CN103411878A - 一种拉伸应力作用下埋地钢质管道杂散电流腐蚀试验方法 - Google Patents

Abstract

一种拉伸应力作用下埋地钢制管道杂散电流腐蚀试验方法，属于材料腐蚀与防护领域。方法使用的系统包括应力加载试验系统、土壤环境模拟系统、杂散电流模拟系统、阴极保护系统、电化学测试系统。应力加载试验系统产生试样试验所需压力，土壤环境模拟系统模拟埋地金属所处的土壤环境，配置不同酸碱度和电导率的土壤溶液，杂散电流模拟系统产生直流、交流、交直混流杂散电流，阴极保护系统为试样提供阴极保护电位，电化学测试系统测试不同影响因素下试样的腐蚀电位。该系统能测量失重；能获取腐蚀形貌；能够产生直流、交流、交直流混流杂散电流；能够根据实际运行工况提供实验所需的应力；能模拟阴极保护；能够进行不同影响因素下的腐蚀规律实验。

Description

一种拉伸应力作用下埋地钢质管道杂散电流腐蚀试验方法

技术领域

本发明属于材料腐蚀与防护领域，具体涉及一种拉伸应力作用下埋地钢制管道杂散电流腐蚀试验方法。

背景技术

随着我国埋地管网愈发复杂，管网中的钢制管道在杂散电流和应力等因素作用下引发的腐蚀问题越来越多，危害愈发严重，因此，研究埋地钢制管道在应力条件下杂散电流腐蚀规律十分迫切。由于杂散电流受土壤电导率、埋地深度等诸多因素的影响以及所处的特殊环境难于进行现场实验，因此，建立应力条件下埋地钢制管道杂散电流腐蚀试验系统变得十分必要。目前，国内已有单一的拉伸应力测试装置，能够对光纤、塑料、金属等材料进行拉伸测试，已有的拉伸应力腐蚀实验装置可以对棒材或板材金属进行大气环境的腐蚀试验，也可做其它有害物质的应力腐蚀试验。但是已有的实验装置也存在一些缺点，例如产生的拉应力较小，适用范围窄，测试精度较低，无法进行杂散电流腐蚀实验，不易测量失重、不易获得腐蚀形貌。国内尚未有应力条件下埋地钢质管道杂散电流腐蚀试验系统，因此研究和开发拉伸应力作用下埋地钢制管道杂散电流腐蚀试验系统成为探究埋地钢制管道杂散电流腐蚀影响因素和影响规律的基础。

发明内容

为了克服现有的拉伸应力测试装置和拉伸应力腐蚀实验装置拉伸应力较小，测试精度较低，无法进行杂散电流腐蚀实验等缺陷，本发明利用螺旋传动产生拉应力，数字万用表19实时显示高精度拉力传感器9获得的数值，利用直流电源22、脉冲信号发生器21、智能中断器20产生直流、交流、交直混流杂散电流；利用恒压源12产生阴极保护电位；利用电化学工作站15对受力试样进行电化学测试；利用pH计14和电导率仪13配置不同酸碱度和电导率的土壤溶液并在实验过程中监测土壤溶液参数的变化。该系统具有能测量失重；能获取腐蚀形貌；能够产生直流、交流、交直流混流杂散电流；能够根据实际运行工况提供实验所需的应力；能模拟阴极保护；能够进行不同影响因素（不同应力水平、杂散电流种类/强度、土壤电阻率/电导率、土壤酸碱度等）下的腐蚀规律实验等功能。

一种拉伸应力作用下埋地钢制管道杂散电流腐蚀试验方法，其特征在于：应用以下系统，该系统包括应力加载试验系统、土壤环境模拟系统、杂散电流模拟系统、阴极保护系统、电化学测试系统；应力加载试验系统产生试样试验所需压力，土壤环境模拟系统模拟埋地金属所处的土壤环境，配置不同酸碱度和电导率的土壤溶液，杂散电流模拟系统产生直流、交流、交直混流杂散电流，阴极保护系统为试样提供阴极保护电位，电化学测试系统测试不同影响因素下试样的腐蚀电位。

所述的应力加载试验系统由左拉杆1、左底板2、长六角头螺栓3、电解池4、试样5、销钉6、销钉套7、中拉杆8、S型拉力传感器9、右拉杆10、右底板11、激励电源17、电压放大器18、数字万用表19组成；

