CN105891097B - 一种用于测量金属管外壁腐蚀的传感器 - Google Patents

Abstract

一种用于测量金属管外壁腐蚀的传感器，包括圆盘形盖板、参比电极柱、辅助电极和圆环形底座，圆盘形盖板的中心位置设置有盖板中孔，在圆盘形盖板小圆盘的外侧设置螺纹，参比电极柱包括由参比电极接线柱，连接柱和氯化银丝组成的上部，和由紧固螺管和玻璃管组成的下部，上部的连接柱套在下部玻璃管的外侧，连接柱内的氯化银丝伸入至玻璃管底端，辅助电极的铂片设置于圆盘形盖板的小圆盘的下方，圆环形底座的内部设置环形磁铁，将整个装置吸附在实验金属的表面，该测试装置反应灵敏，便于携带，操作便捷，能够在服役状态下迅速判断出金属管线外壁涂装破损情况、破损类型和腐蚀程度。

Description

一种用于测量金属管外壁腐蚀的传感器

技术领域

本发明涉及金属腐蚀测量装置，尤其涉及一种用于测量金属管外壁腐蚀的传感器。

背景技术

有调查表明，全世界每年因腐蚀造成的经济损失达6000亿至12000亿元，占各国国民生产总值的2％-4％。特别是对于水利或油气输送管线，其运行过程中管道的安全性具有重要意义。影响金属管线服役年限的因素有很多，例如管道工作压力、加工材质、第三方破坏、金属腐蚀、涂层破裂等因素均会导致管线使用年限缩短。其中，腐蚀因素对于管线服役年限的影响程度最为严重。

引起金属腐蚀的环境千差万别，即便是同一种材料，在不同的腐蚀环境下其腐蚀形态也存在差异。针对金属管线的服役环境，管线钢的腐蚀类型可分为均匀腐蚀、点蚀、缝隙腐蚀、冲刷腐蚀及应力腐蚀等。在管线的服役过程中，腐蚀产物形成并会沉积在管线钢的表面，影响管线钢进一步的腐蚀过程。管线钢的腐蚀机制是由其腐蚀产物的成分和结构所决定，不止如此，腐蚀产物层的性质还决定了腐蚀速率的变化。

因输送管线腐蚀破坏后果的严重性，以及其腐蚀过程的复杂性，对金属管线在服役期间的腐蚀状态进行便捷的检测和准确的评价则显得尤为重要。在腐蚀检测和评价方面，电化学方法有着独特的优势。待检测和评价的金属管线外壁一般覆有防护涂层，是金属/涂层体系。随着服役时间的延长，防护涂层逐步失效，管线钢表面有腐蚀产物生成，这时成为金属/锈层/涂层体系。涂层下金属腐蚀主要是电化学腐蚀，防护涂层在失效过程中，伴随着一系列的电化学变化。通过检测电化学信号变化，可以获得金属腐蚀与涂层防护性能变化的动态信息，实现涂层耐蚀性与管线钢腐蚀过程的定量与半定量评价。目前，国内对金属管线耐蚀性能的评估方法仅限于对管道的形变、外覆涂层使用状态的监测，或者使用无损探伤手段对外壁已发生破损的管线进行破坏位置及破损程度探查，同时结合管线表面形貌变化等参数，对金属管线整体的腐蚀状况做出间接评价，无法对金属管线在服役状态下的腐蚀状态进行定量评价。基于电化学测量原理，对金属管线外壁的腐蚀状态进行在线快速检测和评价且适用于各种规格金属管线外壁的电化学测量传感器及评价方法，在国内未有使用过。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种用于测量金属管外壁腐蚀的传感器。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于测量金属管外壁腐蚀的传感器包括圆盘形盖板、参比电极柱、辅助电极和圆环形底座，具体来说：

圆盘形盖板由上大下小的两个圆盘形结构组成，上方的圆盘为大圆盘，下方的圆盘为小圆盘，在圆盘形盖板的中心位置设置有盖板中孔，盖板中孔分为上下两段孔，上段孔的直径大于下段孔的直径，上段孔内设置有螺纹，用于与参比电极柱的紧固螺管连接，在小圆盘的外侧设置螺纹，用于与圆环形底座的连接；

