CN110031391A - 一种楔形缝隙腐蚀装置 - Google Patents

Abstract

一种楔形缝隙腐蚀装置，包括楔形缝隙模型、电解槽，所述楔形缝隙模型包括楔形上侧盖板、楔形缝隙、楔形下侧结构，所述楔形上侧盖板的设有若干组通孔，每组通孔为三个，分别用于安装H⁺‑ISFET传感器、参比电极、Ag/AgCl微电极，所述楔形下侧结构放置有若干组金属试片，所述楔形上侧盖板与所述楔形下侧结构配合连接，形成楔形缝隙，所述楔形缝隙除缝口端的三侧均采用密封材料密封，所述楔形缝隙模型安装在所述电解槽缺口处，使所述楔形缝隙模型的缝口与所述电解槽的缺口连通。本发明能够有效模拟腐蚀介质顺着涂层与基体金属的接触处向涂层下扩散，可以同时测试模拟缝隙下金属的多个腐蚀性参数，具有良好的实用性和较高的推广价值。

Description

一种楔形缝隙腐蚀装置

技术领域

本发明涉及模拟缝隙腐蚀技术领域，尤其涉及一种楔形缝隙腐蚀装置。

背景技术

目前世界上对输气管线普遍采用联合保护的方式来防止输气管线外部防腐。所谓的联合保护指防腐涂层与阴极保护同时使用。联合保护时，保护控制手段是相互补充的,因为防腐涂层在生产、运输与施工中无法保证不受损坏。另外，埋地管线的外防腐蚀涂层在长时间使用过程中不断从土壤中吸收水分而导致防腐层吸潮,以及土壤应力和生物降解等作用而导致防腐层失效，如防腐层吸潮后会明显降低其机械性能,更易受到土壤应力的破坏。还有一些人为的因素、技术应用不当、机械碰撞以及阴极剥离等也会造成防护涂层的损坏，将会造成各种各样的涂层缺陷,如起泡、开裂、剥离等等。

防腐涂层一旦发生剥离或破损后,将会在涂层与金属基体之间产生缝隙，腐蚀介质通过缝口进入缝隙中，导致缝隙内的金属发生缝隙腐蚀。又由于缝隙深处保护电流难以到达以及高绝缘涂层的屏蔽作用，将会使阴极保护的效果大大地降低，不仅浪费能源，而且也使管线不能正常服役，使涂层缺陷处的钢基体发生局部腐蚀乃至穿孔，使管线的使用寿命大大地降低甚至造成重大事故。

现有实验室模拟缝隙腐蚀的方法一般以GB/T13671-1992《不锈钢缝隙腐蚀电化学试验方法》中的电化学样品为依据，模拟不同环境下的缝隙腐蚀。但该装置有两个缺点，一是不能体现破损涂层与金属基体处所形成的楔形缝隙结构，二是不能同时测试多个缝隙下金属的多个腐蚀性参数。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种楔形缝隙腐蚀装置，模拟腐蚀介质顺着涂层与基体金属的接触处向涂层下扩散，可以测试模拟多个缝隙构型自然腐蚀状态时，金属的电极电位、缝内相对应溶液的氯离子浓度、pH值。

为实现上述目的，本发明可以通过以下技术方案予以实现：

一种楔形缝隙腐蚀装置，包括楔形缝隙模型、电解槽，所述楔形缝隙模型包括楔形上侧盖板、楔形缝隙、楔形下侧结构，所述楔形上侧盖板的设有若干组通孔，每组通孔为三个，分别用于安装若干组H⁺-ISFET传感器、参比电极、Ag/AgCl微电极，所述楔形下侧结构放置有若干组金属试片，所述楔形上侧盖板与所述楔形下侧结构配合连接，形成所述楔形缝隙，所述楔形缝隙除缝口端的三侧均采用密封材料密封，所述电解槽一侧设有缺口，所述楔形缝隙模型安装在所述缺口处，使所述楔形缝隙模型的缝口与所述电解槽的缺口连通，所述电解槽中装有土壤模拟溶液，从而使所述土壤模拟溶液进入所述楔形缝隙模型中，进行楔形缝隙中不同位置的腐蚀测试。

