CN108444899A - 一种直流杂散电流引起金属材料腐蚀的室内实验模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种直流杂散电流引起金属材料腐蚀的室内实验模拟装置，属于金属材料腐蚀测试技术领域。本发明所述装置包括：数控插座、接地线、箱体、温度控制系统、湿度控制系统、腐蚀实验系统、电化学测试系统，温度控制系统和湿度控制系统均固定在箱体上，腐蚀实验系统和电化学测试系统位于箱体内部，插座位于箱体上，箱体底部设有接地线；本发明可在实验室条件下实现金属材料受杂散电流影响而产生腐蚀的模拟实验同时可以通过电化学系统监控腐蚀的过程；并且环境温度和湿度可控制，从而实验可在恒温恒湿的条件下进行；此外，本发明结构简单，易于放样、取样，造价低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流杂散电流引起金属材料腐蚀的室内实验模拟装置，属于金属材料腐蚀测试技术领域。
背景技术
杂散电流是指原定的正常电路漏失而流入他处的电流，其主要来源于电气化铁道，高压输电线路，阴极保护系统等。杂散电流腐蚀对金属的腐蚀是电化学腐蚀，其破坏特征是阳极区的局部腐蚀，其原理金属发生自然腐蚀一样，都具有阳极氧化过程和阴极还原过程。电流流出的区域为阳极区，电流流入的区域为阴极区。
埋地管道长期处在地底下的土壤环境中，受到来自高压输电线路和阴极保护等设备造成的杂散电流腐蚀。对于直流干扰，它的特点是局部腐蚀和涂层剥离。对于交流干扰，其特点如下：加速管道腐蚀，交流腐蚀比直流腐蚀更为集中；交流电波动大，会造成测量仪器失控，损坏设备；若强电线路发生故障时，产生瞬间杂散电压，威胁施工人员的人生安全。经研究人员发现，直流杂散电流引起埋地管道的腐蚀程度要比交流杂散电流要大。对于60Hz交流电而言，其腐蚀程度仅为相同大小直流电的1％。
对直流杂散电流腐蚀程度的评价和检测工作较为繁琐，而且在实际土壤复杂环境中，很难定量判断直流杂散电流的影响；基于此，有必要提供一种结构简单、易于操作，可以评价杂散直流电流对金属材料的腐蚀影响的模拟现场直流杂散电流腐蚀状态的室内实验装置。目前，国内也有相关人员在方面做过工作，但是对于装置的温度和湿度控制，实时监控，原位检测等技术问题还没有有效的解决方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型直流杂散电流引起金属材料腐蚀的室内模拟实验装置，以解决现在已有的装置无温度和湿度控制系统，腐蚀监控系统和原位检测等关键技术问题。
本发明通过以下技术方案实现
一种直流杂散电流引起金属材料腐蚀的室内实验模拟装置，包括数控插座3、接地线13、箱体22、温度控制系统、湿度控制系统、腐蚀实验系统、电化学测试系统，温度控制系统和湿度控制系统均固定在箱体22上，腐蚀实验系统和电化学测试系统位于箱体22内部，插座3位于箱体22上，箱体22底部设有接地线13；
温度控制系统包括热电偶14、温度控制器23、空气加热器24，热电偶14、空气加热器24位于箱体22的内部，并固定在箱体上，温度控制器23位于箱体22的外部，并固定在箱体上；热电偶14、空气加热器24分别与温度控制器23连接；
湿度控制系统包括水管15、外部遮蔽箱16、气雾发生器17、湿度传感器18、自动控制阀19、供水系统20、湿度控制器21，气雾发生器17、湿度传感器18位于箱体的内部，外部遮蔽箱16、自动控制阀19、供水系统20、湿度控制器21位于箱体的外部；湿度传感器18穿过外部遮蔽箱16和湿度控制器21，湿度控制器21与自动控制阀19连接，自动控制阀19设置在水管15上，水管15一端穿过外部遮蔽箱16与供水系统20连通，另一端放入气雾发生器17内部；气雾发生器17里水量达到临界时湿度控制器21把信号反应到自动控制阀19，自动控制阀19以此来调整水的流量和水的速度，控制灵活而且精度高。
