CN107505256A - 可模拟受力状态下的焊缝腐蚀监测装置及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可模拟受力状态下的焊缝腐蚀监测装置及其监测方法，装置包括：四点弯曲加力装置、零电阻电流计、电化学工作站、焊缝电阻‑多电极腐蚀传感器、参比电极、辅助电极、微欧计和信号采集控制系统；焊缝电阻‑多电极腐蚀传感器包括腐蚀元件及参比元件；腐蚀元件配接继电器开关，通过零电阻电流计偶接；电极元件连接于微欧计；四点弯曲加力装置通过调节长条电极试片的挠度改变其应力大小；信号采集控制系统采集保存零电阻电流计和微欧计测量的数据，控制继电器开关动作。本发明能够全面、准确监测管道焊缝区域的腐蚀情况，实现测量焊缝区总腐蚀深度与腐蚀速率，测量电化学腐蚀速率，监测焊缝不同区域阴阳极电流，模拟焊缝节点的受力工况。

Description

可模拟受力状态下的焊缝腐蚀监测装置及其监测方法

技术领域

本发明涉及一种可用于焊缝局部腐蚀监测的装置，具体地说，是一种可模拟受力状态下的焊缝腐蚀监测装置及其监测方法。

背景技术

焊缝腐蚀问题普遍存在于船舶、海洋工程平台、油气输送管线、海水淡化系统中。焊接结构主要分为母材区、焊缝区和热影响区。焊接结构复杂，不同区域化学成分和组织结构不同，结构内部容易产生残余应力，焊接结构往往又是应力集中的区域。这些原因都容易导致焊接结构的腐蚀加剧。

中国专利文献CN106066353A公开了一种柔性阵列参比电极及应用其原位研究金属焊缝腐蚀的方法，所述柔性阵列电极由柔性衬底、布置在柔性衬底表面的阵列电极及封装在柔性衬底中并与所述阵列电极连接的引线组成，所述阵列电极由Ag/AgCl微电极阵列而成，可同时获得金属表面不同微区的表面电位，采用具有模量小，可弯曲变形的柔性衬底可实现原位实现金属焊件不规则复杂表面腐蚀电位的实时监测。该测量方法以柔性阵列电极本身作为参比电极，可原位、无损、方便、灵敏地检测金属焊接样品表面焊缝区、热影响区和母材区的腐蚀电位，进而考察金属焊接件表面不同位置腐蚀的产生、发展及消亡过程，比较不同焊接方式在不同环境中的耐蚀性，实现对服役中金属焊缝腐蚀状态进行现场实时监测，特别适用于对汽车、船舶、工程机械和航空航天等金属焊接件的服役安全性进行长期跟踪监测。

中国专利文献CN102305761A公开了一套规模较大的以试验环道为主的多功能腐蚀仿真试验架，用于模拟含H2S、CO2和Cl-的高酸性天然气在管输条件下对管道母材和焊缝的腐蚀状况，同时提供一种模拟试验的方法。该文献披露了一种能用于多种不同管径/材质/钢级/壁厚的管道母体或焊缝腐蚀试验，且将酸性介质作用下测试管段母材和焊缝的耐蚀性、SSC、HIC、冲蚀、缓蚀剂效果、焊接工艺评价、腐蚀监测方法比较及管道内防腐工艺优选等试验功能集于一体，确保选材合理、焊接质量安全，掌握相应腐蚀环境对焊缝和母材的腐蚀情况。

然而，焊缝结构通常都是整个结构物中应力集中区，因而必然会承受外界载荷，目前在应力作用下进行焊缝不同区域腐蚀问题研究的装置和方法还较少。所以，在更真实、含应力情况下进行准确的焊缝局部腐蚀监测方案的设计变得十分必要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可模拟受力状态下的焊缝腐蚀监测装置及其监测方法，通过所述装置可以准确、全面监测焊缝三个区域局部腐蚀情况，实施所述方法可以保证装置的作业动作按序进行。

