CN115629036A - 一种金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估方法 - Google Patents

一种金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估方法 Download PDF

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樊志彬
李辛庚
王晓明
张振岳
闫风洁
刘鑫
宗立君
李文静
吴亚平
王倩
张李鹏
田辉
于天洋
张震
王蝶
米春旭
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Abstract

本发明提供了一种金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估方法，准备多块金属板铺设于土壤中，依次通过导线与检测装置连接，增加一个金属板进行一轮测量，直至得到的电荷转移电阻的平均值和偏差在设定范围内。本发明采用化整为零的策略，避免了测量过程中对作为工作电极的大尺寸金属构件的移动，克服了由于电极移动引起的土壤介质性质改变而带来的检测误差，提高了金属土壤腐蚀原位传感器监测面积评估的准确性。

Description

一种金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估方法
技术领域
本发明涉及腐蚀传感器领域，特别涉及一种金属土壤腐蚀原位检测传感器检测面积评估方法。
背景技术
随着我国经济发展和城市化进程的加快，埋地金属材质的工程构件呈现出急速增长的趋势，例如电力设施接地网、油气管道、以及城市各种地下管网。长期埋敷于地下的设施，不可避免的遭受土壤腐蚀的影响。地下设施防腐层破损或者老化变质，本体将直接受到土壤介质的侵蚀作用，从而导致腐蚀减薄、穿孔乃至腐蚀事故的发生。金属的土壤腐蚀存在自发性、隐蔽性等特点，投运后运维难度大，且一旦发生事故，往往造成的损失巨大。及早发现、诊断并给予有效的防治措施是金属构件腐蚀防护的重要组成部分，腐蚀监测技术可以为选材的合理性、防护措施的有效性及环境条件情况提供评估依据。通过监测金属构件的腐蚀速率，掌握生产设施、构筑物的腐蚀状态、腐蚀发展速度和规律，有针对性地及时采取腐蚀防护措施，可延长构件寿命，维持正常运行时间，保证构件的服役安全性。
服役于土壤中金属构件的腐蚀发展，除受土壤腐蚀性的影响外，服役条件也是重要影响因素。为了准确掌握金属构件在土壤中的腐蚀发展，以金属构件为检测对象的原位检测手段应运而生。近年来，随着智能传感技术的快速发展，多种金属构件土壤腐蚀原位检测系统已被公开。因电化学腐蚀是金属土壤腐蚀的主要形式，所以金属土壤腐蚀原位检测传感器多基于电化学原理开发。金属土壤腐蚀原位检测电化学传感器通常以待测金属构件为工作电极，包括辅助电极和参比电极。由于金属构件的面积远大于辅助电极，通过辅助电极施加在导体上的电信号并不会局限在被测金属段内，使得被极化的金属面积存在不确定性，导致在腐蚀电流密度计算中引入较大误差。因此，确定金属土壤腐蚀原位传感器的检测面积对于准确检测金属土壤腐蚀速率具有重要意义。
经检索，文献《基于电化学的接地网腐蚀检测方法研究》公开了一种基于有效测试面积概念的金属构件土壤腐蚀原位检测传感器检测面积确定方法，即将测试金属的极化电阻率与传感器所测金属电极极化电阻的比值定义为传感器的有效测试面积，其中金属的极化电阻率由材料和介质决定，而对于大尺寸研究对象，默认所处介质是均一的。但在实际条件下，土壤介质并不是处处均一的，土壤的含水量、含盐量、紧实程度均会影响有效测试面积的测量，因此基于有效测试面积的传感器检测面积确定方法在金属土壤腐蚀检测中存在较大误差。文献《恒电流充电曲线技术测量碳钢接地网腐蚀速率》公开了一种提升法确定金属构件土壤腐蚀原位检测传感器检测面积的方法，即将埋入土壤内的试样不断向外拉出，以减小试样埋入土壤中的面积，在每一个试样埋入面积下，进行电化学测量，并解析出对应面积的极化电阻值，当极化电阻值出现突变时，此时的面积为传感器的有效测试面积。但是在向外拉动的过程中，会影响土壤的紧实程度，造成介质导电性能改变，在有效测试面积的计算中引入误差。
