CN101377461A - 一种应力状态下的测量焊管腐蚀的装置和测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种应力状态下的测量焊管腐蚀的装置和测量方法，属借助测定材料的化学或物理性质来测试分析材料的领域。其在电解池内中间部分设置隔板，将电解池分隔为电解池和电极安装室，隔板上开设有边缘嵌入密封橡皮圈的贯通圆孔，在电极安装室一侧设置支架，支架上装设两端设有螺母的应力环，工作电极两端通过螺纹与应力环联结，在载荷状态下固定在应力环内，电极安装室的侧面设置压紧螺栓，将加有载荷的工作电极紧压在开设于隔板上的嵌入了密封橡皮圈的圆孔上。本发明还提供了在应力状态下测量焊管腐蚀倾向的方法。可广泛适用于对各种不同热处理条件下导致应力载荷不同且形状复杂的工作电极进行侵蚀、腐蚀或防腐测量中的电化学测量领域。

Description

一种应力状态下的测量焊管腐蚀的装置和测量方法
技术领域
本发明涉及借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料的领域，具体涉及一种测试用于大气侵蚀、腐蚀或防腐测量中的电化学测量系统领域。
背景技术
目前，测量直缝焊管焊缝处耐腐蚀性能使用的是电化学法。所述电化学法一般采用三电极体系的电解池，将焊缝和母材加工成工作电极，采用恒电位法阳极过电位50mV腐蚀144小时，测定出焊缝的沟槽腐蚀敏感性系数，以此来表示焊缝的耐蚀性能。
另一方面，现在很多焊管产品，如J55型焊管、K55型焊管等，不经过整管热处理，焊缝处存在着较大的残余应力。其周向残余拉应力达到300MPa左右，接近焊管的屈服强度，当焊缝加工成工作电极后，其残余应力降低为100MPa以下。周向拉应力能够降低焊缝的腐蚀电位，加速腐蚀，增大沟槽腐蚀敏感性系数。而进行调质处理之后的焊管产品，如N80—Q型焊管，P110型焊管等，其焊缝残余应力周向残余拉应力较小，为10～100MPa，加工成工作电极后其周向拉应力变化不大。这样，用以上常规的测量方法，通常无法表征焊管产品在实际应用时真实的耐蚀性能，也无法真实区分进行了调质处理和未进行调质处理的焊管产品焊缝耐蚀性能。
另外，上述三电极体系的电解池由于工作电极的腐蚀，电解质溶液中产生很多腐蚀产物，无法即时清除，对工作电极的腐蚀行为有一定影响。而且，作为影响沟槽腐蚀的重要影响因素的氧浓度，也随着腐蚀的进行发生变化，不能保持恒定，影响焊缝腐蚀性能测定的准确性。
GB/T15970(中国国家标准金属和合金的腐蚀应力腐蚀试验)中没有对ERW(Electric Resistance Welding，电阻焊接)直缝焊管沟槽腐蚀性能方法以及装置、试样的制备做出规定，目前也未见到有关ERW焊管应力条件下焊缝腐蚀敏感性的相关报道及专利。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应力状态下的测量焊管腐蚀的装置，其可以在恒定条件电解质溶液下，对实际使用条件下的焊管产品沟槽腐蚀敏感性进较长时间的连续测量，解决了工作电极形状复杂导致的非腐蚀面密封问题，能够真实测定不同热处理条件下导致应力的不同对焊管沟槽腐蚀性能影响。
本发明的技术方案是：提供一种应力状态下测量焊管腐蚀的装置，包括设置有工作电极、参比电极、辅助电极和盐桥的电解池组件，其特征在于：所述的电解池组件内的中间部分设置一隔板1，将整个电解池组件分隔为电解池2和电极安装室3两个部分；所述的隔板上开设有边缘嵌入密封橡皮圈的贯通圆孔4；在所述的电极安装室一侧设置一支架13，支架上设置一应力环11，在应力环两端，设置应力环螺母12；所述工作电极14的两端设置螺纹，其螺纹旋入相应的应力环螺母后，使工作电极在载荷状态下固定在应力环内；在所述电极安装室的侧面设置压紧螺拴5，将加有载荷的工作电极紧压在开设于隔板上的嵌入了密封橡皮圈的圆孔上，压紧螺拴正对圆孔设置。
进一步地，其所述的电解池形状为矩形；所述的电解池上方设置有可拆卸的电解池上盖板15；所述的电解池上盖板设置有辅助电极插入孔7、参比电极插入孔8和电解质溶液流入孔9。
