CN105628772B - 模拟动态海水流速的阴极保护研究装置的使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开模拟动态海水流速的阴极保护研究装置的使用方法，装置由流速模拟装置、电化学实验装置、流速测定装置组成，流速模拟装置利用泵、吸水管、出水管和外套管的配合，以使在电化学测量区域获得稳定的流速，由U型压力计和毕托管组成的流速测定装置测定流速，同时利用电化学实验装置获取电化学测量区域内样品的电化学性质。本发明的技术方案制作简单，成本低，操作简单。本发明能够模拟0～20m/s流速下的电化学实验，且冲刷过程只针对工作电极，不会使参比电极不稳定，进行不同角度、不同流速冲刷下典型海洋用钢的阴极保护试验。
Description
本发明申请是母案申请“模拟动态海水流速的阴极保护研究装置及其应用”的分案申请，母案申请的申请号为2014105157432，母案申请的申请日为2014年9月29日。
技术领域
本发明属于电化学检测技术领域，更加具体地说，涉及一种模拟动态海水流速的阴极保护研究装置及其在电化学检测金属海洋腐蚀行为中的应用。
背景技术
近年来，由于海洋腐蚀而造成的损失越来越大，每年用在船舶、海上钻井平台的维护费用越来越高，对于海洋腐蚀的防护研究迫在眉睫。然而现在对于海水腐蚀的研究，大部分局限在静态海水状态下。金属在流动海水与静态海水的腐蚀有很大的差距：流速不同，这不仅会导致溶液中溶解氧和金属表层离子浓度的变化，而且会带来泥沙、水流等对金属的物理冲击，对试样表面的保护膜有影响。因此，流速是海洋腐蚀不可忽视的一个影响因素。目前，模拟流动海水的方法有多种：旋转冲刷方法、管流模拟冲刷方法、喷射式冲刷方法等，相应的装置分别是旋转圆盘冲刷腐蚀试验机、管流模拟试验装置、喷射式空蚀试验装置。旋转圆盘冲刷试验只能模拟较小的流速，而且流速较大时，会产生漩涡，对试验有影响；管流模拟较为复杂，且成本较大，并且试验材料需要是管状，局限性大；一般的喷射式试验装置主要用于模拟空泡腐蚀，均不能很好的模拟流动海水下施加阴极保护时金属的腐蚀情况。目前尚未有水槽式射流模拟流动海水进行阴极保护测试相关的文献报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供模拟不同流速下的金属阴极保护研究的装置，克服旋转式的低流速模拟缺陷以及管流的设计复杂缺陷，实现不同大小的流速模拟，来进行阴极保护试验，装置和操作简单。
本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：
模拟动态海水流速的阴极保护研究装置，由流速模拟装置、电化学实验装置、流速测定装置组成，其中：
所述流速模拟装置包括水槽、泵、吸水管、出水管和外套管；在所述水槽的中央设置电化学测量区域；所述吸水管的出水端口与泵相连，吸水管的进水端口设置在水槽中；所述出水管的进水端口与泵相连，出水管的出水端口设置在水槽中，并与外套管的进水端口固定相连；所述外套管的出水端口设置在电化学测量区域的中央位置且靠近样品固定台，且外套管的长度可调。这样一来，泵由吸水管吸水，在出水管口获得有一定初始流速的水流，该流速的水流经过可调长度的外套管，在外套管的出水端口获得最终流速，即在样品附近形成模拟的流速，可通过调整泵的功率(泵的功率越大，初始流速越大)或者外套管的长度(外套管长度越长，初始流速衰减的越严重)，以在外套管的出水端口(即样品附近)形成模拟流速；
所述流速测定装置由压力计与毕托管组成，所述毕托管的测量头部设置在电化学测量区域的中央位置且靠近样品固定台，所述毕托管的测量头部的中央与外套管的中央位于同一水平面上；所述毕托管的尾部十字口与压力计相连，外套管出水端口的水流流经样品后经过毕托管的测量头部，产生一个压力，反应到压力计上，通过压力计计算出毕托管测量头部的动压，利用下述公式测定样品附近的流速；
式中：V—水流速(m/s)；
K—毕托管系数；
