CN106018520A - 一种用于高温高压水环境中电化学测量的电极系统及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高温高压水环境中电化学测量的电极系统及其应用，包括工作电极装置和参比‑对电极装置；工作电极装置的上端设置上螺扣结构，下端设置下螺扣结构，在钢管的内部设置有接线杆，在钢管上一次设置有第一螺帽，第二螺帽和第三螺帽，在接线杆下端连接工作电极试样，参比‑对电极装置内部设置参比电极和对电极，在钢管内部从上至下依次设置上绝缘层，上密封层，双孔陶瓷片，下密封层和下绝缘层，在钢管上端设置上紧固螺母，在钢管下端设置下紧固螺母；本装置有较好的密封性，能满足绝缘要求，并且制备简单、稳定性好、使用便捷。

Description

一种用于高温高压水环境中电化学测量的电极系统及其应用
技术领域
本发明属于电化学电极材料技术领域，尤其是一种用于高温高压水环境中电化学测量的电极系统及其应用。
背景技术
能够耐高温高压、耐腐蚀的特种传感器，是一种包括先进的高温材料学、精密机械加工、电子学、精细化学等多种高新科学技术的高技术产品。这种能在高温高压和强腐蚀的严酷环境中工作的传感器，生产难度极大。由于国内在研制此类传感器关键的技术方面一直没有进展，因此多年来几乎全部依赖进口。而在石油、化工、核能等领域中，有很多重要的工艺必须在高温高压和强腐蚀环境中实施。
发明内容
本发明克服了现有技术中的缺点，提供了一种用于高温高压水环境中电化学测量的电极系统及其应用。
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：
一种用于高温高压水环境中电化学测量的电极系统及其应用，包括工作电极装置和参比-对电极装置；
工作电极装置的主体为一钢管，钢管的上端设置上螺扣结构，下端设置下螺扣结构，用于与螺帽配合固定接线杆，钢管内部中空，在钢管的内部设置有接线杆，接线杆的两端伸出钢管，在接线杆的上方伸出钢管的位置设置上套管，在接线杆的下方伸出钢管的位置设置下套管，上套管和下套管均卡在接线杆与钢管之间，用于固定和密封，接线杆位于钢管内的整个部分包裹一层绝缘布，在钢管的上螺扣结构的上端设置有第一螺帽，第一螺帽套在接线杆上，与上螺扣结构通过螺纹连接，下螺扣结构与钢管连接处设置有卡箍和第二螺帽，卡箍垫在下螺扣结构与钢管之间，第二螺帽与下螺扣结构通过螺纹连接，下螺扣结构的下端设置有第三螺帽，第三螺帽的下端设置有锥形凹槽，接线杆伸出第三螺帽的部分上连接工作电极试样，在工作电极试样与第三螺帽连接处设置有锥形套管；
在上述技术方案中，工作电极装置的钢管为316L不锈钢，钢管的内径为2.5-3.5mm，外径为6-8mm，长度为150-250mm。
在上述技术方案中，接线杆为316L不锈钢，直径为2-5mm，长度为250-350mm。
在上述技术方案中，绝缘布为玻璃纤维绝缘布。
参比-对电极装置的外层为钢管，钢管内部中空，在钢管内部设置参比电极和对电极，参比电极与参比电极连接导线相连，参比电极上端伸出钢管上沿，参比电极连接导线下端伸出钢管下沿，对电极与对电极连接导线相连，对电极上端伸出钢管上沿，对电极连接导线下端伸出钢管下沿，参比电极及其连接导线、对电极及其连接导线与钢管外壁平行设置，互相不接触，在钢管内部从上至下依次设置上绝缘层，上密封层，双孔陶瓷片，下密封层和下绝缘层，在钢管上端设置上紧固螺母，在钢管下端设置下紧固螺母；
在上述技术方案中，所述的参比-对电极装置的钢管为316L不锈钢管，钢管的内径为8-10mm，外径为12-14mm，长度为350-450mm。
在上述技术方案中，所述的双孔陶瓷片的数量为8-15片，双孔陶瓷片的厚度为1-2cm。
在上述技术方案中，所述的参比电极为氯化银丝，对电极为铂片。