为此，本发明解决所述问题的技术方案是：一种可模拟受力状态下的焊缝腐蚀监测装置，包括母材区、热影响区、焊缝区，其中：所述装置包括四点弯曲加力装置(1)、零电阻电流计(2)、电化学工作站(3)、焊缝电阻--多电极腐蚀传感器(4)、参比电极(5)、辅助电极(6)、微欧计(7)和信号采集控制系统(8)；其中，所述四点弯曲加力装置(1)通过螺栓(12)调节装配在其上的焊缝电阻--多电极腐蚀传感器(4)的挠度来改变传感器所处环境外力载荷工况；所述焊缝电阻多电极腐蚀传感器(4)的每个电极试片焊接四根导线，采用四线法计算电阻值，通过四点弯曲固定在加力装置上；所述包括三个或三个以上的腐蚀元件分别通过继电器开关，对应配接三个或三个以上零电阻电流计(2)，并将三个或三个以上所述零电阻电流计偶接于A/D转换器；所述三个或三个以上腐蚀元件(41)及三个或三个以上参比元件(42)分别通过继电器开关连接于微欧计(7)；所述辅助电极(6)通过导线、继电器连接于电化学工作站(3)；所述参比电极(5)进行多电极耦合电位测量时通过导线、继电器连接于A/D转换器，进行电化学测量时，断开与A/D转换器连接的继电器，切换继电器连接上电化学工作站；所述信号采集控制系统(8)用以采集、保存各所述零电阻电流计、电化学工作站和所述微欧计测量的数据，并控制所述继电器开关的动作。

优选的：所述腐蚀元件与参比元件分别取材于焊缝母材区、热影响区、焊缝区。

优选的：所述腐蚀元件，在其局部区域裸露外的其余表面部分均覆盖环氧树脂以保证非腐蚀表面的电绝缘性能，所述参比原件，其所有表面进行环氧树脂封装覆盖。

优选的：所述取材于焊缝结构母材区、热影响区、焊缝区三个区域的腐蚀元件与参比元件可以设置三个或三个以上，并通过改变不同区域的电极数量或者改变电极的裸露面积来实现不同区域的面积比。

优选的：所述不同区域的面积比，是通过改变不同区域的电极数量或是改变电极的裸露面积且以所述的腐蚀元件和参比元件的各三个参数进行的对比。

并且，一种基于焊缝腐蚀监测装置的检测方法，包括如下步骤：

S01：将焊缝电阻多电极试片装配入四点弯曲加力装置，调节螺纹改变电极试片的挠度；

S02：将焊缝电阻多电极腐蚀传感器置于实验环境下，通过每个电极试片上的四根导线将传感器与微欧计、零电阻电流计连接起来；

S03：通过切换程序控制继电器开关，对焊缝三个区域定时进行电化学测量；

S04：通过信号采集控制系统预先设置零电阻电流计和微欧计的采样时间以及各继电器开关动作的逻辑顺序；

S05：通过信号采集控制系统采集零电阻电流计和微欧计测得的数据并保存文档；

S06：对信号采集控制系统所采集的数据进行分析处理，得到腐蚀元件间的电偶电流以及焊缝三个区域腐蚀元件各自的腐蚀深度x；

S07：通过对比腐蚀元件间的电偶电流和每个区域的腐蚀深度x，得到焊缝结构的局部腐蚀情况。

优选的：所述步骤S04中所有腐蚀元件通过零电阻电流计保持偶接状态，仅在通过电化学工作站进行电化学测试、微欧计测量长条电极试片电阻时断开偶接。

与现有焊缝腐蚀监测方法相比，本发明的有益效果：

1、本发明能够更好地监测焊缝结构的局部腐蚀问题；

2、本发明能够更真实地模拟焊缝结构在应力作用下的工况；

3、本发明可以监测三个区域之间的电偶电流，得到焊缝结构母材区、热影响区、焊缝区之间的电偶效应；

4、本发明可以通过调节焊缝结构每个区域的腐蚀元件的数量和单个腐蚀元件裸露面积大小改变母材区、热影响区、焊缝区的面积比，更准确地研究面积比对系统电偶效应的影响。

5、本发明基于电阻-多电极腐蚀传感器，除了通过电阻法可以测得三个区域的腐蚀深度与腐蚀速率，通过多电极系统测得三个区域间的阴阳极电偶效应，还可以结合电化学测试结果，进一步印证所监测的焊缝腐蚀问题。

