CN113109244B - 一种介质流动状态下缝隙腐蚀电化学测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电化学腐蚀测量装置技术领域，具体涉及一种介质流动状态下缝隙腐蚀电化学测试装置，采用四通结构的通水管路，水平相对的管口分别作为入水口和出水口，竖直相对的上封口和下封口作为缝隙和电极体系的安装口，辅助电极板同时作为缝隙的上表面、缝隙内、外的三电极体系的辅助电极，缝隙宽度由下绝缘套管上表面设置的绝缘螺杆的凸出高度进行调节，辅助电极板直径小于下封口内径，侧面与通水管路内壁之间留有狭缝，以连通缝隙内外的溶液，2套三电极体系可以分别在溶液静态和流动状态下测试缝隙内、外腐蚀电化学信息，测得的电化学信息能够更加准确地反映缝隙内、外腐蚀特征，为研究介质流动缝隙腐蚀规律提供科学可靠的试验数据。

Description

一种介质流动状态下缝隙腐蚀电化学测试装置

技术领域：

本发明属于电化学腐蚀测量装置技术领域，具体涉及一种介质流动状态下缝隙腐蚀电化学测试装置，对发生缝隙腐蚀的金属进行原位电化学参数采集，以及缝隙内、外溶液参数的采集。

背景技术：

在电解液中，两个连接物之间的缝隙内有关物质的移动受到阻滞，形成浓差电池，产生的局部腐蚀称为缝隙腐蚀或间隙腐蚀。金属与金属间的连接(如铆接、螺栓连接)缝隙、金属与非金属间的连接缝隙，以及金属表面上的沉积物与金属表面之间构成的缝隙，都会发生缝隙腐蚀。

缝隙腐蚀主要是由于缝隙的存在导致介质的电化学不均匀性引起，基于此，缝隙腐蚀也是一种电化学腐蚀，缝隙腐蚀影响因素包括：氯离子浓度、含氧量、温度、pH值、介质流速等。

介质流动条件下，缝隙腐蚀较为常见、腐蚀程度严重、原因较复杂，例如海洋船舶、海洋工程结构外壳采用涂层保护时，当涂层局部发生剥离，涂层与金属基材之间形成缝隙，外部的海水处于流动状态对缝隙腐蚀产生影响；管路系统中，管路之间采用法兰连接时，法兰与垫片之间易形成缝隙，管路中海水流动对法兰缝隙腐蚀产生影响。

目前，对缝隙腐蚀的电化学测试已经有了一定程度的研究：

《GB-T_13671-92不锈钢缝隙腐蚀电化学试验方法》将试样固定于绝缘结构中，通过在试样与底座之间安放玻璃球、尼龙网、垫片的方式形成中间窄、四周宽的缝隙；其缝隙不均匀，并且尺寸难以控制，缝隙外溶液中放置参比电极和辅助电极，不能真实反映缝隙内的电化学信息。

中国专利202010395363.5公开的一种金属缝隙腐蚀的模拟装置，包括具有夹腔的夹具，所述夹具包括底部支撑板、顶部盖板和支撑件，所述底部支撑板与所述顶部盖板之间设置有至少一组的缝隙垫片，每组所述缝隙垫片两两相对设置，且两个所述缝隙垫片之间预留有用于放置待测金属物的夹腔，所述支撑件支撑于所述底部支撑板和所述顶部盖板之间；其实现了管件材料外壁的原位缝隙腐蚀测试，未能提供电化学测试方法。

中国专利201210303051.2公开的一种剥离涂层下缝隙内金属腐蚀试验装置，包括底板、置于底板上并与底板固定的盖板，其中盖板与底板之间具有缝隙，所述盖板一侧为溶液区，溶液区与缝隙区相通，另一侧上均匀间隔设置有盐桥，用以外接参比电极，每个盐桥两侧对应的位置均分别设置有辅助电极和复合微电极，所述辅助电极和复合微电极的一端均与缝隙内溶液相通，辅助电极和复合微电极的另一端分别通过铜导线与测量仪器相连接；所述底板上设置有两个以上的小试样放置区，小试样放置区的位置与辅助电极一一对应；通过在缝隙内以及缝隙外溶液分别安装参比电极和辅助电极，实现缝隙内、外溶液中对工作电极进行电化学测试，但是无法实现介质流动条件下电化学测试。