进一步地，所述楔形上侧盖板采用有机玻璃制成，对应每一组所述金属试片的位置均平行开设有三个所述通孔，每一组的所述H⁺-ISFET传感器、Ag/AgCl微电极分别插入该组外层的两个所述通孔内，所述参比电极通过盐桥插入到该组中间的所述通孔内；所述通孔大小均以刚好插入为准，以增加气密性。

进一步地，所述金属试片焊接有铜导线，焊接有铜导线的所述金属试片固定在硬纸板做成的模具中，通过浇入环氧树脂形成所述楔形下侧结构，浇注好的所述楔形下侧结构需经过打磨、清洗、吹干后方可使用。

进一步地，所述楔形缝隙的缝口端贴有胶带纸，所用胶代纸每层厚为0.05mm，用不同层数的胶代纸来确定缝隙的厚度，然后将所述楔形上侧盖板与固定有金属试片的所述楔形下侧结构用橡皮筋固定，除所述缝口端以外，三侧均采用704硅橡胶密封，24小时后方可使用。

进一步地，所述Ag/AgCl微电极采用自制的Ag/AgCl电极，自制方法如下：将直径0.4mm的纯银丝焊接在铜导线上，焊接处用302胶封好；银丝用1500号的金相砂纸仔细打磨后，在12％的氨水中浸泡15分钟，然后用去离子水反复清洗干净，用滤纸吸干水分备用；在0.1mol/L的盐酸中，以银丝作为阳极，铂片做为阴极，用0.2mA/cm²的电流恒电流电解氯化24小时，使银丝表面覆盖一层褐色的AgCl，最后，把氯化好的电极置于0.1mol/L的盐酸中浸泡24小时，使之老化，从而制得Ag/AgCl微电极。

进一步地，所述盐桥采用尾端为尖状的自制盐桥，自制方法如下：把直径1.5mm的毛细玻璃管的一端用酒精喷灯灼烧，得到大约10μm的小孔，用注射器注入煮沸的按一定比例配制的氯化钾琼脂液，然后将另一端与灌有饱和氯化钾溶液的塑料管相连，再用302胶封好，制成不易折断的简易盐桥，塑料管均取15cm，以减小它所带来的一些误差。

进一步地，所述土壤模拟溶液由分析纯NaCl、Na₂SO₄、NaHCO₃和去离子水自然配成，其pH根据测试需要进行调节。

进一步地，每个所述H⁺-ISFET传感器在使用前都要事先标定其事先标定的“电位—pH”图。

进一步地，每个所述Ag/AgCl微电极在使用前都要在配制的标准NaCl溶液中进行标定，得出该Ag/AgCl微电极的“电位—Cl^-浓度”关系图。

本发明的有益效果是：本发明中通过楔形缝隙腐蚀装置的设计，能够充分体现破损涂层与金属基体处所形成的楔形缝隙结构，将实际输气管线的腐蚀情况进行成功的预测或再现测试，楔形设计构型更接近现场管道破损的涂层和管道接触处的缝隙；本发明能够有效模拟腐蚀介质顺着涂层与基体金属的接触处向涂层下扩散，可以同时测试模拟多个缝隙构型自然腐蚀状态时，金属的电极电位、缝内相对应溶液的氯离子浓度、pH值，具有良好的实用性和较高的推广价值。