在上述技术方案中，其中所述的小圆盘直径为大圆盘直径的1/3-1/2；

参比电极柱包括由参比电极接线柱，连接柱和氯化银丝组成的上部，和由紧固螺管和玻璃管组成的下部；在连接柱的上平面中心垂直设置参比电极连接柱，连接柱内部垂直于上平面设置有氯化银丝，氯化银丝的顶端穿过中孔连接柱的上平面与参比电极连接柱的底端相连；在紧固螺管的下端外侧设置有螺纹，用于与圆盘形盖板的盖板上段孔连接，在紧固螺管的内部设置玻璃管，玻璃管上方开口，内部中空，用以填充琼脂和饱和氯化钾溶液作为盐桥，在玻璃管的下端设置多孔陶瓷，上部的连接柱套在下部玻璃管的外侧，连接柱内的氯化银丝伸入至玻璃管底端；上部与下部保持连接，组成参比电极柱整体；

在上述技术方案中，其中所述的氯化银丝底端距离玻璃管底端的距离为0.5-2cm；

在上述技术方案中，所述的多孔陶瓷为堇青石、钛酸铝材料，作为缓冲溶液的过滤介质，多孔陶瓷的厚度为1-10mm；

辅助电极包括铂片和辅助电极接线柱，铂片设置于圆盘形盖板的小圆盘的下方，面积与小圆盘的面积相同，铂片的中央设置有圆孔，参比电极柱玻璃管穿过铂片中央圆孔，并设置紧固螺母，用于将铂片固定在圆盘形盖板的小圆盘上，辅助电极接线柱垂直设置于圆盘形盖板内，辅助电极接线柱距离圆盘形盖板圆心的水平距离小于小圆盘的半径，辅助电极接线柱贯穿大圆盘和小圆盘，下端与铂片相连，上端一部分暴露在圆盘形盖板的大圆盘的上方；

在上述技术方案中，所述的辅助电极接线柱暴露在圆盘形盖板的大圆盘上方的部分长度占整体长度的1/3-1/2；

在上述技术方案中，所述的铂片为Ag/AgCl电极；

圆环形底座为圆环形柱体，圆环的外周圆面积大小与圆盘形盖板的大圆盘的面积相同，圆环的内周圆面积大小与圆盘形盖板的小圆盘的面积相同，圆环形底座的内侧设置螺纹，用于与圆盘形盖板的小圆盘连接，圆环形底座的厚度大于圆盘形盖板的小圆盘的厚度，圆环形底座与圆盘形盖板通过螺纹连接后，形成凹槽，此凹槽作为填充浸润缓冲液的海绵的空间，详见后续实验方法；圆环形底座的内部设置环形磁铁，用于将整个装置吸附在实验金属的表面，在圆环形底座内圆的边缘设置环形垫圈；

在上述技术方案中，其中所述的小圆盘高度为圆环形底座高度的1/3-1/2；

在上述技术方案中，其中所述的凹槽底面面积为铂片的面积、高度为圆环形底座的高度减去圆盘形盖板的小圆盘的高度的差值；

在上述技术方案中，其中所述的环形磁铁设置于圆环形底座向下的一侧；

在使用本发明的传感器测试时，按照以下步骤进行：

步骤1：将玻璃管中填充以填充琼脂和饱和氯化钾溶液，作为反应中的盐桥，

步骤2：将连接柱套在玻璃管外侧，使氯化银丝伸入至玻璃管底端，将参比电极柱整体，通过螺纹与圆盘形盖板连接，将圆盘形盖板通过螺纹与圆环形底座连接，

步骤3：向凹槽内填充浸润缓冲溶液的吸附材料，

步骤4：将整个装置通过环形磁铁固定在传感器表面，并保持密封，以凹槽对应的测试金属作为工作电极，铂片作为辅助电极，工作电极与辅助电极的面积一致，氯化银丝作为参比电极，

步骤5：将电化学工作站接在参比电极接线柱和辅助电极接线柱上，即可进行测试。

在上述技术方案中，其中所述的吸附材料为海绵。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：该传感器制作简单，反应灵敏，便于携带，操作便捷；评价方法简单准确，数据可分辨性高，能够在服役状态下迅速判断出金属管线外壁涂装破损情况、破损类型、腐蚀程度，并适用于对各种规格金属管线外壁涂装的腐蚀状态进行快速检测和评价。