在上述技术方案中，所述的上绝缘层为聚四氟乙烯层，所述的下绝缘层为聚四氟乙烯层。
在上述技术方案中，所述的上密封层为陶瓷粉胶体层，所述的下密封层为陶瓷粉胶体层。
一种用于高温高压水环境中电化学测量的电极系统的制备方法，按照下列步骤进行：
步骤1：按照工作电极装置的结构组装工作电极；
步骤2：将参比电极及其连接导线和对电极及其连接导线，放入钢管内部，保持彼此不接触；
步骤3：将8-15片双孔陶瓷片套在参比电极和对电极上，卡在钢管内壁上，使双孔陶瓷片位于钢管管体的中部位置；
步骤4：将陶瓷粉与水按照质量比(3-5)：1的比例混匀搅拌，从钢管的上方与下方倒入钢管中，形成一定厚度的陶瓷粉胶体层；
步骤5：将聚四氟柱体从钢管上方和下方塞入参比电极、对电极与钢管内壁的空隙中，压住陶瓷粉胶体层，保持密封；
步骤6：在钢管的上端拧紧上紧固螺母，在钢管的下端拧紧下紧固螺母，将整个装置在室温(20-25摄氏度)下静置20-30小时，使陶瓷粉胶体凝固。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明适合实验室使用，能够模拟核电站高温高压条件下电化学测量的环境，工作环境最高温度范围约为160℃～250℃，最高压力范围约为6MPa～10MPa，本装置有较好的密封性，能满足绝缘要求，并且制备简单、稳定性好、使用便捷。
附图说明
图1为本发明中工作电极装置结构示意图(图示左侧为上方)。
图2为本发明中参比-对电极装置结构示意图。
图3为实施例示图1。
图4为实施例示图2。
图5为实施例示图3。
其中，1为上套管，2为第一螺帽，3为上螺扣结构，4为钢管，5为接线杆，6为第二螺帽，7为卡箍，8为下螺扣结构，9为下套管，10为第三螺帽，11为锥形套管，12为工作电极试样，13为参比电极，14为对电极，15为上紧固螺母，16为上绝缘层，17为上密封层，18为参比电极连接导线，19为对电极连接导线，20为双孔陶瓷片，21为下密封层，22为下绝缘层，23为下紧固螺母。
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：
一种用于高温高压水环境中电化学测量的电极系统及其应用，包括工作电极装置和参比-对电极装置；
工作电极装置的主体为一钢管，钢管的上端设置上螺扣结构，下端设置下螺扣结构，用于与螺帽配合固定接线杆，钢管内部中空，在钢管的内部设置有接线杆，接线杆的两端伸出钢管，在接线杆的上方伸出钢管的位置设置上套管，在接线杆的下方伸出钢管的位置设置下套管，上套管和下套管均卡在接线杆与钢管之间，用于固定和密封，接线杆位于钢管内的整个部分包裹一层绝缘布，在钢管的上螺扣结构的上端设置有第一螺帽，第一螺帽套在接线杆上，与上螺扣结构通过螺纹连接，下螺扣结构与钢管连接处设置有卡箍和第二螺帽，卡箍垫在下螺扣结构与钢管之间，第二螺帽与下螺扣结构通过螺纹连接，下螺扣结构的下端设置有第三螺帽，第三螺帽的下端设置有锥形凹槽，接线杆伸出第三螺帽的部分上连接工作电极试样，在工作电极试样与第三螺帽连接处设置有锥形套管；
在上述技术方案中，工作电极装置的钢管为316L不锈钢，钢管的内径为2.5-3.5mm，外径为6-8mm，长度为150-250mm。
在上述技术方案中，接线杆为316L不锈钢，直径为2-5mm，长度为250-350mm。
在上述技术方案中，绝缘布为玻璃纤维绝缘布。
参比-对电极装置的外层为钢管，钢管内部中空，在钢管内部设置参比电极和对电极，参比电极与参比电极连接导线相连，参比电极上端伸出钢管上沿，参比电极连接导线下端伸出钢管下沿，对电极与对电极连接导线相连，对电极上端伸出钢管上沿，对电极连接导线下端伸出钢管下沿，参比电极及其连接导线、对电极及其连接导线与钢管外壁平行设置，互相不接触，在钢管内部从上至下依次设置上绝缘层，上密封层，双孔陶瓷片，下密封层和下绝缘层，在钢管上端设置上紧固螺母，在钢管下端设置下紧固螺母；
