CN114778971A - 一种牺牲阳极材料电化学性能测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电化学测试技术领域，涉及一种牺牲阳极材料电化学性能测试装置及方法，具体为一种能够在多种复杂深海环境下进行多通道同步测试牺牲阳极材料电化学性能的测试装置和测试方法，采用韧性材质的空间隔板和层级设计方式划分独立的相不干扰的测试空间，在测试过程中确保各测试试样的试验环境、极化电流等试验参数的高度一致性，利用多回路连接系统独立控制测试试样的极化进程，自动监测采集测试试样的电位变化数据，采用可编程控制单元和数据处理模块实现数据可视化，实现多通道并联式的电化学性能测试，提升评价测试的可靠性和准确度；其结构简单，绿色环保，不存在腐蚀产物污染问题，测试过程中，海水的循环流通稳定。

Description

一种牺牲阳极材料电化学性能测试装置及方法

技术领域：

本发明属于电化学测试技术领域，具体涉及一种牺牲阳极材料电化学性能测试装置及方法，实现模拟深海环境下牺牲阳极材料的电化学性能测试和评价。

背景技术：

深海环境中金属材料的阴极保护方法包括外加电流法和牺牲阳极法，原理是对金属材料通以阴极电流，使其发生阴极极化从而减缓腐蚀。其中，牺牲阳极法具有安装使用方便、成本低廉、使用寿命长、防护效果可靠，且无需外部能源供应等优点，成为深海设施装备腐蚀防护的优先选择，可为深海水下装备提供长效可靠的腐蚀防护。

在现有技术中，牺牲阳极电化学性能测试是评价阳极材料在深海环境下的阴极保护性能最常用的方法：参照DNV-RP-B401(2017)和GB/T 17848-1999《牺牲阳极常规电化学性能试验方法》开展常规/加速试验，采用独立的电解槽和阴极筒对多个试样进行串联连接，通过施加恒电流极化测定计算阳极电容量等电化学性能参数，但是，其在单一介质环境中进行串联连接时易发生电流紊乱和相互干扰，平行试验的环境条件一致性难以保证，并不适用于深海环境牺牲阳极性能评价测试。

中国专利201710467747.1公开的一种牺牲阳极深海性能原位测试装置包括：耐压密封舱，位于所述耐压密封舱内的牺牲阳极性能测试模块，集成在耐压密封舱外部、并与海水腐蚀液相接触的电极探头组件，及供电电源；其中，所述耐压密封舱包括筒体和端盖，筒体内部中空、端部与端盖密封配合形成防水密封结构，防水密封结构内装有牺牲阳极性能测试模块；所述牺牲阳极性能测试模块，其由供电电源连接供电，并经水密电缆电连接至外部电极探头组件，用于牺牲阳极工作电位和工作电流测量；其包括多通道接线端子、电位测量电路、电流测量电路、量程切换控制电路、通道选择控制电路、模数转换模块、微控制单元、Flash存储器、RS232通信接口和电源模块，其中，所述的电源模块与微控制单元连接，调整供电电源电压，为牺牲阳极性能测试模块提供所需的工作电压；所述的RS232通讯接口与微控制单元连接，用于对电位和电流测量频率、持续时间、取样数量设置；所述的微控制单元与模拟数字转换器连接，用于控制电位和电流测量、模数转换、存储；所述的通道选择控制电路与多通道接线端子连接，用于控制测量通道的开关，关闭不需要的通道，避免造成额外电源消耗；所述的量程切换控制电路与电流测量电路连接，用于自适应选择量程，提高电流测量精度；通过在深海环境中的耐压密封舱完成阳极参数检测，经外部电极探头实现牺牲阳极工作电位和工作电流的原位长周期测量，但是，其需进行实海投放及现场检测，测试稳定性难以保证，试验系统设计复杂，试验耗时较长的同时成本高昂，具备较高的风险和不可控性。

