CN107505223A - 一种牺牲阳极深海性能原位测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种牺牲阳极深海性能原位测试装置及测试方法，属于深海腐蚀防护与阴极保护技术领域。测试装置包括：耐压密封舱，位于耐压密封舱内的牺牲阳极性能测试模块，集成在耐压密封舱外部、并与海水腐蚀液相接触的电极探头组件，及供电电源。耐压密封舱为筒体与端盖密封配合形成的防水密封结构。牺牲阳极性能测试模块由供电电源连接供电，并经水密电缆电连接至外部电极探头组件。本发明可实现牺牲阳极深海环境工作电位和工作电流原位、自持、长时间、连续测量，具有耐高压、工作时间长的特点，借助本发明，可以深入研究各类型牺牲阳极在深海环境服役性能，为我国深海工程装备阴极保护设计、高效深海阳极开发提供技术支撑。

Description

一种牺牲阳极深海性能原位测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及一种牺牲阳极深海性能原位测试装置及测试方法，属于深海腐蚀防护与阴极保护技术领域，广泛用于牺牲阳极工作电位、工作电流和电流效率测量，特别是深海性能测试。

背景技术

深海蕴藏着丰富的石油、天然气和可燃冰资源，成为二十一世纪的研究热点，深海油气开发技术取得突破性发展，大量深海工程装备投入使用。腐蚀问题是海洋工程装备面临的共性问题，而牺牲阳极保护是解决装备腐蚀的最有效途径之一，并发展了锌合金牺牲阳极、铝合金牺牲阳极、镁合金牺牲阳极和铁合金牺牲阳极等，用于不同金属对象腐蚀防护。牺牲阳极工作电位、工作电流、电流效率是影响牺牲阳极阴极保护效果和寿命的关键性能。目前，表层海水牺牲阳极性能评价国内外已建立有标准的试验方法，对各类型牺牲阳极在表层海水中的性能进行了深入研究。

与表层海水环境相比，深海环境具有高压、低温、低溶解氧的特点。为开展牺牲阳极深海环境性能评价，国内外均建立了实验室深海环境模拟技术，并系统研究了各类型牺牲阳极在模拟深海环境下的性能。研究结果表明，受深海高压、低温、低溶解氧影响，常规牺牲阳极性能均出现一定程度的下降。

为解决常规牺牲阳极在深海环境性能不佳的问题，国内CN201410311844发明了一种适用于深海环境中具有高电流效率的铝合金牺牲阳极；CN201510418356和CN201610211695公布了不同工艺制造的用于深海低温低溶解氧环境的深海用铝合金牺牲阳极，上述牺牲阳极性能均是在实验室模拟环境测试。

在金属材料深海原位电化学测试研究方面，CN201210379713发明了一种深海现场腐蚀电化学测试装置及测试方法，该方法是一种需要母船供电、有人值守的测试方法，适用于金属材料短时间开路电位、阻抗和极化测试，不适用于长期牺牲阳极性能测试。CN201610525240发明了一种深海多通道腐蚀电化学原位测试装置与方法，虽然可6个月内原位无人值守自动测试3000米以下深海环境金属材料开路电位、阻抗、恒电位极化曲线和循环伏安曲线，但同样无法用于牺牲阳极性能测试，特别是电流非连续测量工作方式无法用于牺牲阳极电流效率测试要求。

通过对现有技术分析可知，牺牲阳极深海性能原位测试技术难点主要在于：

（1）现有深海原位测试技术无法满足牺牲阳极性能长时间测试要求：无人值守测量时电源电量无法保证长时间测量需求；有人值守需要母船和脐带电缆保障，测量时间有限。

（2）无法连续测量牺牲阳极的工作电压和工作电流，无法实现牺牲阳极性能长期评价。

（3）实验室模拟测试结果无法完全模拟深海真实环境，测量结果存在误差。

发明内容

本发明的技术任务在于针对现有技术不足，提供一种牺牲阳极深海性能原位测试装置及测试方法。该测试装置可在水深不大于5000m的海洋环境原位、自持、长时间、连续测量牺牲阳极工作电位和工作电流，评价牺牲阳极在深海条件下的性能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1、一种牺牲阳极深海性能原位测试装置，包括：