在上述技术方案中，所述的参比-对电极装置的钢管为316L不锈钢管，钢管的内径为8-10mm，外径为12-14mm，长度为350-450mm。
在上述技术方案中，所述的双孔陶瓷片的数量为8-15片，双孔陶瓷片的厚度为1-2cm。
在上述技术方案中，所述的参比电极为氯化银丝，对电极为铂片。
在上述技术方案中，所述的上绝缘层为聚四氟乙烯层，所述的下绝缘层为聚四氟乙烯层。
在上述技术方案中，所述的上密封层内设置陶瓷粉胶体层，所述的下密封层内设置陶瓷粉胶体层。
参比-对电极装置的制备方法，制备时，陶瓷粉选用美国Cotronics公司研制的Duropot809系列，氯化银丝和铂片选用天津艾达恒晟科技发展有限公司的产品，按照下列步骤进行：
步骤1：按照工作电极装置的结构组装工作电极；
步骤2：将参比电极及其连接导线和对电极及其连接导线，放入钢管内部，保持彼此不接触；
步骤3：将8-15片双孔陶瓷片套在参比电极和对电极上，卡在钢管内壁上，使双孔陶瓷片位于钢管管体的中部位置；
步骤4：将陶瓷粉与水按照质量比(3-5)：1的比例混匀搅拌，从钢管的上方与下方倒入钢管中，形成一定厚度的陶瓷粉胶体层；
步骤5：将聚四氟柱体从钢管上方和下方塞入参比电极、对电极与钢管内壁的空隙中，压住陶瓷粉胶体层，保持密封；
步骤6：在钢管的上端拧紧上紧固螺母，在钢管的下端拧紧下紧固螺母，将整个装置在室温(20-25摄氏度)下静置20-30小时，使陶瓷粉胶体凝固。
以下通过具体测试实施例进行说明：
将研制出的电极测量系统安装于高温高压反应釜(设计温度350℃、设计压力25MPa)中，利用Autolab302N电化学工作站测定了不同温度、浸泡时间下304不锈钢在1500ppmH3BO3+2.3ppmLiOH的水溶液中的电化学噪声谱。图3是304不锈钢在1500ppmH3BO3+2.3ppmLiOH的水溶液常温浸泡实验中噪声电阻随时间的变化，可以看出随着浸泡时间的延长噪声电阻值趋于下降；第二天后噪声电阻又有增大的趋势，是由于浸泡初期发生均匀腐蚀，随着浸泡时间的延长表面生成了氧化膜导致噪声电阻又逐渐增大。图4是不同温度下304不锈钢在1500ppmH3BO3+2.3ppmLiOH的水溶液的噪声电阻随时间的变化关系，可以看出随着温度从25-250℃的升高304不锈钢的耐腐蚀性不断降低。
如图5所示，将研制出的电极测量系统安装于高温高压反应釜(设计温度350℃、设计压力25MPa)中，利用Autolab302N电化学工作站测定了不同压力下X65管线钢在3.5％wt.NaCl的水溶液中的极化曲线。经计算可得在压力分别为5MPa、10MPa和17MPa时，腐蚀电流密度分别为2.323×10-5A·cm-2、3.407×10-5A·cm-2和8.723×10-5A·cm-2。腐蚀电流密度随压力增大而增大，说明X65管线钢随压力的增高腐蚀速率加快。
根据以上实施例说明本发明的电极系统真实反映出了电化学的性能变化，说明本装置在高温(针对304不锈钢，温度为25—250摄氏度)高压(针对X65管线钢，压力为5—20MPa)环境下具有应用前景。
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 (10)

1.一种用于高温高压水环境中电化学测量的电极系统，其特征在于：包括工作电极装置和参比-对电极装置；
工作电极装置的主体为一钢管，钢管的上端设置上螺扣结构，下端设置下螺扣结构，用于与螺帽配合固定接线杆，钢管内部中空，在钢管的内部设置有接线杆，接线杆的两端伸出钢管，在接线杆的上方伸出钢管的位置设置上套管，在接线杆的下方伸出钢管的位置设置下套管，上套管和下套管均卡在接线杆与钢管之间，用于固定和密封，接线杆位于钢管内的整个部分包裹一层绝缘布，在钢管的上螺扣结构的上端设置有第一螺帽，第一螺帽套在接线杆上，与上螺扣结构通过螺纹连接，下螺扣结构与钢管连接处设置有卡箍和第二螺帽，卡箍垫在下螺扣结构与钢管之间，第二螺帽与下螺扣结构通过螺纹连接，下螺扣结构的下端设置有第三螺帽，第三螺帽的下端设置有锥形凹槽，接线杆伸出第三螺帽的部分上连接工作电极试样，在工作电极试样与第三螺帽连接处设置有锥形套管；