在解决上述技术问题的过程中，通过实验室模拟深海环境开展性能评价试验可以对各类牺牲阳极材料进行快速、方便的试验评价；通过电化学测试等多种表征手段，可以探究牺牲阳极材料在深海环境下的活化机理以及保护效果；通过对不同海域，不同深度的腐蚀环境进行模拟，可以最大限度地获取牺牲阳极材料在各种服役环境下的电化学性能试验数据；基于此，研发设计一种模拟深海环境牺牲阳极材料电化学性能测试装置和测试方法，对新型牺牲阳极材料的开发和选型具有重要意义。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，研发设计一种牺牲阳极材料电化学性能测试装置及方法，通过多通道并联式互不干扰的电化学性能测试方式，提升电化学性能测试和评价的可靠性和准确度。

为了实现上述目的，本发明涉及的牺牲阳极材料电化学性能测试装置的主体结构包括数据显示处理单元、电化学测试单元、高压试验舱、测试架单元和测试单元；数据显示处理单元与电化学测试单元连接，电化学测试单元与高压试验舱连接，高压试验舱的内部设置有测试架单元，测试架单元上设置有测试单元。

本发明涉及的电化学测试单元通过电缆与高压试验舱的顶部嵌置的水密接头连接，测试架单元为由若干个测试台架组成的层叠式结构，测试单元由阴极筒、测试试样和参比电极组成，且测试单元与水密接头连接。

本发明涉及的测试架台架的主体结构包括支撑架、悬挂框架、海水管、底板、腐蚀物隔板和空间隔板；若干个支撑架将两个互相平行的悬挂框架连接成框架式结构，悬挂框架由圆圈和悬挂臂组成，圆圈上设置有若干个悬挂臂连接，上下部的圆圈之间套设有海水管，海水管上均匀开设有若干个海水通孔，下部的悬挂框架上设置有底板，底板的边沿围护有腐蚀物隔板，海水管与腐蚀物隔板之间由若干块空间隔板分隔成若干个测试空间，其中，支撑架与悬挂臂的数量相同。

本发明涉及的牺牲阳极材料电化学性能测试方法的具体工艺过程包括加工、组装和试验共三个步骤：

(1)加工：将牺牲阳极材料加工成设定尺寸的测试试样，在测试试样的制作插头，并进行密封处理；

(2)组装：将测试单元挂置于悬挂框架上并固定，使阴极筒位于测试空间的中心，测试试样和参比电极位于阴极筒的内部，将测试台架置于高压试验舱的内部，将水密接头的一端与测试单元密封连接，另一端与电缆连接，电缆与电化学测试单元连接，电化学测试单元与数据显示处理单元连接；

(3)试验：在高压试验舱内注满模拟深海环境的海水，调节环境参数，电化学测试单元执行预编程序进行牺牲阳极电化学性能测试，数据显示处理单元显示实时数据；测试后，取出测试台架，拆解测试试样，根据测试试样的消耗量计算包括电流效率的参数结果，并进行数据分析。

本发明与现有技术相比，提供了一种能够在多种复杂深海环境下进行多通道同步测试牺牲阳极材料电化学性能的测试装置和测试方法，采用韧性材质的空间隔板和层级设计方式划分独立的相不干扰的测试空间，在测试过程中确保各测试试样的试验环境、极化电流等试验参数的高度一致性，利用多回路连接系统独立控制测试试样的极化进程，自动监测采集测试试样的电位变化数据，采用可编程控制单元和数据处理模块实现数据可视化，实现多通道并联式的电化学性能测试，提升评价测试的可靠性和准确度；其结构简单，绿色环保，不存在腐蚀产物污染问题，测试过程中，海水的循环流通稳定。