耐压密封舱，

位于所述耐压密封舱内的牺牲阳极性能测试模块，

集成在耐压密封舱外部、并与海水腐蚀液相接触的电极探头组件，

及供电电源；

其中，所述耐压密封舱包括筒体和端盖，筒体内部中空、端部与端盖密封配合形成防水密封结构，防水密封结构内装有牺牲阳极性能测试模块；

所述牺牲阳极性能测试模块，其由供电电源连接供电，并经水密电缆电连接至外部电极探头组件，用于牺牲阳极工作电位和工作电流测量；其包括多通道接线端子、电位测量电路、电流测量电路、量程切换控制电路、通道选择控制电路、模数转换模块、微控制单元、Flash存储器、RS232通信接口和电源模块，其中，

所述的电源模块与微控制单元连接，调整供电电源电压，为牺牲阳极性能测试模块提供所需的工作电压；

所述的RS232通讯接口与微控制单元连接，用于对电位和电流测量频率、持续时间、取样数量设置；

所述的微控制单元与模拟数字转换器连接，用于控制电位和电流测量、模数转换、存储；

所述的通道选择控制电路与多通道接线端子连接，用于控制测量通道的开关，关闭不需要的通道，避免造成额外电源消耗；

所述的量程切换控制电路与电流测量电路连接，用于自适应选择量程，提高电流测量精度。

可选地，所述供电电源采用海水电池，海水电池集成在耐压密封舱的外部，并与海水腐蚀液相接触。

可选地，所述耐压密封舱为外密封筒和内密封筒组成的双层密封结构：

外密封筒包括外筒体和法兰端盖，外筒体为内部中空结构，外密封筒的法兰端面处密封连接法兰端盖；

内密封筒包括内筒体和内端盖，内端盖配合装于内筒体的端部，内筒体内部设有支杆，用于安装牺牲阳极性能测试模块；

所述法兰端盖和/或内端盖处装有水密接头，用于连接电极探头组件和供电电源。

可选地，所述内密封筒通过固定环固定在外密封筒内，内密封筒的轴向端面短于外密封筒的轴向端面，内密封筒与外密封筒之间填充密封材料。

可选地，所述外密封筒法兰端面与法兰端盖的密封面处为槽榫式结构，槽榫式结构内放有密封圈。

可选地，所述水密接头通过螺纹加密封橡胶的方式安装在法兰端盖和/或内端盖上。

可选地，所述电极探头组件包括被测试牺牲阳极、参比电极及阴极，阴极采用箱式结构，被测试牺牲阳极、参比电极位于阴极内部，并通过固定架安装，固定架与牺牲阳极、参比电极和阴极之间电绝缘。

可选地，所述被测试牺牲阳极与阴极的面积比按照1:60设计。

可选地，所述参比电极选用银/氯化银或银/卤化银。

可选地，所述阴极选用不锈钢。

可选地，所述固定架通过衬塑、绝缘套筒或表面微弧氧化方式，保证固定架与牺牲阳极、参比电极和阴极的电绝缘。

2、一种牺牲阳极深海性能原位测试方法，该方法基于上述的一种牺牲阳极深海性能原位测试装置，包括以下步骤：

S1、将牺牲阳极性能测试模块安装并密封于筒体和端盖所组成的防水密封结构中，组装制备成耐压密封舱；

S2、按面积比1:60设计被测试牺牲阳极和阴极，并对被测试牺牲阳极进行称重，然后将测量电缆与被测试牺牲阳极、阴极和参比电极电连接，组装制备成电极探头组件；

S3、将耐压密封舱、电极探头组件和供电电源固定在试验框架中，再将牺牲阳极性能测试模块与供电电源、外部电极探头组件连接；

S4、进行深海投放：通过试验船将试验框架运送到拟投放海域，将试验框架投入海水中，记录试验框架入水时间t1，同时，为牺牲阳极性能测试模块供电，牺牲阳极工作电位和工作电流开始实时测量；

