CN108333100A - 一种模拟土壤腐蚀的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于模拟土壤腐蚀的试验装置及方法，所述试验装置包括箱体、试样架、电解池单元、土壤紧实度调节单元、通气单元和温湿度调节单元；试样架设于箱体内用于放置试样；试验时，箱体内填充有模拟土壤，试样埋置在模拟土壤中；电解池单元由水平滑道、橡胶插孔塞、参比电极和辅助电极组成；土壤紧实度调节单元由压力传感器、压力控制器和移动侧板组成；通气单元由气瓶、通气管和流量泵组成；温湿度调节单元由加热器、温度传感器、湿度传感器、温度控制器和湿度控制器组成；本发明中的模拟土壤具备土壤的多孔性、多相性等特点，能够准确模拟目标土壤的理化性质，埋片的同时，还可以对试样进行实时电化学测试。

Description

一种模拟土壤腐蚀的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及金属腐蚀防护技术领域，尤其涉及一种模拟土壤腐蚀的试验装置及方法。

背景技术

随着我国经济飞速发展，对能源的需求迅速增加，油气管道大量兴建，管道埋地铺设的情况越来越多，管道遭受的土壤腐蚀环境也不尽相同，对土壤环境中的腐蚀问题研究是金属腐蚀研究领域的重要组成部分。

土壤腐蚀的试验方法主要包括室外现场埋设方法和室内模拟及加速方法两类。室外现场埋设方法是最可靠的方法，数据客观、真实，但缺点是周期长，得到的数据有限且分散；室内模拟及加速方法围绕影响土壤腐蚀的主要因素展开，各主要因素的作用效果及其相互间的交互作用是土壤腐蚀研究的重点，也是对各类土壤腐蚀性的评价、分类和预测的基础。虽然目前土壤腐蚀加速试验还没有相关的国家标准，但土壤腐蚀室内模拟及加速方法已经成为确定土壤中金属腐蚀速度、评价土壤腐蚀性的经典方法。与室外现场埋设试验相比，室内模拟试验具有试验条件易于控制、参数测量准确、试验周期短的优点。

室内模拟试验包括电化学测量和加速腐蚀测试。其中，电化学方法是研究土壤腐蚀的一种快速简洁的方法，并得到广泛的应用。可用于土壤腐蚀测试的电化学方法主要有：电化学极化、交流阻抗谱、动电位扫描和电化学噪声等。加速测试方法能够快速、准确地评价出土壤腐蚀性。目前土壤加速试验方法主要有强化介质法、电偶加速法、电解失重法、间断极化法和干湿交替法。

上述室内模拟试验方法均是在短时间内加速土壤腐蚀的测试方法，除了强化介质法和干湿交替法，其他的均是通过引入外加电流来加速土壤腐蚀的，腐蚀条件与实际腐蚀条件不符，改变了土壤腐蚀机理。

申请号为201310209287.4的中国专利公开了“一种土壤腐蚀加速试验方法及装置”，试验区分为两层，箱体内部可以调节温度和排风，箱体下层装有多个土壤的土壤试验盒连接电路，可以给土壤施加外加电流加速土壤腐蚀。缺点是该装置无法对湿度进行调节，无法考察土壤紧实程度对腐蚀的影响，而且要用实际土壤，土壤的均匀性无法得到保证，并且无法用电化学手段对试样进行实时的电化学测试。

申请号为201310259811.9的中国专利公开了“一种模拟土壤腐蚀过程的加速测试方法”。采用硅藻土与盐溶液混合制备与目标土壤理化性质基本相同的测试土壤，进行土壤加速腐蚀试验。缺点是设备过于简单，无法采用电化学手段进行实时测试。

申请号为200720173948.2中国专利公开了一种“模拟加速土壤腐蚀试验箱”。该试验箱通过调节试验温度和含水量来达到加速腐蚀的目的。同样缺点是需要利用实际土壤作为介质，土壤均匀性无法得到保证，只能进行简单的埋片试验，并且无法用电化学手段对试样进行实时的电化学测试。

