CN105699285A - 一种用于元素硫垢下腐蚀测试的电化学装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于元素硫垢下腐蚀测试的电化学装置，属于电化学测试装置领域。该装置包括：主体，上盖，下盖，用于固定所述主体、上盖及下盖的螺栓；位于所述上盖的参比电极插孔、辅助电极插孔、进气管插孔、出气管插孔、上螺栓口以及上垫圈槽；所述参比电极插孔用于安装参比电极；所述辅助电极插孔用于安装辅助电极；位于所述下盖的工作电极插孔、下螺栓口以及下垫圈槽。所述工作电极插孔用于安装工作电极；所述工作电极为表面涂覆硫单质的金属试样；所述工作电极从下向上穿过所述工作电极插孔。本发明的装置密封性能好，便于垢样的固定，可以模拟含硫化氢条件下元素硫沉积环境，对试样的腐蚀规律进行测试，获得真实、准确数据。

Description

一种用于元素硫垢下腐蚀测试的电化学装置

技术领域

本发明涉及一种用于元素硫垢下腐蚀测试的电化学装置，属于电化学测试装置领域。

背景技术

元素硫具有极为活泼的还原性。沉积在天然气生产输送管线、设备内的元素硫会与天然气中H₂S_x、H₂S等共同作用加速管线、设备材质腐蚀，导致管线、设备出现穿孔和破裂等严重的腐蚀现象，影响天然气的正常生产输送，甚至会导致关井停产。因此对元素硫垢下腐蚀规律进行研究十分必要。

目前，国内外普遍采用电化学测试方法对元素硫垢下腐蚀规律进行研究。电化学测试一种实时、快速的评价方法，但是目前国内外常用的三电极或者四电极电化学测试装置均采用一体成型的玻璃容器，不利于在酸性环境中试验时的密封和清洗。此外，目前的电化学装置中，工作电极均从上向下放入测试容器中(参考文献：[1]梁荣晶，刘烈炜，韩燕玲。高酸性条件下S沉积对N80碳钢腐蚀的研究[J]，腐蚀科学与防护技术腐蚀科学与防护技术：2013，Vol.25，No.3)，需要特殊的夹具来固定垢样或者将垢样压实固定于测试表面。例如，英国的Hinds和Turnbull将电极置于一个特制的夹具中，此夹具能将沙石垢在实验中保持在电极表面。但沙石等垢污与元素硫具有显著的不同，沙石本身并不能参与腐蚀反应。而元素硫是一种极为活泼的还原物质能积极的参与化学反应及电化学腐蚀过程(参考文献：[2]G.Hinds，A.Turnbull.NovelMulti-ElectrodeTestMethodforEvaluatingInhibitionofUnderdepositCorrosion—Part1:SweetConditions.Corrosion:April2010,Vol.66,No.4.[3]HindsG.Cooling,P.Zhou,S.Turnbull,AUnderdeposittestmethodforassessingperformanceofcorrosioninhibitors.Eurocorr2008,2008,paperonCDROM)。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中电化学装置至少存在以下问题：

1、工作电极从上向下放入装置中，不利于垢样在工作电极表面的固定；

2、装置密封性不好，在含有硫化氢的环境中使用不安全。

发明内容

因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种密封性好、便于垢样固定的用于元素硫垢下腐蚀测试的电化学装置。

具体技术方案如下：

所述电化学装置包括：

主体，上盖，下盖，用于固定所述主体、上盖及下盖的螺栓；

位于所述上盖的参比电极插孔、辅助电极插孔、进气管插孔、出气管插孔、上螺栓口以及上垫圈槽；所述参比电极插孔用于安装参比电极；所述辅助电极插孔用于安装辅助电极；

位于所述下盖的工作电极插孔、下螺栓口以及下垫圈槽；所述工作电极插孔用于安装工作电极；所述工作电极为表面涂覆硫单质的金属试样，所述工作电极从下向上穿过所述工作电极插孔。

具体地，所述工作电极插孔安装有工作电极；所述参比电极插孔安装有参比电极；所述辅助电极插孔安装有辅助电极；所述进气管插孔安装有进气管；所述出气管插孔安装有出气管。

具体地，所述电化学装置还包括：位于所述上垫圈槽内的上垫圈，位于所述下垫圈槽内的下垫圈。

具体地，所述电化学装置还包括：包覆在所述工作电极外部的工作电极外包；包覆在所述工作电极外包外部的工作电极套；包覆在所述参比电极外部的参比电极套；包覆在所述辅助电极外部的辅助电极套。