附图说明

图1为本传感器装置参比电极柱与圆盘形盖板连接结构示意图。

图2为参比电极柱侧视结构示意图。

图3为圆盘形盖板侧视结构示意图。

图4为圆盘形盖板底部平面结构示意图。

图5为圆环形底座结构示意图。

图6为圆环形底座侧视结构示意图。

图7为圆环形底座底部平面结构示意图。

图8为表层涂覆有环氧树脂的X65管线钢在模拟海水中浸泡第10-50天的电化学阻抗谱。

图9为表层涂覆有环氧树脂的X65管线钢在模拟海水中浸泡第10天的腐蚀形貌。

图10为表层涂覆有环氧树脂的X65管线钢在模拟海水中浸泡第20天的腐蚀形貌。

图11为表层涂覆有环氧树脂的X65管线钢在模拟海水中浸泡第140-200天的电化学阻抗谱。

图12为表层涂覆有环氧树脂的X65管线钢在模拟海水中浸泡第140天的腐蚀形貌。

图13为表层涂覆有环氧树脂的X65管线钢在模拟海水中浸泡第200天的腐蚀形貌。

图14为本传感器装置整体结构示意图。

其中1为参比电极接线柱，2为氯化银丝，3为辅助电极接线柱，4为玻璃管，5为紧固螺管，6为圆盘形盖板，7为圆环形底座，8为环形磁铁，9为铂片，10为紧固螺母，11为环形垫圈，12为多孔陶瓷，13为盖板中孔，14为小圆盘，15为大圆盘，16为上段孔，17为下段孔，18为连接柱，19为凹槽。

具体实施方式

下面结合附图与具体的实施方式对本发明作进一步详细描述：

一种用于测量金属管外壁腐蚀的传感器包括圆盘形盖板、参比电极柱、辅助电极和圆环形底座，具体来说：

圆盘形盖板由上大下小的两个圆盘形结构组成，上方的圆盘为大圆盘，下方的圆盘为小圆盘，在圆盘形盖板的中心位置设置有盖板中孔，盖板中孔分为上下两段孔，上段孔的直径大于下段孔的直径，上段孔内设置有螺纹，用于与参比电极柱的紧固螺管连接，在小圆盘的外侧设置螺纹，用于与圆环形底座的连接；

在上述技术方案中，其中所述的小圆盘直径为大圆盘直径的1/3-1/2；

参比电极柱包括由参比电极接线柱，连接柱和氯化银丝组成的上部，和由紧固螺管和玻璃管组成的下部；在连接柱的上平面中心垂直设置参比电极连接柱，连接柱内部垂直于上平面设置有氯化银丝，氯化银丝的顶端穿过中孔连接柱的上平面与参比电极连接柱的底端相连；在紧固螺管的下端外侧设置有螺纹，用于与圆盘形盖板的盖板上段孔连接，在紧固螺管的内部设置玻璃管，玻璃管上方开口，内部中空，用以填充琼脂和饱和氯化钾溶液作为盐桥，在玻璃管的下端设置多孔陶瓷，上部的连接柱套在下部玻璃管的外侧，连接柱内的氯化银丝伸入至玻璃管底端；上部与下部保持连接，组成参比电极柱整体；

在上述技术方案中，其中所述的氯化银丝底端距离玻璃管底端的距离为0.5-2cm；

在上述技术方案中，所述的多孔陶瓷为堇青石、钛酸铝材料，作为缓冲溶液的过滤介质，多孔陶瓷的厚度为1-10mm；

辅助电极包括铂片和辅助电极接线柱，铂片设置于圆盘形盖板的小圆盘的下方，面积与小圆盘的面积相同，铂片的中央设置有圆孔，参比电极柱玻璃管穿过铂片中央圆孔，并设置紧固螺母，用于将铂片固定在圆盘形盖板的小圆盘上，辅助电极接线柱垂直设置于圆盘形盖板内，辅助电极接线柱距离圆盘形盖板圆心的水平距离小于小圆盘的半径，辅助电极接线柱贯穿大圆盘和小圆盘，下端与铂片相连，上端一部分暴露在圆盘形盖板的大圆盘的上方；

在上述技术方案中，所述的辅助电极接线柱暴露在圆盘形盖板的大圆盘上方的部分长度占整体长度的1/3-1/2；

在上述技术方案中，所述的铂片为Ag/AgCl电极；

圆环形底座为圆环形柱体，圆环的外周圆面积大小与圆盘形盖板的大圆盘的面积相同，圆环的内周圆面积大小与圆盘形盖板的小圆盘的面积相同，圆环形底座的内侧设置螺纹，用于与圆盘形盖板的小圆盘连接，圆环形底座的厚度大于圆盘形盖板的小圆盘的厚度，圆环形底座与圆盘形盖板通过螺纹连接后，形成凹槽，此凹槽作为填充浸润缓冲液的海绵的空间，详见后续实验方法；圆环形底座的内部设置环形磁铁，用于将整个装置吸附在实验金属的表面，在圆环形底座内圆的边缘设置环形垫圈；