S5、根据试验要求，设定投放时间，投放时间达到试验时间后，试验船到达投放海域回收试验框架，记录试验框架出水时间t2；

S6、将被测试牺牲阳极从试验框架中拆下，去除被测试牺牲阳极表面的腐蚀产物，并称重；根据被测试牺牲阳极试验前和试验后的重量差，计算理论电容量；

按照组装的反向步骤，将牺牲阳极性能测试模块拆除，取下存储卡，并读出测试数据，做出工作电流-时间曲线，并对测试电流做t1～t2区间积分，计算实际电容量；以实际电容量除以理论电容量得到被测试牺牲阳极在深海条件下的电流效率，做工作电位-时间曲线，得到被测试牺牲阳极在深海条件工作电位；完成测试。

可选地，步骤S1中，组装制备成耐压密封舱后，对耐压密封舱进行密性测试。

本发明的一种牺牲阳极深海性能原位测试装置及测试方法，与现有技术相比所产生的有益效果是：

可实现牺牲阳极深海环境工作电位和工作电流原位、自持、长时间、连续测量，具有耐高压、工作时间长的特点，借助本发明，可以深入研究各类型牺牲阳极在深海环境服役性能，为我国深海工程装备阴极保护设计、高效深海阳极开发提供技术支撑。

附图说明

附图1为本发明测试装置的结构示意图；

附图2为图1中耐压密封舱与牺牲阳极性能测试模块的结构图；

附图3为外密封筒结构示意图；

附图4为牺牲阳极性能测试模块示意图；

附图5为电极探头组件示意图。

图中，1、耐压密封舱，2、牺牲阳极性能测试模块，3、供电电源，

4、电极探头组件，5、水密电缆，6、水密接头，

11、外密封筒，111、外筒体，112、法兰端盖，113、密封圈；

12、内密封筒，121、内端盖，122、内筒体，123、支杆，124、固定环，

125、密封材料；

21、多通道接线端子，22、电压测量电路，23、电流测量电路，24、量程切换控制电路，25、通道选择控制电路，26、模数转换模块，27、微控制单元，28、Flash存储器，29、RS232通信端口，210、电源模块；

41、被测试牺牲阳极，42、参比电极，43、阴极，44、固定架。

具体实施方式

下面结合附图1-4，对本发明的一种牺牲阳极深海性能原位测试装置及测试方法作以下详细说明。

实施例一

如附图1所示，本发明的一种牺牲阳极深海性能原位测试装置，包括耐压密封舱1、牺牲阳极性能测试模块2、电极探头组件4及供电电源3。其中，牺牲阳极性能测试模块2位于耐压密封舱1内；电极探头组件4集成在耐压密封舱1一端的外部，并与海水腐蚀液相接触；牺牲阳极性能测试模块2由供电电源3连接供电，并通过水密电缆5连接至电极探头组件4。

1.1 耐压密封舱1

所涉及的耐压密封舱1包括筒体和端盖，筒体内部中空、端部与端盖密封配合形成防水密封结构。根据被测对象所处深海环境的差异，耐压密封舱1可选择单层或双层密封结构。

如附图1、2所示，在本发明的一个实施例中，耐压密封舱1为外密封筒11和内密封筒12组成的双层密封结构，设计时，耐压密封舱1可承受60 MPa外压。具体结构如下：

外密封筒11包括外筒体111和法兰端盖112，外筒体111为两端开口、内部中空的筒状结构，外密封筒11的两法兰端面密封连接法兰端盖112以保持筒内水密性。外密封筒11两法兰端面与法兰端盖112的密封面处为槽榫式结构，槽榫式结构内放有密封圈113，用于实现轴向和周向密封，对牺牲阳极性能测试模块2起到一次密封保护作用。