中国专利201810145351.X公开的一种用于监测流动海水中钛合金管路缝隙腐蚀的探头，包括检测装置、数据采集器和多个导线；所述检测装置包括外参比电极、内参比电极、钛合金测试片和一个绝缘木框架；所述绝缘木框架包括参比电极电绝缘木、测试片电绝缘木和横梁电绝缘木，相互平行的参比电极电绝缘木和测试片电绝缘木的一端，分别与横梁电绝缘木垂直固接；所述钛合金测试片设置在参比电极电绝缘木与测试片电绝缘木之间，紧密贴合在测试片电绝缘木上；所述钛合金测试片与参比电极电绝缘木间隔一定距离，形成模拟缝隙；所述外参比电极和内参比电极通过参比电极电绝缘木分别设置在所述模拟缝隙的外部和内部；所述外参比电极、内参比电极和钛合金测试片分别通过导线与数据采集器连接；通过缝隙内、外参比电极协同监测的方法，根据电位变化判断流动海水中钛合金缝隙腐蚀发生的倾向，未提供获得腐蚀电流的方法，对于缝隙腐蚀发生的程度无法监测。

因此，亟需研发设计一种介质流动状态下缝隙腐蚀电化学测试装置，实现介质流动中缝隙腐蚀的电化学信息采集。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术不能满足介质流动状态下缝隙腐蚀电化学测试要求，无法对其腐蚀行为进行深入研究的问题，研发设计一种介质流动状态下缝隙腐蚀电化学测试装置，实现流动海水条件下缝隙腐蚀电化学测试。

为了实现上述目的，本发明涉及的介质流动状态下缝隙腐蚀电化学测试装置的主体结构包括通水管路、固定套筒、上绝缘套管、上酸度计、上工作电极、上参比电极、辅助电极板、下绝缘套管、下酸度计、下参比电极和下工作电极；通水管路的一端为入水口，另一端为出水口，通水管路的中部上方开设有上封口，下方开设有下封口，上封口和下封口的外侧套设有固定套筒；上封口处的固定套筒内设置有上绝缘套管，上绝缘套管上设置有上酸度计、上工作电极和上参比电极；下封口处的固定套筒内上方设置有辅助电极板，下方设置有下绝缘套管，下绝缘套管上设置有下酸度计、下参比电极和下工作电极。

本发明涉及的固定套筒与上绝缘套管和下绝缘套管之间均设置有密封圈；辅助电极板与下绝缘套管通过绝缘螺杆连接，辅助电极板上设置的导电杆向上延伸并穿越上绝缘套管；下工作电极设置于工作电极工装的内部，工作电极工装设置在下绝缘套管上，下工作电极上设置的工作电极引线延伸至工作电极工装的外部。

本发明涉及的通水管路的内壁与上绝缘套管的下表面和下绝缘套管的上表面平齐，以保证溶液流经上绝缘套管和下绝缘套管时的流态和流速不会发生明显变化；上工作电极加工成圆柱体结构，下工作电极加工成矩形块状结构，封闭在绝缘材料制成的螺栓内，螺栓底部露出工作面；上参比电极和下参比电极均为固体参比电极，材质包括高纯锌或Ag/AgCl，加工成圆柱体结构封闭在绝缘材料制成的螺栓内，螺栓底部露出工作面；辅助电极板的表面涂装有氧化物涂层；绝缘螺杆用于支撑和隔离辅助电极板；导电杆中设置有引线。

本发明涉及的辅助电极板的下表面与下绝缘套管的上表面之间的空隙形成缝隙，在腐蚀介质流动状态下，满足缝隙腐蚀的基本条件时，即缝隙宽度必须使浸蚀性溶液能进入缝隙内，同时又能使溶液停滞在缝隙内，才能发生缝隙腐蚀，缝隙的宽度通过绝缘螺杆的露出高度调整，辅助电极板的直径小于下绝缘套管的直径，使缝隙内的溶液与通水管路内的溶液连通；上酸度计、上工作电极和上参比电极的工作面均与上绝缘套管的下表面平齐，共同暴露于通水管路内的溶液中；下酸度计、工作电极工装和下工作电极与下绝缘套管以及工作电极工装与下参比电极分别螺纹式连接，下酸度计、下参比电极和下工作电极的工作面均与下绝缘套管的上表面平齐，共同暴露于缝隙内的溶液中。

本发明涉及的上酸度计和下酸度计构成酸度测试体系，分别监测缝隙内、外溶液的酸度，辅助判断是否发生腐蚀及腐蚀程度；上工作电极、上参比电极和辅助电极板的上表面构成缝隙外三电极体系，用于测试缝隙外部试样的电化学信息；辅助电极板的下表面、下参比电极和下工作电极构成缝隙内三电极体系，用于测试缝隙内部试样的电化学信息。

