CN109738354B - 一种腐蚀在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种腐蚀在线监测装置。监测装置包括：压电陶瓷片和屏蔽导线，压电陶瓷片设于待测金属结构，屏蔽导线的一端与压电陶瓷片的两个电极连接。发生腐蚀损害时，待测金属结构由于质量、厚度及刚度损失，其机械阻抗会发生相应变化，通过实时测量耦合于金属结构上的压电陶瓷片的压电阻抗信号即可实现对金属结构腐蚀状况的在线监测。与现有技术相比，本发明提供的监测装置能够实时在线监测金属结构的腐蚀状态，装置结构简单，价格低廉，测量结果不受其他环境因素的影响，灵敏度高。

Description

一种腐蚀在线监测装置

技术领域

本发明涉及金属腐蚀监测领域，特别是涉及一种腐蚀在线监测装置。

背景技术

金属结构应用到国民生产的方方面面，如石油化工、土木水利、航空航天、交通运输等多个领域。在恶劣的环境下，金属结构将不可避免地发生腐蚀破坏，造成结构失效。这不仅会带来巨大的经济损失和大规模的环境污染，还会造成人员伤亡，直接威胁着人民群众的生命安全。因此，对重大工程结构设施如钢结构桥梁、油气管道、海洋平台、海洋风力发电设施等进行实时在线腐蚀监测就显得极其重要。

现有的腐蚀监测方法包括：腐蚀试片法(Corrosion Coupons)，电阻法(Electrical Resistance)，线性极化电阻法(Linear Polarization Resistance)，电化学阻抗光谱分析法(Electrochemical Impedance Spectroscopy)，氢探针法(HydrogenPenetration Monitoring)，超声厚度检测法(Ultrasonic Thickness Monitoring)和声发射法(Acoustic Emission)。腐蚀试片法需要人工定期检测试片的重量损失，人力消耗大，无法实现在线监测。电阻法、线性极化电阻法、电化学阻抗光谱分析法和氢探针法均属于电化学方法，所测结果只能定性描述腐蚀程度，而且易受其他环境因素的影响，灵敏度低。超声厚度检测法和声发射法涉及到昂贵的仪器设备，实施成本高，难以推广应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种腐蚀在线监测装置，能够实时在线监测金属结构的腐蚀状态，装置结构简单，价格低廉，测量结果不受其他环境因素的影响，灵敏度高。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种腐蚀在线监测装置，所述监测装置包括：压电陶瓷片和屏蔽导线，所述压电陶瓷片设于待测金属结构，所述屏蔽导线的一端与所述压电陶瓷片的两个电极连接。

可选的，所述监测装置还包括阻抗分析仪，所述屏蔽导线的另一端与所述阻抗分析仪连接。

可选的，所述压电陶瓷片粘贴于所述待测金属结构的表面。

可选的，所述压电陶瓷片的各个表面均涂覆有环氧树脂。

可选的，所述压电陶瓷片嵌设于所述待测金属结构的内部。

可选的，所述压电陶瓷片为经过极化处理后的钛酸铅压电陶瓷片、钛酸钡压电陶瓷片、锆钛酸铅压电陶瓷片、偏铌酸钡压电陶瓷片或者三元系压电陶瓷片。

可选的，所述压电陶瓷片的形状为方形或圆形。

可选的，所述压电陶瓷片的上电极和下电极均为银电极，所述下电极翻至所述上电极所在的表面。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供的一种腐蚀在线监测装置包括：压电陶瓷片和屏蔽导线，压电陶瓷片设于待测金属结构，屏蔽导线的一端与压电陶瓷片的两个电极连接。发生腐蚀损害时，待测金属结构由于质量、厚度及刚度损失，其机械阻抗会发生相应变化，通过实时测量耦合于金属结构上的压电陶瓷片的压电阻抗信号即可实现对金属结构腐蚀状况的在线监测。与现有技术相比，本发明提供的监测装置能够实时在线监测金属结构的腐蚀状态，装置结构简单，价格低廉，测量结果不受其他环境因素的影响，灵敏度高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种腐蚀在线监测装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的另一种腐蚀在线监测装置的结构示意图；

图3为采用本发明实施例提供的一种腐蚀在线监测装置进行腐蚀监测的示意图；

图4为本发明实施例所测得的不同腐蚀时间的导纳实部信号图；

图5为本发明实施例提供的腐蚀率指标随时间变化图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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做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。

本发明的目的是提供一种腐蚀在线监测装置，能够实时在线监测金属结构的腐蚀状态，装置结构简单，价格低廉，测量结果不受其他环境因素的影响，灵敏度高。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种腐蚀在线监测装置的结构示意图。如图1所示，一种腐蚀在线监测装置，包括：压电陶瓷片1和屏蔽导线2，所述压电陶瓷片1设于待测金属结构3，所述屏蔽导线2的一端与所述压电陶瓷片1的两个电极连接。