附图说明

图1是本发明实施例楔形缝隙腐蚀装置的结构示意图；

图2是本发明实施例楔形缝隙模型的拆分结构—组装结构示意图；

图3是本发明实施例中一个H⁺-ISFET传感器的标定曲线；

图4是本发明实施例中一个Ag/AgCl电极的标定曲线；

图中，1、电解槽；2、缺口；3、楔形上侧盖板；4、楔形缝隙；5、楔形下侧结构；6、通孔；7、金属试片；8、H⁺-ISFET传感器；9、参比电极；10、Ag/AgCl微电极；11、铜导线；12、胶带纸；13、密封材料。

具体实施方式

为了使本发明专利的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明专利进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明专利，并不用于限定本发明专利。

实施例：

如图1、图2所示，一种楔形缝隙4腐蚀装置，包括楔形缝隙模型、电解槽1，所述楔形缝隙模型包括楔形上侧盖板3、楔形缝隙4、楔形下侧结构5，所述楔形上侧盖板3的设有六组通孔6，每组通孔6为三个，分别用于安装若干组H⁺-ISFET传感器8、参比电极9、Ag/AgCl微电极10，所述楔形下侧结构5放置有六组金属试片7，所述楔形上侧盖板3与所述楔形下侧结构5配合连接，形成所述楔形缝隙4，所述楔形缝隙4除缝口端的三侧均采用密封材料13密封，所述电解槽1一侧设有缺口2，所述楔形缝隙模型安装在所述缺口2处，使所述楔形缝隙模型的缝口与所述电解槽1的缺口2连通，所述电解槽1中装有土壤模拟溶液，从而使所述土壤模拟溶液进入所述楔形缝隙模型中，进行楔形缝隙4中不同位置的腐蚀测试。

具体地，所述金属试样为冷轧板，线切割成25mm×5mm×5mm的小试样，用150～1000#号的水磨砂纸打磨，然后用去离子水冲洗，酒精棉擦净并吹干待用。

具体地，为测得缝隙中不同位置的电位分布，把试样均匀分布在六个位置，从缝口开始依次规定试样编号为No.1、No.2、No.3、No.4、No.5、No.6，各试样(即测试点)离缝口的距离如下所示：

所述金属试片7分布于楔形缝隙4中的不同位置，由环氧树脂隔开，所述楔形下侧结构5的整体尺寸为100×45×10mm，每个金属试片7的裸露面积为25×5mm。

具体地，所述金属试片7焊接有铜导线11，焊接有铜导线11的所述金属试片7固定在用硬纸板做成100mm×45mm×10mm的模具中，然后浇入浇入配制好的环氧树脂。浇入过程中尽量避免气泡带入，以免在金属试样周围形成小孔，人为的造成试样表面不一致。固化24小时后，用60～1000#号的水磨砂纸打磨实验要用的表面，然后用去离子水冲净，酒精棉擦拭表面，吹干后方可使用。

具体地，如图2所示，所述楔形上侧盖板3采用有机玻璃制成，尺寸为100mm×45mm×10mm；对应每一组所述金属试片7的位置均平行开设有三个所述通孔6，每一组的所述H⁺-ISFET传感器8、Ag/AgCl微电极10分别插入该组外层的两个所述通孔6内，所述参比电极9通过盐桥插入到该组中间的所述通孔6内；所述通孔6大小均以刚好插入为准，以增加气密性。

具体地，所述楔形缝隙4的缝口端贴有胶带纸12，所用胶代纸每层厚为0.05mm，用不同层数的胶代纸来确定缝隙的厚度，然后将所述楔形上侧盖板3与固定有金属试片7的所述楔形下侧结构5用橡皮筋固定，除所述缝口端以外，三侧均采用704硅橡胶(即密封材料13)密封，24小时后方可使用。