具体地，所述工作电极套与所述工作电极插孔之间有工作电极密封圈，所述参比电极套与所述参比电极插孔之间有参比电极密封圈，所述辅助电极套与所述辅助电极插孔之间有辅助电极密封圈。

具体地，所述工作电极外包与所述工作电极套之间、所述工作电极套与所述工作电极插孔之间、所述参比电极套与所述参比电极插孔之间以及所述辅助电极套与所述辅助电极插孔之间通过螺纹连接。

具体地，通过改变所述工作电极外包的尺寸来固定不同尺寸所述工作电极。

具体地，所述进气管长度为所述主体深度的2/3；所述出气管管口与所述上盖平行。

具体地，所述参比电极插孔位于所述上盖中心；所述进气管插孔与所述出气管插孔对称分布在所述参比电极插孔两侧；所述辅助电极插孔位于所述进气管插孔与所述出气管插孔连线的中垂线上；所述工作电极插孔位于所述下盖中心。

具体地，所述参比电极插孔、辅助电极插孔、进气管插孔以及出气管插孔均贯穿所述上盖；所述工作电极电极插孔贯穿所述下盖。

具体地，所述上垫圈槽、下垫圈槽分别位于所述上盖、下盖的中心，且为圆环形状。

具体地，所述上螺栓口、下螺栓口分别在所述上盖、下盖的边缘，并且均匀分布。

具体地，所述主体、上盖以及下盖采用聚乙烯材料制造。

具体地，所述螺栓采用碳钢材料制造。

具体地，所述参比电极密封圈、工作电极密封圈、辅助电极密封圈、上垫圈以及下垫圈采用橡胶材料制造。

具体地，所述电化学装置通过外接电化学工作站进行电化学测试。

本发明技术方案的有益效果是：本发明对传统电化学测试装置进行改进，将工作电极插孔设置在下盖，工作电极从下向上穿过工作电极插孔，便于垢样在工作电极上的固定。本发明的装置中，各个电极外包覆电极套，电极套外安装密封圈，上、下盖与主体之间安装垫圈，这些措施有效保证了装置整体的密封性，使其在含有硫化氢的环境中使用更安全。因此，本发明的电化学装置可以模拟含硫化氢条件下元素硫沉积环境，对试样的腐蚀规律进行测试，得到真实、准确的数据。此外，该装置中各个部分之间通过螺纹连接，便于组装、拆卸以及清洗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的用于元素硫垢下腐蚀测试的电化学装置的结构示意图；

图2为本发明实施例1提供的用于元素硫垢下腐蚀测试的电化学装置的分解图；

图3为本发明实施例1提供的用于元素硫垢下腐蚀测试的电化学装置的上盖俯视图；

图4为本发明实施例1提供的用于元素硫垢下腐蚀测试的电化学装置的下盖俯视图。

图中标记分别表示：

1、工作电极，2、工作电极外包，3、工作电极密封圈，4、螺栓，

5、工作电极套，6、工作电极插孔，7、下盖，8、下垫圈槽，

9、下垫圈，10、主体，11、上垫圈，12、上垫圈槽，

13、上盖，14、参比电极插孔，15、进气管，16、出气管，

17、参比电极密封圈，18、参比电极套，

19、进气管插孔，20、出气管插孔，

21、辅助电极插孔，22、上螺栓口，23、下螺栓口，

24、参比电极，25、辅助电极。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明提供了一种用于元素硫垢下腐蚀测试的电化学装置，包括：

主体，上盖，下盖，用于固定所述主体、上盖及下盖的固定螺栓；

位于所述上盖的参比电极插孔、辅助电极插孔、进气管插孔、出气管插孔、上螺栓口以及上垫圈槽；所述参比电极插孔用于安装参比电极；所述辅助电极插孔用于安装辅助电极；

位于所述下盖的工作电极插孔、下螺栓口以及下垫圈槽。所述工作电极插孔用于安装工作电极；所述工作电极为表面涂覆硫单质的金属试样，所述工作电极从下向上穿过所述工作电极插孔。

本发明对传统的电化学测试装置进行改进，将工作电极插孔设置在下盖，工作电极从下向上穿过工作电极插孔，便于垢样在工作电极上的固定。本发明的装置中，各个电极外包覆电极套，电极套外安装密封圈，上、下盖与主体之间安装垫圈，这些措施有效保证了装置整体的密封性，使得在含有硫化氢的环境中使用更安全。因此，本发明的电化学装置可以模拟含硫化氢条件下元素硫沉积环境，对试样的腐蚀规律进行测试，得到真实、准确的数据。

