶空冷器出口腐蚀损耗690nm，腐蚀率为0.021mm/年，表明腐蚀控制稳定，达到生产工艺要求。

由于电阻探针设计的结构改进和采用全新结构的检测电路，使测量受温度影响比普通的电阻探针要小的多，并且可在电解质或非电解质介质条件下应用，具有广泛的实用性，主要用于石油化工、油田开发、油气传输、电力等生产设备的腐蚀在线测量，还可用于实验室缓蚀剂的评定筛选等。

Claims (10)

1. 一种采用交流电阻探针的金属腐蚀速率测量仪，具有电阻探针及采集器，其特征在于所述电阻探针包括：

腐蚀试片(3)，为中空管状，用于测试金属的腐蚀速率；

补偿试片(2)，设于腐蚀试片(3)中空管内，一端与腐蚀试片的一端部密闭连接，用于腐蚀试片的温度补偿；

探针杆(4)，为中空管状，一端头与腐蚀试片(3)的另一端部固连，另一端头具有探针输出端口(6)；

所述采集器包括：

壳体(7)，具有一开口；

底台(8)，在壳体(7)开口处与壳体(7)密封配合；

检测电路，设于壳体(7)与底台(8)形成的密闭空间内；

探针接口(9)，设于底台(8)上，与检测电路相连；

通讯接口(10)，设于底台(8)上，与上位机进行通讯连接。

2. 按权利要求1所述的采用交流电阻探针的金属腐蚀速率测量仪，其特征在于：所述腐蚀试片(3)及补偿试片(2)的导线(5)穿过探针杆(4)与探针输出端口(6)相连。

3. 按权利要求1所述的采用交流电阻探针的金属腐蚀速率测量仪，其特征在于：所述腐蚀试片及探针杆(4)内具有耐腐蚀性填充物(11)。

4. 按权利要求1所述的采用交流电阻探针的金属腐蚀速率测量仪，其特征在于：所述检测电路包括：腐蚀试片电阻(R_F)及补偿试片电阻(R_B)，二者串联后与交流恒流源(A7)相连，在腐蚀试片电阻(R_F)及补偿试片电阻(R_B)上产生的电压激励响应信号采用差分输入的方式分别送至第1放大器(A1)及第2放大器(A2)的输入端，第1放大器(A1)及第2放大器(A2)的输出信号经再次放大、调制及A/D转换后与中央处理器的信号输入端相连，中央处理器通过通讯单元与上位计算机进行通讯连接。

5. 按权利要求4所述的采用交流电阻探针的金属腐蚀速率测量仪，其特征在于：中央处理器根据输入信号的大小控制交流恒流源(A7)的输出。

6. 按权利要求1所述的采用交流电阻探针的金属腐蚀速率测量仪，其特征在于：所述腐蚀试片外部设有保护帽(1)，。

7. 一种采用交流电阻探针的金属腐蚀速率测量方法，其特征在于包括以下步骤：

将腐蚀试片(3)及补偿试片(2)同时置于温度相同的检测介质中；

对腐蚀试片(3)及补偿试片(2)施加同一交流激励信号；

获取腐蚀试片(3)及补偿试片(2)两端的激励响应信号，计算腐蚀试片(3)的减薄量；

根据上述减薄量求出金属的腐蚀速率。

8. 按权利要求7所述的采用交流电阻探针的金属腐蚀速率测量方法，其特征在于：所述腐蚀试片(3)与补偿试片(2)串联连接，激励响应信号为电压信号(U_F、U_B)。

9. 按权利要求7所述的采用交流电阻探针的金属腐蚀速率测量方法，其特征在于还具有以下步骤：

通过公式 $H_F=\frac{U_F\×L_B\×S_B}{U_B\×L_F\×W_F}$

计算腐蚀试片(3)的减薄量，其中L_F、L_B为腐蚀试片3和补偿试片2的长度，S_B为补偿试片的截面积，H_F为腐蚀试片的管壁厚度，W_F为腐蚀试片展开后截面的宽度。

10. 按权利要求7所述的采用交流电阻探针的金属腐蚀速率测量方法，其特征在于：根据上述激励响应信号的大小调整交流恒流源的输出幅度。

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