附图说明

图1为本发明实施例的可模拟受力状态下的焊缝腐蚀监测装置结构示意图；

图2为本发明实施例的四点弯曲加力装置正视图；

图3为本发明实施例的腐蚀监测系统电路示意图；

图4为本发明实施例的焊缝电阻--多电极腐蚀传感器电极结构图，其中，图4a、图4b分别是工作试片、参比试片结构示意图。

图中：

1-四点弯曲加力装置，11-支架，12-螺栓，13-加力面；2-零电阻电流计；3-电化学工作站，4-焊缝电阻--多电极腐蚀传感器，41-腐蚀元件，42-参比元件，43-电流导线，44-电压导线；5-参比电极；6-辅助电极；7-微欧计；8-和信号采集控制系统。

具体实施方式

目前实验室研究焊缝腐蚀问题主要采用电化学方法。电位测量、线性极化、交流阻抗测量等电化学方法虽操作简单，但其方法需要保证实验环境为电解质环境，而实际油气输送管道等结构其内部输送的流质基本为非电解质，因此采用电化学方法进行腐蚀在线监测具有局限性。电阻探针适用各种腐蚀介质环境，所采集的数据也较为稳定、可靠。

焊缝是一个复杂的结构，其发生的腐蚀形式主要为局部腐蚀，因而传统的实验室方法不能获得焊缝结构的局部腐蚀信息，而针对焊缝结构，研究分析不同区域：母材区、热影响区、焊缝区的耐蚀性差异是十分有必要的。电阻法监测管道腐蚀的依据是腐蚀会导致电极几何形状改变，进而电阻值发生变化，进而可以还通过电阻值的变化来计算腐蚀深度。

电阻法监测管道腐蚀的依据是腐蚀会导致电极几何形状改变，进而电阻值发生变化，进而可以通过电阻值的变化来计算腐蚀深度。

基于上述设计背景，本发明设计了一种可模拟受力状态下的焊缝腐蚀监测装置及其监测方法，下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明的技术方案：

一种可模拟受力状态下的焊缝腐蚀监测装置包括：四点弯曲加力装置(1)、零电阻电流计(2)、电化学工作站(3)、焊缝电阻‐‐多电极腐蚀传感器(4)、参比电极(5)、辅助电极(6)、微欧计(7)和信号采集控制系统(8)。

如图1所示，四点弯曲加力装置包括：支架(11)、升降螺栓(12)、固定在升降螺栓上的加力面(13)、腐蚀元件(41)、参比元件(42)、电流导线(43)、电压导线(44)。

本实施例中，通过调节升降螺栓带动固定在升降螺栓上的加力面，进一步带动腐蚀元件与参比元件上凸，腐蚀元件、参比元件与支架及加力面各有两个接触点，由此形成四点弯曲。

所述四点弯曲加力装置正视图如图2，四点弯曲加载可在内支点间的试样凸形表面部分产生均匀的纵向张应力，从内支点起到外起点止，应力线性的降至为零。如图2，支柱试样两端，在内支点上加力把试样顶弯，两个内支点必须对称地分布于外支架中点的两侧。两支点间试样凸形表面部分的弹性应力由下式(1)计算：

σ＝12Edy/(3H²-4A²) (1)

式中：σ‐‐最大张应力，Pa；E‐‐弹性模量，Pa；d‐‐试样厚度，m；y‐‐外支点间最大挠度，m；H‐‐外支点间距离，m；A‐‐内外支点间距离，m。通常选择尺寸使A＝H/4。