腐蚀实验系统包括电源1、开关2、数控插座3、铂片电极4、石墨电极5、甘汞电极6、工作电极7、电流表8、开口石英玻璃槽9、腐蚀介质10，电源1负极、电流表8、石墨电极5依次连接，电源1正极、开关2、工作电极7依次连接，铂片电极4、石墨电极5、甘汞电极6、工作电极7放入开口石英玻璃槽9内的腐蚀介质10中并与开口石英玻璃槽9底部垂直，且与石英玻璃槽9底部距离为3～5cm；
腐蚀实验系统包括电化学测试系统和腐蚀测试系统，电化学测试系统包括铂片电极4、甘汞电极6、工作电极7、计算机11、电化学工作站12，计算机11和电化学工作站12连接；电化学工作站12的电极连接单元为三电极体系；电化学工作站12的WE接口与工作电极7连接，CE接口与铂片电极4连接，RE接口与甘汞电极6连接；电化学工作站可以用来实时监控腐蚀的过程和进行原位检测，计算机可以把电化学工作站发出的信号数据化反应出来。
腐蚀测试系统为两电极体系，包括电源1、开关2、电流表8、石墨电极5、工作电极7，电源1负极、电流表8、石墨电极5依次连接，电源1正极、开关2、工作电极7依次连接；铂片电极4、石墨电极5、甘汞电极6、工作电极7放入开口石英玻璃槽9内的腐蚀介质10中并与开口石英玻璃槽9底部垂直，各电极与石英玻璃槽9底部距离为3～5cm；
优选的，本发明所述工作电极7为矩形试片，长为20～30mm，宽10～20mm，厚度1～2mm。
优选的，本发明所述水管15为硅胶软管，内径为2～4mm，外径比内径大1～2mm。
优选的，本发明所述箱体22的底部四个角上分别设有消音脚轮25，消音脚轮25的轮直径大小为1.5～3寸，承重量为50～100kg。
优选的，本发明所述热电偶14表面包覆有防护层，防护层为不锈钢套管。
优选的，本发明所述空气加热器24为不锈钢散热片式的电热管。
优选的，本发明所述湿度控制器21和温度控制器23通过螺钉与箱体22外部链接，连接处涂覆有环氧树脂涂层。
本发明所述装置可以通过控温控湿，模拟直流杂散电流对金属材料的腐蚀影响。测试方法可以采用挂片法，用铜导线焊接在工作电极7的非工作面，用环氧树脂将非工作面涂覆，垂直放入腐蚀介质中，当达到预定时间后，取出试片即可评价样品的腐蚀性。
测试方法也可采用电化学方法，采用三电极体系，试片为工作电极，铂片为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极；可以通过“电位-时间”模块来测试腐蚀过程中电位的变化；也可通过其它模块，包括但不限于交流阻抗，极化曲线等来评价试片腐蚀后的腐蚀性。
本发明的有益效果
（1）本发明所述装置能够避免模拟杂散电流腐蚀过程和电化学测试中其它设备造成的电磁干扰。
（2）本发明所述装置能够实时控制腐蚀过程中环境的湿度与温度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图中：1-电源；2-开关；3-数控插座；4-铂片电极；5-石墨电极；6-甘汞电极；7-工作电极；8-电流表；9-开口石英玻璃槽；10-腐蚀介质；11-计算机；12-电化学工作站；13-接地线；14-热电偶；15-水管；16-外部遮蔽箱；17-气雾发生器；18-湿度传感器；19-自动控制阀；20-供水系统；21-湿度控制器；22-箱体；23-温度控制器；24-空气加热器；25-消音脚轮。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种直流杂散电流引起金属材料腐蚀的室内实验模拟装置，包括数控插座3、接地线13、箱体22、温度控制系统、湿度控制系统、腐蚀实验系统、电化学测试系统，温度控制系统和湿度控制系统均固定在箱体22上，腐蚀实验系统和电化学测试系统位于箱体22内部，插座3位于箱体22上，箱体22底部设有接地线13；本实施例中箱体22采用热轧板焊接而成，外壁和内壁均涂覆隔热涂层以保持箱体22内部温度不变。数控插座3保证在外部供电断开后能迅速转换接到发电机以保持实验的进行；接地线13用于保证操作人员的安全。
温度控制系统包括热电偶14、温度控制器23、空气加热器24，热电偶14、空气加热器24位于箱体22的内部，并固定在箱体上，温度控制器23位于箱体22的外部，并固定在箱体上；热电偶14、空气加热器24分别与温度控制器23连接。
