CN103364472A

CN103364472A - 一种基于电化学阻抗谱的防腐层剥离测试装置

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Publication number: CN103364472A
Application number: CN2013102921849A
Authority: CN
Inventors: 杨宇光; 王翠; 王力伟; 唐兴华; 郭真真
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2013-07-12
Filing date: 2013-07-12
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明属于管道防腐技术测试装置领域，公开了一种基于电化学阻抗谱法的防腐层剥离测试装置，包括：电解池组、恒电位仪、数据采集分析系统、电化学工作站、电压测量仪。电解池组盛有模拟土壤溶液，用来模拟埋地钢质管道防腐层产生剥离的实际状况。数据采集分析系统与电化学工作站相连，实时测量电化学阻抗谱，并进行数据处理和分析，对防腐层性能进行定量评价，实时监测防腐层缺陷孔处的剥离状况。本发明所述装置能够有效模拟埋地钢质管道防腐层产生剥离的实际状况，并能对阴极剥离过程进行实时监测，试验结果具有很好的重复性与再现性，操作简便，适用于各种埋地钢质管道防腐层的阴极剥离试验与测试评价。

Description

一种基于电化学阻抗谱的防腐层剥离测试装置

技术领域

本发明属于管道防腐技术测试装置领域，涉及一种基于电化学阻抗谱法的防腐层剥离测试装置，能够对防腐层剥离过程进行实时监测，特别适用于各种埋地钢质管道防腐层的阴极剥离试验与测试评价。

背景技术

通常埋地钢质管道防腐层对腐蚀介质的隔离作用并不是完美的，由于防腐层本身的缺陷（计孔、漏点等）以及管道运输、装卸及施工过程中对防腐层造成机械损伤，管道埋地后周围土壤环境（如土壤应力、阴极析氢等因素）、第三方破坏等也会导致防腐层缺陷的形成与扩展，从而都会使防腐层失去粘结力而发生剥离失效。

传统的剥离测试装置由试件与塑料槽搭建而成，试件与塑料槽底部之间用硅胶或夹具密封，但硅胶流动性强，易向塑料槽内部试件的表面流动，影响测试面积。使用夹具密封时，由于试件防腐层表面并不均匀，导致渗漏，影响试验结果。此外，传统的剥离测试装置都是从宏观上观察测量缺陷孔的剥离距离，测量误差大，无法实时监测缺陷孔处防腐层的剥离状况，操作不便。

发明内容

本发明的目的是针对传统的剥离测试装置存在的缺点，提出了一种基于电化学阻抗谱的防腐层剥离测试装置。该装置通过电化学阻抗谱图对防腐层剥离状况进行实时监测。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：本发明装置主要由电解池组、数据采集分析系统、电化学工作站等组成。电解池组盛有模拟土壤溶液，用来模拟埋地钢质管道防腐层产生剥离的实际状况；数据采集分析系统与电化学工作站相连，实时测量电化学阻抗谱，并进行数据处理和分析，对防腐层性能进行定量评价，实时监测防腐层缺陷孔处的剥离状况。

一种基于电化学阻抗谱的防腐层剥离测试装置，其特征在于包括：电解池组7、恒电位仪14、数据采集分析系统15、电化学工作站17和电压测量仪29。其中，

电解池组7，用于同时进行多种情况下试验件13的阴极剥离试验，包括六个相同的电解池：电解池1、电解池2、电解池3、电解池4、电解池5和电解池6。每个电解池内盛有模拟土壤溶液8，每个电解池的下端面9与橡胶衬垫10的上端面11直接接触，橡胶衬垫10的下端面12与带防腐层的试验件13直接接触。

电解池组7的上端面设有上底板20，试验件13的下端面设有下底板21，上底板20与下底板21之间通过双头螺柱22连接并用六角螺母23压紧。这种机械加紧方式密封性好、可靠性强、拆卸方便。

电解池组7的每个小电解池的内径与橡胶衬垫10的内径相同，橡胶衬垫10的内径面积即为模拟土壤溶液8接触防腐层的试验面积，每次试验面积都固定不变，为橡胶衬垫10的内径面积，试验结果的重复性与再现性好。

电解池组7的每个小电解池上有三个孔，每个孔用橡皮塞27密封，辅助铂电极16穿过橡皮塞27，辅助铂电极16与橡皮塞之间用硅胶28密封固定，孔24内放置参比电极17，孔25内放置辅助铂电极16，孔26内放置温度计30，以实时监测温度的变化。

恒电位仪14，用于给试验件13提供阴极电压。恒电位仪14的输出正极与辅助铂电极16相连，辅助铂电极16另一端置于模拟土壤溶液8中；恒电位仪14的负极与试验件13相连，各部分通过导线19连接，形成导电回路。