该装置的工作原理是：将上、下垫圈分别安装在上、下盖的垫圈槽中，用螺栓将上、下盖及主体组装好；将参比电极穿入参比电极套，安装参比电极密封圈后通过参比电极套外部的螺纹将参比电极固定在上盖上的参比电极插孔内；将辅助电极穿过辅助电极套，安装辅助电极密封圈后通过辅助电极套外部的螺纹将辅助电极固定在上盖上的辅助电极插孔内。

按照电化学测试中对工作电极的要求将待测试样制成工作电极，并在工作电极上焊接铜导线，用于与电化学工作站连接。将工作电极套入工作电极外包，在套入工作电极外包前，要先在工作电极与工作电极外包接触的表面涂覆密封胶；然后将工作电极固定在工作电极套内；在露出工作电极套的表面上涂覆单质硫，来模拟元素硫沉积；在工作电极套外安装工作电极密封圈后，通过工作电极套外部的螺纹将工作电极从下向上固定在下盖工作电极插孔内；在安装工作电极时要保证工作电极表面与主体容器下方平行，从底部插入时保证切口密封，防止腐蚀工作液泄露；整个过程中电化学腐蚀试样仅露出电化学腐蚀试样的工作面，符合电化学腐蚀测试的要求。

上述参比电极和辅助电极为电化学测试常用的电极，例如饱和甘汞电极、铂电极等。

将进气管、出气管通过螺栓密封安装在上盖上的进气管插孔、出气管插孔处，使进入主体内部的进气管长度大致为主体深度的2/3，出气管口与上盖平行；从进气管向主体内部加入电化学腐蚀工作液，例如5％氯化钠溶液。

将上述组装好的电化学装置与外部电化学工作站连接，对覆盖硫垢的工作电极的腐蚀情况进行测试，例如可以通过测定极化曲线来得出工作电极金属材料的腐蚀速度；在测试过程中，还可以通过进气管向装置内部通入硫化氢气体，模拟含硫化氢环境下的腐蚀测试。

在上述的电化学装置中，位于上盖、下盖上的各个插孔的位置没有严格的限制，只要保证该装置的正常运行即可。但是优选，参比电极插孔位于上盖中心；进气管插孔与出气管插孔对称分布在参比电极插孔两侧；辅助电极插孔位于进气管插孔与出气管插孔连线的中垂线上，工作电极插孔位于下盖中心；这样的设计可以使整个装置重心平稳，保证实验安全进行。

在上述的电化学装置中，主体以及上、下盖的形状及没有特殊要求，但是优选圆柱体，因为圆柱体便于成型加工。

在上述的电化学装置中，上、下盖与主体之间有垫圈，工作电极、参比电极以及辅助电极在安装至相应的插孔时都先安装密封圈；这样就保证了整个装置的密封性，使该装置可以用于含硫化氢的腐蚀环境。

在上述的电化学装置中，上螺栓口、下螺栓口分别在上盖、下盖上均匀分布。使用的螺栓的数量没有严格的限制，但是优选3根；这样螺栓口的连线可以形成正三角形，在保证装置重心平稳的基础上降低成本。

在上述的电化学装置中，主体、上盖以及下盖采用聚乙烯材料制造，因为聚乙烯材料密封性能好、耐腐蚀性能好，且便于清洗。

在上述的电化学装置中，各电极密封圈以及上、下垫圈采用橡胶材料制造，因为橡胶材料密封性能好、耐腐蚀性能好。此外，各密封圈的内径应略小于相应的电极的直径，这样有利于装置的密封。

在上述的电化学装置中，通过改变工作电极外包的尺寸将不同尺寸的工作电极固定安装在工作电极插孔中，从而改变工作电极的工作面积大小，可以进行不同腐蚀面积实验。

在上述的电化学装置中，所述电化学装置通过外接电化学工作站进行电化学测试。本发明的电化学装置与电化学工作站的连接方式与现有技术一致。

利用上述电化学装置，可以进行以下研究：一方面可以改变工作电极材料，对不同金属材料的腐蚀情况进行测试，选择耐腐蚀性能良好的材料制造天然气管道，保证天然气生产、输送过程的安全；另一方面可以改变电化学腐蚀实验的测试条件，例如改变腐蚀工作液成分、H₂S通入量等，来研究不同条件下工作电极的腐蚀情况，以便在实际生产中采取相应措施防止管线腐蚀。