在上述技术方案中，其中所述的小圆盘高度为圆环形底座高度的1/3-1/2；

在上述技术方案中，其中所述的凹槽底面面积为铂片的面积、高度为圆环形底座的高度减去圆盘形盖板的小圆盘的高度的差值；

在上述技术方案中，其中所述的环形磁铁设置于圆环形底座向下的一侧；

在使用本发明的传感器测试时，按照以下步骤进行：

步骤1：将玻璃管中填充以填充琼脂和饱和氯化钾溶液，作为反应中的盐桥，

步骤2：将连接柱套在玻璃管外侧，使氯化银丝伸入至玻璃管底端，将参比电极柱整体，通过螺纹与圆盘形盖板连接，将圆盘形盖板通过螺纹与圆环形底座连接，

步骤3：向凹槽内填充浸润缓冲溶液的吸附材料，

步骤4：将整个装置通过环形磁铁固定在传感器表面，并保持密封，以凹槽对应的测试金属作为工作电极，铂片作为辅助电极，工作电极与辅助电极的面积一致，氯化银丝作为参比电极，

步骤5：将电化学工作站接在参比电极接线柱和辅助电极接线柱上，即可进行测试。

在上述技术方案中，其中所述的吸附材料为海绵。

由于圆环形底座内嵌有一块环形磁铁，使传感器在强磁铁的作用下可以固定在金属管线上方，适用于各种规格金属管线。参比电极为AgCl电极，稳定性高、适用性广；辅助电极为直径30mm的铂片，辅助电极面积与工作电极暴露于溶液环境中的工作面积基本相同，保证测试数据的准确性在使用时可以根据实验需要，调整小圆盘的高度以使凹槽的深度改变。检测利用电化学阻抗谱技术对金属管线外壁进行测试，测试方法简单、数据采集迅速，通过对数据进行分析，可以判断金属管线外壁的腐蚀状态及涂层的完整性和破损程度。

实施例1：

利用AutoLab 302N电化学工作站和研制出的传感器进行电化学阻抗测试，测试试样为X65管线钢，试样外壁均匀涂覆环氧树脂涂层，测试溶液为3.5wt％浓度氯化钠水溶液(模拟海水)，海绵吸满测试溶液后塞入传感器底部，试验温度25℃，测试周期为50天，结果如图8所示。

浸泡时间直到第10天，所测得的阻抗复数平面图仍旧呈单个半圆弧的形状，由容抗弧的半径可以推断出所测的内壁表面具有较高的涂层电阻(50MΩ*cm2)，表明其耐蚀性良好。为了进一步证实实验数据的准确性，将试样放置于基恩士VHX-2000全景深显微镜下放大观察，发现涂层表面完整光滑，没有破损现象发生，如图9所示。

当浸泡时间达到20天时，所测得的阻抗复数平面图开始呈现双容抗弧的特征，且容抗弧的半径明显减小。说明有部分溶液已经可以透过涂层渗透到了金属基体表面，涂层的耐蚀保护性能在逐渐失效。为了进一步证实实验数据的准确性，将试样放置于基恩士VHX-2000全景深显微镜下放大观察，发现涂层表面有小面积的破损，局部区域金属基体已经暴露，见图10。

实施例2：

利用AutoLab 302N电化学工作站和研制出的传感器进行电化学阻抗测试，测试试样为X65管线钢，试样外壁均匀涂覆环氧树脂涂层，测试溶液为3.5wt％浓度氯化钠水溶液(模拟海水)，海绵吸满测试溶液后塞入传感器底部，试验温度25℃，测试时间分别为浸泡第140天和第200天，结果如图11所示。

在浸泡第200天时，所测得的阻抗复数平面图开始呈现双容抗弧+扩散阻抗的三个时间常数特征，容抗弧半径与浸泡前期相比降低明显(30KΩ*cm2),说明溶液已经透过涂层到达金属基体表面并发生腐蚀，涂层的耐蚀保护性能已经失效。为了进一步证实实验数据的准确性，将试样放置于基恩士VHX-2000全景深显微镜放大观察，发现涂层表面存在较大面积的红褐色腐蚀产物，涂层发生严重的破损。图12、图13分别为浸泡第140天和第200天后的试样表面形貌。

以上对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (7)

