CN117705694A

CN117705694A - 基于阴极保护电流的防腐涂层脱落程度在线监测判定方法

Info

Publication number: CN117705694A
Application number: CN202311756776.1A
Authority: CN
Inventors: 王孝良; 朱雨浩; 王东奇
Original assignee: Dalian University of Technology
Current assignee: Dalian University of Technology
Priority date: 2023-12-19
Filing date: 2023-12-19
Publication date: 2024-03-15

Abstract

本发明属于电化学防腐领域，具体涉及一种基于阴极保护电流的防腐涂层脱落程度在线监测判定方法。本方法可以非常便捷的评估海底管道或者海上风电杆柱的防腐涂层的脱落情况，不需要额外的再管道上面施加外加交流电源，而且应用于不同的海水或者泥土中都可以达到相对较高的准确度，因为所提供大方案可以进行实际采样环境，然后在实验环境下进行参数的确定。而且本方案不需要额外增加其他传感器和采集装置，安装方便也便捷，一次安装以后可以实现多次重复使用，即使在更换防腐涂层以后，只需要额外测量初始保护电流大小即可。

Description

基于阴极保护电流的防腐涂层脱落程度在线监测判定方法

技术领域

本发明属于电化学防腐领域，具体涉及的是一种基于阴极保护电流的防腐涂层脱落程度在线监测判断方法。

背景技术

地下管道或者海上风电杆柱长期的埋在土壤或长期浸泡在海水中，容易出现管道和杆柱的老化、腐蚀、脱落等问题，造成非常严重的安全隐患以及不可估量的经济损失，因此对于地下管道或海上风电杆柱进行防腐涂层保护是非常有必要的措施和手段。然而随着时间推移地下管道和海上风电防腐涂层会出现不同程度的脱落，仅仅靠防腐涂层进行管道和海上风电杆柱进行保护是不够的，因此必须使用牺牲阳极和阴极输入电流的方法进行保护。

防腐涂层的存在可以降低阴极保护电流的大小以及牺牲阳极的消耗，但是随着时间的推移，防腐涂层的老化和脱落的出现，使得阳极牺牲加剧和阴极电流的不断增大，最终导致阴极电流达到阈值无法满足对管道和海上风电杆柱的防腐涂层大范围保护要求，导致防腐涂层出现大范围脱落。此时就需要对防腐涂层以及牺牲阳极进行干预和修复。然而目前我国的管道以及海上风电杆柱缺乏对防腐涂层脱落程度的远程判定和监测方法。

因此，设计出了一种基于阴极保护电流的防腐涂层脱落程度的在线监测和判定方法。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种方法，旨在实现一种对阴极输入电流的防腐涂层脱落程度的在线监测和判定方法，以解决上述背景中提出的问题。

为了实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

一种基于阴极输入电流的防腐涂层脱落程度的在线监测和判定方法，该方法针对防腐涂层脱落程度和脱落面积监测问题，利用电化学腐蚀相关的方程式和建模方法优先在实验条件下标定相关环境参数，其中需要利用到电化学中非常重要的Tafel方程式和能斯特方程，以及通过实验拟合电极极化曲线，通过结合电极极化曲线、Tafel方程式和能斯特方程得到会因环境不同而不同的环境参数，确定好参数以后，将相关参数输入后台监测系统中，然后安装相关的电流电位监测传感器，安装好了电位电流传感器以后需要首先测量初始条件下的阴极保护电流，做好标记，并将初始保护电流值记录到监测系统中，然后开始对整个海底管道或海上风电杆柱进行防腐涂层的阴极保护电流和管道点位的测量，并通过传感器将信号传送到4G模块，然后通过4G模块发送到远端云服务器，在云服务器中对数据进行处理并根据传递来的电流和管道电位信号，计算出此时此刻的管道防腐涂层脱落面积大小。具体的步骤和原理如下：