具体地，所述Ag/AgCl微电极10采用自制的Ag/AgCl电极，自制方法如下：将直径0.4mm的纯银丝焊接在铜导线11上，焊接处用302胶封好；银丝用1500号的金相砂纸仔细打磨后，在12％的氨水中浸泡15分钟，然后用去离子水反复清洗干净，用滤纸吸干水分备用；在0.1mol/L的盐酸中，以银丝作为阳极，铂片做为阴极，用0.2mA/cm²的电流恒电流电解氯化24小时，使银丝表面覆盖一层褐色的AgCl，最后，把氯化好的电极置于0.1mol/L的盐酸中浸泡24小时，使之老化，从而制得Ag/AgCl微电极10；自制的Ag/AgCl电极体积小，阻抗低，电化学性能良好，制作简便。Ag/AgCl微电极10在使用前要在配制的标准NaCl溶液中进行标定，如图4所示，从图中可以看出，溶液的氯离子与电位成良好的线性关系。在实际测量中，用Ag/AgCl电极测出缝隙电极电位，从该图中得出(读取)溶液的氯离子浓度。注意在使用中，每根Ag/AgCl电极对应的标定曲线不一样，要用相对应的标定曲线来确定氯离子浓度。

具体地，在模拟缝隙装置中，溶液体积很小，无法直接插入参比电极测试，必须通过盐桥来连接，而盐桥的插入易使溶液浓度受到影响，因此对其制作提出了较高的要求。既能够电解导电，双须降低KCl扩散渗漏的速度，同时体积要小。本装置中所述盐桥采用尾端为尖状的自制盐桥，自制方法如下：把直径1.5mm的毛细玻璃管的一端用酒精喷灯灼烧，得到大约10μm的小孔，用注射器注入煮沸的按一定比例配制的氯化钾琼脂液，然后将另一端与灌有饱和氯化钾溶液的塑料管相连，再用302胶封好，制成不易折断的简易盐桥，塑料管均取15cm，以减小它所带来的一些误差。

具体地，缝隙中溶液的pH值由H⁺-ISFET传感器8测得。H⁺-ISFET传感器8是一种离子选择性场效应管，直径小，约1mm，对微量溶液中H⁺浓度响应迅速，且易得到稳定的结果，能很好的满足缝隙中的原位测量要求。H⁺-ISFET传感器8的响应原理是当场效应管的工作在其输出特性曲线的饱和区时，在固定的删极电流和删极－基极电位差的情况下，基极、漏极电位差不依赖于器件的几何尺寸和材料参数，测得这个电位差的变化是由于溶液浓度变化引起的能斯特电位的变化。在测量中，它借助于化学反应(或离子反应)而获得电信息的测量装置——测量电池，这个测量电池是由两个半电池组成，一个是参比电极与待测溶液组成，另一个是指示电极与待测溶液组成，将电个半电池用测量仪器连接成一个回路时，就组成一个工作测量电池。其适用范围与普通玻璃电极相同，可达pH值1～14。由于制作工艺精良，H⁺-ISFET传感器8的重现性不比玻璃电极差，而且体积小，响应更迅速，又可以长期使用，被广泛应用在生物科学和环境科学中。

具体地，用H⁺-ISFET传感器8测定pH值时，必须对其进行标定，得出它的电位与pH值曲线，如图3所示。在实际的测量中，测出缝隙溶液的电极电位，从该图上对应得到溶液的pH值。此外，在H⁺-ISFET传感器8的使用中，要考虑它随时间，距离，密封状态的变化。

具体地，所述土壤模拟溶液由分析纯NaCl、Na₂SO₄、NaHCO₃和去离子水自然配成，其pH根据测试需要进行调节。

具体地，所述参比电极为现有的参比电极，如甘汞电极、银|氯化银电极，等等。

具体地，该楔形缝隙腐蚀装置的具体测试步骤如下：

(1)金属试片7焊接：准备六个金属试片7，打磨、清洗、烘干后，在金属试片7上焊接铜导线11；

(2)楔形下侧结构5制作：将若六个焊接有铜导线11的金属试片7依次排列，使其分布于缝隙中的不同位置，并将金属试片7固定在硬纸板做成的模具中，使导线从纸膜中伸出，然后浇入配制好的环氧树脂，固化后打磨、清洗、吹干，即得到所述楔形下侧结构5；