附图说明：

图1为本发明的主体结构示意图。

图2为本发明涉及的电化学测试单元的原理示意图。

图3为本发明涉及的测试台架的结构示意图。

图4为本发明涉及的悬挂框架的结构示意图。

具体实施方式：

下面通过实施实例并结合附图对本发明做进一步描述。

实施例1：

本实施例涉及的牺牲阳极材料电化学性能测试装置的主体结构包括数据显示处理单元1、电化学测试单元2、电缆3、高压试验舱4、水密接头5、测试台架6、阴极筒7、测试试样8和参比电极9；数据显示处理单元1与电化学测试单元2连接，电化学测试单元2通过电缆3与高压试验舱4的顶部嵌置的水密接头5连接，高压试验舱4的内部设置有由两个测试台架6组成的上下层叠式结构的测试架单元，每个测试台架6上设置有四组由阴极筒7、测试试样8和参比电极9组成的测试单元，测试单元与水密接头5连接。

本实施例涉及的测试架台架6的主体结构包括支撑架61、悬挂框架62、海水管63、底板64、腐蚀物隔板65和空间隔板66；四个支撑架61将两个互相平行的悬挂框架62连接成框架式结构，支撑架61上开设有五个圆形结构的连接孔611，悬挂框架62由一个圆圈621和四个悬挂臂622组成，圆形结构的圆圈621上等间距式设置有四个悬挂臂622，悬挂臂622在圆圈621上等距垂直，悬挂臂622上开设有五个圆形结构的悬挂孔6221，上下部的圆圈621之间套设有海水管63，海水管63上均匀开设有六个直径为2cm的圆形结构的海水通孔631，下部的悬挂框架62上设置有底板64，底板64的边沿围护有腐蚀物隔板65，海水管63与腐蚀物隔板65之间由四块空间隔板66等分成四个弧形结构测试空间。

本实施例涉及的电化学测试单元2具有多组独立控制测试回路，回路包含控制模块、电源模块、数据测量采集模块和测量软件模块，其中，控制模块对输出电流和时间参数进行设定，电源模块采用输入控制电源模块，电流输出值为2-100mA，数据测量采集模块采用高精度万用表元器件测量电流输出值和电位反馈数据，测量软件模块储存实时数据，通过数据显示处理单元1自动处理信息并绘制图表，实时实现数据可视化，电化学测试单元2支持多组测试单元同步测试，每组回路均对测试参数进行独立控制并完成数据采集处理；高压试验舱4利用模拟深海环境系统中的高压循环水泵控制海水循环流通并调节压力，利用冷却控制系统调节海水温度，高压试验舱4的底部设置有绝缘垫层，避免直接与测试台架6接触；水密接头5的耐压能力为70Mpa；测试台架6的尺寸为Φ350×400mm，高度通过悬挂臂622与六个不同位置的连接孔611的连接调节，测试空间的容积为7L；阴极筒7为耐蚀材料，包括碳素钢、不锈钢、镍基合金和钛合金，内外均为工作面，总面积为840cm²；参比电极9为全固态Ag/AgCl耐压海水电极；支撑架61和悬挂框架62均为耐蚀绝缘材料，包括316不锈钢扁钢型材，型材表面喷涂防腐自喷漆进行绝缘处理，漆膜厚度大于0.1mm；海水管63、底板64、腐蚀物隔板65和空间隔板66均为韧性良好的非金属材料，包括聚氯乙烯和塑料，其中，海水管63为两端开孔的管体结构。

本实施例涉及的牺牲阳极材料电化学性能测试方法的具体工艺过程包括加工、组装和试验共三个步骤：

(1)加工：参照GB/T 17848-1999的要求将牺牲阳极材料加工成尺寸为Φ16×48mm的测试试样8，在测试试样8的顶部加工M3×0.5的螺纹孔焊接或绕制铜制导线，导线末端弯折制作成插头结构，以便与水密接头5连接，采用强绝缘性胶带密封处理除插头结构外测试试样8的两端非工作面和导线连接部分，使测试试样8的工作面面积为14cm²，采用焊接或绕制铜制导线的密封连接方式对阴极筒7和参比电极9的顶部进行处理，使用可拉伸防水胶带对导线连接处进行缠绕密封，外部封涂耐压环氧树脂，防止海水渗透；