申请号为201320675615.5的中国专利公开了“一种土壤腐蚀模拟加速试验箱”。试验箱内有N个重量传感器，每个传感器的另一端与水箱相连，利用喷嘴实现水流雾化，提高土壤腐蚀模拟加速试验的准确性。缺点也是设备过于简单，只能进行埋片无法用电化学手段对试样进行实时的电化学测试。

上述几项专利均是利用土壤腐蚀试验箱开展土壤埋片加速腐蚀的测试方法，但均存在各自局限性：采用真实土壤难以保证土壤介质的均匀性，并且都无法实现既可以埋片腐蚀失重分析，又可以同时对试样进行实时的电化学测试。因此在保证反应机理与实际发生的腐蚀机理相同、具有较高的加速比的条件下，急需开发一种能够准确模拟目标土壤的理化性质，具备土壤的多孔性、多相性等特点，并且既可以在相应时间点进行腐蚀失重分析，又可以在埋片的同时，对试样进行实时电化学测试的腐蚀试验方法及装置。

发明内容

本发明提供了一种模拟土壤腐蚀的试验装置及方法，模拟土壤具备土壤的多孔性、多相性等特点，能够准确模拟目标土壤的理化性质，埋片的同时，还可以对试样进行实时电化学测试，从而保证试验的反应机理与实际发生的腐蚀机理相同，具有优异的模拟性和加速性，同时具有较强的可操作性。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种模拟土壤腐蚀的试验装置，包括箱体、试样架、电解池单元、土壤紧实度调节单元、通气单元和温湿度调节单元；所述箱体内的底部安放试样架，试样架设有多个平行的试样插槽用于竖直放置试样；试验时，箱体内填充有模拟土壤，试样埋置在模拟土壤中；电解池单元由水平滑道、橡胶插孔塞、参比电极和辅助电极组成，水平滑道位于箱体顶部、试样架的上方，水平滑道上可移动地设有多个橡胶插孔塞，橡胶插孔塞分别用于在电化学测试时插接试样连接导线、参比电极和辅助电极；试样连接导线的另一端与试样相连；

土壤紧实度调节单元由压力传感器、压力控制器和移动侧板组成，箱体上平行于试样平面的一个侧面设移动侧板，移动侧板可在移动驱动装置的带动下向箱体内侧或外侧移动；压力传感器设于模拟土壤中，压力传感器及移动驱动装置分别连接压力控制器；

通气单元由气瓶、通气管和流量泵组成，箱体上安装有通气管，通气管的一端探入模拟土壤中，另一端与箱体外部的气瓶连接，通气管上设有流量泵；

温湿度调节单元由加热器、温度传感器、湿度传感器、温度控制器和湿度控制器组成，加热器、温度传感器、湿度传感器设于箱体内的模拟土壤中，加热器、温度传感器与温度控制器相连，湿度传感器与湿度控制器相连；

压力控制器、流量泵、温度控制器及湿度控制器分别连接上位机。

所述箱体采用透明有机玻璃制作。

所述橡胶插孔塞不用时封闭。

一种基于所述试验装置的模拟土壤腐蚀的试验方法，包括如下步骤：

1)根据目标土壤的组成，采用去离子水和分析纯化学试剂配置模拟土壤溶液，并调节模拟土壤溶液的pH值；

2)以活性炭粒子作为载体，将活性炭粒子与土壤模拟溶液进行混合，获得与目标土壤理化性质接近的模拟土壤；

3)将脱脂清洗后的试样竖直置于试样架的试样插槽中，并将配置好的模拟土壤填充进箱体内将试样覆盖，并使试样连接导线的上端露出模拟土壤表面；通过上位机的操作系统，设定模拟土壤的压力、充气流量、温度和湿度参数；

4)启动移动驱动装置，移动侧板根据设定的压力自动调节位置，通过向模拟土壤施加不同的压力模拟不同情况下土壤的紧实程度；通过流量泵控制向模拟土壤内通气，通过温度控制器和湿度控制器调节模拟土壤的温度和含水量；