本发明与现有技术相比，辅助电极板能够同时作为缝隙内、外的电极体系的辅助电极，2套电化学三电极体系和1套酸度测试体系分别测试缝隙内、外工作电极的电化学信息和溶液的酸度，实现对发生缝隙腐蚀的金属进行原位电化学参数采集，以及缝隙内、外溶液参数的采集，通过对相同工作条件下缝隙腐蚀与非缝隙腐蚀的腐蚀特征进行比较，研究发生缝隙腐蚀的介质酸度条件，其中，(1)缝隙内、外三电极体系的位置固定，便于与电化学工作站相建立连接，保证测试过程的稳定性，(2)辅助电极板的工作面积明显大于上工作电极和下工作电极的面积，符合三电极电化学测试的要求，(3)辅助电极板的工作面、绝缘套管的表面与通水管路的内壁相平，流道尺寸与出水口和入水口相同，不影响腐蚀溶液的流速和流态，并且可以在腐蚀溶液静态和流动状态下进行测试，(4)缝隙组成安装方便，宽度可调，(5)上工作电极和下工作电极安装与拆卸方便，测试效率得到明显提高；其结构简单，工作状态稳定，操作方便，获得的电化学信息能够更加准确地反映缝隙内、外的腐蚀特征，为研究介质流动状态下的缝隙腐蚀规律和机理提供了可靠、高效的实验手段和数据。

附图说明：

图1为本发明的主体结构原理示意图。

图2为本发明的局部结构示意图。

图3为本发明实施例2涉及的腐蚀电流-时间曲线示意图。

具体实施方法：

下面结合附图并结合具体实施方法对本发明做进一步的说明。

实施例1：

本实施例涉及的介质流动状态下缝隙腐蚀电化学测试装置的主体结构包括通水管路1、固定套筒15、密封圈16、上绝缘套管21、上酸度计22、上工作电极23、上参比电极24、辅助电极板31、下绝缘套管32、绝缘螺杆33、导电杆34、下酸度计35、工作电极工装36、下参比电极37、下工作电极38和工作电极引线39；水平设置的通水管路1的一端为入水口11，另一端为出水口12，通水管路1的中部上方设置有上封口13，下方设置有下封口14，上封口13和下封口14的外侧套设有固定套筒15；上封口13处的固定套筒15内设置有上绝缘套管21，上绝缘套管21上沿水流方向依次设置有上酸度计22、上工作电极23和上参比电极24；下封口14处的固定套筒15内上方设置有辅助电极板31，下方设置有下绝缘套管32，辅助电极板31与下绝缘套管32通过绝缘螺杆33连接，辅助电极板31上设置的导电杆34向上延伸并穿越上绝缘套管21，下绝缘套管32上沿水流方向依次设置有下酸度计35、工作电极工装36和下参比电极37，工作电极工装36的内部设置有下工作电极38，下工作电极38与工作电极引线39连接，工作电极引线39延伸至工作电极工装36的外部；固定套筒15与上绝缘套管21和下绝缘套管32之间均设置有密封圈16。

本实施例涉及的辅助电极板31是涂装IrTa金属氧化物阳极涂层的钛合金，同时兼作缝隙内、外的三电极体系的辅助电极，辅助电极板31与通水管路1的管壁之间的狭缝用于连通缝隙内、外的溶液。

本实施例涉及的介质流动状态下缝隙腐蚀电化学测试装置为实现控制通水管路1中的介质流动，增设水泵、水箱、水质监测系统、水温测控系统和流速测控系统。

本实施例涉及的介质流动状态下缝隙腐蚀电化学测试装置与电化学工作站、介质循环系统、温控系统和水流测速仪配合使用，其中，介质循环系统能够调节腐蚀溶液的成分、流速；温控系统能够调节腐蚀溶液的温度；水流测速仪能够监测腐蚀溶液的流速；通过对缝隙内、外上工作电极23和下工作电极38的开路电位监测，判断缝隙腐蚀是否发生及其程度，结合上工作电极23和下工作电极38的形貌观察，建立开路电位与缝隙腐蚀的相关性；通过对缝隙内、外上工作电极23和下工作电极38的恒电位和阻抗测试，结合上工作电极23和下工作电极38的形貌观察，建立缝隙腐蚀发生、程度的形貌与电化学信息的联系。

实施例2：

本实施例涉及的介质流动状态下缝隙腐蚀电化学测试装置的上工作电极23和下工作电极38均为不锈钢材质，缝隙宽度调整为1mm，将流速为2m/s的海水接入通水管路1，首先，在缝隙外的上工作电极23与上参比电极24之间施加电位U1，测试到的腐蚀电流-时间曲线如图3中的a线所示，腐蚀电流密度为10^-4mA/cm²量级，随时间逐渐降低，表明，上工作电极23击穿电位高于U1，在电位U1下处于钝化区；在缝隙内的下工作电极38与下参比电极37之间施加相同的电位U1，测试到的腐蚀电流-时间曲线如图3中的b线所示，腐蚀电流密度为10^-2mA/cm²量级，随时间逐渐增大，表明，下工作电极38击穿电位低于U1，能够诱发缝隙腐蚀；由此可知，介质流动状态下缝隙腐蚀电化学测试装置构成的缝隙腐蚀系统，可以在介质流动状态下诱发缝隙腐蚀，并且能够对包括腐蚀电流的电化学信息进行测量，实现介质流动状态下缝隙腐蚀电化学测试，对于缝隙内、外的电化学信号具有明显的区分度。