P—通过毕托管测得的动压(Pa)；
ρ—流体(水)密度(kg/m3)；
所述电化学实验装置包括试样台、三电极体系和电化学工作站，在所述试样台的上表面上固定设置样品，试样台固定设置在电化学测量区域的中央，且样品与毕托管的测量头部的中央、外套管的中央位于同一水平面上；所述三电极体系包括工作电极(即样品)、参比电极和辅助电极，将试样台上固定的样品作为工作电极，所述三电极体系与电化学工作站相连。
在上述技术方案中，所述水槽为长方体，所述吸水管、出水管和外套管的直径明显小于水槽的长短高，即所述吸水管、出水管和外套管的直径与水槽的长短高相比，小一到两个数量级，例如选择400x70x50mm的封闭槽，吸水管和出水管的直径为2.5mm，外套管直径为2.8mm(略大于吹水管的直径即可)，这样一来，与整个水槽相比，吸水管、出水管和外套管的直径较小，仅仅能够在进水端口和出水端口附近产生水流，这一水流比较小且不会引起整个水槽内水流的变化。
在上述技术方案中，所述压力计为U型压力计，所述毕托管的尾部十字口与压力计通过软导管相连。
在上述技术方案中，在所述三电极体系中，所述参比电极为SCE电极，所述辅助电极为铂电极，所述电化学工作站为PARSTAT2273电化学工作站。
在上述技术方案中，在所述试样台上设置试样固定架，用于安装和固定试样，且试样固定架能够相对于水平方向进行转动，以改变试样样品表面与流动海水流向的夹角，进而模拟不同角度流动海水的冲刷实验。
采用传统的三电极体系，工作电极为一定流速下的试样，一般呈正方形，且焊接导线引出，除了工作面，其他面用环氧胶泥涂抹，一般厚度为0.1-0.3mm,工作面一般用水砂纸依次打磨，去离子水清洗，酒精棉球擦净，冷风吹干。辅助电极为Pt电极，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)；将三电极固定在试样台，并保证外接管口中心与试样在同一水平面，接通PARSTAT2273工作站，即可测定不同流速下的极化曲线，不同流速、不同阴极保护电位下的电化学阻抗谱，进而得到相关腐蚀参数。电路装置可以长期提供阴极保护电流，可获得不同流速、不同阴极保护电位下的长期腐蚀实验，通过调整泵的功率或者外套管的长度改变样品所处的流速大小；且通过转动试样固定架可改变试样样品表面与流动海水流向的夹角，进而模拟不同角度流动海水的冲刷实验。
与现有技术相比，本发明的技术方案制作简单，成本低，操作简单。本发明能够模拟0～20m/s流速下的电化学实验，且冲刷过程只针对工作电极，不会使参比电极不稳定，进行不同角度、不同流速冲刷下典型海洋用钢的阴极保护试验。
附图说明
图1是本发明射流装置的结构示意图，其中1为吸水管，2为出水管，3为毕托管，4为软导管，5为水槽，6为外套管，7为试样固定架，虚线框的A区域为电化学装置区域。
图2是利用本发明的射流装置进行模拟测试的电化学阻抗谱线图(1)，实验条件为模拟流速2m/s，Q235材料在不同保护电位的电化学阻抗谱。
图3是利用本发明的射流装置进行模拟测试的电化学阻抗谱线图(2)，实验条件为模拟流速2m/s，Q235材料在不同保护电位的电化学阻抗谱。
图4是利用本发明的射流装置进行模拟测试的电化学阻抗谱线图(3)，实验条件为模拟流速4m/s，Q235材料在不同保护电位的电化学阻抗谱。
图5是利用本发明的射流装置进行模拟测试的电化学阻抗谱线图(4)，实验条件为模拟流速6m/s，Q235材料在不同保护电位的电化学阻抗谱。
图6是利用本发明的射流装置进行模拟测试的电化学阻抗谱线图(5)，实验条件为模拟流速6m/s，Q235材料在不同保护电位的电化学阻抗谱。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
如附图1所示，模拟动态海水流速的阴极保护研究装置，由流速模拟装置、电化学实验装置、流速测定装置组成，其中：