5)试样埋置一段时间以后，在相应的试验周期进行电化学测试；测试时，先将橡胶插孔塞沿水平滑道移动到试样上方，然后将试样连接导线的上端插入橡胶插孔塞中，并在另外2个橡胶插孔塞中插入参比电极和辅助电极，其中参比电极的鲁金毛细管的尖端对准试样，辅助电极与试样间隔且平行设置；电化学测试时所测得的数据由上位机进行实时记录；

6)试验结束后，取出试样，清除腐蚀产物，计算腐蚀速率。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)采用活性炭粒子作为载体，可以真实有效地模拟土壤；首先，活性炭粒子疏松多孔，能够充分有效地吸附模拟土壤溶液中的各类盐离子；其次，通过不同活性炭粒子的大小，可以模拟土壤的孔隙率；另外，通过调节模拟土壤溶液的pH值，能有效模拟土壤酸碱度；通过调节模拟土壤的压力，能有效模拟土壤的不同紧实程度；

2)在试样埋片过程中可以实时对试样进行电化学测试，无需将试样取出即可进行多个试验周期的电化学测试和电偶腐蚀试验；

3)可任意调节土壤介质理化参数，测量多种金属材料在不同土壤介质中的腐蚀速率，适用范围广；

4)腐蚀试验方法操作简单，且具有良好的加速效果；

5)腐蚀试验装置结构简单、成本低廉、操作方便、维护容易。

附图说明

图1是本发明所述一种模拟土壤腐蚀的试验装置的结构示意图。

图中：1.模拟土壤 2.箱体 3.移动侧板 4.试样架 5.加热器 6.压力传感器 7.温度传感器 8.湿度传感器 9.温度控制器 10.流量泵 11.通气管 12.气瓶 13.压力控制器14.湿度控制器 15.上位机 16.水平滑道 17.橡胶插孔塞 18.辅助电极 19.参比电极 20.试样

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1所示，本发明所述一种模拟土壤腐蚀的试验装置，包括箱体2、试样架4、电解池单元、土壤紧实度调节单元、通气单元和温湿度调节单元；所述箱体2内的底部安放试样架4，试样架4设有多个平行的试样插槽用于竖直放置试样20；试验时，箱体2内填充有模拟土壤1，试样20埋置在模拟土壤1中；电解池单元由水平滑道16、橡胶插孔塞17、参比电极19和辅助电极18组成，水平滑道16位于箱体2顶部、试样架4的上方，水平滑道16上可移动地设有多个橡胶插孔塞17，橡胶插孔塞17分别用于在电化学测试时插接试样连接导线、参比电极19和辅助电极18；试样连接导线的另一端与试样20相连；

土壤紧实度调节单元由压力传感器6、压力控制器13和移动侧板3组成，箱体2上平行于试样20平面的一个侧面设移动侧板3，移动侧板3可在移动驱动装置的带动下向箱体2内侧或外侧移动；压力传感器6设于模拟土壤1中，压力传感器6及移动驱动装置分别连接压力控制器13；

通气单元由气瓶12、通气管11和流量泵10组成，箱体2上安装有通气管11，通气管11的一端探入模拟土壤1中，另一端与箱体2外部的气瓶12连接，通气管11上设有流量泵10；

温湿度调节单元由加热器5、温度传感器7、湿度传感器8、温度控制器9和湿度控制器14组成，加热器5、温度传感器7、湿度传感器8设于箱体2内的模拟土壤1中，加热器5、温度传感器7与温度控制器9相连，湿度传感器8与湿度控制器14相连；

压力控制器13、流量泵10、温度控制器9及湿度控制器14分别连接上位机15。

所述箱体2采用透明有机玻璃制作。

所述橡胶插孔塞17不用时封闭。

一种基于所述试验装置的模拟土壤腐蚀的试验方法，包括如下步骤：

1)根据目标土壤的组成，采用去离子水和分析纯化学试剂配置模拟土壤溶液，并调节模拟土壤溶液的pH值；

2)以活性炭粒子作为载体，将活性炭粒子与土壤模拟溶液进行混合，获得与目标土壤理化性质接近的模拟土壤1；

3)将脱脂清洗后的试样20竖直置于试样架4的试样插槽中，并将配置好的模拟土壤1填充进箱体2内将试样20覆盖，并使试样连接导线的上端露出模拟土壤1表面；通过上位机15的操作系统，设定模拟土壤1的压力、充气流量、温度和湿度参数；