1.一种用于测量金属管外壁腐蚀的传感器的测试方法，其特征在于：

所述测试方法采用的实验装置包括圆盘形盖板、参比电极柱、辅助电极和圆环形底座，圆盘形盖板由上大下小的两个圆盘形结构组成，上方的圆盘为大圆盘，下方的圆盘为小圆盘，在圆盘形盖板的中心位置设置有盖板中孔，盖板中孔分为上下两段孔，上段孔的直径大于下段孔的直径，上段孔内设置有螺纹，用于与参比电极柱的紧固螺管连接，在小圆盘的外侧设置螺纹，用于与圆环形底座的连接；

参比电极柱包括由参比电极接线柱，连接柱和氯化银丝组成的上部，和由紧固螺管和玻璃管组成的下部；在连接柱的上平面中心垂直设置参比电极连接柱，连接柱内部垂直于上平面设置有氯化银丝，氯化银丝的顶端穿过中孔连接柱的上平面与参比电极连接柱的底端相连；在紧固螺管的下端外侧设置有螺纹，用于与圆盘形盖板的盖板上段孔连接，在紧固螺管的内部设置玻璃管，玻璃管上方开口，内部中空，用以填充琼脂和饱和氯化钾溶液作为盐桥，在玻璃管的下端设置多孔陶瓷，上部的连接柱套在下部玻璃管的外侧，连接柱内的氯化银丝伸入至玻璃管底端；上部与下部保持连接，组成参比电极柱整体；

辅助电极包括铂片和辅助电极接线柱，铂片设置于圆盘形盖板的小圆盘的下方，面积与小圆盘的面积相同，铂片的中央设置有圆孔，参比电极柱玻璃管穿过铂片中央圆孔，并设置紧固螺母，用于将铂片固定在圆盘形盖板的小圆盘上，辅助电极接线柱垂直设置于圆盘形盖板内，辅助电极接线柱距离圆盘形盖板圆心的水平距离小于小圆盘的半径，辅助电极接线柱贯穿大圆盘和小圆盘，下端与铂片相连，上端一部分暴露在圆盘形盖板的大圆盘的上方；

圆环形底座为圆环形柱体，圆环的外周圆面积大小与圆盘形盖板的大圆盘的面积相同，圆环的内周圆面积大小与圆盘形盖板的小圆盘的面积相同，圆环形底座的内侧设置螺纹，用于与圆盘形盖板的小圆盘连接，圆环形底座的厚度大于圆盘形盖板的小圆盘的厚度，圆环形底座与圆盘形盖板通过螺纹连接后，形成凹槽；圆环形底座的内部设置环形磁铁，用于将整个装置吸附在实验金属的表面，在圆环形底座内圆的边缘设置环形垫圈；

实验步骤如下：

步骤1：将玻璃管中填充以填充琼脂和饱和氯化钾溶液，作为反应中的盐桥，

步骤2：将连接柱套在玻璃管外侧，使氯化银丝伸入至玻璃管底端，将参比电极柱整体，通过螺纹与圆盘形盖板连接，将圆盘形盖板通过螺纹与圆环形底座连接，

步骤3：向凹槽内填充浸润缓冲溶液的吸附材料，

步骤4：将整个装置通过环形磁铁固定在测试装置表面，并保持密封，以凹槽对应的测试金属作为工作电极，铂片作为辅助电极，工作电极与辅助电极的面积一致，氯化银丝作为参比电极，

步骤5：将电化学工作站接在参比电极接线柱和辅助电极接线柱上，进行测试。

2.如权利要求1所述的一种用于测量金属管外壁腐蚀的传感器的测试方法，其特征在于：所述的小圆盘直径为大圆盘直径的1/3-1/2。

3.如权利要求1所述的一种用于测量金属管外壁腐蚀的传感器的测试方法，其特征在于：所述的氯化银丝底端距离玻璃管底端的距离为0.5-2cm。

4.如权利要求1所述的一种用于测量金属管外壁腐蚀的传感器的测试方法，其特征在于：所述的多孔陶瓷为堇青石、钛酸铝材料，作为缓冲溶液的过滤介质，多孔陶瓷的厚度为1-10mm。

5.如权利要求1所述的一种用于测量金属管外壁腐蚀的传感器的测试方法，其特征在于：所述的辅助电极接线柱暴露在圆盘形盖板的大圆盘上方的部分长度占整体长度的1/3-1/2。

6.如权利要求1所述的一种用于测量金属管外壁腐蚀的传感器的测试方法，其特征在于：所述的小圆盘高度为圆环形底座高度的1/3-1/2。

7.如权利要求1所述的一种用于测量金属管外壁腐蚀的传感器的测试方法，其特征在于：所述的凹槽底面面积为铂片的面积、高度为圆环形底座的高度减去圆盘形盖板的小圆盘的高度的差值。