外密封筒11两端的法兰端盖112处均连有水密接头6，用于安装电极探头组件4和供电电源3。为保证良好的密封性，水密接头6通过螺纹加密封橡胶的方式安装在法兰端盖112上。水密接头6端子数可根据需求设计，设计有防插错凹槽。

内密封筒12包括内筒体122和内端盖121，内端盖121通过螺纹连接于内筒体122的两端，内筒体122内部设有支杆123，用于安装牺牲阳极性能测试模块2。

内密封筒12两端的内端盖121处均连有水密接头6。为保证良好的密封性，水密接头6通过螺纹加密封橡胶的方式安装在内端盖121上。

所述的内密封筒12与外密封筒11同轴设置并通过固定环124连接固定。内密封筒12的轴向长度比外密封筒11的轴向长度短100-150 mm，内密封筒12的轴向端面短于外密封筒11的轴向端面。内密封筒12与外密封筒11之间填充环氧树脂、密封胶泥等密封材料125，对牺牲阳极性能测试模块2起到二次密封保护作用。

所述的支杆123为空心结构，两端带螺纹，一端为外螺纹，一端为内螺纹。支杆123一端通过内螺纹与内端盖121处的水密接头6连接，一端从牺牲阳极性能测试模块2内部穿过，通过外螺纹和螺母固定牺牲阳极性能测试模块2。

1.2 牺牲阳极性能测试模块2

所述的牺牲阳极性能测试模块2可连续测量、记录牺牲阳极工作电位和工作电流，其包括多通道接线端子21、电位测量电路22、电流测量电路23、量程切换控制电路24、通道选择控制电路25、模数转换模块26、微控制单元27、Flash存储器28、RS232通信接口29和电源模块210。电源模块210用于调整供电电源电压，为牺牲阳极性能测试模块提供所需的工作电压；RS232通讯接口29用于连接牺牲阳极性能测试模块2和上位机软件，设置电位和电流测量频率、持续时间、和取样数量；多通道接线端子21通过水密电缆5和水密接头6与电极探头组件4连接，用于构成电位和电流测量回路；量程切换控制电路24根据牺牲阳极工作电流大小自适应选择量程，提高电流测量精度；通道选择控制电路25用于控制测量通道的开关，关闭不需要的通道，避免造成额外电源消耗；模拟数字转换器26用于将电位测量电路22和电流测量电路23测量的电位和电流物理信号转换为数字信号，并传输给微控制单元27进行存储。

所述的牺牲阳极性能测试模块2通过支杆123固定在内密封筒12内。

所述的牺牲阳极性能测试模块2的供电端通过动力电缆与水密接头6连接，进而连至大容量供电电源3供电，动力电缆从支杆123内部穿过；牺牲阳极性能测试模块2的测试端通过信号电缆与水密接头6连接，进而连至外部电极探头组件4。

1.3 电极探头组件4

如附图4所示，所涉及的电极探头组件4包括被测试牺牲阳极41、参比电极42及阴极43，参比电极42选用银/氯化银或银/卤化银，阴极43选用不锈钢。

所述的阴极43采用箱式结构，被测试牺牲阳极41、参比电极42位于阴极43内部，并通过固定架44安装。

所述的固定架44通过衬塑或绝缘套筒或表面微弧氧化等方式，保证固定架44与牺牲阳极、参比电极42和阴极43的电绝缘。

所述的水密电缆5一端通过硫化接头与被测试牺牲阳极41、参比电极42、阴极43连接，一端与水密接头6连接。

1.4 供电电源3

所涉及的供电电源3采用海水电池，海水电池集成在耐压密封舱1另一端的外部，并与海水腐蚀液相接触。海水电池是以金属-海水为能源的新型电池，该电池以取之不尽的海水为电解液，靠海水中的溶解氧气使金属（Al、Mg）不断氧化而产生电流。