(2)组装：通过悬挂孔6221将阴极筒7、测试试样8和参比电极9挂置于悬挂框架62上并固定，使阴极筒7位于测试空间的中心，使测试试样8和参比电极9位于阴极筒7的内部，将测试台架6置于高压试验舱4的内部，将测试单元与水密接头5的一端密封连接，并依次进行编号标记，水密接头5的另一端与高压试验舱4外部的电缆3连接，电缆3与电化学测试单元2的各回路电极体系接口连接，电化学测试单元2与数据显示处理单元1连接；

(3)试验：在高压试验舱4内注满模拟深海环境的海水，调节包括温度和压力等环境参数，电化学测试单元2执行预编程序进行牺牲阳极电化学性能测试，数据显示处理单元1显示实时数据；测试结束后，释放高压试验舱4内的压力，取出测试台架6，拆解测试试样8，根据测试试样8的消耗量计算包括电流效率的参数结果，并进行数据分析。

实施例2：

本实施例涉及的牺牲阳极材料电化学性能测试方法模拟3000m深海环境对Al-Zn-In-Mg-Ti-Ga-Mn牺牲阳极材料开展电化学性能测试加速试验的具体过程是：

将Al-Zn-In-Mg-Ti-Ga-Mn牺牲阳极材料加工成尺寸为Φ16×48mm的圆棒状测试试样8，在测试试样8的顶部加工M3×0.5的螺纹孔，另外制作三个试验用平行测试试样8；

对测试试样8进行清洗、干燥和称重，并在其顶部绕制铜制导线，将导线末端弯折成插头结构，使用可拉伸防水胶带对非工作面进行缠绕密封，使工作面的面积为14cm²，封涂耐压环氧树脂，防止海水渗透；

将测试试样8与阴极筒7和参比电极9组成的三电极回路体系测试单元，置于悬挂臂622上，测试试样8悬吊于阴极筒7的中心部位，将测试台架6置于高压试验舱4内，将测试单元与高压试验舱4内的水密接头5连接并依次进行密封处理，对每组测试单元的顺序进行记录，将水密接头5的导线依次编号标记并与高压试验舱4外部的电缆3连接，电缆3与电化学测试单元2连接，电化学测试单元2与数据显示处理单元1连接；

采用青岛海域天然海水调配试验用海水，通过充氮控制方式将溶解氧浓度调节为3.0ppm，通过添加稀盐酸或氢氧化钠水溶液将pH值调节为7.1，通过添加蒸馏水或饱和氯化钾水溶液将盐度调节为34.6‰，将海水注满高压试验舱4，通过模拟深海环境系统将压力和温度分别调节为30.0Mpa和3.0℃模拟3000m深海环境；

待溶解氧浓度数值稳定后，启动电化学测试单元2执行预编程序进行试验，预编程序通过独立控制回路与可编程电源模块进行电流输出值和试验时间的控制，对每个测试试样8表面施加恒定电流进行极化，电位反馈数据通过数据显示处理单元1同步完成记录显示，其中，试验时间0-3h为开路电位测试阶段，4-99h为加速试验测试阶段，试验预编程序设定参数情况如下表所示：

试验时间	0-3	4-26	27-50	51-75	76-99
						输出电流值/mA	0	21	5.6	56	21

通过观察数据显示处理单元1反馈的电位数据图判断试验情况，试验结束后，打开高压试验舱4，取出测试试样8，清洗、称重，根据称重数据和电位记录数据得出：Al-Zn-In-Mg-Ti-Ga-Mn牺牲阳极在模拟深海环境下开路电位为-1.158～-1.205V，工作电位为-1.083～-1.117V，实际电容量为2419.20A·h/kg，电流效率为81.11％。