在所述电解池内用隔板分离的电解池部分的正面上方，设置防电解液溢出孔10，其正面下方设置电解液流出控制阀6。
其所述的辅助电极通过电解池上盖板的辅助电极插入孔插入，并固定在工作电极的对面，其高度与工作电极的高度相同，辅助电极的形状为圆形。
其所述的盐桥通过参比电极插入孔插入，盐桥一端与参比电极连接，另一端与工作电极相连接，盐桥为直角式毛细管结构。
本发明还提供了一种应力状态下的测量焊管腐蚀的方法，其可以在恒定条件电解质溶液下，对实际使用条件下的焊管产品沟槽腐蚀敏感性进较长时间的连续测量，解决了工作电极形状复杂导致的非腐蚀面密封问题，能够真实测定不同热处理条件下导致应力的不同对焊管沟槽腐蚀性能影响。
其技术方案是：提供一种应力状态下的测量焊管腐蚀的方法，其特征在于所述的方法至少包括下列步骤：
步骤一：在电解池组件中间部分，设置一隔板1，将电解池组件分隔为电解池2和电极安装室3两个部分；
步骤二：所述的隔板上开设边缘嵌入密封橡皮圈的贯通圆孔4；
步骤三：在电极安装室一侧设置一支架13，支架上设置一应力环11，在应力环两端，设置应力环螺母12；
步骤四：所述的工作电极的两端设置螺纹，其螺纹旋入相应的应力环螺母后，使其在受应力载荷状态下固定在应力环内；
步骤五：通过电极安装室右侧面上的压紧螺拴5，将加有载荷的工作电极14紧压在开设于隔板上的边缘嵌入密封橡皮圈的贯通圆孔上，压紧螺拴正对圆孔设置；
步骤六：将含有ERW缝的工作电极按上述操作设置后，在电解池中灌充电解液，使工作电极与电解液接触，且保持电解池中电解液的不断补充和更新，然后对其进行电化学加速腐蚀；
步骤七：采用X射线衍射法测定焊管焊缝处的周向拉应力和工作电极周向拉应力；
步骤八：采用恒电位法/恒电流法，测试不同载荷下工作电极的沟槽腐蚀倾向；
步骤九：在不同载荷下，测试工作电极的沟槽腐蚀深度d1和均匀腐蚀深度d2，将d1和d2两者相比，进而得到工作电极在实际应用中的沟槽腐蚀敏感性系数α。
其所述的X射线衍射法，其加载两者应力差值为0～400MPa，电解质溶液温度范围为20℃～40℃。
其所述的恒电位法，其极化电位范围为—200～—700mV，极化时间24～200小时；所述的恒电流法，极化电流密度为0.001～0.1mA/cm2，极化时间为24～200小时。
其所述的电解液为浓度为3.5％的氯化钠溶液。
本发明具有如下的有益效果：
1.工作电极采用应力环加载一定载荷，能够测定不同载荷下工作电极的腐蚀行为以及测定焊管实际应用中的沟槽腐蚀敏感性；
2.电极安装室侧面加工设置压紧螺拴，压紧螺拴将加有载荷的工作电极紧压在露有小孔的电解池侧面，解决了工作电极形状复杂导致的非腐蚀面密封问题；
3.电解池的电解质溶液不断更新补充，消除了氧浓度和腐蚀产物对耐蚀性能测定的影响，同时可以防止溶液溢出和流干；
4.电解池的上盖可以拆卸，这样可以在不拆下工作电极的情况下对其进行清洗；
5.采用恒电流法进行测定，保持稳定的腐蚀速率，减小了腐蚀产物对焊缝耐蚀性能测定的影响；能够真实测定不同热处理条件下导致应力的不同对焊管沟槽腐蚀性能影响。
附图说明
图1是沟槽腐蚀敏感性系数α值的测定示意图；
图2是电解池的立体结构示意图；
图3是工作电极的形状、结构示意图；
图4是应力环的结构示意图；
图5是应力环与电解池组装结构示意图。
图中 1-隔板，2-电解池，3-电极安装室，4-边缘嵌入密封橡皮圈的贯通圆孔，5-压紧螺栓，6-电解液流出控制阀门，7-辅助电极插入孔，8-参比电极插入孔，9-电解质溶液流入孔，10-防电解液溢出孔，11-应力环，12-应力环螺母，13-支架，14-工作电极，15-电解池上盖板。
具体实施方式
下面，结合附图，对本发明的应力状态下测量焊管腐蚀的装置及方法作进一步详述。
图1中，沟槽腐蚀倾向采用沟槽腐蚀敏感性系数α来表示。将含有ERW(ElectricResistance Welding电阻焊接)缝的试样浸泡在3.5％NaCl水溶液中，然后对其进行电化学加速腐蚀，然后测试样品的均匀腐蚀深度d2和沟槽腐蚀深度d1，并以沟槽腐蚀系数α表示试验的结果，其α＝d1/d2。