图3为腐蚀监测系统电路示意图。本发明的腐蚀监测系统分为微电阻监测、多电极系统以及电化学测试系统三部分组成。如图所示，所有腐蚀元件连接一继电器开关，并通过3个零电阻电流计偶接于A/D转换器。所有腐蚀元件与参比元件通过继电器开关与微欧计连接，用来进行各元件电阻的测量。所有腐蚀元件各自连接一个继电器开关与电化学测试系统相连，在进行电化学测试前断开多电极系统的继电器开关，连接上电化学测试的继电器开关进行三个腐蚀元件的电化学测试。微欧计的测量时间很短，通过信号采集控制系统设置测量周期，测量时通过控制继电器开关将腐蚀元件的偶接断开，而在非电阻测量时刻它们一直保持偶接状态。

微电阻监测部分通过2根电流导线对每个腐蚀元件与参比元件进行电流输入，同时通过2根电压导线对试片区间进行电压监测。

多电极系统通过三个零电阻电流计将3个腐蚀元件偶接起来，同时测量3个腐蚀元件间的电偶电流，同时通过A/D转换器连接参比电极，监测3个区域整体的耦合电压。

电化学测试系统由恒电势仪分别连接腐蚀元件、参比电极以及辅助电极，采用三电极体系进行电化学测试。

图4为焊缝电阻‐‐多电极腐蚀传感器电极结构图，包括腐蚀元件与参比元件。其中参比元件所有面都用环氧进行覆盖绝缘，腐蚀元件除中间处L_Corr长裸露外，其他所有区域均用环氧进行覆盖绝缘。传感器中所有元件均没有热绝缘，而电阻受温度变化影响，故设置参比元件目的是为了进行良好的温度补偿以保证电阻测量准确性。

电阻法是根据腐蚀会导致电极变薄，使元件电阻值发生变化的原理，通过电阻值的变化计算腐蚀深度。本腐蚀监测传感器电极截面如图4，几何参数如下：d为试片初始厚度，w为试片宽度，x为腐蚀深度，L_C为参比试片测量段总长度，L_S为腐蚀试片测量段总长度，L_Corr为腐蚀试片腐蚀段长度。假设一段时间后腐蚀元件裸露区平均腐蚀深度为x，则测得的腐蚀元件与参比元件电阻值计算分别如下：

R_c＝V_c/I (2)

R_s＝V_s/I (3)

其中V_C为参比元件测量段电压值，V_S为腐蚀元件测量段电压值，R_C为参比元件测量段电阻，R_S为腐蚀元件测量段电阻。

通过式(4)、(5)变换可得腐蚀元件平均腐蚀深度x计算结果如下：

因此，腐蚀元件的腐蚀深度只与腐蚀元件的初始截面尺寸、对应区域的电阻值比相关，只需控制好初始截面尺寸，即可通过测得的当前阻值比得到腐蚀元件的平均腐蚀深度x。

该腐蚀监测传感器工作时需注意的是在工作之前应该首先测试不同温度下腐蚀元件和参比元件的电阻比值，确保其有良好的温度补偿。

该焊缝腐蚀监测传感器腐蚀元件除了进行微电阻测量和电化学测试时均处于偶接状态，通过零电阻电流计可以从宏观上且较为直接的焊缝不同区域的腐蚀情况。利用微欧计测得腐蚀元件和参比元件每个分区的电阻，进一步通过计算可得到母材区、热影响区与焊缝区的腐蚀深度，更为具体地监测到焊缝的局部腐蚀情况。并结合电化学测试结果，进行更为全面的腐蚀状态分析。结合监测到的焊缝局部腐蚀信息，工作人员可以采用更全面的腐蚀防护措施。

综上，本发明提供了一种可模拟受力状态下的焊缝腐蚀监测装置及其监测方法。通过对传统实验室进行焊缝局部腐蚀监测方法的改进，考虑焊缝结构实际受力情况，结合电阻—多电极系统，更为全面、准确地进行焊缝结构不同区域的局部腐蚀监测。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (7)