数据采集分析系统15，与电化学工作站17相连，采用Zplot软件读取试验数据，采用ZsimpWin数据处理软件对试验数据进行处理和分析，从而对防腐层性能进行定量评价。

电化学工作站17，是一个三电极体系装置，用来测量试验件13的电化学阻抗谱。电化学工作站17的工作电极31与试验件13相连、参比电极32与参比甘汞电极18相连、辅助电极33与辅助铂电极16相连。

电压测量仪29，用于测量参比甘汞电极18与试验件13之间的电压。电压测量仪29的正极与参比甘汞电极18相连，负极与试验件13相连。电压测量仪29测得的电压值可能偏离设定的阴极剥离电压，需调节恒电位仪14，使测得的电压值为设定的阴极剥离电压。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

（1）能够有效模拟埋地钢质管道防腐层产生剥离的实际状况；

（2）利用与电化学工作站相连的数据采集分析系统实时测量电化学阻抗谱，并用ZsimpWin数据处理软件进行处理和分析，从而对防腐层性能进行定量评价，能实时监测防腐层缺陷孔处的剥离状况；

（3）采用双头螺栓与六角螺母机械加紧装置，拆卸方便，操作简便，密封性好，试验面积固定，试验结果具有很好的重复性与再现性；

（4）电解池组由六个小电解池组成，能够同时模拟不同缺陷尺寸试验件的阴极剥离试验与性能测试，操作简便，使用方便。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为本发明装置的左视图；

图3为本发明装置的俯视图；

图4为单个电解池的具体结构示意图；

图5为橡胶衬垫的俯视图和主视图；

图6为辅助电极与橡皮塞之间的连接图；

图7为应用本发明进行防腐层剥离测试得到的电化学阻抗谱图及拟合分析图：（a）为未浸泡时，不同缺陷防腐层的电化学阻抗抗Bode图及拟合分析图；（b）为浸泡20天时，不同缺陷防腐层的电化学阻抗Bode图及拟合分析图；（c）为未浸泡和浸泡20天时，存在直径8mm缺陷孔防腐层的电化学阻抗Nyquist图及拟合分析图；（d）为未浸泡和浸泡20天时，存在直径12mm缺陷孔防腐层的电化学阻抗Nyquist图及拟合分析图。

图中符号含义：1电解池，2电解池，3电解池，4电解池，5电解池，6电解池，7电解池组，8模拟土壤溶液，9电解池的下端面，10橡胶衬垫，11橡胶衬垫的上端面，12橡胶衬垫的下端面，13试验件，14恒电位仪，15数据采集分析系统，16辅助铂电极，17电化学工作站，18参比甘汞电极，19导线，20电解池组的上底板，21电解池组的下底板，22双头螺柱，23六角螺母，24电解池上的孔，25电解池上的孔，26电解池上的孔，27橡皮塞，28硅胶，29电压测量仪，30温度计，31电化学工作站的工作电极，32电化学工作站的参比电极，33电化学工作站的辅助电极。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

一种基于电化学阻抗谱的防腐层剥离测试装置，其具体结构示意图、左视图和俯视图分别如图1、2、3所示，包括：电解池组7、恒电位仪14、数据采集分析系统15、电化学工作站17和电压测量仪29。

电解池组7包括六个相同的电解池，每个小电解池的具体结构如图4所示。每个电解池内盛有模拟土壤溶液8，每个电解池的下端面9与橡胶衬垫10的上端面11直接接触，橡胶衬垫10的下端面12与带防腐层的试验件13直接接触。橡胶衬垫10的俯视图和主视图如图5所示。

电解池组7的上端面设有上底板20，试验件13的下端面设有下底板21，上底板20与下底板21之间通过双头螺柱22连接并用六角螺母23压紧。

电解池组7的每个小电解池的内径与橡胶衬垫10的内径相同，橡胶衬垫10的内径面积即为模拟土壤溶液8接触防腐层的试验面积。

电解池组7的每个小电解池上有三个孔，每个孔用橡皮塞27密封，辅助铂电极16穿过橡皮塞27，辅助铂电极16与橡皮塞之间用硅胶28密封固定，孔24内放置参比电极17，孔25内放置辅助铂电极16，孔26内放置温度计30，以实时监测温度的变化。辅助电极与橡皮塞之间的连接图如图6所示。

恒电位仪14，其输出正极与辅助铂电极16相连，辅助铂电极16另一端置于模拟土壤溶液8中；恒电位仪14的负极与试验件13相连，各部分通过导线19连接，形成导电回路。