发明内容
本发明目的是提供一种金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估方法，能够解决上述由于电极移动引起的土壤介质性质改变导致检测存在误差的问题。
本发明通过以下技术方案实现：
一种金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估方法，包括步骤：
S1.准备1块编号为M0面积为S0的金属板和n块编号依次为M1～Mn的金属板，S0为金属土壤腐蚀原位传感器理论检测面积；
S2.将低阻金属导线与金属板接触，使二者存在电连接；
S3.使用耐蚀材料将导线与金属板的接触点密封，避免金属导线的金属暴露段、异种金属搭接处与介质接触；
S4.测量密封后金属板剩余暴露的面积，分别记为S'0、S1'…S'n；
S5.将传感器安装于金属板M0上并铺设于土壤中，将M1～Mn按照距离M0由近至远的顺序依次铺设于土壤中，使土壤完全覆盖金属板；
S6.将连接金属板M0的金属导线另一端和传感器的引出线，分别连接至检测装置相应接口；
S7.导通金属板M0与检测装置，连续测量3次，求得3次交流阻抗谱等效电路拟合得到的电荷转移电阻平均值和偏差；
S8.在保持金属板M0与检测仪接通的基础上，增加一个金属板与M0共同作为工作电极连接至检测仪，重复S7的测量步骤，直至xi-1-di-1≤xi≤xi-1+di-1，其中xi、di为最后增加第Mi块金属板时的电荷转移电阻平均值和偏差，i＞1，若不满足则继续增加一块金属板并再次测量；
S9.定义最终增加的一块金属板编号为Mt，则金属板面积之和S＝S'0+S1'+…+St'-1就是原位传感器检测面积。
优选的，步骤S2接触的方法具体为：金属板边缘开孔，将导线一端穿过开孔并缠绕，使金属导线的金属段与金属板接触。
优选的，导线外有刚性外壳。
进一步的，刚性外壳一端带有凹槽，凹槽宽度大于金属板厚度，深度大于金属板开孔直径和开孔外边缘与金属板边缘距离之和，使得将金属板放入所述刚性外壳凹槽后，刚性外壳可以完全遮蔽金属板开孔。
优选的，开孔的边缘与金属板边缘距离介于5-10mm，开孔直径不超过5mm。
优选的，金属板M0～Mn之间留有间隙，间隙不超过10mm，土壤上表面距离传感器顶端距离大于3cm。
优选的，金属板M0～Mn的中心点位于同一水平线。
优选的，耐蚀材料为环氧树脂或聚氯乙烯，固化后具有固定的体积。
优选的，接线器进线孔数量不小于n+1，出线孔数不小于1，接线器上设置有与进线孔数相等的控制开关，可以分别控制进线与引出线的连接导通。
优选的，测量方式采用电化学测量的交流阻抗法，测量频率为100kHz～0.1Hz，激励幅值为10mV。
本发明的优点在于：利用多块金属板化整为零，既保证了大尺寸金属构件测试的精确性，又能避免现有技术测量过程中对作为工作电极的大尺寸金属构件的移动，克服了由于电极移动引起的土壤介质性质改变而带来的检测误差，最大程度上保证了测量过程中体系的稳定性，普遍适用于各种电化学传感器和土壤介质，大大提高了金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估的准确性。
附图说明
图1为本发明实施例1金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估方法流程图；
图2为本发明实施例1金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估系统连接示意图；
图3为本发明实施例1缠绕有铜导线的一角开孔的锌板示意图；
图4为本发明实施例1锌板和刚性外壳组装后的示意图；
其中，1-圆孔，2-锌板，3-铜线，4-环氧树脂，5-传感器，6-接线器，7-引出线，8-辅助电极，9-参比电极，10-工作电极接口，11-辅助电极接口，12-参比电极接口，13-导线开关，14-刚性外壳，20-第一锌板，21-第二锌板，22-第三锌板，23-第四锌板，24-第五锌板，131第一导线开关，132-第二导线开关，133-第三导线开关，134-第四导线开关，135-第五导线开关，136-第六导线开关，137-第七导线开关。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