在上述的电化学装置中，还可以向工作电极表面涂覆其他垢样进行垢下腐蚀测试，应用范围广。

实施例1

本实施例提供一种用于元素硫垢下腐蚀测试的电化学装置。

如图1-4所示，图1-4分别为本实施例提供的用于元素硫垢下腐蚀测试的电化学装置的结构示意图、分解图、上盖俯视图以及下盖俯视图，聚乙烯材料制造的主体10、上盖13以及下盖7通过3根碳钢制造的螺栓4固定在一起；主体10、上盖13以及下盖7均为圆柱体。其中，主体10高为10厘米，直径为10厘米。

上盖13上有参比电极插孔14、辅助电极插孔21、进气管插孔19、出气管插孔20、上垫圈槽12以及3个上螺栓口22；其中，参比电极插孔14位于上盖13中心，进气管插孔19与出气管插孔20对称分布在参比电极插孔14两侧，辅助电极插孔21位于进气管插孔19与出气管插孔20连线的中垂线上，上垫圈槽12为圆环形且与上盖13同心，3个上螺栓口22位于上盖13边缘并均匀分布，且它们的连线呈正三角形；参比电极插孔14、辅助电极插孔21、进气管插孔19、出气管插孔20贯穿上盖13。

下盖7上有工作电极插孔6、下垫圈槽8以及3个下螺栓口23；其中，工作电极插孔6位于下盖7的中心，下垫圈槽为圆环形且与下盖7同心，3个下螺栓口23位于下盖7边缘并均匀分布，且它们的连线呈正三角形；工作电极插孔6贯穿下盖7。

工作电极1通过工作电极外包2固定在工作电极套5中，进而固定在工作电极插孔6中，工作电极套和下盖7之间用工作电极密封圈3密封；工作电极6和工作电极外包2接触的表面涂有密封胶；工作电极6的工作表面涂覆有硫单质；工作电极外包2尺寸根据工作电极1的尺寸设计。

参比电极24通过参比电极套18固定在参比电极插孔14中，参比电极套18和上盖13之间用参比电极密封圈17密封；辅助电极25通过辅助电极套(图中未示出)固定在辅助电极插孔21中，辅助电极套和上盖13之间用辅助电极密封圈(图中未示出)密封；上述各个电极的密封圈内径略小于相应电极直径，保证整个装置的密封性。

工作电极外包2与工作电极套5之间、工作电极套5与工作电极插孔6之间、参比电极套18与参比电极插孔14之间以及辅助电极套与辅助电极插孔21之间均通过螺纹连接。

进气管15、出气管16通过螺栓分别固定在进气管插孔19、出气管插孔20中；其中，进入主体10内部的进气管16长度大致为主体1深度的2/3。

上盖13、下盖7与主体10之间通过安装在上垫圈槽12内的上垫圈11、安装在下垫圈槽8内的下垫圈9密封。

该装置密封性能好，组装、拆卸方便，便于清洗；工作电极6从下向上固定在下盖7上，便于在工作电极6表面涂覆单质硫来模拟元素硫沉积环境；该装置适用于含硫化氢环境中，元素硫垢下腐蚀的研究。

实施例2

本实施例提供一种利用实施例1提供的电化学装置进行元素硫垢下腐蚀测试的应用。

将上、下垫圈11、9分别安装在上、下盖的垫圈槽12、8中，用螺栓将上、下盖13、7及主体1组装好；将饱和甘汞电极(即参比电极24)穿过参比电极套18，安装参比电极密封圈17后通过参比电极套18外部的螺纹将参比电极24固定在上盖13上参比电极插孔内14。

将铂电极(即辅助电极25)穿过辅助电极套，安装辅助电极密封圈后通过辅助电极套外部的螺纹将辅助电极固定在上盖13上辅助电极插孔内21。

按照电化学测试中对工作电极的要求将L245钢制成工作电极1，将工作电极1套入工作电极外包2，在套入工作电极外包2前，要先在工作电极1与工作电极外包2接触的表面涂覆密封胶；然后将工作电极1固定在工作电极套内5；在露出工作电极套5的表面上涂覆单质硫；在工作电极套5外安装工作电极密封圈3后，通过工作电极套5外部的螺纹将工作电极1从下向上固定在下盖7工作电极插孔6内；在安装工作电极1时要保证工作电极1表面与主体10下方平行，从底部插入时保证切口密封。

