CN115613039A - 一种动水工况下牺牲阳极电化学性能测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于腐蚀阴极保护技术领域，具体涉及一种动水工况下牺牲阳极电化学性能测试装置，主体结构包括测试样品组件以及与测试样品组件连接的测试系统组件，能够准确控制海水流速、精确测试和采集测试样品的电位和电流，实现牺牲阳极在不同流速下阳极溶解形貌、电位、电容量、电流效率、消耗率性能的测试，测试样品组件可以为多组，测试样品组件之间通过法兰连接，第一组测试样品组件的阴极筒与第二组测试样品组件的测试样品连接，以此方式串联，最后一组测试样品组件的阴极筒通过流量计与恒流源的负极连接；其结构简单，原理科学可靠，能够为研制适合流动海水条件的高性能牺牲阳极提供研制方向和评价依据。
Description
技术领域：
本发明属于腐蚀阴极保护技术领域，涉及一种动水工况下牺牲阳极电化学性能测试装置，能够在流动海水环境下对牺牲阳极材料的电化学性能进行测试和评价。
背景技术：
腐蚀是金属与周围环境发生化学或电化学反应而导致的一种破坏性侵蚀，腐蚀给金属材料造成的直接和间接损失很大，阴极保护是重要的金属腐蚀防护措施之一，其中，不需要任何外部电源，成本低且施工安装简单的牺牲阳极法应用最广泛。
牺牲阳极在海洋船舶、工程、管路保护方面的应用效果非常显著。不同的海洋环境对应不同牺牲阳极，包括深海牺牲阳极、低温海水牺牲阳极、低电位牺牲阳极等。牺牲阳极阴极保护效果与牺牲阳极电化学性能有着直接的关系，良好的保护效果需要牺牲阳极材料具有足够负且稳定的开路电位和闭路电位，理论电容量大，电流效率高，阳极消耗低，表面溶解均匀、不产生局部腐蚀,腐蚀产物松软易脱落等。
GB/T 17848-1999规定的牺牲阳极电化学性能实验方法有以下两种：一是常规实验法(10天法)，即在规定的实验周期内，对阳极试样通以恒定电流，每天测量阳极试样的工作电位，实验结束后，计算阳极试样的实际电容量和电流效率，并观测阳极试样的溶解情况；二是加速实验法(4天法)，即在规定的实验周期内，按规定的顺序改变阳极试样的电流密度，每天测量阳极试样的工作电位，试样结束后，通过重量变化计算阳极试样的实际电容量和电流效率，并观测阳极试样的溶解情况。其仅能进行短周期并且在静止介质中的性能测试。国外的DNV-RP-B401-2021、BS EN 12496-2013、IS0 15589-2-2012和ASTM-G97-2002规定的测试方法与国内的GB/T 17848-1999相比，增加了室内加速方法和长周期电化学性能测试方法，长周期电化学性能测试时间不小于12个月，由于试验周期比较长，要求溶液介质流动，但流动不是为了研究牺牲阳极在流动海水环境下的性能，而是为了保证腐蚀产物及时脱落。
中国专利201811277952.2公开的一种管路冲刷腐蚀及电化学测试装置，包括：冲刷试验台架、水泵、水箱、水质监测装置、水温测控装置、流量计、管路腐蚀与电化学测试装置、入水法兰、回水法兰和外部控制系统，水箱通过水泵将腐蚀介质送入管道中，管路腐蚀与电化学测试装置通过出水法兰和回水法兰连接到管道上，腐蚀介质，通过管路回水口回到水箱中，水温测控装置安装在水箱上，水质监测装置安装在水箱中，流量计、管道腐蚀与电化学测试装置安装在管路上，外部控制系统用于监控水质监测装置、水温测控装置、流量计；管路腐蚀与电化学测试系统包括夹持法兰、作为工作电极的管路试样、固态参比电极、轴向辅助电极、钛法兰及其管段、绝缘管段、链接螺杆与螺母；夹持法兰的数量为两个，通过两个夹持法兰夹住待测试的管路试样，管路试样与夹持法兰之间设有密封圈，固态参比电极安装于夹持法兰上，轴向辅助电极位于管路试样中心轴线，一端与钛合金法兰连接，另一端与绝缘管段相连，夹持法兰和钛合金法兰通过螺杆串接并由内外螺母固定，法兰连接之间安装橡胶圈密封，防止漏水；试样为一段管路，可由实际管路裁下，其固定方式是由两侧的夹持法兰夹持，管路试样与夹持法兰之间设有密封圈；固态参比电极安装于一侧的夹持法兰上，参比电