CN113324895A - 不锈钢耐腐蚀性快速检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于不锈钢耐腐蚀性测试技术领域，具体涉及不锈钢耐腐蚀性快速检测装置及方法。一种不锈钢耐腐蚀性快速检测装置，包括阻抗测试仪和与阻抗测试仪连接的测试探头，所述测试探头包括工作电极和辅助电极，用于测量被测不锈钢基板的阻抗；所述测试探头还包括参比电极，用于测量开路电位。本发明用于解决传统的钝化膜和焊缝区检测评价只能通过目测检查，无法自动化和定量化，导致检测精度低、测量效率低的问题。
Description
技术领域
本发明属于不锈钢耐腐蚀性测试技术领域，具体涉及不锈钢耐腐蚀性快速检测装置及方法。
背景技术
不锈钢材料具有优良的力学性能、机械加工性能和耐腐蚀性能，在原子能、海洋开发、石油化工、汽车、建筑装潢、家用电器、厨房器皿等行业得到了广泛的应用。不锈钢的耐腐蚀性主要是由于表面形成的钝化膜，它可以有效地将不锈钢基体与腐蚀介质隔离，使基体得到保护。然而当钝化膜被破坏后，不锈钢就直接暴露于腐蚀环境中，尤其是不锈钢的焊接区，往往由于热影响造成晶界成分偏析，导致多种局部腐蚀的发生，如点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀及应力腐蚀开裂等。不锈钢钝化膜的完整性与致密性是不锈钢耐蚀的重要原因之一。传统上常常采用电化学或者化学方法对不锈钢表面进行钝化处理。
CN107419279A公布了一种不锈钢酸洗钝化膏及其制备方法，不锈钢在加工过程中会造成表面缺陷，腐蚀隐患，出现黑色氧化皮和其它金属化合物、黄色焊缝及冷拔时的油脂等，为了提高不锈钢的外观和耐蚀性，加工后的不锈钢必须进行酸洗钝化，从而提高不锈钢制品的表面防腐质量，延长使用寿命。CN101643907B公开了一种不锈钢管的抗腐蚀后处理工艺，将成品不锈钢管在热处理炉中进行无氧化热处理，冷却后在柠檬酸/双氧水钝化液中浸泡钝化，使不锈钢管表面形成钝化层，提高抗蚀性能。
然而，针对不锈钢钝化膜质量的快速检测方法，当前仍很不成熟，传统的钝化膜和焊缝区质量评价一般只能通过目测检查，无法自动化和定量化，导致检测精度低、测量效率低。尤其是在役的不锈钢结构件，如反应釜、大罐或管道等很难通过目测检查，因此，工程上急需一种可现场使用的便携式快速监测装置，用于检测难以到达区域的不锈钢工件的耐蚀性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种不锈钢耐腐蚀性快速检测装置及方法，用于解决传统的钝化膜和焊缝区检测评价只能通过目测检查，无法自动化和定量化，导致检测精度低、测量效率低的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种不锈钢耐腐蚀性快速检测装置，包括阻抗测试仪和与阻抗测试仪连接的测试探头，所述测试探头包括工作电极10和辅助电极6，用于测量被测不锈钢基板8的阻抗；其特征在于：所述测试探头还包括参比电极，用于测量开路电位。
进一步地，所述阻抗测试仪包括壳体20，所述壳体20内部设有测量电路；所述测量电路包括MCU控制器37，所述MCU控制器37连接有正弦波发生器33，所述正弦波发生器33连接有极化开关32，所述极化开关32连接有功率放大器31，所述功率放大器31与辅助电极6连接；所述MCU控制器37还连接有双通道模数转换器36，所述双通道模数转换器36连接有电位跟随器35和极化电流取样电路39，所述电位跟随器35和极化电流取样电路39分别与参比电极和工作电极10连接。
进一步地，所述壳体20正面的上部安装有显示屏22，用于显示参数和结果；所述壳体20正面的下部安装有薄膜键盘21，用于输入参数；所述显示屏22和薄膜键盘21均与MCU控制器37连接；所述壳体20的一侧固定设有USB接口，所述测量电路还包括通信接口38，所述通信接口38与USB接口和MCU控制器37连接。
进一步地，所述MCU控制器37还连接有数据存储器40和RTC实时时钟41。
进一步地，所述正弦波发生器33由一电源模块34供电，所述电源模块34还与MCU控制器37连接，所述电源模块34为可充电式蓄电池。