将进气管15、出气管16通过螺栓密封安装在上盖13上的进气管插孔19、出气管插孔20处，使进入主体10内部的进气管15的长度为主体10深度的2/3，出气管20管口与上盖13平行。

从进气管15向主体1内部加入5％的NaCl水溶液作为电化学腐蚀工作液；通过进气管15向装置内部通入硫化氢气体至饱和，模拟含硫化氢环境下的腐蚀测试。

将上述组装好的电化学装置与PARSTAT2273型电化学工作站连接，测定极化曲线。

测试结果满足电化学腐蚀测试的准确度要求以及精度要求，且在整个测试过程中没有发生硫化氢的泄漏，因此，本发明提供的装置可以模拟含硫化氢条件下元素硫沉积环境，接近真实工况，对元素硫垢下腐蚀规律进行测试，得到的数据真实、准确。

以上所述仅是为了便于本领域的技术人员理解本发明的技术方案，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种用于元素硫垢下腐蚀测试的电化学装置，所述电化学装置包括：

主体，上盖，下盖，用于固定所述主体、上盖及下盖的螺栓；

位于所述上盖的参比电极插孔、辅助电极插孔、进气管插孔、出气管插孔、上螺栓口以及上垫圈槽；所述参比电极插孔用于安装参比电极；所述辅助电极插孔用于安装辅助电极；

位于所述下盖的工作电极插孔、下螺栓口以及下垫圈槽；所述工作电极插孔用于安装工作电极；所述工作电极为表面涂覆硫单质的金属试样；所述工作电极从下向上穿过所述工作电极插孔。

2.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述工作电极插孔安装有工作电极；所述参比电极插孔安装有参比电极；所述辅助电极插孔安装有辅助电极；所述进气管插孔安装有进气管；所述出气管插孔安装有出气管。

3.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述电化学装置还包括：位于所述上垫圈槽内的上垫圈，位于所述下垫圈槽内的下垫圈。

4.根据权利要求2所述的电化学装置，其特征在于，所述电化学装置还包括：包覆在所述工作电极外部的工作电极外包；包覆在所述工作电极外包外部的工作电极套；包覆在所述参比电极外部的参比电极套；包覆在所述辅助电极外部的辅助电极套。

5.根据权利要求4所述的电化学装置，其特征在于，所述工作电极套与所述工作电极插孔之间有工作电极密封圈，所述参比电极套与所述参比电极插孔之间有参比电极密封圈，所述辅助电极套与所述辅助电极插孔之间有辅助电极密封圈。

6.根据权利要求4所述的电化学装置，其特征在于，所述工作电极外包与所述工作电极套之间、所述工作电极套与所述工作电极插孔之间、所述参比电极套与所述参比电极插孔之间以及所述辅助电极套与所述辅助电极插孔之间通过螺纹连接。

7.根据权利要求4所述的电化学装置，其特征在于，通过改变所述工作电极外包的尺寸来固定不同尺寸所述工作电极。

8.根据权利要求2所述的电化学装置，其特征在于，所述进气管长度为所述主体深度的2/3；所述出气管管口与所述上盖平行。

9.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述参比电极插孔位于所述上盖中心；所述进气管插孔与所述出气管插孔对称分布在所述参比电极插孔两侧；所述辅助电极插孔位于所述进气管插孔与所述出气管插孔连线的中垂线上；所述工作电极插孔位于所述下盖中心。

10.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述参比电极插孔、辅助电极插孔、进气管插孔以及出气管插孔均贯穿所述上盖；所述工作电极电极插孔贯穿所述下盖。

11.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述上垫圈槽、下垫圈槽分别位于所述上盖、下盖的中心，且为圆环形状。

12.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述上螺栓口、下螺栓口分别在所述上盖、下盖的边缘，并且均匀分布。

13.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述主体、上盖以及下盖采用聚乙烯材料制造。

14.根据权利要求1所述的电化学装置，其特征在于，所述螺栓采用碳钢材料制造。

15.根据权利要求5所述的电化学装置，其特征在于，所述参比电极密封圈、工作电极密封圈、辅助电极密封圈、上垫圈以及下垫圈采用橡胶材料制造。

16.根据权利要求1-15任一项所述的电化学装置，其特征在于，所述电化学装置通过外接电化学工作站进行电化学测试。