极工作面与管路试样内壁平行，以保证参比电极不影响水的流态；轴向辅助电极采用圆柱形钛合金，位于管路试样中心轴线，降低水流紊乱程度，提高水流的稳定性；轴向辅助电极的迎水端为圆锥形，插入外接绝缘管段中心圆环，兼有支撑和调节位置的作用；出水端外侧设置螺纹固定于钛合金法兰中心，兼有固定和支撑的作用；入水口处辅助电极的阳极采用圆锥细长设计，流道界面逐渐减小，引导水流流速逐渐增大，辅助电极的长度大于工作电极长度40倍以上，保证辅助电极的面积大于工作电极面积4倍以上；其能够测试金属材料在冲刷下的动电位极化曲线、极化电阻、阻抗谱等，但不能研究牺牲阳极在流动海水环境下的性能(电位、实际电容量、电流效率、腐蚀形貌)。中国专利201310603927.X公开的牺牲阳极长期低温电化学性能测试装置和中国专利201310309522.5公开的一种动水工况下牺牲阳极电化学性能测试装置均是依据标准设计的电化学性能测试装置，都不能研究牺牲阳极在不同流速海水环境下的性能(电位、实际电容量、电流效率、腐蚀形貌)。中国专利202210372529.0发开的一种牺牲阳极材料电化学性能测试装置及方法以及中国专利202011644610.7公开的一种动水工况下牺牲阳极电化学性能测试装置能够在特殊环境(深海环境中、核电厂金属结构)中进行牺牲阳极电化学性能测试，但不能在不同流速海水环境下进行牺牲阳极电化学性能测试。
综上所述，现有技术中的牺牲阳极性能测试和评价都是在静态环境下进行的，不符合流动海水环境下的牺牲阳极实际工况，流动海水环境下，金属材料的腐蚀速率加快，所需的保护电流增大，腐蚀电位也发生了变化。流动海水下牺牲阳极的使用寿命，以及阳极表面是否均匀溶解，对于阳极在实际工程的应用至关重要，目前尚无针对牺牲阳极在流动海水环境下性能研究的装置和方法，因此，迫切需要开展流动海水环境下牺牲阳极的性能研究，为动水条件下牺牲阳极的研制和应用提供更加符合实际工况的评价基础。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种动水工况下牺牲阳极电化学性能测试装置，为研制适合流动海水条件的高性能牺牲阳极提供研制方向和评价依据。
为了实现上述目的，本发明涉及的动水工况下牺牲阳极电化学性能测试装置的主体结构包括测试样品组件以及与测试样品组件连接的测试系统组件，测试样品组件包括管路、阴极筒、法兰、测试样品和参比电极，测试系统组件包括电化学性能测试系统、恒流源、变频泵和流量计；管路的内部套设有阴极筒，管路与阴极筒的两端均设置有法兰，法兰之间设置有测试样品，上游端的法兰上设置有参比电极，参比电极与电化学性能测试系统电连接，电化学性能测试系统内设置有恒流源，恒流源的正极通过变频泵与测试样品连接，负极通过流量计与阴极筒连接。
本发明涉及的测试样品组件可以为多组，测试样品组件之间通过法兰连接，第一组测试样品组件的阴极筒与第二组测试样品组件的测试样品连接，以此方式串联，最后一组测试样品组件的阴极筒通过流量计与恒流源的负极连接。
本发明涉及的管路中的海水流速为0-3m/s，通过变频泵和流量计控制和显示；阴极筒的材质包括碳钢、不锈钢；测试样品为牺牲阳极样品，位于阴极筒的中心；参比电极包括银/氯化银、锌/高纯锌参比电极；电化学性能测试系统能够对阴极筒和测试样品的电流、电量以及电位和电流进行切换、累计和采集；恒流源对阴极筒和测试样品的电流进行控制。
本发明与现有技术相比，建立了一种流动海水下动水工况下牺牲阳极电化学性能测试装置，能够准确控制海水流速、精确测试和采集测试样品的电位和电流，实现牺牲阳极在不同流速下阳极溶解形貌、电位、电容量、电流效率、消耗率性能的测试；其结构简单，原理科学可靠，能够为研制适合流动海水条件的高性能牺牲阳极提供研制方向和评价依据。
附图说明：
图1为本发明的主体结构原理示意图。
图2为本发明实施例1的主体结构原理示意图。
图3为本发明实施例2涉及的测试样品腐蚀前的形貌图。
图4为本发明实施例2涉及的测试样品腐蚀后的形貌图。
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：