图2中，电解池组件采用透明有机玻璃板粘接而成，优选为长方形。
电解池组件中间设置有隔板1，将电解池组件分为电解池2和电极安装室3两部分，隔板1上开有边缘嵌入密封橡皮圈的贯通圆孔4。
电解池上盖板15可以拆卸，开有三个孔，辅助电极插入孔7和参比电极插入孔8供辅助电极和盐桥(图中未示出)插入，盐桥再与参比电极(如甘汞电极等各种参比电极)连接，电解质溶液流入孔9采用橡皮管与容量约20L或以上的电解质溶液容器(图中未示出)相连接，两者保持一定高度差以确保溶液不断流入。
电极安装室为上下通孔式设计，电极安装室侧面安装一个压紧螺拴5，位置正对隔板上的圆孔4，电解池3正面上方开有连有橡皮管(图中未示出)的防电解液溢出孔10，这样可以防止因电解池溶液溢出造成测量不准或损坏仪器，在其下方安装一个电解液流出控制阀6，其高度高于工作电极的位置，以防止电解池溶液流干而影响测量。
辅助电极通过电解池上盖板的小孔固定在工作电极的对面，其高度与工作电极的高度相同，辅助电极形状为圆形铂片，盐桥通过参比电极孔安装在电解池的顶盖上一端与工作电极相连接，另一端和参比电极连接，盐桥为直角式毛细管结构。
试验前实验室空调设定在所要求的温度下运行12小时，配好的电解质溶液在要求的温度下恒温24h方可进行试验，以确保试验条件的稳定。
图3中，工作电极的两端加工有螺纹，以便装载在应力环上的应力环螺母以施加载荷。工作电极施加载荷后通过压紧螺栓固定压紧在电极安装室的一个侧面。
当工作电极的尺寸较大时，可采用贯穿电极安装室的方式设置，这也是电极安装室采用上下通孔式设计结构的原因。
图4中，应力环装置包括应力环11、应力环螺母12和支架13。
工作电极的两端设置螺纹，其螺纹旋入相应的应力环螺母后，使其在受应力载荷状态下固定在应力环内。
应力环装置通常根据工作电极的尺寸决定其直径，故其直径可以比电极安装室的尺寸大，也可比其小，根据需要决定。
图5中，工作电极14穿过电极安装室3设置，通过螺纹与应力环两端的应力环螺母12连接，拧动螺丝可对工作电极施加应力。
具体测试方法如下：
将施加载荷后的工作电极通过电极安装室侧壁的压紧螺拴压紧在隔板的嵌入密封橡皮圈的圆孔上，在工作电极的一侧接引导线，使用恒电位仪进行测量。
1.采用X射线衍射法分别测定焊管焊缝处周向拉应力和工作电极周向拉应力，加载两者应力差值：0～400MPa，电解质溶液温度20℃～40℃，采用恒电位法测定，加以—200～—700mV电位极化24～200小时，测定其沟槽腐蚀敏感性系数。
2.采用X射线衍射法分别测定焊管焊缝处周向拉应力和工作电极周向拉应力，加载两者应力差值：0～400MPa，电解质溶液温度20℃～40℃，采用恒电流法测定，加以0.001～0.1mA/cm2的电流密度极化24～200小时，测定其沟槽腐蚀敏感性系数。
测试方法实施方式和实施例效果见表一。
 
钢种 焊缝应力(MPa) 电极应力(MPa) 加载应力(MPa) 溶液温度(℃) 测定方法 电位/电流密度 测定时间(h) 沟槽腐蚀敏感性系数α
实施例一 未调质K55 280 50 230 20 恒电位 -550mV 120 1.32
实施例二 未调质K55 280 50 230 30 恒电位 -400mV 48 1.39
实施例三 调质P110 100 40 60 25 恒电位 -450mV 96 1.31
实施例四 未调质J55 250 60 190 20 恒电流 0.01mA/cm2 48 1.32
实施例五 调质N80-Q 90 40 50 25 恒电流 0.005mA/cm2 120 1.27
在本技术方案中，工作电极采用应力环加载一定载荷，能够测定不同载荷下工作电极的腐蚀行为以及测定焊管实际应用中的沟槽腐蚀敏感性；电解槽侧面设置有一个用于对工作电极施加侧向压力的压紧螺拴，螺拴将加有载荷的工作电极紧压在露有小孔的电解槽侧面，解决了工作电极形状复杂导致的非腐蚀面密封问题；电解槽的电解质溶液不断更新补充，消除了氧浓度和腐蚀产物对耐蚀性能测定的影响，同时可以防止溶液溢出和流干。电解池的上盖可以拆卸，这样可以在不拆下工作电极的情况下对其进行清洗；采用恒电流法进行测定，保持稳定的腐蚀速率，减小了腐蚀产物对焊缝耐蚀性能测定的影响；能够真实测定不同热处理条件下导致应力的不同对焊管沟槽腐蚀性能影响。