4)启动移动驱动装置，移动侧板3根据设定的压力自动调节位置，通过向模拟土壤1施加不同的压力模拟不同情况下土壤的紧实程度；通过流量泵10控制向模拟土壤1内通气，通过温度控制器9和湿度控制器14调节模拟土壤1的温度和含水量；

5)试样20埋置一段时间以后，在相应的试验周期进行电化学测试；测试时，先将橡胶插孔塞17沿水平滑道16移动到试样20上方，然后将试样连接导线的上端插入橡胶插孔塞17中，并在另外2个橡胶插孔塞17中插入参比电极19和辅助电极18，其中参比电极19的鲁金毛细管的尖端对准试样20，辅助电极18与试样20间隔且平行设置；电化学测试时所测得的数据由上位机15进行实时记录；

6)试验结束后，取出试样20，清除腐蚀产物，计算腐蚀速率。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例1】

本实施例中，利用本发明所述方法开展Q235钢在模拟酸性土壤环境下的腐蚀试验。

取我国华南地区典型的酸性红土壤作为目标土壤，分析其理化性质，采用分析纯化学试剂和去离子水配置模拟土壤溶液；为达到加速腐蚀的目的，使模拟土壤溶液的盐浓度为目标土壤的5倍，其具体成分为：CaCl₂ 0.059g/L、NaCl 0.249g/L、Na₂SO₄ 0.076g/L、MgSO₄ 0.105g/L、KNO₃ 0.156g/L、NaHCO₃ 0.081g/L。

将模拟土壤溶液与20目的活性炭粒子充分混合，用H₂SO₄调节模拟土壤溶液的pH值为4.0，模拟土壤溶液的含水量为40％。

取Q235钢加工成50×50×5mm的试样20，其中一块试样20，在其上焊接试样连接导线，对试样20进行清洗除油、称重和量尺。

将试样20竖直放置于箱体2内的试样架4上，将配置好的模拟土壤1填充进箱体2内；通过上位机15设定各项试验参数，包括温度为40℃、湿度为90％，通氧气流量为0.5L/h，土壤紧实度为1300KPa。

试验装置按照设定的参数值自动进行调节，分别在试样20埋置到第4天、第8天、第16天时，对试样20进行电化学测试；电化学测试时，通过观察箱体2内试样20的位置，沿水平滑道16移动橡胶插孔塞17，使其分别位于适当的位置；在橡胶插孔塞17中插入参比电极19，并使其鲁金毛细管的尖端对准试样20，辅助电极18与试样20保持平行。

电化学测试后，将参比电极19和辅助电极18从橡胶插孔塞17中拔出，将橡胶插孔塞17进行保护性封闭。

16天腐蚀试验结束后，取出试样20，对试样20进行酸洗，计算腐蚀速率，结果见表1。

表1腐蚀速率结果

【实施例2】

本实施例中，利用本发明所述方法开展X80钢在模拟碱性土壤环境下的腐蚀试验。

取西北地区碱性土壤作为目标土壤，分析其理化性质，为达到加速腐蚀的目的，模拟土壤溶液的盐浓度为目标土壤的10倍，具体成分为Cl^-0.014％、SO₄ ^2-0.026％、HCO₃ ^-1.013％、NO₃ ^-0.035％。

采用分析纯NaCl、Na₂SO₄、NaHCO₃、NaNO₃化学试剂和去离子水配制模拟土壤溶液，将模拟土壤溶液与50目的活性炭粒子充分混合，用NaOH将模拟土壤溶液的pH值调整为9.5，模拟土壤溶液的含水量为23.8％。

取X80钢，加工成10×10×5mm的试样20，试样20背面焊接试样连接导线并采用环氧树脂封装。

将试样20竖直放置于箱体2内的试样架4上，将配置好的模拟土壤1填充进箱体2内；通过上位机15设定各项试验参数，包括温度为30℃，湿度为80％，通氧气流量为0.5L/h，土壤紧实度为1000KPa。