本实施例所述温度控制系统用于控制箱体22内的温度，以此研究不同环境温度下杂散电流对管线钢的影响，具体过程为：当热电偶14感应到箱体22内的环境温度较高或较低时，与热电偶14连接的温度控制器23可以调整空气加热器24的加热功率，以此调整箱体22内的环境温度；。
湿度控制系统包括水管15、外部遮蔽箱16、气雾发生器17、湿度传感器18、自动控制阀19、供水系统20、湿度控制器21，气雾发生器17、湿度传感器18位于箱体的内部，外部遮蔽箱16、自动控制阀19、供水系统20、湿度控制器21位于箱体的外部；湿度传感器18穿过外部遮蔽箱16和湿度控制器21，湿度控制器21与自动控制阀19连接，自动控制阀19设置在水管15上，水管15一端穿过外部遮蔽箱16与供水系统20连通，另一端放入气雾发生器17内部；
本实施例所述湿度控制系统用于控制箱体22内的湿度，可以研究不同环境湿度下杂散电流对管线钢的影响，具体过程为：气雾发生器17里水量达到临界时湿度控制器21把信号反应到自动控制阀19，自动控制阀19以此来调整水的流量和水的速度以保证箱体22内的湿度。
腐蚀实验系统包括电化学测试系统和腐蚀测试系统，电化学测试系统包括铂片电极4、甘汞电极6、工作电极7、计算机11、电化学工作站12，计算机11和电化学工作站12连接；电化学工作站12的电极连接单元为三电极体系；电化学工作站12的WE接口与工作电极7连接，CE接口与铂片电极4连接，RE接口与甘汞电极6连接；电化学工作站可以用来实时监控腐蚀的过程和进行原位检测，计算机可以把电化学工作站发出的信号数据化反应出来。腐蚀测试系统为两电极体系，包括电源1、开关2、电流表8、石墨电极5、工作电极7，电源1负极、电流表8、石墨电极5依次连接，电源1正极、开关2、工作电极7依次连接；铂片电极4、石墨电极5、甘汞电极6、工作电极7放入开口石英玻璃槽9内的腐蚀介质10中并与开口石英玻璃槽9底部垂直，各电极与石英玻璃槽9底部距离为3～5cm；
本实施例中电源1为可调式直流稳压电源，输出的电压为6V的直流电，用来给工作电极7提供直流杂散电流；本实施例中石墨电极5为高纯石墨，工作电极7为长25mm，宽10mm，厚2mm的矩形试片，通过铜导线与电源1相连。
本实施例电化学测试方法可以采用挂片法，用铜导线焊接在工作电极7的非工作面，用环氧树脂将非工作面涂覆，垂直放入腐蚀介质10中，当达到预定时间后，取出工作电极7即可通过电化学测试评价腐蚀性。本实施例中电化学测试系统采用三电极体系来进行测试；可以选择电化学工作站12“电位-时间”来对腐蚀过程进行检测，通过电位随时间的变化来判断腐蚀的发生；通过电化学工作站12的其他模块可以进行腐蚀实验后电化学性能的测试。
作为优选的实施方式，本实施例所述水管15为硅胶软管，内径为2～4mm，外径比内径大1～2mm。
作为优选的实施方式，本实施例所述箱体22的底部四个角上分别设有消音脚轮25，消音脚轮25的大小为3寸，承重量为100kg。
作为优选的实施方式，本实施例所述热电偶14表面包覆有防护层，防护层为不锈钢套管。
作为优选的实施方式，本实施例所述空气加热器24为不锈钢散热片式的电热管；空气加热器24也可以为电热棒，
作为优选的实施方式，本实施例所述湿度控制器21和温度控制器23通过螺钉与箱体22外部链接，连接处涂覆有环氧树脂涂层。
本实施例中所述电源1为可调式直流稳压稳流电源，最大输出：50V/10A，电流表最大量程为0～1A；湿度控制器21的量程为0～100%，湿度控制器21采用智能数控温控表，量程为-20ºC～100ºC，测量精度为0.2级；热电偶选用CU100热电偶并选用直径为10mm的不锈钢管包覆。
下面结合具体的使用过程对本实施例的装置进一步详细说明