本发明可广泛适用于对各种不同热处理条件下导致应力载荷不同且形状复杂的工作电极进行侵蚀、腐蚀或防腐测量中的电化学测量领域。

Claims (9)

1.一种应力状态下测量焊管腐蚀的装置，包括设置有工作电极、参比电极、辅助电极和盐桥的电解池组件，其特征在于：
所述的电解池组件内的中间部分设置一隔板(1)，将整个电解池组件分隔为电解池(2)和电极安装室(3)两个部分；
所述的隔板上开设有边缘嵌入密封橡皮圈的贯通圆孔(4)；
在所述的电极安装室一侧设置一支架(13)，支架上设置一应力环(11)，在应力环两端，设置应力环螺母(12)；
所述工作电极(14)的两端设置螺纹，其螺纹旋入相应的应力环螺母后，使工作电极在载荷状态下固定在应力环内；
在所述电极安装室的侧面设置压紧螺拴(5)，将加有载荷的工作电极紧压在开设于隔板上的嵌入了密封橡皮圈的圆孔上，压紧螺拴正对圆孔设置。
2.如权利要求1所述的一种应力状态下测量焊管腐蚀的装置，其特征在于所述的电解池形状为矩形；所述的电解池上方设置有可拆卸的电解池上盖板(15)；所述的电解池上盖板设置有辅助电极插入孔(7)、参比电极插入孔(8)和电解质溶液流入孔(9)。
3.如权利要求1所述的一种应力状态下测量焊管腐蚀的装置，其特征在于在所述电解池内用隔板分离的电解池部分的正面上方，设置防电解液溢出孔(10)，其正面下方设置电解液流出控制阀(6)。
4.如权利要求1所述的一种应力状态下测量焊管腐蚀的装置，其特征在于所述的辅助电极通过电解池上盖板的辅助电极插入孔插入，并固定在工作电极的对面，其高度与工作电极的高度相同，辅助电极的形状为圆形。
5.如权利要求1所述的一种应力状态下测量焊管腐蚀的装置，其特征在于所述的盐桥通过参比电极插入孔插入，盐桥一端与参比电极连接，另一端与工作电极相连接，盐桥为直角式毛细管结构。
6.一种应力状态下测量焊管腐蚀的方法，其特征在于:
所述的方法至少包括下列步骤：
步骤一：在电解池组件中间部分，设置一隔板(1)，将电解池组件分隔为电解池(2)和电极安装室(3)两个部分；
步骤二：所述的隔板上开设边缘嵌入密封橡皮圈的贯通圆孔(4)；
步骤三：在电极安装室一侧设置一支架(13)，支架上设置一应力环(11)，在应力环两端，设置应力环螺母(12)；
步骤四：所述的工作电极的两端设置螺纹，其螺纹旋入相应的应力环螺母后，使其在受应力载荷状态下设置固定在应力环内；
步骤五：通过电极安装室右侧面上的压紧螺拴(5)，将加有载荷的工作电极(14)紧压在开设于隔板上的边缘嵌入密封橡皮圈的贯通圆孔上，压紧螺拴正对圆孔设置；
步骤六：将含有ERW缝的工作电极按上述操作设置后，在电解池中灌充电解液，使工作电极与电解液接触，且保持电解池中电解液的不断补充和更新，然后对其进行电化学加速腐蚀；
步骤七：采用X射线衍射法测定焊管焊缝处的周向拉应力和工作电极周向拉应力；
步骤八：采用恒电位法/恒电流法，测试不同载荷下工作电极的沟槽腐蚀倾向；
步骤九：在不同载荷下，测试工作电极的沟槽腐蚀深度d1和均匀腐蚀深度d2，将d1和d2两者相比，进而得到工作电极在实际应用中的沟槽腐蚀敏感性系数α。
7.如权利要求6所述的一种应力状态下测量焊管腐蚀的方法，其特征在于所述的X射线衍射法，其加载两者应力差值为0～400MPa，电解质溶液温度范围为20℃～40℃。
8.如权利要求6所述的一种应力状态下测量焊管腐蚀的方法，其特征在于所述的恒电位法，其极化电位范围为—200～—700mV，极化时间24～200小时；所述的恒电流法，极化电流密度为0.001～0.1mA/cm2，极化时间为24～200小时。
9.如权利要求6所述的一种应力状态下测量焊管腐蚀的方法，其特征在于所述的电解液为浓度为3.5％的氯化钠溶液。
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