所述流速模拟装置包括水槽、泵、吸水管、出水管和外套管；所述吸水管的出水端口与泵相连，吸水管的进水端口设置在水槽中；所述出水管的进水端口与泵相连，出水管的出水端口设置在水槽中，并与外套管的进水端口固定相连；所述外套管的出水端口设置在电化学测量区域的中央位置且靠近样品固定台，且外套管的长度可调。这样一来，泵由吸水管吸水，在出水管口获得有一定初始流速的水流，该流速的水流经过可调长度的外套管，在外套管的出水端口获得最终流速，即在样品附近形成模拟的流速，可通过调整泵的功率(泵的功率越大，初始流速越大)或者外套管的长度(外套管长度越长，初始流速衰减的越严重)，以在外套管的出水端口(即样品附近)形成模拟流速；
选择水泵的额定功率为2.2KW，400x70x50mm的封闭槽，吸水管和出水管的直径为2.5mm，外套管直径为2.8mm(略大于吹水管的直径即可)，这样一来，与整个水槽相比，吸水管、出水管和外套管的直径较小，仅仅能够在进水端口和出水端口附近产生水流，这一水流比较小且不会引起整个水槽内水流的变化。
所述流速测定装置由压力计与毕托管组成，所述毕托管的测量头部设置在电化学测量区域的中央位置且靠近样品固定台，所述毕托管的测量头部的中央与外套管的中央位于同一水平面上；所述毕托管的尾部十字口与压力计相连，外套管出水端口的水流流经样品后经过毕托管的测量头部，产生一个压力，反应到压力计上，通过压力计计算出毕托管测量头部的动压，利用上述内容中公式测定样品附近的流速。
在所述水槽的中央设置电化学测量区域，即图中虚线框的区域A，长宽为10mmx5mm，所述电化学实验装置包括试样台、三电极体系和电化学工作站，在所述试样台的上表面上固定设置样品，试样台固定设置在电化学测量区域的中央，且样品与毕托管的测量头部的中央、外套管的中央位于同一水平面上；所述三电极体系包括工作电极(即样品)、参比电极和辅助电极，将试样台上固定的样品作为工作电极，所述三电极体系与电化学工作站相连。
所述压力计为U型压力计，所述毕托管的尾部十字口与压力计通过软导管相连。
在所述三电极体系中，所述参比电极为SCE电极，所述辅助电极为铂电极，所述电化学工作站为PARSTAT2273电化学工作站。
在所述试样台上设置试样固定架，用于安装和固定试样，且试样固定架能够相对于水平方向进行转动，以改变试样样品表面与流动海水流向的夹角，进而模拟不同角度流动海水的冲刷实验。
工作电极(WE)为Q235普碳钢，尺寸为1×1×0.3cm3,有效工作面积为1cm2，导线于工作电极的非工作面焊接并导出，非工作面用环氧胶泥封装。工作面一般用水砂纸依次打磨至1200#且水平，去离子水清洗，酒精棉球擦拭，冷风吹干。辅助电极为Pt电极，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)；将三电极固定在试样台，并保证外接管口中心与试样在同一水平面，接通PARSTAT2273工作站，即可测定不同流速下的极化曲线，不同流速、不同阴极保护电位下的电化学阻抗谱，进而得到相关腐蚀参数。电路装置可以长期提供阴极保护电流，可获得不同流速、不同阴极保护电位下的长期腐蚀实验，通过调整泵的功率或者外套管的长度改变样品所处的流速大小；且通过转动试样固定架可改变试样样品表面与流动海水流向的夹角，进而模拟不同角度流动海水的冲刷实验。
接通泵电源，使贮水槽形成稳定的水循环体系。保证泵的功率不变，通过调节外套管长度，来获取不同的流速：比如2m/s，4m/s，6m/s。
利用U型压力计与毕托管配合确定流速，将毕托管测量头部放在与外套管口中心和测试样品位于同一水平线的位置，水流流经毕托管测量头部时会产生一个压力，反应到压力计上，通过压力计计算出毕托管头部测得的动压，利用
式中：V—水流速(m/s)
K—毕托管系数
P—通过毕托管测得的动压(Pa)
ρ—流体密度(kg/m3)