在使用时，无论是腐蚀体系中的双电极体系还是电化学测试系统中三电极体系，铂片电极4、石墨电极5、甘汞电极6、工作电极7（选择X70管线钢）应在同一水平面上且在一条直线上；放入的腐蚀介质10（选用原状土壤溶液）至少有开口石英玻璃槽9三分之二以上的体积，试片应垂直埋入腐蚀介质10中，铂片电极4、石墨电极5、甘汞电极6、工作电极7底部离开口石英玻璃槽9距离为3～5cm。设立相应的实验温度，开启供水系统20，并设立相应的实验湿度；当箱体22的温度和湿度达到设定值时，开启电源1，即可进入测试。
本发明可以在实验室条件下实现埋地X70管线钢在土壤中受到杂散电流腐蚀的模拟测试，也可以来测试其他金属材料如，不锈钢，铝合金等在杂散电流下的腐蚀。
Claims (7)
1.一种直流杂散电流引起金属材料腐蚀的室内实验模拟装置，其特征在于：包括数控插座（3）、接地线（13）、箱体（22）、温度控制系统、湿度控制系统、腐蚀实验系统，温度控制系统和湿度控制系统均固定在箱体（22）上，腐蚀实验系统位于箱体（22）内部，插座（3）位于箱体（22）上，箱体（22）底部设有接地线（13）；
温度控制系统包括热电偶（14）、温度控制器（23）、空气加热器（24），热电偶（14）、空气加热器（24）位于箱体（22）的内部，并固定在箱体上，温度控制器（23）位于箱体（22）的外部，并固定在箱体上；热电偶（14）、空气加热器（24）分别与温度控制器（23）连接；
湿度控制系统包括水管（15）、外部遮蔽箱（16）、气雾发生器（17）、湿度传感器（18）、自动控制阀（19）、供水系统（20）、湿度控制器（21），气雾发生器（17）、湿度传感器（18）位于箱体的内部，外部遮蔽箱（16）、自动控制阀（19）、供水系统（20）、湿度控制器（21）位于箱体的外部；湿度传感器（18）穿过外部遮蔽箱（16）和湿度控制器（21）连接，湿度控制器（21）与自动控制阀（19）连接，自动控制阀（19）设置在水管（15）上，水管（15）一端穿过外部遮蔽箱（16）与供水系统（20）连通，另一端放入气雾发生器（17）内部；
腐蚀实验系统包括电化学测试系统和腐蚀测试系统，电化学测试系统包括铂片电极（4）、甘汞电极（6）、工作电极（7）、计算机（11）、电化学工作站（12），计算机（11）和电化学工作站（12）连接；电化学工作站（12）的电极连接单元为三电极体系；电化学工作站（12）的WE接口与工作电极（7）连接，CE接口与铂片电极（4）连接，RE接口与甘汞电极（6）连接；
腐蚀测试系统为两电极体系，包括电源（1）、开关（2）、电流表（8）、石墨电极（5）、工作电极（7），电源（1）负极、电流表（8）、石墨电极（5）依次连接，电源（1）正极、开关（2）、工作电极（7）依次连接；
铂片电极（4）、石墨电极（5）、甘汞电极（6）、工作电极（7）放入开口石英玻璃槽（9）内的腐蚀介质（10）中并与开口石英玻璃槽（9）底部垂直，各电极与石英玻璃槽（9）底部距离为3～5cm。
2.根据权利要求1所述直流杂散电流引起金属材料腐蚀的室内实验模拟装置，其特征在于：工作电极（7）为矩形试片，长为20～30mm，宽10～20mm，厚度1～2mm。
3.根据权利要求1所述直流杂散电流引起金属材料腐蚀的室内实验模拟装置，其特征在于：水管（15）为硅胶软管，内径为2～4mm，外径比内径大1～2mm。
4.根据权利要求1所述直流杂散电流引起金属材料腐蚀的室内实验模拟装置，其特征在于：箱体（22）的底部四个角上分别设有消音脚轮（25），消音脚轮（25）的轮直径大小为1.5～3寸，重量为50～100kg。
5.根据权利要求1所述直流杂散电流引起金属材料腐蚀的室内实验模拟装置，其特征在于：热电偶（14）表面包覆有防护层，防护层为不锈钢套管。
6.根据权利要求1所述直流杂散电流引起金属材料腐蚀的室内实验模拟装置，其特征在于：所述空气加热器（24）为不锈钢散热片式的电热管。
7.根据权利要求1所述直流杂散电流引起金属材料腐蚀的室内实验模拟装置，其特征在于：湿度控制器（21）和温度控制器（23）通过螺钉与箱体（22）外部链接，连接处涂覆有环氧树脂涂层。
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