所述压电陶瓷片1可通过环氧树脂粘贴于所述待测金属结构3的表面，也可嵌设于所述待测金属结构3的内部。

可选地，所述压电陶瓷片1为经过极化处理后的钛酸铅压电陶瓷片、钛酸钡压电陶瓷片、锆钛酸铅压电陶瓷片、偏铌酸钡压电陶瓷片或者三元系压电陶瓷片。所述压电陶瓷片1的形状为方形或圆形。

本实施例中，所述压电陶瓷片1的上电极和下电极均为银电极，所述下电极通过侧面一端翻至所述上电极所在的表面，并和上电极分割，形成翻边电极，因此，屏蔽导线2可以在上电极所在的表面同时焊接连接上电极和下电极。为了避免压电陶瓷片被腐蚀，可在所述压电陶瓷片1的各个表面均涂覆环氧树脂，以实现密封防水处理。

图2为本发明实施例提供的另一种腐蚀在线监测装置的结构示意图。如图2所示，所述监测装置还包括阻抗分析仪4，所述屏蔽导线2的另一端与所述阻抗分析仪4连接。采用阻抗分析仪4实时测量压电陶瓷片的压电阻抗信号，从而实现对金属结构腐蚀状况的在线监测。实际应用中，还可进一步设置计算机5，采用RS232数据线或Ethernet网线将计算机5与阻抗分析仪4连接，计算机5对所述阻抗分析仪4输出的压电阻抗信号进行数据采集和分析处理，以确定所述待测金属结构3的腐蚀状态。

图3为采用本发明实施例提供的一种腐蚀在线监测装置进行腐蚀监测的示意图。如图3所示，所述腐蚀试片与待测金属结构的材料成分、组成、涂装工艺相同，可以是碳钢、不锈钢、铝合金、黄铜等，腐蚀试片可以是条状、杆状或者圆盘状。本实施例中的腐蚀试片为钢棒，材质为A3钢，直径为20mm，长度为100mm。压电陶瓷片1为圆形，直径为20mm，厚度为1mm。压电陶瓷片为圆形，直径为20mm，厚度为1mm。

使用环氧树脂将压电陶瓷片1粘贴于钢棒端部，压电陶瓷片1的其余表面涂覆环氧树脂，实现密封防水处理，制作成腐蚀监测装置。在加速腐蚀试验中，制备3.5％的NaCl溶液作为电解质，腐蚀试片连接至直流电源的正极，铜片连接至直流电源的负极。对腐蚀试片施加100mA的恒定电流进行加速腐蚀。

实施在线腐蚀监测的具体流程如下：

(1)选取范围较大的频率区间，采用阻抗分析仪获取压电陶瓷片的压电阻抗信号。

本实施例中，范围较大的扫描频率区间为10kHz-500kHz。

(2)根据所测的压电阻抗信号，找出出现最大峰值的频率段，并以该频率段为压电阻抗测量区间，再次进行压电阻抗测试，获得分辨率更高的压电阻抗信号，将其设置为初始状态压电阻抗信号。

所述压电阻抗信号峰值对应的频率反映压电陶瓷片与腐蚀试片耦合结构的共振频率，以此选取的频率段作为压电阻抗测试区间，能够使所测结果具有最高的灵敏度。

本实施例中，对频率区间为10kHz-500kHz的压电阻抗信号进行分析，发现80kHz-150kHz这个频率区间出现最大峰值，确定以此作为压电阻抗测量区间。以87Hz作为频率采样间隔，整个区间共805个频率点数。

(3)按照步骤(2)中确定的测试频率区间定期测量当前腐蚀状态下的压电阻抗信号。

(4)定义量化腐蚀指标，将不同时期测得的压电阻抗信号与初始状态压电阻抗信号进行对比，绘制腐蚀指标随时间变化图，观察腐蚀指标的变化发展情况，腐蚀指标值越大，表示腐蚀程度越严重。

所述压电阻抗信号包括：阻抗Z(ω)，阻抗实部R(ω)，阻抗虚部X(ω)，导纳Y(ω)，导纳实部G(ω)，导纳虚部B(ω)，它们之间的关系如下：

Z(ω)＝R(ω)+jX(ω) (1)

Y(ω)＝1/Z(ω)＝G(ω)+jB(ω) (2)

腐蚀指标包括阻抗幅值、阻抗实部、阻抗虚部、导纳幅值、导纳实部、导纳虚部中任何一个测量信号的均方根偏差(Root Mean Square Deviation,RMSD)、绝对比例平均偏差(Mean Absolute Percentage Deviation,MAPD)和相关系数(Correlation CoefficientDeviation,CCD)。