两个长六角头螺栓3穿过右底板11嵌入左底板2盲孔中，两个长六角头螺栓3和左底板2、右底板11形成支架，左右底板间依次为左拉杆1、试样5、中拉杆8、S型拉力传感器9、右拉杆10；长六角头螺栓3一端与右底板11间为螺纹连接，另一端与左底板2盲孔为间隙配合；左拉杆1与左底板2为螺纹连接，试样5与左拉杆1和中拉杆8分别通过两个销钉6连接，销钉6外套有销钉套7且两者之间为过盈配合，销钉套7位于左拉杆1和中拉杆8通孔中，销钉套7与左拉杆1通孔和中拉杆8通孔间均为过盈配合；S型拉力传感器9与中拉杆8之间为螺纹连接，右拉杆10穿过右底板11通孔与S型拉力传感器9为螺纹连接；试样5穿过电解池4中部；试样5与左拉杆1、中拉杆8接触的表面涂覆绝缘材料，确保杂散电流仅通过试样5；激励电源17正负极分别S型拉力传感器9激励信号线正负极相连，S型拉力传感器9输出信号线正负极与电压放大器18输入端正负极相连，S型拉力传感器9屏蔽线接地，电压放大器18输出端与数字万用表19相连；

土壤环境模拟系统包括电导率仪13、探针P1、pH计14、探针P2；电导率仪13连接探针P1，pH计14连接探针P2，探针P1、P2均浸没于电解池的土壤溶液中；

杂散电流模拟系统包括脉冲信号发生器21、功率放大器23、恒流源22、智能中断器20、第三辅助电极CE3、电流表A2、电流表A3、开关K2、开关K3；脉冲信号发生器21与功率放大器23相连，功率放大器23正极串接开关K2和电流表A2后连接智能中断器20输入端正极，功率放大器23负极连接智能中断器20输入端负极,恒流源22负极串接开关K3和电流表A3后连接智能中断器20输入端负极，恒流源22正极连接智能中断器20输入端正极,智能中断器20输出端正极连接试样5，负极连接第三辅助电极CE3；

所述的阴极保护系统包括恒压源12、电流表A1、开关K1、第一辅助电极CE1；恒压源12正极连接第一辅助电极CE1,负极串接开关K1和电流表A1后连接试样5；

所述的电化学测试系统由PC机16、电化学工作站15、参比电极RE、第二辅助电极CE2组成；电化学工作站15与PC机16相连，电化学工作站15三电极分别与试样5、参比电极RE、第二辅助电极CE2相连组成三电极体系，参比电极RE靠近试样5，参比电极RE与试样间距离在0.5cm至2cm范围内；

用扳手同时旋转两个长六角头螺栓3通过螺旋传动产生轴向拉应力，观察数字万用表19示数直至指定拉力时停止旋转长六角头螺栓3；在实验中若需调节试样5所受拉伸应力只需旋转长六角头螺栓3即可；利用土壤环境模拟系统配置所需的土壤溶液，将土壤溶液倒入电解池4内；打开PC机16、电化学工作站15、脉冲信号发生器21、功率放大器23、智能中断器20、恒流源22、恒压源12、电导率仪13、pH计14、激励电源17、电压放大器18、数字万用表19电源；按以下步骤进行不同影响因素，即土壤电阻率/电导率、土壤酸碱度、不同应力水平、杂散电流种类/强度、破损面积/剥离面积下的腐蚀规律实验；

1）、闭合开关K1对试样（5）进行阴极保护；

2）、打开开关K2闭合开关K3向试样（5）通入直流杂散电流；

3）、设定PC机（16）中电化学工作站（15）软件的参数测量试样（5）中电位并进行处理得到曲线，电导率仪（13）和pH计（14）实时监测溶液的电导率和酸碱度；

4）、改变恒流源（22）电流强度，改变智能中断器（20）实现电流的持续、间歇和瞬间三种形式的干扰，用电化学工作站（15）测量试样（5）电位并进行处理得到曲线；

5）、闭合开关K2打开开关K3向试样（5）通入交流杂散电流，用电化学工作站（15）测量试样（5）电位并进行处理得到曲线；

6）、改变脉冲信号发生器（21）信号的频率和幅值，改变智能中断器（20）实现电流的持续、间歇和瞬间三种形式的干扰，用电化学工作站（15）测量试样（5）电位并进行处理得到曲线；