(3)楔形上侧盖板3准备：准备一个设有六组通孔6的楔形上侧盖板3，每一组通孔6均与所述楔形下侧结构5的一组金属试片7对应；每一组通孔6的数量为三个，分别用于安装H⁺-ISFET传感器8、参比电极9、Ag/AgCl微电极10；

(4)楔形缝隙模型组装：在楔形上侧盖板3的缝口端贴上若干一定厚度的胶带纸12，用不同层数的胶代纸来确定缝隙的厚度，然后将所述楔形上侧盖板3与固定有金属试片7的所述楔形下侧结构5配合固定，形成楔形缝隙4；除楔形缝隙4的缝口端以外，其余三侧均做密封处理；

(5)将组装好的楔形缝隙模型安装到电解槽1的缺口2处，使楔形缝隙模型的缝口与电解槽1的缺口2连通，并对楔形缝隙模型与缺口2的连接处做密封处理；

(6)配置土壤模拟溶液，并倒入电解槽1中，土壤模拟溶液通过缺口2流入到楔形缝隙模型的缝隙中；注意土壤模拟溶液要高于楔形缝隙模型的缝隙；

(7)将六组H⁺-ISFET传感器8、盐桥、Ag/AgCl微电极10分别插入到通孔6中，使其与土壤模拟溶液接触，但不会触碰到楔形下侧结构5的金属试片7；每一个金属试片7均对应有三个通孔6，分别插入一个H⁺-ISFET传感器8、一个盐桥、一个Ag/AgCl微电极10；H⁺-ISFET传感器8、Ag/AgCl微电极10均需事先标定；

(8)测量六个金属试片组中的金属的电极电位、缝内相对应溶液的氯离子浓度、pH值；以下为一组金属试片组中各参数的测量方法：

①电极电位测量：先用万用表分别连接参比电极9、焊接在金属试片7的铜导线11，参比电极9通过盐桥插入到缝隙的土壤模拟溶液中，测量获取缝隙腐蚀的相对电位，并根据参考电极的标准电位计算获取缝隙腐蚀的标准电位；

②测量焊接有铜导线11的金属试片7与Ag/AgCl微电极10之间的电位，根据Ag/AgCl微电极10事先标定的“电位—Cl^-浓度”关系图读取Cl^-浓度；

③测量焊接有铜导线11的金属试片7与H⁺-ISFET传感器8之间的电位，根据H⁺-ISFET传感器8事先标定的“电位—pH”图读取pH值。

具体地，步骤(7)中，H⁺-ISFET传感器8的标定，是指每个H⁺-ISFET传感器8在使用前都要事先标定其事先标定的“电位—pH”图(如图3所示)；Ag/AgCl微电极10的标定，是指每个Ag/AgCl微电极10在使用前都要在配制的标准NaCl溶液中进行标定，得出该Ag/AgCl微电极10的“电位—Cl^-浓度”关系图(如图4所示)。

本发明的有益效果是：本发明中通过楔形缝隙腐蚀装置的设计，能够充分体现破损涂层与金属基体处所形成的楔形缝隙结构，将实际输气管线的腐蚀情况进行成功的预测或再现测试，楔形设计构型更接近现场管道破损的涂层和管道接触处的缝隙；本发明能够有效模拟腐蚀介质顺着涂层与基体金属的接触处向涂层下扩散，可以同时测试模拟多个缝隙构型自然腐蚀状态时，金属的电极电位、缝内相对应溶液的氯离子浓度、pH值，具有良好的实用性和较高的推广价值。

