CN114199973A - 一种流动加速腐蚀实验测试分析方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种流动加速腐蚀实验测试分析方法及其系统，其中所述分析方法及包括：调节测试系统的环境条件，使测试系统满足火电机组实际运行的环境条件；采用电化学交流阻抗法对实验体系进行测量，获得电极系统的电化学阻抗谱数据；对获取的电化学阻抗谱数据进行分析。实现能够接近火电机组实际运行的环境条件，另外精确的FAC实验数据对FAC的机理分析有很大的帮助，在采用电化学测量的方法以及控制实验系统的环境条件下可以获取精确的FAC实验数据，并且还可以消除给水疏水系统内的FAC现象。

Description

一种流动加速腐蚀实验测试分析方法及其系统

技术领域

本申请涉及流动加速腐蚀实验技术领域，特别是涉及一种流动加速腐蚀实验测试分析方法及其系统。

背景技术

流动加速腐蚀(Flow-Accelerated-Corrosion，简称FAC)是指在火电机组的除氧高纯给水或者汽液两相流中，碳钢或者低合金钢内表面生成的一层磁铁矿氧化膜溶解至流体或者湿蒸汽中的过程。流动加速腐蚀带给电站的隐患是受腐蚀失效的器件会不断减薄。从而很可能会在某个时间点突然破裂，导致设备内部的高温蒸汽漏出或者喷出，对周围的设备和工作人员的生命造成巨大的威胁。目前通常采用超声测厚(UT)的方式对火电站诸多危险区域进行监测，但是如果需要全面精确的监测FAC，则要在整个管道系统建立非常多的测点，这是既不经济且可行性低的方法。因此建立火电机组FAC实验系统，分析流体流动对FAC的腐蚀机理对火电机组给水疏水系统乃至整个机组的安全运行都具有十分重要的意义。

目前国内火力发电方面的研究人员对于FAC的研究还都处于起始阶段。对于国内火电机组的FAC问题常常引用国外的给水加氧处理技术，先对特定的机组进行加氧实验，然后根据实验结果来决定最佳的PH值和溶氧量的控制，但是却不能完全消除给水疏水系统内的FAC现象，甚至导致下游弯头出现堵塞，造成更严重的问题。

发明内容

本申请提供一种流动加速腐蚀实验测试分析方法及其系统，为解决相关技术中火电机组FAC实验系统不能完全消除给水疏水系统内的FAC现象，甚至导致下游弯头出现堵塞，造成更严重的问题。

根据一些实施例，本申请提供了一种流动加速腐蚀实验测试分析方法，包括：调节测试系统的环境条件，使测试系统接近火电机组实际运行的环境条件；采用电化学交流阻抗法对实验体系进行测量，获得电极系统的电化学阻抗谱数据；对获取的电化学阻抗谱数据进行分析。

优选的是，所述调节测试系统的环境条件，使测试系统接近火电机组实际运行的环境条件包括：将测试系统调节至温度20-30℃、管内流速2-5m/s、pH值9.2-9.4、溶氧量2.0-4.0ppm。

优选的是，所述温度为25℃、管内流速为3m/s、pH值为9.3、溶氧量为3.0ppm。

优选的是，所述对获取的电化学阻抗谱数据进行分析包括：采用图解法根据奈奎斯特图的特征点和特征线段求出工作电极的参数值。

优选的是，所述对获取的电化学阻抗谱数据进行分析包括：采用电化学等效电路与曲线拟合的方式根据电极体系频响特征来判断电化学过程的性质，并计算出各表征参数值。

优选的是，根据求出的工作电极的参数值采用Stern-Geary公式计算获得金属的腐蚀电流，Stern-Geary公式为：

其中，R为常数，为8.314J/(mol*K)；T为溶液温度，单位为K；n为金属氧化的价数；F为法拉第常数，为96500C；Rct为电荷转移阻抗；Icorr为金属腐蚀电流。

根据另一些实施例，本申请还提供了一种流动加速腐蚀实验测试系统，包括：水箱，其用于给管路提供流动介质；参数控制模块，其用于控制水箱内介质的环境条件；电化学交流阻抗测试系统模块，其用于对管路上的腐蚀测试段进行电化学测试；离心泵，其用于给水箱内的介质提供动力输送至管路中，并使整个系统形成闭合循环回路；其中所述电化学交流阻抗测试系统模块包括：电化学工作站、测试弯管、电极及导线，电极镶嵌在测试弯管壁面并通过导线连接电化学工作站进行测试。