本实施例公开了一种金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估方法，具体流程请参照图1，各装置的连接关系请参照图2。
步骤1：准备一角开有圆孔1的锌板2，锌板2包括编号为M0面积为8×8cm的锌板20和5块分别编号M1～M5的15×20cm的锌板21～25，表面均经过打磨去掉腐蚀产物。
步骤2：请参照图3，准备6条长为50cm的带有绝缘套的铜线3，将铜线3的金属段一端穿过开孔1并缠绕，使铜线3金属段与锌板2充分接触。使用固化后具有固定体积的环氧树脂或聚氯乙烯类粘性材料密封接触点，本实施例优选采用环氧树脂4，将铜线3与锌板2接触点密封，避免铜导线3的金属暴露段、导线与锌板2搭接处与介质接触，导线外套有材质为聚氯乙烯的刚性外壳14，刚性外壳一端带有凹槽，凹槽宽度大于锌板厚度，深度大于锌板开孔1直径和开孔外边缘与金属板边缘距离之和，使得将锌板放入所述刚性外壳凹槽后，刚性外壳14可以完全遮蔽金属板开孔1。
步骤3：将其他5块锌板21～25利用同样的方法各自缠绕铜线3并密封，测量封孔后每块锌板2剩余的暴露面积，得到锌板20(编号M0)的面积为62.5cm2，锌板21-25(编号M1～M5)的面积分别为298.0cm2、298.3cm2、298.8cm2、298.5cm2、299.1cm2。
步骤4：将检测区域为8×8cm理论检测面积为64cm2的传感器5安装于锌板20上并铺设于土壤中，将M1～M5按照距离M0由近至远的顺序依次铺设于土壤中，各金属板之间留有间隙，间隙距离为5mm。用土壤完全覆盖金属板，土壤上表面距离传感器顶端距离为3cm，且M0～Mn的中心点位于同一水平线。
步骤5：将连接金属板M0～M5的铜导线的另一端分别接入接线器6的各接入口内，将接线器的引出线7和传感器辅助电极8、参比电极9的引出线分别连接至检测装置的工作电极接口10、辅助电极接口11和参比电极接口12。
步骤6：打开接线器上接入M0导线的开关131(编号g0)，使M0导线与引出线7接通。采用交流阻抗法，测量频率为100kHz～0.1Hz，激励幅值为10mV，测量交流阻抗谱，拟合得到等效电路，分析得到电荷转移电阻。连续测量3次，求得电荷转移电阻的平均值x1为4409Ω·cm2，偏差d1为353Ω·cm2。
步骤7：在保持第一导线开关131开启的基础上，打开接线器上接入M1的第二导线开关132(编号g1)，使M0导线和M1导线同时与引出线7接通，即M0和M1共同作为传感器的工作电极，重复步骤6的测量方法，得到电荷转移电阻的平均值x2为3863Ω·cm2，偏差d2为377Ω·cm2。
步骤9：比较x2与x1±d1，因3863＜(4409-353)，故继续打开接线器上接入M2的第三导线开关133(编号g2)，与目前已经与检测仪连接的金属板M0和M1共同组成工作电极，即M2和M0、M1共同作为传感器的工作电极，重复步骤6的测量方法，得到电荷转移电阻的平均值x3为3002Ω·cm2，偏差d3为410Ω·cm2。
步骤10：比较x3与x2±d2，因3002＜(3863-377)，故打开接线器上接入M3导线的开关134(编号g3)，与目前已经与检测仪连接的金属板M2和M0、M1共同组成工作电极，即M3和M0、M1、M2共同作为传感器的工作电极，重复步骤6的测量方法，得到电荷转移电阻的平均值x4为2718Ω·cm2，偏差d4为397Ω·cm2。
步骤11：比较x4与x3±d3，(3002-410)≤2718≤(3002+410)，即增大工作电极面积不影响结果，故判断金属土壤腐蚀原位传感器检测面积为658.8cm2。
测量结果如表1所示。
表1不同工作电极组成时的电化学阻抗谱拟合结果
Figure BDA0003944028290000071
Figure BDA0003944028290000081
实施例2