7）、闭合开关K2、开关K3向试样（5）通入交直混流杂散电流，用电化学工作站（15）测量试样（5）电位并进行处理得到曲线；

8）、改变试样（5）所受应力，重复步骤2）—7），每改变一次应力重复一遍步骤2）—7），至少改变两次应力后进行步骤9）；

9）、断开所有设备电源，取出所有电极和探针，将电解池（4）溶液倒出，将电导率和pH值不同的土壤溶液倒入，接通所有电源，重复一遍步骤2）—8）后进行步骤10）；

10）、断开所有设备电源，取出所有电极和探针，将电解池（4）溶液倒出；

11）、取出试样（5），用滤纸擦干后置于光学天平上测量腐蚀后重量，根据腐蚀前重量、试验时间及腐蚀面积求出腐蚀速率，将试样（5）置于光学显微镜下观察并用相机拍摄腐蚀形貌；根据腐蚀电位变化、腐蚀速率、腐蚀形貌得出拉伸应力条件下埋地金属杂散电流腐蚀影响因素和影响规律。

根据实验需要配置多组土壤模拟溶液，配置的土壤溶液性质与实际土壤理化性质相似，实验前用电导率仪13和pH计14测定土壤溶液的电导率和pH值，在实验过程中仍不断用电导率仪13和pH计14测试溶液酸碱度和电导率值，当参数发生时需及时调整。

脉冲信号发生器21可以产生不同频率和幅值的交流信号，功率放大器23放大交流信号以模拟交流杂散电流，恒流源22产生强度不同的直流电以模拟直流杂散电流，智能中断器20可以实现杂散电流的持续（持续时间）、间歇（作用频次）和瞬间三种干扰形式的控制。开关K2、K3的开闭可以实现对交流、直流、交直流混流三种杂散电流的控制。

恒压源12为试样5提供所需的阴极保护电位，开关K1的开闭可以实现对试样5有无阴极保护的控制。

电化学工作站15测试不同影响因素（土壤电阻率/电导率、土壤酸碱度、不同应力水平、杂散电流种类/强度、破损面积/剥离面积等）下试样5腐蚀电位。

本发明在某些方面能够取代目前广泛使用的拉伸应力测试装置和拉伸应力腐蚀实验装置，是一种新型的应力条件下埋地钢制管道杂散电流腐蚀试验系统。该系统具有能测量失重；能获取腐蚀形貌；能够产生直流、交流、交直流混流杂散电流；能够根据实际运行工况提供实验所需的应力；模拟阴极保护；能够进行不同影响因素（不同应力水平、杂散电流种类/强度、土壤电阻率/电导率、土壤酸碱度等）下的腐蚀规律实验等功能，广泛适用于高校、科研院所的实验室研究及冶金、材料、建筑、机械类企业的前期研究中。

附图说明

图1为本发明整体结构图。

图2为左拉杆主视图。

图3.1为右底板主视图剖面图。图3.2为右底板俯视图。

图4为右拉杆主视图。

图5.1为左底板主视图剖面图，图5.2为左底板俯视图。

图6为试样俯视图。

图中，左拉杆1、左底板2、长六角头螺栓3、电解池4、试样5、销钉6、销钉套7、中拉杆8、S型拉力传感器9、右拉杆10、右底板11、恒压源12、电导率仪13、pH计14、电化学工作站15、PC机16、激励电源17、电压放大器18、数字万用表19、智能中断器20、脉冲信号发生器21、恒流源22、功率放大器23。

具体实施方式

在图1所示的本发明一种拉伸应力作用下埋地钢制管道杂散电流腐蚀试验系统具体结构中，当应力加载试验系统搭建完毕后，用扳手同时旋转两个长六角头螺栓3通过螺旋传动产生轴向拉应力，调节旋转量可以改变拉力，观察数字万用表19示数直至指定拉力时停止旋转长六角头螺栓3。在实验中若需调节试样5所受拉伸应力只需旋转长六角头螺栓3即可。

搭建土壤环境模拟系统、杂散电流模拟系统、阴极保护系统、电化学测试系统。利用土壤环境模拟系统配置所需的土壤溶液，将土壤溶液倒入电解池20内。打开PC机16、电化学工作站15、脉冲信号发生器21、功率放大器23、智能中断器20、恒流源22、恒压源12、电导率仪13、pH计14、激励电源17、电压放大器18、数字万用表19电源。按以下步骤进行不同影响因素（土壤电阻率/电导率、土壤酸碱度、不同应力水平、杂散电流种类/强度、破损面积/剥离面积等）下的腐蚀规律实验。