电化学工作站17为三电极体系装置，其工作电极31与试验件13相连、参比电极32与参比甘汞电极18相连、辅助电极33与辅助铂电极16相连。

电压测量仪29，其正极与参比甘汞电极18相连，负极与试验件13相连。电压测量仪29测得的电压值可能偏离设定的阴极剥离电压，需调节恒电位仪14，使测得的电压值为设定的阴极剥离电压。

下面给出应用本发明进行防腐层剥离测试的一个实例。

本发明所涉及的测试装置可以同时进行6种不同缺陷孔下的剥离试验与性能测试，在这里研究了5种不同缺陷孔情况下的剥离试验与性能测试，测试方法如下：

步骤一，用电火花检漏仪检查试验件13的防腐层是否完好，选择防腐层完好的试验件13。

步骤二，在试验件13上分别隔一定距离钻取直径为0mm、2.5mm、4mm、8mm、12mm的试验孔，试验孔须穿透防腐层，以使模拟土壤溶液8与试验孔接触，同时确保每个孔的位置在试验面积内，将导线19焊在试验件13上。

步骤三，如图6所示，先用钻孔工具在橡胶塞27上钻取一定大小的通孔，辅助铂电极16穿过带孔的橡胶塞27，并用硅胶28密封备用。

步骤四，用工业纯Na₂SO₄、NaCl、NaHCO₃、KCl等调配模拟土壤溶液8备用。

步骤五，将电解池组7的每个小电解池按图4组装起来，试验件13放于下底板21上，橡胶衬垫10放于试验件13上，每个电解池放于橡胶衬垫10上，上底板20放于每个电解池上，上压板20和下压板21之间用双头螺柱22连接并用六角螺母23通过机械方式压紧。将试验前配置好的模拟土壤溶液8盛入每个电解池中，模拟土壤溶液8接触防腐层的试验面积即为橡胶衬垫10内径面积。在孔24内放置参比甘汞电极18，孔25内放置辅助铂电极16，孔26内放置温度计30。

步骤六，按照图1和图4分别连接恒电位仪14、电位测量仪29，给试验件13提供一定的阴极剥离电压。电压设定完成后，取下参比电极17、温度计30和电位测量仪29，用橡胶塞27塞紧孔24和孔26。记下此时的温度。

步骤七，按照图1和图4连接数据采集分析系统15和电化学工作站17，数据采集分析系统15测量电化学阻抗谱，并用ZsimpWin数据处理软件进行处理和分析，对防腐层性能进行定量评价，监测防腐层缺陷孔处防腐层的剥离状况。

试验周期进行，每隔一段时间（通常为7天），进行一次数据采集和处理分析。测试完成后，断开电化学工作站17和数据采集分析系统15，橡胶塞27塞紧孔24和孔26，继续重复上一周期的试验。

图7是应用本发明进行防腐层剥离测试得到的不同缺陷防腐层的电化学阻抗谱图及拟合分析图。

图7(a)为未浸泡时，不同缺陷防腐层的电化学阻抗抗Bode图及拟合分析图。

由图7(a)可知，未浸泡时，存在0mm和2.5mm缺陷孔防腐层的电化学阻抗谱图和拟合分析图近似为斜率为-1的直线，且防腐层阻抗都大于10⁸（Ω·cm²）。这表明未浸泡时，存在0mm和2.5mm缺陷孔的防腐层相当于一个阻抗值很大的屏蔽层，较好地隔绝了腐蚀介质与钢本体的直接接触，使钢本体得到很好的保护，不可能发生剥离。

缺陷孔直径4mm的防腐层阻抗小于10⁷（Ω·cm²），缺陷孔直径8mm和12mm的防腐层的防腐层阻抗小于10⁶（Ω·cm²），而防腐层电阻是防腐层抗腐蚀性介质渗透能力的反映，可用来对防腐层的防护性能进行评价。因此，在这种情况下防腐层的保护性能差，耐腐蚀性能弱，容易发生剥离。

图7(b)为浸泡20天时，不同缺陷防腐层的电化学阻抗Bode图及拟合分析图。

由图7(b)可知，浸泡20天时，存在0mm和2.5mm缺陷孔防腐层的电化学阻抗谱图和拟合分析图还近似为斜率为-1的直线，且防腐层阻抗都大于10⁸（Ω·cm²）。这表明，浸泡20天后，存在0mm和2.5mm缺陷孔的防腐层相当于一个阻抗值很大的屏蔽层，没有发生剥离。

浸泡20天后，缺陷孔直径4mm的防腐层阻抗在明显减小，小于10⁶（Ω·cm²）。这表明，土壤溶液不断渗入防腐层，防腐层的保护性能和耐腐蚀性能在减弱。缺陷孔直径8mm和12mm的防腐层阻抗减小的幅度很小，小于10⁶（Ω·cm²）。