试验装置按照设定的试验参数自动进行调节，分别测量试样20在第10天、第30天和第50天的极化曲线并拟合，试验结果见表2。

表2不同腐蚀时间下的极化曲线拟合结果

腐蚀时间/d	icorr/(μA·cm-2)	Ecorr/mV
			10	1.688	-851
30	2.109	-852
			50	2.978	-858

从表2中可以看出，腐蚀电流密度缓慢增加，说明腐蚀速率缓慢增加。

【实施例3】

本实施例中，利用本发明所述方法开展X70管线钢在模拟含CO₂库尔勒土壤环境下的腐蚀试验。

目标土壤为库尔勒土壤站的土壤，采用分析纯化学试剂与去离子水配置模拟土壤溶液，模拟土壤溶液中阴离子含量(摩尔分数，％)为Cl^-0.2317、SO₄ ^2-0.0852、HCO₃ ^-0.0106、NO₃ ^-0.0132。将模拟土壤溶液与40目的活性炭粒子充分混合。

取X70钢，加工成30×30×5mm的试样20，试样20背面焊接试样连接导线并采用环氧树脂封装。

将试样20竖直放置于箱体2内的试样架4上，将模拟土壤1填充进箱体2。通过上位机15设定各项试验参数，包括温度为25℃、湿度为80％，土壤紧实度为500KPa。

通过通气管11向模拟土壤1中通入N₂进行除氧，通过调节N₂和CO₂流量比例控制CO₂分压，使CO₂占通气总压力的比例分别为5％、10％、20％。测试极化曲线，其他操作与实施例1、2相同，试验结果见表3。

表3不同CO₂分压下的极化曲线拟合结果

CO2分压/％	icorr/(μA·cm-2)	pH
			5	20.89	5.72
10	22.06	5.56
			20	34.89	5.29

【实施例4】

本实施例中，利用本发明所述方法开展X60管线钢在模拟格尔木土壤环境下的腐蚀试验。

目标土壤为我国典型盐渍土壤——格尔木土壤，根据目标土壤采用分析纯化学试剂与去离子水配置模拟土壤溶液，模拟土壤溶液中阴离子含量为Cl^-11.34％，SO₄ ^2-0.262％，HCO₃ ^-0.0099％。

将模拟土壤溶液与100目的活性炭粒子充分混合。取X60钢，加工成20×20×5mm的试样20，试样20背面焊接试样连接导线并采用环氧树脂封装。将试样20竖直放置于箱体2内的试样架4上，将模拟土壤1填充进箱体2。

通过上位机15设定各项试验参数，包括温度为25℃、湿度为70％，土壤紧实度为700KPa，其他操作与实施例1-3相同，测试X60钢在第30天、第60天和第90天的腐蚀速率，试验结果见表4：

表4腐蚀速率结果

试验时间/d	腐蚀速率/g·m-2·a-1
		30	12.3
60	7.09
		90	3.91

【实施例5】

本实施例中，利用本发明所述方法开展黄铜和镀锌钢在模拟土壤下的电偶腐蚀试验。

目标土壤取自国家腐蚀环境库尔勒工作站，根据目标土壤，采用分析纯化学试剂与去离子水配置模拟土壤溶液，模拟土壤溶液的化学成分为：NaCl 3.171g/L，Na₂SO₄2.528g/L，NaHCO₃ 0.146g/L，MgCl₂·6H₂O 0.670g/L，CaCl₂ 0.244g/L，KNO₃ 0.216g/L。采用10％的NaOH调节模拟土壤溶液的pH值为9.0。

加工电偶腐蚀试样，阴极黄铜尺寸为50×40×6mm，阳极镀锌钢的尺寸为10×10×6mm，阴、阳极面积比为20:1。用400#砂纸打磨去除氧化层，材料背面焊接带绝缘护套的铜导线，非工作面采用环氧树脂封装，偶合试样用防水导线焊接。