实施例3：

本实施例涉及的牺牲阳极材料电化学性能测试方法模拟南海海域深海环境，模拟的设定环境参数以实海环境参数条件为依据，利用模拟深海环境试验装置对环境参数进行调节和控制；现有研究表明：对牺牲阳极材料在海水环境中的活化溶解存在明显影响的环境参数主要包括压力、温度、溶解氧含量、pH值和电导率等，其他环境因素如海水成分、微生物等根据实际模拟内容的需要酌情考虑。

结合深海水下结构的服役环境，模拟南海海域深度分别为500m、1000m、2000m和3000m的环境，通过模拟深海环境系统控制实验环境参数，模拟不同深度牺牲阳极工作环境，实验环境参数如下表所示：

水深/m	压力/Mpa	温度/℃	溶解氧浓度/ppm	pH值	盐度/‰
						500	5	8	2.5～3	6.5～7.0	34.4
1000	10	5	2～3	6.8～7.0	34.5
						2000	20	3	2.5～3.5	6.7～7.1	34.6
3000	30	3	3～4	6.8～7.1	34.6

通过评价测试收集牺牲阳极材料的开路电位、工作电位、实际电容量、电流效率和溶解形貌等性能参数数据，建立深海环境条件对牺牲阳极服役性能参数的影响机制。

Claims (8)

1.一种牺牲阳极材料电化学性能测试装置，其特征在于，主体结构包括数据显示处理单元、电化学测试单元、高压试验舱、测试架单元和测试单元；数据显示处理单元与电化学测试单元连接，电化学测试单元与高压试验舱连接，高压试验舱的内部设置有测试架单元，测试架单元上设置有测试单元；测试架单元为由若干个测试台架组成的层叠式结构；测试架台架的主体结构包括支撑架、悬挂框架、海水管、底板、腐蚀物隔板和空间隔板；若干个支撑架将两个互相平行的悬挂框架连接成框架式结构，悬挂框架由圆圈及其上设置的若干个悬挂臂组成，上下部的圆圈之间套设有海水管，下部的悬挂框架上设置有底板，底板的边沿围护有腐蚀物隔板，海水管与腐蚀物隔板之间由若干块空间隔板分隔成若干个测试空间。

2.根据权利要求1所述的牺牲阳极材料电化学性能测试装置，其特征在于，电化学测试单元通过电缆与高压试验舱的顶部嵌置的水密接头连接。

3.根据权利要求1或2所述的牺牲阳极材料电化学性能测试装置，其特征在于，测试单元由阴极筒、测试试样和参比电极组成，且测试单元与水密接头连接。

4.根据权利要求3所述的一种牺牲阳极材料电化学性能测试装置，其特征在于，支撑架与悬挂臂的数量相同。

5.根据权利要求3所述的牺牲阳极材料电化学性能测试装置，其特征在于，海水管上开设有若干个海水通孔。

6.一种牺牲阳极材料电化学性能测试方法，其特征在于，具体工艺过程包括加工、组装和试验共三个步骤：

(1)加工：将牺牲阳极材料加工成设定尺寸的测试试样8，在测试试样8的制作插头，并进行密封处理；

(2)组装：将测试单元挂置于悬挂框架上并固定，测试试样和参比电极位于阴极筒的内部，将测试台架置于高压试验舱的内部，将水密接头的一端与测试单元密封连接，另一端与电缆连接，电缆与电化学测试单元连接，电化学测试单元与数据显示处理单元连接；

(3)试验：在高压试验舱内注满模拟深海环境的海水，调节环境参数，电化学测试单元执行预编程序进行牺牲阳极电化学性能测试，数据显示处理单元显示实时数据。

7.根据权利要求6所述的牺牲阳极材料电化学性能测试方法，其特征在于，阴极筒位于测试空间的中心。

8.根据权利要求6所述的牺牲阳极材料电化学性能测试方法，其特征在于，测试后，取出测试台架，拆解测试试样，根据测试试样的消耗量计算包括电流效率的参数结果，并进行数据分析。

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