以上所述实施例及其他图例仅表达了本发明的一种实施方式，只是在于说明而不是限制本发明。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，如将改变试片组的数量、将同时测量简化为分别测量，等等。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种楔形缝隙腐蚀装置，其特征在于：包括楔形缝隙模型、电解槽，所述楔形缝隙模型包括楔形上侧盖板、楔形缝隙、楔形下侧结构，所述楔形上侧盖板的设有若干组通孔，每组通孔为三个，分别用于安装若干组H⁺-ISFET传感器、参比电极、Ag/AgCl微电极，所述楔形下侧结构放置有若干组金属试片，所述楔形上侧盖板与所述楔形下侧结构配合连接，形成所述楔形缝隙，所述楔形缝隙除缝口端的三侧均采用密封材料密封，所述电解槽一侧设有缺口，所述楔形缝隙模型安装在所述缺口处，使所述楔形缝隙模型的缝口与所述电解槽的缺口连通，所述电解槽中装有土壤模拟溶液，从而使所述土壤模拟溶液进入所述楔形缝隙模型中，进行楔形缝隙中不同位置的腐蚀测试。

2.根据权利要求1所述的一种楔形缝隙腐蚀装置，其特征在于：所述楔形上侧盖板采用有机玻璃制成，对应每一组所述金属试片的位置均平行开设有三个所述通孔，每一组的所述H⁺-ISFET传感器、Ag/AgCl微电极分别插入该组外层的两个所述通孔内，所述参比电极通过盐桥插入到该组中间的所述通孔内；所述通孔大小均以刚好插入为准，以增加气密性。

3.根据权利要求1所述的一种楔形缝隙腐蚀装置，其特征在于：所述金属试片焊接有铜导线，焊接有铜导线的所述金属试片固定在硬纸板做成的模具中，通过浇入环氧树脂形成所述楔形下侧结构，浇注好的所述楔形下侧结构需经过打磨、清洗、吹干后方可使用。

4.根据权利要求1所述的一种楔形缝隙腐蚀装置，其特征在于：所述楔形缝隙的缝口端贴有胶带纸，所用胶代纸每层厚为0.05mm，用不同层数的胶代纸来确定缝隙的厚度，然后将所述楔形上侧盖板与固定有金属试片的所述楔形下侧结构用橡皮筋固定，除所述缝口端以外，三侧均采用704硅橡胶密封，24小时后方可使用。

5.根据权利要求1所述的一种楔形缝隙腐蚀装置，其特征在于：所述Ag/AgCl微电极采用自制的Ag/AgCl电极，自制方法如下：将直径0.4mm的纯银丝焊接在铜导线上，焊接处用302胶封好；银丝用1500号的金相砂纸仔细打磨后，在12％的氨水中浸泡15分钟，然后用去离子水反复清洗干净，用滤纸吸干水分备用；在0.1mol/L的盐酸中，以银丝作为阳极，铂片做为阴极，用0.2mA/cm²的电流恒电流电解氯化24小时，使银丝表面覆盖一层褐色的AgCl，最后，把氯化好的电极置于0.1mol/L的盐酸中浸泡24小时，使之老化，从而制得Ag/AgCl微电极。

6.根据权利要求2所述的一种楔形缝隙腐蚀装置，其特征在于：所述盐桥采用尾端为尖状的自制盐桥，自制方法如下：把直径1.5mm的毛细玻璃管的一端用酒精喷灯灼烧，得到大约10μm的小孔，用注射器注入煮沸的按一定比例配制的氯化钾琼脂液，然后将另一端与灌有饱和氯化钾溶液的塑料管相连，再用302胶封好，制成不易折断的简易盐桥，塑料管均取15cm，以减小它所带来的一些误差。

7.根据权利要求1所述的一种楔形缝隙腐蚀装置，其特征在于：每个所述H⁺-ISFET传感器在使用前都要事先标定其事先标定的“电位—pH”图。

8.根据权利要求1所述的一种楔形缝隙腐蚀装置，其特征在于：每个所述Ag/AgCl微电极在使用前都要在配制的标准NaCl溶液中进行标定，得出该Ag/AgCl微电极的“电位—Cl^-浓度”关系图。