1、闭合开关K1对试样5进行阴极保护。

2、打开开关K2闭合开关K3向试样5通入直流杂散电流。

3、设定PC机16中电化学工作站15软件的参数测量试样5中电位并进行处理得到曲线，电导率仪13和pH计14实时监测溶液的电导率和酸碱度。

4、改变恒流源22电流强度，改变智能中断器20实现电流的持续（持续时间）、间歇（作用频次）和瞬间三种形式的干扰，用电化学工作站15测量试样5电位并进行处理得到曲线。

5、闭合开关K2打开开关K3向试样5通入交流杂散电流，用电化学工作站15测量试样5电位并进行处理得到曲线。

6、改变脉冲信号发生器21信号的频率和幅值，改变智能中断器20实现电流的持续、间歇和瞬间三种形式的干扰，用电化学工作站15测量试样5电位并进行处理得到曲线。

7、闭合开关K2、开关K3向试样5通入交直混流杂散电流，用电化学工作站15测量试样5电位并进行处理得到曲线。

8、改变试样5所受应力，重复步骤2—7，每改变一次应力重复一遍步骤2—7，至少改变两次应力后进行步骤9。

9、断开所有设备电源，取出所有电极和探针，将电解池4溶液倒出，将电导率和pH值不同的土壤溶液倒入，接通所有电源，重复一遍步骤2—8后进行步骤10。

10、断开所有设备电源，取出所有电极和探针，将电解池4溶液倒出。

11、取出试样5，用滤纸擦干后置于光学天平上测量腐蚀后重量，根据腐蚀前重量、试验时间及腐蚀面积求出腐蚀速率，将试样5置于光学显微镜下观察并用相机拍摄腐蚀形貌。根据腐蚀电位变化、腐蚀速率、腐蚀形貌可以得出拉伸应力条件下埋地金属杂散电流腐蚀影响因素和影响规律。

Claims (1)

1.一种拉伸应力作用下埋地钢制管道杂散电流腐蚀试验方法，其特征在于：应用以下系统，该系统包括应力加载试验系统、土壤环境模拟系统、杂散电流模拟系统、阴极保护系统、电化学测试系统；

所述的应力加载试验系统由左拉杆（1）、左底板（2）、长六角头螺栓（3）、电解池（4）、试样（5）、销钉（6）、销钉套（7）、中拉杆（8）、S型拉力传感器（9）、右拉杆（10）、右底板（11）、激励电源（17）、电压放大器（18）、数字万用表（19）组成；

两个长六角头螺栓（3）穿过右底板（11）嵌入左底板（2）盲孔中，两个长六角头螺栓（3）和左底板（2）、右底板（11）形成支架，左右底板间依次为左拉杆（1）、试样（5）、中拉杆（8）、S型拉力传感器（9）、右拉杆（10）；长六角头螺栓（3）一端与右底板（11）间为螺纹连接，另一端与左底板（2）盲孔为间隙配合；左拉杆（1）与左底板（2）为螺纹连接，试样（5）与左拉杆（1）和中拉杆（8）分别通过两个销钉（6）连接，销钉（6）外套有销钉套（7）且两者之间为过盈配合，销钉套（7）位于左拉杆（1）和中拉杆（8）通孔中，销钉套（7）与左拉杆（1）通孔和中拉杆（8）通孔间均为过盈配合；S型拉力传感器（9）与中拉杆（8）之间为螺纹连接，右拉杆（10）穿过右底板（11）通孔与S型拉力传感器（9）为螺纹连接；试样（5）穿过电解池（4）中部；试样（5）与左拉杆（1）、中拉杆（8）接触的表面涂覆绝缘材料，确保杂散电流仅通过试样（5）；激励电源（17）正负极分别S型拉力传感器（9）激励信号线正负极相连，S型拉力传感器（9）输出信号线正负极与电压放大器（18）输入端正负极相连，S型拉力传感器（9）屏蔽线接地，电压放大器（18）输出端与数字万用表（19）相连；