基于均方根偏差(RMSD)、绝对比例平均偏差(MAPD)和相关系数(CCD)的腐蚀指标分别由以下表达式计算：

其中，S表示阻抗幅值、阻抗实部、阻抗虚部、导纳幅值、导纳实部、导纳虚部中任何一个测量信号，表示测量信号的平均值，σ表示测量信号的标准差，N表示频率点数，i表示采样点的序号，下标0表示测量信号的初始状态，即初始状态测量信号；下标1表示当前状态的测量信号。

图4为本发明实施例所测得的不同腐蚀时间的导纳实部信号图。本实施例中，每腐蚀4天进行一次压电阻抗测量，获得各个腐蚀状态下的压电阻抗信号。由图4可见，随着腐蚀程度的增加，导纳实部信号发生明显变化，峰值下降，整个导纳实部曲线变得更为平滑。

图5为本发明实施例提供的腐蚀率指标随时间变化图，其中，图5的(a)部分为腐蚀率指标RMSD随时间变化图，图5的(b)部分为腐蚀率指标MAPD随时间变化图，图5的(c)部分为腐蚀率指标CCD随时间变化图。根据公式(3)、(4)和(5)分别计算导纳实部信号的均方根偏差(RMSD)、绝对比例平均偏差(MAPD)和相关系数(CCD)，以此作为腐蚀程度的量化指标。由图5可以看出，随着腐蚀程度的增加，这三个腐蚀指标都呈现出增长的趋势，表明腐蚀程度越来越严重。可见，本发明提供的监测装置能够实现对金属结构腐蚀状况的实时在线监测。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种基于腐蚀在线监测装置的腐蚀在线监测方法，其特征在于，所述监测装置包括：压电陶瓷片和屏蔽导线，所述压电陶瓷片设于待测金属结构，所述屏蔽导线的一端与所述压电陶瓷片的两个电极连接；

所述监测装置还包括阻抗分析仪，所述屏蔽导线的另一端与所述阻抗分析仪连接；

实施在线腐蚀监测的具体流程如下：

(1)选取范围较大的频率区间，采用所述阻抗分析仪获取压电陶瓷片的压电阻抗信号；

(2)根据所测的压电阻抗信号，找出出现最大峰值的频率段，并以该频率段为压电阻抗测量区间，再次进行压电阻抗测试，获得分辨率更高的压电阻抗信号，将其设置为初始状态压电阻抗信号；

所述压电阻抗信号峰值对应的频率反映压电陶瓷片与腐蚀试片耦合结构的共振频率，以此选取的频率段作为压电阻抗测试区间；

(3)按照步骤(2)中确定的测试频率区间定期测量当前腐蚀状态下的压电阻抗信号；

(4)定义量化腐蚀指标，将不同时期测得的压电阻抗信号与初始状态压电阻抗信号进行对比，绘制腐蚀指标随时间变化图，观察腐蚀指标的变化发展情况，腐蚀指标值越大，表示腐蚀程度越严重；

所述压电阻抗信号包括：阻抗Z(ω)，阻抗实部R(ω)，阻抗虚部X(ω)，导纳Y(ω)，导纳实部G(ω)，导纳虚部B(ω)，它们之间的关系如下：

Z(ω)＝R(ω)+jX(ω) （1）

Y(ω)＝1/Z(ω)＝＝G(ω)+jB(ω) （2）

腐蚀指标包括阻抗幅值、阻抗实部、阻抗虚部、导纳幅值、导纳实部、导纳虚部中任何一个测量信号的均方根偏差RMSD、绝对比例平均偏差MAPD和相关系数CCD；

基于均方根偏差RMSD、绝对比例平均偏差MAPD和相关系数CCD的腐蚀指标分别由以下表达式计算：

其中，S表示阻抗幅值、阻抗实部、阻抗虚部、导纳幅值、导纳实部、导纳虚部中任何一个测量信号，S表示测量信号的平均值，σ表示测量信号的标准差，N表示频率点数，i表示采样点的序号，下标0表示测量信号的初始状态，下标1表示当前状态的测量信号。

2.根据权利要求1所述的腐蚀在线监测方法，其特征在于，所述压电陶瓷片粘贴于所述待测金属结构的表面。

3.根据权利要求2所述的腐蚀在线监测方法，其特征在于，所述压电陶瓷片的各个表面均涂覆有环氧树脂。

4.根据权利要求1所述的腐蚀在线监测方法，其特征在于，所述压电陶瓷片嵌设于所述待测金属结构的内部。

5.根据权利要求1所述的腐蚀在线监测方法，其特征在于，所述压电陶瓷片为经过极化处理后的钛酸铅压电陶瓷片、钛酸钡压电陶瓷片、锆钛酸铅压电陶瓷片、偏铌酸钡压电陶瓷片或者三元系压电陶瓷片。

6.根据权利要求5所述的腐蚀在线监测方法，其特征在于，所述压电陶瓷片的形状为方形或圆形。

7.根据权利要求1所述的腐蚀在线监测方法，其特征在于，所述压电陶瓷片的上电极和下电极均为银电极。