优选的是，所述参数控制模块包括温度控制模块、压力控制模块、PH值控制模块以及介质含氧量控制模块。

优选的是，所述测试弯管采用低粘度光敏聚合物制作。

本公开的实施例至少具有以下优点：将电化学测量的方法应用到模拟火电机组给水疏水系统环境的实验系统，并且控制实验系统的环境条件，使其能够接近火电机组实际运行的环境条件，另外精确的FAC实验数据对FAC的机理分析有很大的帮助，在采用电化学测量的方法以及控制实验系统的环境条件下可以获取精确的FAC实验数据，并且还可以消除给水疏水系统内的FAC现象。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，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申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例的一种流动加速腐蚀实验测试分析方法的流程示意图；

图2是本申请实施例中电化学阻抗谱图中的Nyquist示意图；

图3是本申请实施例中电化学阻抗谱图中的Bode-相角示意图；

图4是本申请实施例中等效电路示意图；

图5是本申请实施例中电化学交流阻抗法测试系统单元的示意图；

图6是本申请实施例中测试弯管的结构示意图；

图7是本申请实施例中90°测试弯管正面工作电极腐蚀电流密度分布；

图8是本申请实施例中样品1-7的腐蚀电流密度趋势图；

图9是本申请实施例中样品27-33的腐蚀电流密度趋势图；

图10是本申请实施例中样品8-10的腐蚀电流密度趋势图；

图11是本申请实施例中样品34-36的腐蚀电流密度趋势图；

图12是本申请实施例中样品12-18的腐蚀电流密度趋势图；

图13是本申请实施例中样品22-24的腐蚀电流密度趋势图；

图14是本申请实施例中90°测试弯管区域划分图；

图15是本申请实施例中部位失效次数图.

附图说明：1、电化学工作站；2、测试弯管；21、参比电极安装孔；22、辅助电极安装孔；23、工作电极安装孔；3、导线。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请的各实施例进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本申请各实施例中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。

但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施例的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本申请的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合，相互引用。

实施例一

本申请实施例提供一种流动加速腐蚀实验测试分析方法，包括：如下步骤：

S101、调节测试系统的环境条件，使测试系统接近火电机组实际运行的环境条件；

S102、采用电化学交流阻抗法对实验体系进行测量，获得电极系统的电化学阻抗谱数据；

S103、对获取的电化学阻抗谱数据进行分析。

采用电化学交流阻抗方法监测90°弯管内壁沿圆周方向各处的腐蚀，可以真实的研究火电机组管路系统中90°弯管易发生流动加速腐蚀的原因。

下面结合附图对该方法进行详细的说明：

如图1所示，S101、调节测试系统的环境条件，使测试系统接近火电机组实际运行的环境条件；

在本实施例中，需要说明的是，测试系统的环境条件对电化学交流阻抗法的测试产生至关重要，依赖于精确的FAC实验数据才能更加准确的分析FAC机理，因此需要对测试系统的环境条件进行调节，使其能够接近火电机组实际运行的环境条件。具体包括调节测试系统的温度、pH值、溶氧量以及流速等，其中温度设置在20-30℃、流速设置在2-5m/s、pH值设置在9.2-9.4、溶氧量设置在2.0-4.0ppm，在一个例子中，温度为25℃、流速为3m/s，pH为9.3±0.1，溶氧量为3.0ppm，在该具体参数下测试系统的流动介质环境能够达到火电机组实际运行的环境条件，在对测试系统进行测试时，数据分析的更加准确。

S102、采用电化学交流阻抗法对实验体系进行测量，获得电极系统的电化学阻抗谱；

在本实施例中，需要说明的是，测试系统采用的是在测试管段均匀布置36根工作电极、参比电极和辅助电极各个1根，因此构成三电极系统。采用电化学交流阻抗法进行测试，电化学交流阻抗法是指利用小幅度交流电压或电流对电极扰动，进行电化学测试的方法，在本实施例中由于在测试管段上均匀布置了36根工作电极，由于工作电极数目较多，为了在较短的时间内能够测定所有工作电极的表面腐蚀速率，由此采用小幅度的正弦交流信号，对电极系统进行测试，测量时间短。并且对电极表面几乎没有影响，从而测定的极化电阻Rp值较极化曲线法测得的准确。