其他步骤在实施例1的基础上，为了使铜线3金属段与锌板2充分接触，还可以采用其他连接方式，例如在锌板上设置蘑菇型金属挂钩，将铜线充分缠绕在挂钩上；或将导线一端设置为夹扣从而夹在金属板上等其他固定方式。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估方法，其特征在于，包括步骤：
S1.准备1块编号为M0面积为S0的金属板和n块编号依次为M1～Mn的金属板，S0为金属土壤腐蚀原位传感器理论检测面积；
S2.将低阻金属导线与金属板接触，使二者存在电连接；
S3.使用耐蚀材料将导线与金属板的接触点密封，避免金属导线的金属暴露段、异种金属搭接处与介质接触；
S4.测量密封后金属板剩余暴露的面积，分别记为S'0、S’1…S'n；
S5.将传感器安装于金属板M0上并铺设于土壤中，将M1～Mn按照距离M0由近至远的顺序依次铺设于土壤中，使土壤完全覆盖金属板和传感器；
S6.将连接金属板M0的金属导线另一端和传感器的引出线，分别连接至检测装置相应接口；
S7.导通金属板M0与检测装置，连续测量3次，求得3次交流阻抗谱等效电路拟合得到的电荷转移电阻平均值x1和偏差d1；
S8.在保持金属板M0与检测仪接通的基础上，增加一个金属板与M0共同作为工作电极连接至检测仪，重复S7的测量步骤，直至xi-1-di-1≤xi≤xi-1+di-1，其中xi、di为最后增加第Mi块金属板时的电荷转移电阻平均值和偏差，i＞1，若不满足则继续增加一块金属板并再次测量；
S9.定义最终增加的一块金属板编号为Mt，则金属板面积之和S＝S'0+S’1+…+S’t-1就是原位传感器检测面积。
2.根据权利要求1所述的金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估方法，其特征在于，步骤S2所述接触的方法具体为：金属板边缘开孔，将导线一端穿过开孔并缠绕，使金属导线的金属段与金属板接触。
3.根据权利要求2所述的金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估方法，其特征在于，所述导线外有刚性外壳。
4.根据权利要求3所述的金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估方法，其特征在于，所述刚性外壳一端带有凹槽，所述凹槽宽度大于金属板厚度，深度大于金属板开孔直径和开孔外边缘与金属板边缘距离之和，使得将金属板放入所述刚性外壳凹槽后，刚性外壳可以完全遮蔽金属板开孔。
5.根据权利要求2所述的金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估方法，其特征在于，所述开孔的边缘与金属板边缘距离介于5-10mm，开孔直径不超过5mm。
6.根据权利要求1所述的金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估方法，其特征在于，所述金属板M0～Mn之间留有间隙，间隙不超过10mm，土壤上表面距离传感器顶端距离大于3cm。
7.根据权利要求1所述的金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估方法，其特征在于，所述金属板M0～Mn的中心点位于同一水平线。
8.根据权利要求1所述的金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估方法，其特征在于，所述耐蚀材料为环氧树脂或聚氯乙烯，固化后具有固定的体积。
9.根据权利要求1所述的金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估方法，其特征在于，所述接线器进线孔数量不小于n+1，出线孔数不小于1，接线器上设置有与进线孔数相等的控制开关，可以分别控制进线与引出线的连接导通。
10.根据权利要求1所述的金属土壤腐蚀原位传感器检测面积评估方法，其特征在于，所述测量方式采用电化学测量的交流阻抗法，测量频率为100kHz～0.1Hz，激励幅值为10mV。
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