CN112798520A - 土壤环境下杂散电流对埋地金属电化学腐蚀的模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开的土壤环境下杂散电流对埋地金属电化学腐蚀的模拟装置，包括保温箱体，所述保温箱体内填充有土壤，土壤中埋设工作试样与碳棒；保温箱体底部铺设有多孔板，多孔板下方设有储水池；所述保温箱体上设有供电回路装置，所述供电回路装置根据试验需求设置不同的电压、电流、波形、频率输出，工作试样与碳棒分别通过导线与电回路装置的正负极连接。本发明通过所述可控电源与波形发生器形成信号源，真实反映出实际情况中杂散电流的产生以及传输路径，经转换器可根据试验需求设置不同的电压、电流、波形、频率输出，能做到多个信号区间杂散电流腐蚀对比研究。

Description

土壤环境下杂散电流对埋地金属电化学腐蚀的模拟装置

技术领域

本发明涉及埋地金属电化学腐蚀研究领域，特别涉及一种土壤环境下杂散电流对埋地金属电化学腐蚀的模拟装置，用以在实验室进行土壤环境下的埋地金属受地铁杂散电流腐蚀的相关研究。

背景技术

在地铁供电系统中，由于地铁轨道的电阻不可能为0，当有电流通过时就形成了电位差，并且轨道对大地的泄漏电阻也不会为无穷大，一部分供电电流会流入大地，然后通过大地回流至牵引变电所，这部分电流就是杂散电流。

随着地铁系统规模的增大，地铁线路不可避免的与燃气管道线路出现交叉和并行情况，地铁运行中产生的杂散电流给燃气管线所带来的危害也日益增大，因此非常有必要去研究土壤环境中杂散电流对埋地金属的电化学腐蚀行为，从而采取适当的防护措施，减轻杂散电流对埋地金属管线的腐蚀侵害，保障金属管线的运行安全。

杂散电流对埋地金属的腐蚀本质上是电化学腐蚀，那如何更真实的模拟地铁产生的杂散电流以及埋地金属所处的环境最为关键。现实生活中地铁杂散电流是动态变化的脉冲电流，杂散电流信号源要充分体现波动变化特性，金属所处环境也最好和实际环境一致，土壤选取于室外埋地管道附近土壤，实验中在一个恒温恒湿的保温箱中进行。而CN111487184A中采用的土壤模拟溶液来模拟土壤环境以及CN102312240A中采用恒定直流电来模拟杂散电流都是不准确的也是不符合实际情况的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种模拟土壤环境下杂散电流对埋地金属管线电化学腐蚀的模拟装置，解决目前尚无搭建系统的试验平台来模拟真实土壤环境，从而进行杂散电流对金属管线电化学腐蚀，使得试验效果与真实情况更加相符。

本发明至少通过如下技术方案之一实现。

土壤环境下杂散电流对埋地金属电化学腐蚀的模拟装置，包括保温箱体，所述保温箱体内填充有土壤，土壤中埋设工作试样与碳棒；保温箱体底部铺设有多孔板，多孔板下方设有储水池；所述保温箱体上设有供电回路装置，所述供电回路装置根据试验需求设置不同的电压、电流、波形、频率输出，工作试样与碳棒分别通过导线与电回路装置的正负极连接。

优选的，所述供电回路装置包括波形发生器、信号转换器和可控电流源；所述波形发生器产生的杂散电流模拟信号经所述信号转换器传输给所述可控电流源，所述可控电流源产生模拟的杂散电流电压信号，所述可控电流源的正极通过精密低电阻与土壤中的工作试样连接，可控电流源的负极导线与土壤中的碳棒连接。

优选的，所述保温箱体内设有设置温度传感器、湿度传感器、加热装置和喷淋装置。

优选的，所述喷淋装置通过导水管22与保温箱体的外抽水泵连接。

优选的，所述保温箱体的四周对称铺设有铜板，所述温度传感器、湿度传感器、加热装置设置在铜板上。

优选的，所述喷淋装置通过喷淋装置支架固定在保温箱体内壁上方。

优选的，所述喷淋装置中的喷头与导水管连接处设有阀门。

优选的，所述工作试样包括环氧树脂与金属试片，所述金属试片与导线连接；环氧树脂将金属试片包裹，仅露出一个面作为工作面，环氧树脂完全凝固硬化后，用砂纸逐级打磨工作面，待表面无明显划痕且呈镜面后，用丙酮除油并用无水乙醇进行脱水。