将两组试样放置在箱体2内的试样架4上，试样均竖直放置，控制阴阳极间距为6cm。沿移动水平滑道16移动橡胶插孔塞17，使其分别处于适当的位置，在橡胶插孔塞17中插入参比电极19，使参比电极19位于两组试样中间，鲁金毛细管尖端对准其中一个试样。

通过上位机15设定各项试验参数，包括温度为25℃、湿度为90％，试验装置按照设定的参数自动进行调节。

采用ZRA电偶腐蚀计测量电偶电流及电偶电位随时间的变化。结果为：随时间的增加，电偶电流开始迅速衰减变小；电偶电位也逐渐由铜的腐蚀电位方向，逐渐向镀锌钢的腐蚀电位方向偏移而发生负移。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种模拟土壤腐蚀的试验装置，其特征在于，包括箱体、试样架、电解池单元、土壤紧实度调节单元、通气单元和温湿度调节单元；所述箱体内的底部安放试样架，试样架设有多个平行的试样插槽用于竖直放置试样；试验时，箱体内填充有模拟土壤，试样埋置在模拟土壤中；电解池单元由水平滑道、橡胶插孔塞、参比电极和辅助电极组成，水平滑道位于箱体顶部、试样架的上方，水平滑道上可移动地设有多个橡胶插孔塞，橡胶插孔塞分别用于在电化学测试时插接试样连接导线、参比电极和辅助电极；试样连接导线的另一端与试样相连；

土壤紧实度调节单元由压力传感器、压力控制器和移动侧板组成，箱体上平行于试样平面的一个侧面设移动侧板，移动侧板可在移动驱动装置的带动下向箱体内侧或外侧移动；压力传感器设于模拟土壤中，压力传感器及移动驱动装置分别连接压力控制器；

通气单元由气瓶、通气管和流量泵组成，箱体上安装有通气管，通气管的一端探入模拟土壤中，另一端与箱体外部的气瓶连接，通气管上设有流量泵；

温湿度调节单元由加热器、温度传感器、湿度传感器、温度控制器和湿度控制器组成，加热器、温度传感器、湿度传感器设于箱体内的模拟土壤中，加热器、温度传感器与温度控制器相连，湿度传感器与湿度控制器相连；

压力控制器、流量泵、温度控制器及湿度控制器分别连接上位机。

2.根据权利要求1所述的一种模拟土壤腐蚀的试验装置，其特征在于，所述箱体采用透明有机玻璃制作。

3.根据权利要求1所述的一种模拟土壤腐蚀的试验装置，其特征在于，所述橡胶插孔塞不用时封闭。

4.一种基于权利要求1所述试验装置的模拟土壤腐蚀的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)根据目标土壤的组成，采用去离子水和分析纯化学试剂配置模拟土壤溶液，并调节模拟土壤溶液的pH值；

2)以活性炭粒子作为载体，将活性炭粒子与土壤模拟溶液进行混合，获得与目标土壤理化性质接近的模拟土壤；

3)将脱脂清洗后的试样竖直置于试样架的试样插槽中，并将配置好的模拟土壤填充进箱体内将试样覆盖，并使试样连接导线的上端露出模拟土壤表面；通过上位机的操作系统，设定模拟土壤的压力、充气流量、温度和湿度参数；

4)启动移动驱动装置，移动侧板根据设定的压力自动调节位置，通过向模拟土壤施加不同的压力模拟不同情况下土壤的紧实程度；通过流量泵控制向模拟土壤内通气，通过温度控制器和湿度控制器调节模拟土壤的温度和含水量；

5)试样埋置一段时间以后，在相应的试验周期进行电化学测试；测试时，先将橡胶插孔塞沿水平滑道移动到试样上方，然后将试样连接导线的上端插入橡胶插孔塞中，并在另外2个橡胶插孔塞中插入参比电极和辅助电极，其中参比电极的鲁金毛细管的尖端对准试样，辅助电极与试样间隔且平行设置；电化学测试时所测得的数据由上位机进行实时记录；

6)试验结束后，取出试样，清除腐蚀产物，计算腐蚀速率。