另外，通过电化学交流阻抗法方式获得的交流阻抗数据，根据电极的摸拟等效电路，可以计算出相应的电极反应参数，并将不同频率交流阻抗的虚数部分对其实数部分作图，可得虚、实阻抗(分别对应于电极的电容和电阻)随频率变化的曲线即电化学阻抗谱。

S103、对获取的电化学阻抗谱的数据进行分析；

如图1、图2和图3所示，在本实施例中，需要说明的是，采用图解法或者曲线拟合法对电化学阻抗谱进行分析，其中图解法是根据奈奎斯特图的特征点和特征线段(如延长线等)求出工作电极的参数值，其中奈奎斯特图是指一种线性控制系统的频率特性图，对于一个连续时间的线性非时变系统，将其频率响应的增益及相位以极坐标的方式绘出。

在本实施例中，需要说明的是，实验对每个工作电极都进行了交流阻抗测试，结合90°弯管实验段的工作电极排列位置，选取了流动状态不同的6个位置的工作电极并给出了其电化学阻抗谱图，即图2和图3。由图可知，这些位置上工作电极的Nyquist图高频区(5.62Hz之前的频率点)都是一个电容半圆弧，说明在这个频率范围内电荷迁移步骤为电极过程的控制步骤。低频区(5.62Hz～0.1Hz)则是有一定倾斜角度向上的直线，说明在低频范围内扩散传质步骤为电极过程的控制步骤。这意味着在20#碳钢的腐蚀过程中电化学极化和浓差极化同时存在。还可以看出，电容半圆弧起始点阻抗极大，达到了10³数量级。另外，由图2可以看出，在实验段90°弯管外弯处的样品16有着最小的容抗弧直径，意味着该处工作电极的阻抗最小，根据下述Stern-Geary公式可知相应的腐蚀电流最大。弯管内弯处的侧面(样品35)的容抗弧直径比之样品16稍大，意味着样品35的腐蚀电流要小于样品16。弯管内弯处(样品23)的容抗弧直径要更大。弯管外弯处的侧面(样品4)则在弯管的径向方向有着最小的腐蚀电流。在90°弯管下游直管段区域，最外处(样品20)的容抗半圆弧直径要大于最内处(样品25)，从而下游直管段部分最外处的腐蚀电流要小于最内处。

如图4所示，其中曲线拟合法是根据研究的电极体系频响特征来推断电化学过程的性质，并计算出各表征参数值。对于两种方式求出的参数值均为电荷转移阻抗Rct。通过求出的电荷转移阻抗Rct再通过Stern-Geary公式来计算便可以获得金属的腐蚀电流，Stern-Geary公式为

其中公式中，R为常数，为8.314J/(mol*K)；T为溶液温度，单位为K；n为金属氧化的价数；F为法拉第常数，为96500C；Rct为电荷转移阻抗；Icorr为金属腐蚀电流。

在本实施例中，需要说明的是，以曲线拟合法为例进行详细说明，通常需要采用电化学等效电路与曲线拟合的方式来得到电极等效电路中的各个元件值如溶液阻抗R_SOL、电荷转移阻抗Rct等，用于拟合电化学阻抗谱曲线的等效电路如图4所示：在图1中R_S为溶液阻抗，Rp为腐蚀过程的极化阻抗，C为双电层电容。在这种情况下只有电极电位一个变量，R_P和R_CT值相等，由此经过上述等效电路拟合出工作电极的转移电荷阻抗R_CT，再根据上述经典Stern-Geary公式进行计算，最终便可以得到实验段36个工作电极的腐蚀电流密度。

本申请实施例采用电化学交流阻抗方法，可以快速、准确地测量工作电极腐蚀过程的阻抗，且对实验体系的干扰很小。并通过等效电路拟合的方式，可以瞬时的测量实验电极的腐蚀速率，相比传统火电厂腐蚀试验所采用的失重法要大大的缩短了实验时间。

实施例二

本申请实施例二提供一种流动加速腐蚀实验测试系统，包括：水箱、参数控制模块、离心泵和电化学交流阻抗测试系统模块，且各个模块构成闭合循环回路。

其中参数控制模块主要包括有温度控制模块、压力控制模块、PH值控制模块、流量控制模块以及介质含氧量控制模块，通过各个模块之间协同作用，来接近火电机组实际运行的环境条件。其中温度控制模块包括PID控制器、热电偶及加热电阻丝，温度控制模块主要为测试系统内的流动介质调节温度，本实施例中温度范围为20-30℃为主，优选的温度为25℃。压力控制模块主要是控制测试系统的介质液面压力。PH值控制模块主要是控制测试系统内的PH值，需要调节时用含实验介质的注射器调节测试系统中流体的pH值，在实施例中pH值范围为9.2-9.4，优选的为9.3。介质含氧量控制模块主要控制测试系统内的含氧量，本实施例中溶氧量范围为2.0-4.0ppm为主，优选的溶氧量为3.0ppm。