优选的，所述精密低电阻两端的电压用精密微伏电压测试仪测量。

优选的，所述多孔板的上下对应孔交错排列部分连通。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明通过所述可控电源与波形发生器形成信号源，真实反映出实际情况中杂散电流的产生以及传输路径，经转换器可根据试验需求设置不同的电压、电流、波形、频率输出，能做到多个信号区间杂散电流腐蚀对比研究；所述的温湿度传感器可以监测保温箱中土壤环境，喷淋装置、加热装置可对温湿度进行调节，模拟真实地质环境；所述精密微伏电压测试仪测量定值电阻两端电压，通过伏安法测试回路杂散电流电流大小，相比直接用电流表测量杂散电流，读数更加准确精细。

2、本发明通过所述环氧树脂将焊接有导线的金属试片非工作面包裹，只留出一个裸露金属工作面。当接通电源时，电流经导线进入试片，再从试片工作面流入土壤，很好的模拟了埋地金属管道阳极区、电流流出区以及管线涂层破损区的腐蚀环境。

3、本发明用于杂散电流腐蚀试验研究，构建了一个杂散电流腐蚀环境的系统试验平台，结构简单合理，能科学的研究土壤环境中地铁杂散电流对埋地金属电化学腐蚀行为。

附图说明

图1是本实施例土壤环境下杂散电流对埋地金属电化学腐蚀的模拟装置的结构示意图；

图2是本实施例模拟装置信号源输出的电压信号图；

图3是本实施例模拟装置的模拟的杂散电流图；

图4是铁路系统产生的杂散电流示意图；

其中：1-抽水泵、2-可控电流源、3-波形发生器、4-信号转换器、5-箱体、6-保温带、7-多孔板、8-储水池、9-温度传感器、10-湿度传感器、11-加热器、12-铜板、13-环氧树脂、14-金属试片、15-导线、16-精密微伏电压测试仪、17-精密低电阻、18-喷淋装置、19-土壤、20-阀门、21-喷淋装置支架、22-导水管、23-碳棒。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，土壤环境下杂散电流对埋地金属电化学腐蚀的模拟装置，包括一个密封且设置有保温带6的保温箱体5，保温箱体5内填充有土壤19，在土壤19中埋设工作试样与碳棒23，保温箱体5的四周对称铺设有铜板12，用来集中电场；保温箱体5底部铺设有多孔板7，多孔板7的上下对应孔交错排列部分连通，多孔板7下方设有储水池8，储水池8水位的高低用来模拟地下水位的升降，土壤19中的水可通过多孔板7流入储水池8，防止水滞留在土壤19底部。保温箱体5上设有波形发生器3、信号转换器4和可控电流源2。

所述工作试样包括环氧树脂13与金属试片14。所述金属试片14与导线15连接，用环氧树脂将金属试片14包裹，仅露出一个面作为工作面。环氧树脂13完全凝固硬化后，用砂纸逐级打磨工作面，待表面无明显划痕且呈镜面后，用丙酮除油并用无水乙醇进行脱水，最后干燥备用。

波形发生器3产生的杂散电流模拟信号经信号转换器4传输给可控电流源2,可控电流源 2产生模拟的杂散电流电压信号,可控电流源2的正极通过精密低电阻17与土壤19中的工作试样连接，可控电流源2的负极导线15与土壤19中的碳棒23连接。接通电源后，杂散电流从电源正极出发，经工作试样流入土壤，又经土壤流入碳棒，最后回到电源负极，形成完整的供电回路，电供回路可根据试验需求设置不同的电压、电流、波形、频率输出，为整个试验区提供电源支持从而更准确的模拟地铁杂散电流。

所述精密低电阻17(电阻R＝1Ω)两端的电压用精密微伏电压测试仪16测量，通过伏安法测试回路杂散电流电流大小。

所述铜板12上设有设置温度传感器9、湿度传感器10、加热装置，所述保温箱体5内壁上方喷淋装置18，本实施例采用的加热装置为加热器11，将温湿度传感器9的探头设置于所述的土壤19中，根据实验需要调节加热器11以及喷淋装置18调节保温箱体5中的温湿度达到温湿度设定值，所述喷淋装置18通过喷淋装置支架21固定在保温箱体5的上方，喷淋装置18通过导水管22与保温箱体5的外抽水泵1连接,可通过喷淋装置18中的喷头与导水管22连接处的阀门20调节水流大小，来模拟实际天气的变化。

所述土壤19为埋地管道附近原状土。

所述金属试片14采用一段钢质埋地管道材料。

如图4所示，以地铁供电系统为例，理想状态下供电电流为机车提供动力，后经轨道返回至牵引变电站负极，但是一部分电流会从轨道中泄露出来，这部分电流就是杂散电流。当杂散电流从规定的回路以外流动，流入埋地金属管线的地方带负电，此处成为阴极，电流流出的部位带正电成为阳极区。由于阳极区域会发生激烈的电化学反应，造成埋地金属管线的电化学腐蚀侵害，故本装置主要模拟阳极区埋地金属电化学腐蚀。