进一步地，所述辅助电极6为条形板状结构，下表面包覆有饱水绒布7，上表面设有辅助电极连接导体9。
进一步地，所述参比电极包括一子弹头型的聚氨酯海绵笔芯5，其内部中空，整体塞在一PVC导管4内；所述中空的底部固定设有微孔陶瓷塞3，并且还加注有饱和氯化钾溶液2；所述参比电极还包括氯化银电极1，所述氯化银电极1插在饱和氯化钾溶液2内。
进一步地，所述辅助电极6中心开设有圆孔，所述参比电极下端穿过圆孔与被测不锈钢基板8接触连接。
进一步地，所述辅助电极6和工作电极10分别为316L不锈钢板条材质和黄铜材质的弹簧顶针结构。
一种不锈钢耐腐蚀性快速检测装置的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：将辅助电极6、工作电极10和参比电极的下端垂直紧压在被测不锈钢基体8表面；
S2：设置测量参数；
S3：获取相应的开路电位和定频阻抗值；
S4：根据以下公式来进行耐蚀等级分级：
其中，CRI代表不锈钢耐蚀等级，OCP为开路电位，|Z|为不锈钢的定频阻抗值，x为偏置电位，P和M分别为开路电位与定频阻抗值的权重系数，Int代表取整函数。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1.本发明的测试装置采用更可靠的钝化膜阻抗来评价不锈钢耐蚀性，同时结合开路电位建立一个混合评级指数，实现钝化膜耐蚀能力的准确评价，相比单纯开路电位法，检测结果可靠性更高。本发明的测试装置不仅可测量不锈钢基板的开路电位；通过内置的定频阻抗测量电路和接触式三电极探头，还可以测量不锈钢基板的阻抗值。
2、本发明的阻抗测试装置采用手持式设计，可以方便地检测不锈钢工件上难以达到的区域，采用细条形辅助电极，能够在大气环境中测试金属表面、接缝和焊缝区的耐蚀性。
3.本发明的测试装置，其优势在所有参数和结果显示均可通过薄膜按键和显示屏来交互，数据保存在flash ROM中，并可通过USB接口上传到PC机或者服务器，用于建立不锈钢工件或者设施的腐蚀数据库。
附图说明
图1为不锈钢耐蚀性测试探头侧视图。
图2为不锈钢耐蚀性测试探头俯视图。
图3为不锈钢耐蚀性测试装置的测试过程示意图。
图4为不锈钢耐蚀性测试仪的电路功能图。
图5为基于被测金属基板的开路电位置于阻抗值计算的耐蚀等级(CRI)。
图中：1、氯化银电极；2、饱和氯化钾溶液；3、微孔陶瓷塞；4、PVC导管；5、聚氨酯海绵笔芯；6、辅助电极；7、饱水绒布；8、不锈钢基板；9、辅助电极连接导体；10、工作电极；20、壳体；21、薄膜键盘；22、显示屏；31、功率放大器；32、极化开关；33、正弦波发生器；34、电源模块；35、电位跟随器；36、双通道模数转换器；37、MCU控制器；38、通信接口；39、极化电流取样电路；40、数据存储器；41、RTC实时时钟。
具体实施方式
下面将结合具体实施例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。
如图1、2、3，一种不锈钢耐腐蚀性快速检测装置，包括阻抗测试仪和与阻抗测试仪连接的测试探头，所述测试探头包括参比电极、工作电极10和辅助电极6，工作电极10和辅助电极6的配合用于测量被测不锈钢基板8的阻抗，参比电极和工作电极10的配合用于测量开路电位。通过引入三电极分别测量阻抗和开路电位，根据以下公式来进行耐蚀等级分级：
其中，CRI代表不锈钢耐蚀等级，OCP为开路电位，|Z|为不锈钢的定频阻抗值，x为偏置电位，P和M分别为开路电位与定频阻抗值的权重系数，Int代表取整函数。
如图1所示，所述辅助电极6为条形板状结构，下表面包覆有饱水绒布7，上表面设有辅助电极连接导体9，所述辅助电极6中心开设有圆孔。所述参比电极包括一子弹头型的聚氨酯海绵笔芯5，其内部中空，整体塞在一PVC导管4内；所述中空的底部固定设有微孔陶瓷塞3，并且还加注有饱和氯化钾溶液2；所述参比电极还包括氯化银电极1，所述氯化银电极1插在饱和氯化钾溶液2内。所述参比电极下端穿过圆孔与被测不锈钢基板8接触连接。所述辅助电极6和工作电极10分别为316L不锈钢板条材质和黄铜材质的弹簧顶针结构。