其中如图5所示，电化学交流阻抗测试系统模块包括电化学工作站1、测试弯管2及导线3，在测试弯管2的外壁上均布有电极，电极通过导线3连接于电化学工作站1，电化学工作站1根据电极测试的结果进行数据分析，从而来分析流动加速腐蚀对弯管的影响。

在一些实施例中，为了避免测试弯管2金属材质对电化学实验结果造成的影响，在本申请实施例中采用低粘度光敏聚合物制作而成，可以避免90°弯管所含金属材质对电化学实验结果造成影响，可以真实的研究工业现场管路系统中90°弯管易发生流动加速腐蚀的原因。

如图6所示，在一些实施例中，电极包括工作电极、参比电极和辅助电极，三种电极系统反应产生电化学信号通过电化学工作站1进行分析，由此可以得到工作电极的瞬时腐蚀速率。其中参比电极、工作电极和辅助电极数量依次为1根、36根和1根，三种电极均匀排列在测试弯管2的壁面上。对应的，在测试弯管2的壁面上开设有参比电极安装孔21、辅助电极安装孔22和工作电极安装孔23。三电极系统中参比电极采用饱和甘汞电极，在实际测量时，通常采用饱和甘汞电极、银/氯化银电极等作为参比电极。在本实验电解池体系中，由于接近火电厂现场实际运行的水质，溶液包含一定浓度的cL-离子，且温度不超过60℃，因此本实验系统采用了饱和甘汞电极作为参比电极。采用铂电极作为辅助电极。

在一些实施例中，火电机组低温段管道材料通常采用20号碳钢，国外火电站在此处位置也是采用元素含量相似的ASTM标准A106Gr.B碳钢。因此本次实验使用20#碳钢作为实验段的工作电极，其材料成分见附表1。附表1实验材料的元素含量/wt％

下面以测试得到的实验数据作进一步详细说明，实验最终得到了实验段36个工作电极的腐蚀电流密度。

图7是90°测试弯管2不同区域工作电极的腐蚀电流密度，其中黑色加粗字体为样品号，其括号中数值为对称面样品号，无加粗字体为样品的腐蚀电流密度，括号中的数字为对称面样品的腐蚀电流密度，单位为μA/cm2。

图8、图9分别是沿流动方向从样品1～7，样品27～33的腐蚀电流密度趋势图，其中拟合曲线采用Excel拟合。可以看出，在不拟合的情况下，样品1～7和样品27～33的腐蚀电流密度都是呈现先微微减小，后不断增大，再减小的趋势，趋势基本吻合。而经过Excel拟合后从样品1～7、样品27～33两列上的腐蚀电流密度拟合曲线有着不断增加的趋势，且两列样品的拟合曲线上升斜率一致。

图10、图11分别是沿流动方向从样品8～10，样品34～36的腐蚀电流密度趋势图，由于实验点数太少，没有采用拟合曲线进行拟合。从图中可以看出，从样品8～10、样品34～36列上的腐蚀电流密度有着先增加后减小的趋势，且两列样品改变趋势基本一致。

从上面的分布特征可知，沿90°弯管中心剖面两边对称位置的工作电极腐蚀电流密度分布规律基本一致。

对于90°测试弯管2内外面腐蚀电流密度分布来说：

在90°测试弯管2最外弯处，样品12～18的腐蚀电流密度趋势图如图12所示。可以看出，经过Excel拟合后，沿流动方向上样品的腐蚀电流密度大小不断增加。

在90°测试弯管2最内弯处，样品22～24的腐蚀电流密度趋势图如图13所示。由于实验点数太少，没有采用拟合曲线进行拟合。可以看出，样品的腐蚀电流密度呈先增加，在样品23处达到极大值，随后降低的趋势。

对于90°测试弯管2进出口腐蚀电流密度分布来说：

在90°测试弯管2的入口段区域，最外处位置(样品11)的腐蚀电流密度要比最内处(样品21)要高。而在出口段区域，最外处位置(样品19、样品20)的腐蚀电流密度则要比最内处位置(样品25、样品26)要低。