测定待测点的流速，确定2m/s，4m/s，6m/s的外套管长度。在所定流速位置放置处理好的试样(WE)，并在试样附近固定参比电极、辅助电极，形成三电极体系。(1)三电极分别与电化学试验测试装置PARSTAT2273电化学工作站相连接。待试样状态稳定，开始测定极化曲线，电化学阻抗谱，通过软件拟合，测定一系列电化学参数；(2)利用ZF-3恒电位仪为试样提供不同时长的不同阴极保护电位-600mv至-1100mv，如附图所示。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.模拟动态海水流速的阴极保护研究装置的使用方法，其特征在于，装置由流速模拟装置、电化学实验装置、流速测定装置组成，其中：
所述流速模拟装置包括水槽、泵、吸水管、出水管和外套管；在所述水槽的中央设置电化学测量区域；所述吸水管的出水端口与泵相连，吸水管的进水端口设置在水槽中；所述出水管的进水端口与泵相连，出水管的出水端口设置在水槽中，并与外套管的进水端口固定相连；所述外套管的出水端口设置在电化学测量区域的中央位置且靠近样品固定台，且外套管的长度可调；
所述流速测定装置由压力计与毕托管组成，所述毕托管的测量头部设置在电化学测量区域的中央位置且靠近样品固定台，所述毕托管的测量头部的中央与外套管的中央位于同一水平面上；所述毕托管的尾部十字口与压力计相连；
所述电化学实验装置包括试样台、三电极体系和电化学工作站，在所述试样台的上表面上固定设置样品、辅助电极和参比电极，试样台固定设置在电化学测量区域的中央，且样品与毕托管的测量头部的中央、外套管的中央位于同一水平面上；所述三电极体系包括工作电极、参比电极和辅助电极，将试样台上固定的样品作为工作电极，所述三电极体系与电化学工作站相连；
在进行使用时，泵由吸水管吸水，在出水管口获得有一定初始流速的水流，该流速的水流经过可调长度的外套管，在外套管的出水端口获得最终流速，即在样品附近形成模拟的流速，通过调整泵的功率或者外套管的长度，以在外套管的出水端口形成模拟流速；外套管出水端口的水流流经样品后经过毕托管的测量头部，产生一个压力，反应到压力计上，通过压力计计算出毕托管测量头部的动压，利用下述公式测定样品附近的流速；
<mrow>
<mi>V</mi>
<mo>=</mo>
<mi>k</mi>
<msqrt>
<mrow>
<mn>2</mn>
<mi>P</mi>
<mo>/</mo>
<mi>&rho;</mi>
</mrow>
</msqrt>
</mrow>
式中：V—水流速，单位为m/s；K—毕托管系数；P—通过毕托管测得的动压，
单位为Pa；ρ—流体密度，单位为kg/m3，所述流体为水；
采用传统的三电极体系，工作电极为样品，辅助电极为Pt电极，参比电极为饱和甘汞电极；将三电极固定在试样台，并保证样品与毕托管的测量头部的中央、外套管的中央位于同一水平面上，接通PARSTAT2273工作站，即可测定不同流速下的极化曲线，不同流速、不同阴极保护电位下的电化学阻抗谱，进而得到相关腐蚀参数。
2.根据权利要求1所述的模拟动态海水流速的阴极保护研究装置的使用方法，其特征在于，在所述试样台上设置试样固定架，用于安装和固定试样，且试样固定架能够相对于水平方向进行转动，以改变试样样品表面与流动海水流向的夹角，进而模拟不同角度流动海水的冲刷实验。
3.根据权利要求1所述的模拟动态海水流速的阴极保护研究装置的使用方法，其特征在于，所述压力计为U型压力计，所述毕托管的尾部十字口与压力计通过软导管相连。
4.根据权利要求1所述的模拟动态海水流速的阴极保护研究装置的使用方法，其特征在于，所述水槽为长方体，所述吸水管、出水管和外套管的直径明显小于水槽的长短高，与整个水槽相比，吸水管、出水管和外套管的直径较小，仅仅能够在进水端口和出水端口附近产生水流，这一水流比较小且不会引起整个水槽内水流的变化。
5.根据权利要求1所述的模拟动态海水流速的阴极保护研究装置的使用方法，其特征在于，通过调整泵的功率或者外套管的长度改变样品所处的流速大小。
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