土壤环境下杂散电流对埋地金属电化学腐蚀的模拟装置，其工作过程如下：

将埋地管道附近原状土自然干燥、研磨并通过20目筛孔，筛下土壤在105℃下烘干6h 后装入保温箱，根据设定土壤含水量加入蒸馏水，通过土壤中温度传感器9和湿度传感器10 监测土壤信息，将土壤环境调节至实验要求。

工作试样的工作面分别用400、800、1000、1500号砂纸逐级打磨，待表面无明显划痕且呈镜面后，用丙酮除油并用无水乙醇进行脱水。将处理好的试样用电子分析天平称重，记录试样初始质量。

将工作试样埋入装置内的土壤中并将工作试样与导线15焊接，导线15引出接入可控电流源2正极；距工作试样一定距离插入碳棒23，并将碳棒23接入可控电流源2负极，保证工作试样工作面与碳棒23相对。

接通调整可控电流源2，整个装置形成电流回路，等待半小时，使得试验系统内部稳定，如图2和图3所示，稳定后的系统可计算杂散电流大小，也可进行电化学测试。一段时间后，所得腐蚀试样可进行进一步的电镜、能谱等分析。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.土壤环境下杂散电流对埋地金属电化学腐蚀的模拟装置，其特征在于，包括保温箱体(5)，所述保温箱体(5)内填充有土壤(19)，土壤(19)中埋设工作试样与碳棒(23)；保温箱体(5)底部铺设有多孔板(7)，多孔板(7)下方设有储水池(8)；所述保温箱体(5)上设有供电回路装置，所述供电回路装置根据试验需求设置不同的电压、电流、波形、频率输出，工作试样与碳棒(23)分别通过导线与电回路装置的正负极连接。

2.根据权利要求1所述的土壤环境下杂散电流对埋地金属电化学腐蚀的模拟装置，其特征在于，所述供电回路装置包括波形发生器(3)、信号转换器(4)和可控电流源(2)；所述波形发生器(3)产生的杂散电流模拟信号经所述信号转换器(4)传输给所述可控电流源(2)，所述可控电流源(2)产生模拟的杂散电流电压信号，所述可控电流源(2)的正极通过精密低电阻(17)与土壤(19)中的工作试样连接，可控电流源(2)的负极导线(15)与土壤(19)中的碳棒(23)连接。

3.根据权利要求2所述的土壤环境下杂散电流对埋地金属电化学腐蚀的模拟装置，其特征在于，所述保温箱体(5)内设有设置温度传感器(9)、湿度传感器(10)、加热装置和喷淋装置(18)。

4.根据权利要求3所述的土壤环境下杂散电流对埋地金属电化学腐蚀的模拟装置，其特征在于，所述喷淋装置(18)通过导水管22与保温箱体(5)的外抽水泵(1)连接。

5.根据权利要求4所述的土壤环境下杂散电流对埋地金属电化学腐蚀的模拟装置，其特征在于，所述保温箱体(5)的四周对称铺设有铜板(12)，所述温度传感器(9)、湿度传感器(10)、加热装置设置在铜板(12)上。

6.根据权利要求5所述的土壤环境下杂散电流对埋地金属电化学腐蚀的模拟装置，其特征在于，所述喷淋装置(18)通过喷淋装置支架(21)固定在保温箱体(5)内壁上方。

7.根据权利要求6所述的土壤环境下杂散电流对埋地金属电化学腐蚀的模拟装置，其特征在于，所述喷淋装置(18)中的喷头与导水管(22)连接处设有阀门(20)。

8.根据权利要求7所述的土壤环境下杂散电流对埋地金属电化学腐蚀的模拟装置，其特征在于，所述工作试样包括环氧树脂(13)与金属试片(14)，所述金属试片(14)与导线连接；环氧树脂(13)将金属试片(14)包裹，仅露出一个面作为工作面，环氧树脂(13)完全凝固硬化后，用砂纸逐级打磨工作面，待表面无明显划痕且呈镜面后，用丙酮除油并用无水乙醇进行脱水。

9.根据权利要求8所述的土壤环境下杂散电流对埋地金属电化学腐蚀的模拟装置，其特征在于，所述精密低电阻(17)两端的电压用精密微伏电压测试仪(16)测量。

10.根据权利要求1～9任一项所述的土壤环境下杂散电流对埋地金属电化学腐蚀的模拟装置，其特征在于，所述多孔板(7)的上下对应孔交错排列部分连通。

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