参比-对电极装置的外层为钢管，钢管内部中空，在钢管内部设置参比电极和对电极，参比电极与参比电极连接导线相连，参比电极上端伸出钢管上沿，参比电极连接导线下端伸出钢管下沿，对电极与对电极连接导线相连，对电极上端伸出钢管上沿，对电极连接导线下端伸出钢管下沿，参比电极及其连接导线、对电极及其连接导线与钢管外壁平行设置，互相不接触，在钢管内部从上至下依次设置上绝缘层，上密封层，双孔陶瓷片，下密封层和下绝缘层，在钢管上端设置上紧固螺母，在钢管下端设置下紧固螺母。
2.根据权利要求1所述的一种用于高温高压水环境中电化学测量的电极系统，其特征在于，工作电极装置的钢管为316L不锈钢，钢管的内径为2.5-3.5mm，外径为6-8mm，长度为150-250mm，所述的接线杆为316L不锈钢，直径为2-5mm，长度为250-350mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于高温高压水环境中电化学测量的电 极系统，其特征在于，所述的绝缘布为玻璃纤维绝缘布。
4.根据权利要求1所述的一种用于高温高压水环境中电化学测量的电极系统，其特征在于，所述的参比-对电极装置的钢管为316L不锈钢管，钢管的内径为8-10mm，外径为12-14mm，长度为350-450mm。所述的双孔陶瓷片的数量为8-15片，双孔陶瓷片的厚度为1-2cm。
5.根据权利要求1所述的一种用于高温高压水环境中电化学测量的电极系统，其特征在于，所述的参比电极为氯化银丝，对电极为铂片。
6.根据权利要求1所述的一种用于高温高压水环境中电化学测量的电极系统，其特征在于，所述的上绝缘层为聚四氟乙烯层，所述的下绝缘层为聚四氟乙烯层。所述的上密封层为陶瓷粉胶体层，所述的下密封层为陶瓷粉胶体层。
7.一种用于高温高压水环境中电化学测量的电极系统的制备方法，其特征在于，按照下列步骤进行：
步骤1：按照工作电极装置的结构组装工作电极；
步骤2：将参比电极及其连接导线和对电极及其连接导线，放入钢管内部，保持彼此不接触；
步骤3：将双孔陶瓷片套在参比电极和对电极上，卡在钢管内壁上，使双孔陶瓷片位于钢管管体的中部位置；
步骤4：将陶瓷粉与水混匀搅拌，从钢管的上方与下方倒入钢管中，形成一定厚度的陶瓷粉胶体层；
步骤5：将聚四氟柱体从钢管上方和下方塞入参比电极、对电极与钢管内壁的空隙中，压住陶瓷粉胶体层，保持密封；
步骤6：在钢管的上端拧紧上紧固螺母，在钢管的下端拧紧下紧固螺母，将整个装置静置，使陶瓷粉胶体凝固。
8.根据权利要求7所述的一种用于高温高压水环境中电化学测量的电 极系统的制备方法，其特征在于，在步骤3中所述的双孔陶瓷片的数量为8-15片；在步骤4，中陶瓷粉与水混匀时按照质量比(3-5)：1的比例；在步骤6中，整个装置静置在20-25摄氏度下20-30小时。
9.如权利要求1所述的电极系统在高温条件下对于304不锈钢的耐腐蚀性能检测中的应用，其特征在于：在25-250℃条件下，溶液是1500ppmH3BO3+2.3ppmLiOH的水溶液，304不锈钢的耐腐蚀性能随温度升高不断降低。
10.如权利要求1所述的电极系统在高压条件下对于X65管线钢的耐腐蚀性能检测中的应用，其特征在于，在5-20MPa条件下，溶液为3.5％wt.NaCl的水溶液，X65管线钢的随压力的增高腐蚀速率加快。
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