图7(c)为未浸泡和浸泡20天时，存在直径8mm缺陷孔防腐层的电化学阻抗Nyquist图及拟合分析图。

由图7(c)可以看出，浸泡0天到20天内，出现了两个时间常数，高频端和低频端都出现了一个容抗弧，它们的出现说明土壤溶液已经渗入到防腐层与基材的界面，并在界面区形成了腐蚀反应的微电池。说明，存在缺陷孔直径8mm的防腐层在浸泡20天后发生剥离；当浸泡间到20d，出现了Warburg阻抗的特征（“扩散尾”）。说明防腐层已失去保护作用，在宏观上已能观察到试样表面出现明显的起泡和锈蚀。

图7(d)为未浸泡和浸泡20天时，存在直径12mm缺陷孔防腐层的电化学阻抗Nyquist图及拟合分析图。

由图7(d)可以看出，浸泡0天到20天内，一直出现两个明显容抗弧，却在低频端没有出现“扩散尾”，且随着浸泡时间，防腐层电阻逐渐减小。这表明土壤溶液不断渗入到防腐层中，扩散过程不起控制作用，由电荷转移过程控制，溶液到达防腐层界面处，在界面处生成了钝化膜并加速了腐蚀产物的生成。说明，存在缺陷孔直径12mm的防腐层在浸泡20天后发生剥离，防腐层已失去保护作用，在宏观上已能观察到试样表面出现明显的起泡和锈蚀。

Claims

1.一种基于电化学阻抗谱的防腐层剥离测试装置，其特征在于包括：电解池组7、恒电位仪14、数据采集分析系统15、电化学工作站17、电压测量仪29；其中，

所述电解池组7，用于同时进行多种情况下试验件13的阴极剥离试验；由六个相同的电解池1～6组成，每个电解池内盛有模拟土壤溶液8，每个电解池的下端面9与橡胶衬垫10的上端面11直接接触，橡胶衬垫10的下端面12与带防腐层的试验件13直接接触；

所述恒电位仪14，用于给试验件13提供阴极电压；恒电位仪14的输出正极与辅助铂电极16相连，辅助铂电极16另一端置于模拟土壤溶液8中；恒电位仪14的负极与试验件13相连，各部分通过导线19连接，形成导电回路；

所述数据采集分析系统15，与电化学工作站17相连，采用Zplot软件读取试验数据，采用ZsimpWin数据处理软件对试验数据进行处理和分析，从而对防腐层性能进行定量评价；

所述电化学工作站17，是一个三电极体系装置，用来测量试验件13的电化学阻抗谱；电化学工作站17的工作电极31与试验件13相连、参比电极32与参比甘汞电极18相连、辅助电极33与辅助铂电极16相连；

所述电压测量仪29，用于测量参比甘汞电极18与试验件13之间的电压；电压测量仪29的正极与参比甘汞电极18相连，负极与试验件13相连；电压测量仪29测得的电压值可能偏离设定的阴极剥离电压，需调节恒电位仪14，使测得的电压值为设定的阴极剥离电压。

2.根据权利要求1所述的一种基于电化学阻抗谱的防腐层剥离测试装置，其特征在于，所述的电解池组7的上端面设有上底板20，试验件13的下端面设有下底板21，上底板20与下底板21之间通过双头螺柱22连接并用六角螺母23压紧；这种机械加紧方式密封性好、可靠性强、拆卸方便。

3.根据权利要求1所述的一种基于电化学阻抗谱的防腐层剥离测试装置，其特征在于，电解池组7的每个小电解池的内径与橡胶衬垫10的内径相同，橡胶衬垫10的内径面积即为模拟土壤溶液8接触防腐层的试验面积；每次试验面积固定不变，使试验结果具有很好的重复性与再现性。

4.根据权利要求1或3所述的一种基于电化学阻抗谱的防腐层剥离测试装置，其特征在于，电解池组7的每个小电解池上有三个孔，每个孔用橡皮塞27密封，辅助铂电极16穿过橡皮塞27，辅助铂电极16与橡皮塞之间用硅胶28密封固定，孔24内放置参比电极17，孔25内放置辅助铂电极16，孔26内放置温度计30，以实时监测温度的变化。

5.根据权利要求1所述的一种基于电化学阻抗谱的防腐层剥离测试装置，其特征在于，利用与电化学工作站相连的数据采集分析系统实时测量电化学阻抗谱，并采用ZsimpWin数据处理软件进行处理和分析，能实时监测防腐层缺陷孔处的剥离状况。