Claims (4)

1.一种介质流动状态下缝隙腐蚀电化学测试装置，其特征在于，主体结构包括通水管路、固定套筒、上绝缘套管、上酸度计、上工作电极、上参比电极、辅助电极板、下绝缘套管、下酸度计、下参比电极和下工作电极；通水管路的一端为入水口，另一端为出水口，通水管路的中部上方开设有上封口，下方开设有下封口，上封口和下封口的外侧套设有固定套筒；上封口处的固定套筒内设置有上绝缘套管，上绝缘套管上设置有上酸度计、上工作电极和上参比电极；下封口处的固定套筒内上方设置有辅助电极板，下方设置有下绝缘套管，下绝缘套管上设置有下酸度计、下参比电极和下工作电极，下工作电极设置于工作电极工装的内部，工作电极工装设置在下绝缘套管上，下工作电极上设置的工作电极引线延伸至工作电极工装的外部，固定套筒与上绝缘套管和下绝缘套管之间均设置有密封圈，辅助电极板与下绝缘套管通过绝缘螺杆连接，辅助电极板上设置的导电杆向上延伸并穿越上绝缘套管，通水管路的内壁与上绝缘套管的下表面和下绝缘套管的上表面平齐；上工作电极加工成圆柱体结构，下工作电极加工成矩形块状结构，封闭在绝缘材料制成的螺栓内，螺栓底部露出工作面；上参比电极和下参比电极均为固体参比电极，材质包括高纯锌或Ag/AgCl，加工成圆柱体结构封闭在绝缘材料制成的螺栓内，螺栓底部露出工作面；辅助电极板的表面涂装有氧化物涂层；绝缘螺杆用于支撑和隔离辅助电极板；导电杆中设置有引线，辅助电极板的下表面与下绝缘套管的上表面之间的空隙形成缝隙，缝隙的宽度通过绝缘螺杆的露出高度调整，辅助电极板的直径小于下绝缘套管的直径；上酸度计、上工作电极和上参比电极的工作面均与上绝缘套管的下表面平齐，共同暴露于通水管路内的溶液中；下酸度计、工作电极工装和下工作电极与下绝缘套管以及工作电极工装与下参比电极分别螺纹式连接，下酸度计、下参比电极和下工作电极的工作面均与下绝缘套管的上表面平齐，共同暴露于缝隙内的溶液中，辅助电极板同时兼作缝隙内、外的三电极体系的辅助电极，辅助电极板与通水管路的管壁之间的狭缝用于连通缝隙内、外的溶液。

2.根据权利要求1所述的介质流动状态下缝隙腐蚀电化学测试装置，其特征在于，上酸度计和下酸度计构成酸度测试体系，分别监测缝隙内、外溶液的酸度，辅助判断是否发生腐蚀及腐蚀程度；上工作电极、上参比电极和辅助电极板的上表面构成缝隙外三电极体系，用于测试缝隙外部试样的电化学信息；辅助电极板的下表面、下参比电极和下工作电极构成缝隙内三电极体系，用于测试缝隙内部试样的电化学信息。

3.根据权利要求1所述的介质流动状态下缝隙腐蚀电化学测试装置，其特征在于，为实现控制通水管路中的介质流动，增设水泵、水箱、水质监测系统、水温测控系统和流速测控系统。

4.根据权利要求1或3所述的介质流动状态下缝隙腐蚀电化学测试装置，其特征在于，与电化学工作站、介质循环系统、温控系统和水流测速仪配合使用，其中，介质循环系统能够调节腐蚀溶液的成分、流速；温控系统能够调节腐蚀溶液的温度；水流测速仪能够监测腐蚀溶液的流速；通过对缝隙内、外上工作电极和下工作电极的开路电位监测，判断缝隙腐蚀是否发生及其程度，结合上工作电极和下工作电极的形貌观察，建立开路电位与缝隙腐蚀的相关性；通过对缝隙内、外上工作电极和下工作电极的恒电位和阻抗测试，结合上工作电极和下工作电极的形貌观察，建立缝隙腐蚀发生、程度的形貌与电化学信息的联系。

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