实施例二

本发明的一种牺牲阳极深海性能原位测试方法，基于实施例一的牺牲阳极深海性能原位测试装置，具体包括以下步骤：

将水密接头6通过螺纹装配到内端盖121上，然后将支杆123通过螺纹安装到水密接头6上，再通过螺母将牺牲阳极性能测试模块2固定在支杆123上，再次将牺牲阳极性能测试模块2测试端和供电端分别通过信号电缆和动力电缆与水密接头6连接，最后将通过螺纹将内端盖121安装到内筒体122。

将内密封筒12通过固定环124嵌入外密封筒11内，然后将内密封筒12水密接头6通过水密电缆5与外密封筒11水密接头6连接，最后通过环氧树脂密封内密封筒12和外密封筒11间的空隙。

将外密封筒11法兰与外筒体111装配后，进行密性测试，将耐压密封舱1放入压力设备后，通过海水施加60 MPa压力72 h。试验结束后，观察外耐压密封舱1是否有明显变形以及内部是否有明显渗水。耐压密封舱1通过密性试验后，方可进行下一步工作。

按面积比为1：60设计被测试牺牲阳极41和阴极43，并对被测试牺牲阳极41进行称重，精度达到0.0001 g，然后将测量电缆与被测试牺牲阳极41、参比电极42和阴极43焊接和硫化密封，再将电极探头组件4通过固定架44安装在试验框架中。

先将耐压密封舱1和海水电池通过卡箍固定在试验框架中，再将海水电池和电极探头组件4分别与水密接头6连接。

通过试验船将试验框架运送到拟投放海域，将试验框架投入海水中，记录试验框架入水时间t1，海水电池接触海水后，开始为牺牲阳极性能测试模块2供电，牺牲阳极工作电位和工作电流开始自动测试。投放完毕后，试验船返回。

根据试验要求，本发明的牺牲阳极深海性能原位测试装置可在水下自主工作1年以上，投放时间达到试验时间后，试验船到达投放海域回收试验框架，记录试验框架出水时间t2。

在试验船上将被测试牺牲阳极41从试验框架中拆下，并按国标GB/T 17848-1999《牺牲阳极电化学性能试验方法》要求，去除被测试牺牲阳极41表面的腐蚀产物，并称重。根据被测试牺牲阳极41试验前和试验后的重量差，计算理论电容量。

按照组装的反向步骤，将被测试牺牲阳极41性能测试模块2拆除，取下存储卡，并读出测试数据，做出工作电流-时间曲线，并对测试电流做t1～t2区间积分，计算实际电容量。以实际电容量除以理论电容量得到被测试牺牲阳极41在深海条件下的电流效率，做工作电位-时间曲线，得到被测试牺牲阳极41在深海条件工作电位。完成测试。

Claims (10)

1.一种牺牲阳极深海性能原位测试装置，其特征在于，包括：

耐压密封舱，

位于所述耐压密封舱内的牺牲阳极性能测试模块，

集成在耐压密封舱外部、并与海水腐蚀液相接触的电极探头组件，

及供电电源；

其中，所述耐压密封舱包括筒体和端盖，筒体内部中空、端部与端盖密封配合形成防水密封结构，防水密封结构内装有牺牲阳极性能测试模块；

所述牺牲阳极性能测试模块，其由供电电源连接供电，并经水密电缆电连接至外部电极探头组件，用于牺牲阳极工作电位和工作电流测量；其包括多通道接线端子、电位测量电路、电流测量电路、量程切换控制电路、通道选择控制电路、模数转换模块、微控制单元、Flash存储器、RS232通信接口和电源模块，其中，