土壤环境模拟系统包括电导率仪（13）、探针P1、pH计（14）、探针P2；电导率仪（13）连接探针P1，pH计（14）连接探针P2，探针P1、P2均浸没于电解池的土壤溶液中；

杂散电流模拟系统包括脉冲信号发生器（21）、功率放大器（23）、恒流源（22）、智能中断器（20）、第三辅助电极CE3、电流表A2、电流表A3、开关K2、开关K3；脉冲信号发生器（21）与功率放大器（23）相连，功率放大器（23）正极串接开关K2和电流表A2后连接智能中断器（20）输入端正极，功率放大器（23）负极连接智能中断器（20）输入端负极,恒流源（22）负极串接开关K3和电流表A3后连接智能中断器（20）输入端负极，恒流源（22）正极连接智能中断器（20）输入端正极,智能中断器（20）输出端正极连接试样（5），负极连接第三辅助电极CE3；

所述的阴极保护系统包括恒压源（12）、电流表A1、开关K1、第一辅助电极CE1；恒压源（12）正极连接第一辅助电极CE1,负极串接开关K1和电流表A1后连接试样（5）；

所述的电化学测试系统由PC机（16）、电化学工作站（15）、参比电极RE、第二辅助电极CE2组成；电化学工作站（15）与PC机（16）相连，电化学工作站（15）三电极分别与试样（5）、参比电极RE、第二辅助电极CE2相连组成三电极体系，参比电极RE靠近试样（5），参比电极RE与试样（5）间距离在0.5cm至2cm范围内；

用扳手同时旋转两个长六角头螺栓（3）通过螺旋传动产生轴向拉应力，观察数字万用表（19）示数直至指定拉力时停止旋转长六角头螺栓（3）；在实验中若需调节试样（5）所受拉伸应力只需旋转长六角头螺栓（3）即可；利用土壤环境模拟系统配置所需的土壤溶液，将土壤溶液倒入电解池（4）内；打开PC机（16）、电化学工作站（15）、脉冲信号发生器（21）、功率放大器（23）、智能中断器（20）、恒流源（22）、恒压源（12）、电导率仪（13）、pH计（14）、激励电源（17）、电压放大器（18）、数字万用表（19）电源；按以下步骤进行不同影响因素，即土壤电阻率/电导率、土壤酸碱度、不同应力水平、杂散电流种类/强度、破损面积/剥离面积下的腐蚀规律实验；

1）、闭合开关K1对试样（5）进行阴极保护；

2）、打开开关K2闭合开关K3向试样（5）通入直流杂散电流；

3）、设定PC机（16）中电化学工作站（15）软件的参数测量试样（5）中电位并进行处理得到曲线，电导率仪（13）和pH计（14）实时监测溶液的电导率和酸碱度；

4）、改变恒流源（22）电流强度，改变智能中断器（20）实现电流的持续、间歇和瞬间三种形式的干扰，用电化学工作站（15）测量试样（5）电位并进行处理得到曲线；

5）、闭合开关K2打开开关K3向试样（5）通入交流杂散电流，用电化学工作站（15）测量试样（5）电位并进行处理得到曲线；

6）、改变脉冲信号发生器（21）信号的频率和幅值，改变智能中断器（20）实现电流的持续、间歇和瞬间三种形式的干扰，用电化学工作站（15）测量试样（5）电位并进行处理得到曲线；

7）、闭合开关K2、开关K3向试样（5）通入交直混流杂散电流，用电化学工作站（15）测量试样（5）电位并进行处理得到曲线；

8）、改变试样（5）所受应力，重复步骤2）—7），每改变一次应力重复一遍步骤2）—7），至少改变两次应力后进行步骤9）；

9）、断开所有设备电源，取出所有电极和探针，将电解池（4）溶液倒出，将电导率和pH值不同的土壤溶液倒入，接通所有电源，重复一遍步骤2）—8）后进行步骤10）；

10）、断开所有设备电源，取出所有电极和探针，将电解池（4）溶液倒出；

11）、取出试样（5），用滤纸擦干后置于光学天平上测量腐蚀后重量，根据腐蚀前重量、试验时间及腐蚀面积求出腐蚀速率，将试样（5）置于光学显微镜下观察并用相机拍摄腐蚀形貌；根据腐蚀电位变化、腐蚀速率、腐蚀形貌得出拉伸应力条件下埋地金属杂散电流腐蚀影响因素和影响规律。

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