测试探头整体由三电极构成，如图1所示，工作电极10的弹簧顶针与被检测的不锈钢基板8接触，构成工作电极10(WE)；窄条型(条形板状)316L不锈钢板为辅助电极6(CE)；辅助电极6中心插入由Ag/AgCl电极(氯化银电极1)和聚氨酯海绵笔芯5构成的参比电极(RE)。
其中，工作电极10的弹簧顶针为黄铜材质，顶针采用可伸缩弹簧，确保与被测钢板接触紧密。窄条型辅助电极6宽度为2mm-5mm，长度为10mm-20mm，并在中心开有一φ3mm小孔，方便聚氨酯海绵笔芯5插入并贴紧被测不锈钢基板8，辅助电极6底部黏贴有硬质保水海绵(等同于饱水绒布7)，可以保证辅助电极6与待测不锈钢基板8之间形成良好的电解质液膜。阻抗测试仪所发生的正弦波信号加载到辅助电极6和被测不锈钢基板之间，由于保水海绵在不锈钢工件表面润湿面积是确定的，因此被测不锈钢基板8的受极化面积就等于保水海绵7在不锈钢基板8上的投影面积(如图2)，从而计算出待测不锈钢基板8的极化阻抗。此外，由于辅助电极的宽度仅有2mm-5mm，非常适于焊缝区的腐蚀性评价。
如图3和4，其中阻抗测试仪包括壳体20，所述壳体20内部设有测量电路；所述测量电路包括MCU控制器37，所述MCU控制器37连接有正弦波发生器33，所述正弦波发生器33连接有极化开关32，所述极化开关32连接有功率放大器31，所述功率放大器31与辅助电极6连接；所述MCU控制器37还连接有双通道模数转换器36，所述双通道模数转换器36连接有电位跟随器35和极化电流取样电路39，所述电位跟随器35和极化电流取样电路39分别与参比电极和工作电极10连接。所述MCU控制器37还连接有数据存储器40和RTC实时时钟41。阻抗测试仪由电源模块34供电，该电源模块可由3.7V锂离子充电电池或者通过其他3.7V-6V的直流电源实现，所述正弦波发生器33由电源模块34供电，所述电源模块34还与MCU控制器37连接，所述电源模块34为可充电式蓄电池。所述壳体20正面的上部安装有显示屏22，用于显示参数和结果；所述壳体20正面的下部安装有薄膜键盘21，用于输入参数；所述显示屏22和薄膜键盘21均与MCU控制器37连接；所述壳体20的一侧固定设有USB接口，所述测量电路还包括通信接口38，所述通信接口38与USB接口和MCU控制器37连接。
上述不锈钢耐腐蚀性快速检测装置的测试方法，包括：
S1：如图3所示，阻抗测试仪与测试探头采用插接连接，将辅助电极6、工作电极10和参比电极的下端垂直紧压在被测不锈钢基体8表面，保证接触良好。
S2：通过薄膜键盘21(显示屏22或者通信接口38)来设置测量参数，包括正弦波幅值、频率、辅助电极6面积和Stern系数等。
S3：获取相应的开路电位和定频阻抗值；在MCU控制器37控制下，通过电位跟随器35测量参比电极(RE)相对于不锈钢工件(工作电极10)之间的开路电位，见图4。MCU控制器37控制正弦波发生器33输出极化波形，并通过极化开关32使被测工件进入极化状态，此时功率放大器31将正弦波加载到所述测试探头中的辅助电极6。在极化状态下，电位跟随器35输出被测工件的极化电位，而流经工件的电流由极化电流取样电路39测量，电位和电流最后通过模数转换器36数字化后，被MCU控制器37读取。测量完成后，MCU控制器37关闭极化开关32，然后对采集的电位以及电流信号进行计算，获得定频阻抗值。为记录测量时间点，MCU控制器37还将读取实时时钟41的日历时间，并将其与测量的开路电位值以及阻抗值一同保存到数据存储器40或者通过通讯接口38上传到PC机。
S4：对被测不锈钢基板8的开路电位和定频阻抗值进行整合，得出耐蚀等级，提示使用者采用更好的钝化工艺来提升工件的耐蚀性能。耐蚀等级采用公式一下公式来计算。
其中，CRI代表不锈钢耐蚀等级，OCP为开路电位(mV)，|Z|为不锈钢的定频阻抗值(Ωcm2)，x为偏置电位(mV)，P和M分别为开路电位与定频阻抗值的权重系数，Int代表取整函数。耐蚀等级CRI指数越高，则代表钝化膜耐蚀性越好。
举例说明，对于304不锈钢(被测不锈钢基板8)，其相对于饱和氯化银参比电极的开路电位(OCP)可在-350mV到500mV之间变化，OCP越正，则耐蚀性越好；而对于定频阻抗值(|Z|)，这里以17Hz为例，其|Z|17Hz一般在1000cm2到105cm2之间变化，阻抗|Z|17Hz越高，耐蚀性越好。考虑二者之间具有一定的协同相关性，且阻抗值与耐蚀等级相关性更高，这里将上述公式中OCP权重P＝1，偏置电位x取350mV，定频阻抗|Z|的权重M＝3。当OCP大于350mV，阻抗值超过100k cm2，其耐蚀等级具有最高值5。