1.一种可模拟受力状态下的焊缝腐蚀监测装置，包括母材区、热影响区、焊缝区，其特征在于：所述装置还包括四点弯曲加力装置(1)、零电阻电流计(2)、电化学工作站(3)、焊缝电阻--多电极腐蚀传感器(4)、参比电极(5)、辅助电极(6)、微欧计(7)和信号采集控制系统(8)；其中，所述四点弯曲加力装置(1)通过螺栓(12)调节装配在其上的焊缝电阻多电极腐蚀传感器(4)的挠度来改变传感器所处环境外力载荷工况；所述焊缝电阻多电极腐蚀传感器(4)的每个电极试片焊接四根导线，采用四线法计算电阻值，通过四点弯曲固定在加力装置上；所述包括三个或三个以上的腐蚀元件分别通过继电器开关，对应配接三个或三个以上零电阻电流计(2)，并将三个或三个以上所述零电阻电流计偶接于A/D转换器；所述三个或三个以上腐蚀元件(41)及三个或三个以上参比元件(42)分别通过继电器开关连接于微欧计(7)；所述辅助电极(6)通过导线、继电器连接于电化学工作站(3)；所述参比电极(5)进行多电极耦合电位测量时通过导线、继电器连接于A/D转换器，进行电化学测量时，断开与A/D转换器连接的继电器，切换继电器连接上电化学工作站；所述信号采集控制系统(8)用以采集、保存各所述零电阻电流计、电化学工作站和所述微欧计测量的数据，并控制所述继电器开关的动作。

2.根据权利要求1所述的焊缝腐蚀监测装置，其特征在于：所述腐蚀元件与参比元件分别取材于焊缝母材区、热影响区、焊缝区。

3.根据权利要求1所述的焊缝腐蚀监测装置，其特征在于：所述腐蚀元件，在其局部区域裸露外的其余表面部分均覆盖环氧树脂以保证非腐蚀表面的电绝缘性能，所述参比原件，其所有表面进行环氧树脂封装覆盖。

4.根据权利要求1所述的焊缝腐蚀监测装置，其特征在于：所述取材于焊缝结构母材区、热影响区、焊缝区三个区域的腐蚀元件与参比元件可以设置三个或三个以上，并通过改变不同区域的电极数量或者改变电极的裸露面积来实现不同区域的面积比。

5.根据权利要求4所述的焊缝腐蚀监测装置，其特征在于：所述不同区域的面积比，是通过改变不同区域的电极数量或是改变电极的裸露面积且以所述的腐蚀元件和参比元件的各三个参数进行的对比。

6.一种基于权利要求1所述的焊缝腐蚀监测装置的检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S01：将焊缝电阻多电极试片装配入四点弯曲加力装置，调节螺纹改变电极试片的挠度；

S02：将焊缝电阻多电极腐蚀传感器置于实验环境下，通过每个电极试片上的四根导线将传感器与微欧计、零电阻电流计连接起来；

S03：通过切换程序控制继电器开关，对焊缝三个区域定时进行电化学测量；

S04：通过信号采集控制系统预先设置零电阻电流计和微欧计的采样时间以及各继电器开关动作的逻辑顺序；

S05：通过信号采集控制系统采集零电阻电流计和微欧计测得的数据并保存文档；

S06：对信号采集控制系统所采集的数据进行分析处理，得到腐蚀元件间的电偶电流以及焊缝三个区域腐蚀元件各自的腐蚀深度x；

S07：通过对比腐蚀元件间的电偶电流和每个区域的腐蚀深度x，得到焊缝结构的局部腐蚀情况。

7.根据权利要求5所述的监测方法，其特征在于：所述步骤S04中所有腐蚀元件通过零电阻电流计保持偶接状态，仅在通过电化学工作站进行电化学测试、微欧计测量长条电极试片电阻时断开偶接。