所述的电源模块与微控制单元连接，调整供电电源电压，为牺牲阳极性能测试模块提供所需的工作电压；

所述的RS232通讯接口与微控制单元连接，用于对电位和电流测量频率、持续时间、取样数量设置；

所述的微控制单元与模拟数字转换器连接，用于控制电位和电流测量、模数转换、存储；

所述的通道选择控制电路与多通道接线端子连接，用于控制测量通道的开关，关闭不需要的通道，避免造成额外电源消耗；

所述的量程切换控制电路与电流测量电路连接，用于自适应选择量程，提高电流测量精度。

2.根据权利要求1所述的一种牺牲阳极深海性能原位测试装置，其特征在于，所述供电电源采用海水电池，海水电池集成在耐压密封舱的外部，并与海水腐蚀液相接触。

3.根据权利要求1或2所述的一种牺牲阳极深海性能原位测试装置，其特征在于，所述耐压密封舱为外密封筒和内密封筒组成的双层密封结构：

外密封筒包括外筒体和法兰端盖，外筒体为内部中空结构，外密封筒的法兰端面处密封连接法兰端盖；

内密封筒包括内筒体和内端盖，内端盖配合装于内筒体的端部，内筒体内部设有支杆，用于安装牺牲阳极性能测试模块；

所述法兰端盖和/或内端盖处装有水密接头，用于连接电极探头组件和供电电源。

4.根据权利要求3所述的一种牺牲阳极深海性能原位测试装置，其特征在于，所述内密封筒通过固定环固定在外密封筒内，内密封筒的轴向端面短于外密封筒的轴向端面，内密封筒与外密封筒之间填充密封材料。

5.根据权利要求3所述的一种牺牲阳极深海性能原位测试装置，其特征在于，所述外密封筒法兰端面与法兰端盖的密封面处为槽榫式结构，槽榫式结构内放有密封圈。

6.根据权利要求3所述的一种牺牲阳极深海性能原位测试装置，其特征在于，所述水密接头通过螺纹加密封橡胶的方式安装在法兰端盖和/或内端盖上。

7.根据权利要求1、2、4、5或6所述的一种牺牲阳极深海性能原位测试装置，其特征在于，所述电极探头组件包括被测试牺牲阳极、参比电极及阴极，阴极采用箱式结构，被测试牺牲阳极、参比电极位于阴极内部，并通过固定架安装，固定架与牺牲阳极、参比电极和阴极之间电绝缘。

8.根据权利要求7所述的一种牺牲阳极深海性能原位测试装置，其特征在于，所述固定架通过衬塑、绝缘套筒或表面微弧氧化方式，保证固定架与牺牲阳极、参比电极和阴极的电绝缘。

9.一种牺牲阳极深海性能原位测试方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的一种牺牲阳极深海性能原位测试装置，包括以下步骤：

S1、将牺牲阳极性能测试模块安装并密封于筒体和端盖所组成的防水密封结构中，组装制备成耐压密封舱；

S2、按面积比1:60设计被测试牺牲阳极和阴极，并对被测试牺牲阳极进行称重，然后将测量电缆与被测试牺牲阳极、阴极和参比电极电连接，组装制备成电极探头组件；

S3、将耐压密封舱、电极探头组件和供电电源固定在试验框架中，再将牺牲阳极性能测试模块与供电电源、外部电极探头组件连接；

S4、进行深海投放：通过试验船将试验框架运送到拟投放海域，将试验框架投入海水中，记录试验框架入水时间t1，同时，为牺牲阳极性能测试模块供电，牺牲阳极工作电位和工作电流开始实时测量；

S5、根据试验要求，设定投放时间，投放时间达到试验时间后，试验船到达投放海域回收试验框架，记录试验框架出水时间t2；

S6、将被测试牺牲阳极从试验框架中拆下，去除被测试牺牲阳极表面的腐蚀产物，并称重；根据被测试牺牲阳极试验前和试验后的重量差，计算理论电容量；

S7、按照组装的反向步骤，将牺牲阳极性能测试模块拆除，取下存储卡，并读出测试数据，做出工作电流-时间曲线，并对测试电流做t1～t2区间积分，计算实际电容量；以实际电容量除以理论电容量得到被测试牺牲阳极在深海条件下的电流效率，做工作电位-时间曲线，得到被测试牺牲阳极在深海条件工作电位；完成测试。

10.根据权利要求9所述的一种牺牲阳极深海性能原位测试方法，其特征在于，步骤S1中，组装制备成耐压密封舱后，对耐压密封舱进行密性测试。