如不锈钢焊缝的开路电位为-200mV，17Hz定频阻抗为10K cm2,则计算的CRI＝3，及耐蚀等级为3级。
附图5说明了不锈钢耐蚀等级和所测量的开路电位与定频阻抗值之间的关系。根据上述分级算法，耐蚀等级指数值CRI小于1.5为极差，1.5到2.5为较差，2.5到3.5为中等，3.5到4.5为良好，4.5以上为优秀，5为最高耐腐等级。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种不锈钢耐腐蚀性快速检测装置，包括阻抗测试仪和与阻抗测试仪连接的测试探头，所述测试探头包括工作电极(10)和辅助电极(6)，用于测量被测不锈钢基板(8)的阻抗；其特征在于：所述测试探头还包括参比电极，用于测量开路电位。
2.根据权利要求1所述的不锈钢耐腐蚀性快速检测装置，其特征在于：所述阻抗测试仪包括壳体(20)，所述壳体(20)内部设有测量电路；所述测量电路包括MCU控制器(37)，所述MCU控制器(37)连接有正弦波发生器(33)，所述正弦波发生器(33)连接有极化开关(32)，所述极化开关(32)连接有功率放大器(31)，所述功率放大器(31)与辅助电极(6)连接；所述MCU控制器(37)还连接有双通道模数转换器(36)，所述双通道模数转换器(36)连接有电位跟随器(35)和极化电流取样电路(39)，所述电位跟随器(35)和极化电流取样电路(39)分别与参比电极和工作电极(10)连接。
3.根据权利要求2所述的不锈钢耐腐蚀性快速检测装置，其特征在于：所述壳体(20)正面的上部安装有显示屏(22)，用于显示参数和结果；所述壳体(20)正面的下部安装有薄膜键盘(21)，用于输入参数；所述显示屏(22)和薄膜键盘(21)均与MCU控制器(37)连接；所述壳体(20)的一侧固定设有USB接口，所述测量电路还包括通信接口(38)，所述通信接口(38)与USB接口和MCU控制器(37)连接。
4.根据权利要求2所述的不锈钢耐腐蚀性快速检测装置，其特征在于：所述MCU控制器(37)还连接有数据存储器(40)和RTC实时时钟(41)。
5.根据权利要求2所述的不锈钢耐腐蚀性快速检测装置，其特征在于：所述正弦波发生器(33)由一电源模块(34)供电，所述电源模块(34)还与MCU控制器(37)连接，所述电源模块(34)为可充电式蓄电池。
6.根据权利要求1所述的不锈钢耐腐蚀性快速检测装置，其特征在于：所述辅助电极(6)为条形板状结构，下表面包覆有饱水绒布(7)，上表面设有辅助电极连接导体(9)。
7.根据权利要求6所述的不锈钢耐腐蚀性快速检测装置，其特征在于：所述参比电极包括一子弹头型的聚氨酯海绵笔芯(5)，其内部中空，整体塞在一PVC导管(4)内；所述中空的底部固定设有微孔陶瓷塞(3)，并且还加注有饱和氯化钾溶液(2)；所述参比电极还包括氯化银电极(1)，所述氯化银电极(1)插在饱和氯化钾溶液(2)内。
8.根据权利要求7所述的不锈钢耐腐蚀性快速检测装置，其特征在于：所述辅助电极(6)中心开设有圆孔，所述参比电极下端穿过圆孔与被测不锈钢基板(8)接触连接。
9.根据权利要求6所述的不锈钢耐腐蚀性快速检测装置，其特征在于：所述辅助电极(6)和工作电极(10)分别为316L不锈钢板条材质和黄铜材质的弹簧顶针结构。
10.如权利要求1-9任一所述不锈钢耐腐蚀性快速检测装置的测试方法，其特征在于包括以下步骤：
S1：将辅助电极(6)、工作电极(10)和参比电极的下端垂直紧压在被测不锈钢基体(8)表面；
S2：设置测量参数；
S3：获取相应的开路电位和定频阻抗值；
S4：根据以下公式来进行耐蚀等级分级：
其中，CRI代表不锈钢耐蚀等级，OCP为开路电位，|Z|为不锈钢的定频阻抗值，x为偏置电位，P和M分别为开路电位与定频阻抗值的权重系数，Int代表取整函数。
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