本实施例涉及的动水工况下牺牲阳极电化学性能测试装置的主体结构包括测试样品组件和与测试样品组件连接的三组测试系统组件，测试样品组件包括管路1、阴极筒2、法兰3、测试样品4、螺杆5和参比电极6，测试系统组件包括电化学性能测试系统7、恒流源8、变频泵9和流量计10；三组测试系统组件通过法兰3连接，管路1的内部套设有阴极筒2，管路1与阴极筒2的两端均设置有法兰3，法兰3之间设置有测试样品4，测试样品4通过螺杆5与法兰3连接，上游端的法兰3上设置有参比电极6，参比电极6与电化学性能测试系统7电连接，电化学性能测试系统7内设置有恒流源8，恒流源8的正极通过变频泵9与第一组测试样品组件的测试样品4连接，第一组测试样品组件的阴极筒2与第二组测试样品组件的测试样品4连接，第二组测试样品组件的阴极筒2与第三组测试样品组件的测试样品4连接，第三组测试样品组件的阴极筒2通过流量计10与恒流源8的负极连接。
本实施例涉及的螺杆5为耐海水腐蚀的螺杆。
实施例2：
本实施例涉及的动水工况下牺牲阳极电化学性能测试装置能够评价不同牺牲阳极测试样品4在不同流速下的电化学性能，测试时，
将铝合金材质的牺牲阳极切成3个10cm*50cm的圆柱形作为测试样品4，在测试样品4的两个端面开设M3丝孔，将材质为钛的螺杆5的一端拧入丝孔中并用高压橡胶封堵，将螺杆5的另一端与法兰3固定连接，使测试样品4位于阴极筒2的中心位置，将三个平行样串联连接，将银/氯化银参比电极6的一端固定在法兰3上，另一端与电化学性能测试系统7连接，一个测试样品4对应一个参比电极6，
通过电化学性能测试系统7进行电流的切换、电量的累计、电位及电流的采集，通过恒流源8控制阴极筒2和测试样品4的电流，通过变频泵8和流量计9控制和显示管路1中海水的流速；
设定每天的输出电流，海水的流速(1m/s),经过96小时的测试得出测试样品4的开路及工作电位、电容量、电流效率、消耗率及腐蚀形貌，腐蚀形貌如图4所示。
Claims (8)
1.一种动水工况下牺牲阳极电化学性能测试装置，其特征在于，主体结构包括测试样品组件以及与测试样品组件连接的测试系统组件；测试样品组件包括管路、阴极筒、法兰、测试样品和参比电极：管路的内部套设有阴极筒，管路与阴极筒的两端均设置有法兰，法兰之间设置有测试样品，上游端的法兰上设置有参比电极，测试系统组件包括电化学性能测试系统、恒流源、变频泵和流量计：电化学性能测试系统内设置有恒流源，恒流源的正极通过变频泵与测试样品连接，负极通过流量计与阴极筒连接；参比电极与电化学性能测试系统连接。
2.根据权利要求1所述的一种动水工况下牺牲阳极电化学性能测试装置，其特征在于，管路中的海水流速为0-3m/s，通过变频泵和流量计控制和显示。
3.根据权利要求1所述的一种动水工况下牺牲阳极电化学性能测试装置，其特征在于，阴极筒的材质包括碳钢、不锈钢。
4.根据权利要求1所述的一种动水工况下牺牲阳极电化学性能测试装置，其特征在于，测试样品为牺牲阳极样品，位于阴极筒的中心。
5.根据权利要求1所述的一种动水工况下牺牲阳极电化学性能测试装置，其特征在于，参比电极包括银/氯化银、锌/高纯锌参比电极。
6.根据权利要求1所述的一种动水工况下牺牲阳极电化学性能测试装置，其特征在于，电化学性能测试系统能够对阴极筒和测试样品的电流、电量以及电位和电流进行切换、累计和采集。
7.根据权利要求1所述的一种动水工况下牺牲阳极电化学性能测试装置，其特征在于，恒流源对阴极筒和测试样品的电流进行控制。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种动水工况下牺牲阳极电化学性能测试装置，其特征在于，测试样品组件为多组，测试样品组件之间通过法兰连接，第一组测试样品组件的阴极筒与第二组测试样品组件的测试样品连接，以此方式串联，最后一组测试样品组件的阴极筒通过流量计与恒流源的负极连接。
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