Kuen(Ting K,Yin P M.The evaluation of erosion-corrosion problems ofcarbon steel piping in Taiwan PWR nuclear power plant[J].Nuclear Engineering&Design,1999,191(191):231-243.)等人对台湾某核电站1#和2#单元冷凝水管线上的2000个管件的失效部位进行了统计，其中90°测试弯管2不同部位失效次数及部位示意图如图14、15所示。将其各个部位对应到本实验系统中工作电极位置，则A1至A5对应于样品21至样品26，B1至B9对应于样品12至样品18。

对应起来可以发现，实际电厂最易发生腐蚀的区域处于B1至B9区间，而实验中腐蚀电流密度正好处于该区间，而且样品12至样品18先增大后减小的趋势和实际情况也基本吻合。最小腐蚀次数出现在在A1至A5区间，在本文中90°测试弯管2的入口端(样品21、样品22)有着最小腐蚀速率。

实验结果表明，沿90°测试弯管2中心剖面两边对称位置的工作电极腐蚀电流密度分布规律基本一致。在测试弯管2入口段区域，最外处位置比最内处腐蚀要严重。在测试弯管2区域，也可以看到腐蚀电流密度最大值出现在测试弯管2最外弯处中心位置。最小值则出现在测试弯管2最内侧中靠近入口段的位置。在测试弯管2的出口段区域，最外处位置的腐蚀电流密度要比最内处位置大。和电厂实际90°测试弯管2失效部位的统计数据对比分析表明，实验数据基本吻合真实情况。

应当理解的是，本申请的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本申请的原理，而不构成对本申请的限制。因此，在不偏离本申请的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。此外，本申请所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种流动加速腐蚀实验测试分析方法，其特征在于，包括：

调节测试系统的环境条件，使测试系统接近火电机组实际运行的环境条件；

采用电化学交流阻抗法对实验体系进行测量，获得电极系统的电化学阻抗谱数据；

对获取的电化学阻抗谱数据进行分析。

2.根据权利要求1所述的一种流动加速腐蚀实验测试分析方法，其特征在于，所述调节测试系统的环境条件，使测试系统接近火电机组实际运行的环境条件包括：将测试系统调节至温度20-30℃、管内流速2-5m/s、pH值9.2-9.4、溶氧量2.0-4.0ppm。

3.根据权利要求2所述的一种流动加速腐蚀实验测试分析方法，其中，所述温度为25℃、管内流速为3m/s、pH值为9.3、溶氧量为3.0ppm。

4.根据权利要求1所述的一种流动加速腐蚀实验测试分析方法，其特征在于，所述对获取的电化学阻抗谱数据进行分析包括：采用图解法根据奈奎斯特图的特征点和特征线段求出工作电极的参数值。

5.根据权利要求1所述的一种流动加速腐蚀实验测试分析方法，其特征在于，所述对获取的电化学阻抗谱数据进行分析包括：采用电化学等效电路与曲线拟合的方式根据电极体系频响特征来判断电化学过程的性质，并计算出各表征参数值。

6.根据权利要求4或5所述的一种流动加速腐蚀实验测试分析方法，其特征在于，根据求出的工作电极的参数值采用Stern-Geary公式计算获得金属的腐蚀电流，Stern-Geary公式为：

其中，R为常数，为8.314J/(mol*K)；T为溶液温度，单位为K；n为金属氧化的价数；F为法拉第常数，为96500C；Rct为电荷转移阻抗；Icorr为金属腐蚀电流。

7.一种流动加速腐蚀实验测试系统，其特征在于，包括：

水箱，其用于给管路提供流动介质；

参数控制模块，其用于控制水箱内介质的环境条件；

电化学交流阻抗测试系统模块，其用于对管路上的腐蚀测试段进行电化学测试；

离心泵，其用于给水箱内的介质提供动力输送至管路中，并使整个系统形成闭合循环回路；

其中所述电化学交流阻抗测试系统模块包括：电化学工作站、测试弯管、电极及导线，电极镶嵌在测试弯管壁面并通过导线连接电化学工作站进行测试。

8.根据权利要求1所述的一种流动加速腐蚀实验测试系统，其特征在于，所述参数控制模块包括温度控制模块、压力控制模块、PH值控制模块以及介质含氧量控制模块。

9.根据权利要求1所述的一种流动加速腐蚀实验测试系统，其特征在于，所述测试弯管采用低粘度光敏聚合物制作。

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