外加阴极输入电流的方式对防腐涂层进行保护的时候，当防腐涂层完好无损的时候，输入电流全部用于金属和电解质溶液电阻消耗；

I₀＝I_阴极＝I_金属R+I_电解质R

当防腐涂层出现破损的时候，输入的阴极电流一部分用于金属和电解质溶液电阻消耗，剩下的用于保护暴露层，防止发生电化学腐蚀。

I_阴极＝I_金属R+I_电解质R+I_{电化学腐蚀}

而本设计方案可以通过测量阴极电流大小I_阴极，以及初始阴极电流大小I₀，然后将其相减得到用于保护防腐涂层破损的金属，防止发生电化学腐蚀的电流大小I_{电化学腐蚀}，根据该电流大小间接得到防腐层脱落面积的大小(同样也是暴露在海水中的金属面积大小)：

I_{电化学腐蚀}＝i_腐蚀*A_裸露

其中i_腐蚀为腐蚀电流密度大小，A_裸露为涂层破损以后，裸露在海水中的管道或者海上风电杆柱的表面积。

步骤一：确定该种海底管道的材料，并分析其腐蚀电流密度大小的获取方法，i_腐蚀的大小由以下方式获取得到：

在电化学腐蚀反应的过程中，发生在金属表面反应的阳极和阴极过程均由电荷转移动力学控制，其动力学控制的电化学反应遵循以下Tafel方程表达式：

其中i表示腐蚀电流密度；i₀表示交换电流密度大小(与电化学反映的性质有关)；β表示Tafel斜率；η表示过电位。其中β和i₀可以在实验条件下通过拟合极化曲线获得Tafel斜率(在电极反应区域极化曲线通常近似为直线，此时Tafel斜率＝极化曲线斜率)然后计算得到交换电流密度。

步骤二：获取截取管道在海水环境下平衡电位的大小，η由下式计算可得：

η＝E_实际电位-E_平衡电位。

其中e_实际电位就是金属表面的实际测量点位，在阴极保护系统中该电位就是设置的保护电位。e_平衡电位可以在实验条件下测量获取：

根据能斯特方程可得：

其中e₀是金属标准电极电位(这里以实验条件下的标准电极电位为准)；R为气体状态常数(8.314J/K·mol)；F为法拉第常数(96500C/mol)；T为绝对温度(单位是K)；n为电极反应中得失电子数，即金属离子的价位；a₀为氧化态物质(金属离子)的密度；a_t为还原态物质(金属)浓度。因为这里的金属是固体，所以其浓度为1。当t＝25℃时候，T、R、F均为常数：

常见的海底管道材料包括碳钢、合金钢和不锈钢等。其中，碳钢是应用最广泛的一种。以碳钢为例，其阳极反应主要是：

Fe→Fe²⁺+2e^-

所以此处的得失电子数n＝2，a₀是管道处于动态平衡条件下，管道周围Fe²⁺浓度大小。这样就可以求得该类受保护的海底管道的平衡电位E。

步骤三：获取截取的海底管道交换电流密度大小和Tafel斜率大小。对于前式提到的i₀(交换电流密度)，他与电化学反映的性质有关系，可以根据Tafel曲线进行计算得到：

根据前面介绍所知钢炭是海底管道的主要材料，其阳极反应主要是：

Fe→Fe²⁺+2e^-

共有2个电子参加，电子转移数目为2；根据普遍化的多电子反应Butler-Volmer公式：

其中：i是腐蚀电流密度，i₀是交换电流密度大小，n是反应中转移电子数目，F为法拉第常数，R为通用气体常数，T为热力学温度，a为阳极电子转移系数，η为过电位，β为阴极电子转移系数：a和β取值由下面规则决定：

①在电化学反应中，转移电子数目为1：a(β)＝0.5；

②在电化学反应中，转移电子数目为2：a(β)＝0.5或者a(β)＝0.25

③在电化学反应中，转移电子数目为3：

当过电位较大的时候阴极达到极化时候，

变形两边取lg得到：

这里我们记化简得到：

这样就可以通过一次拟合极化曲线，获得Tafel斜率β和交换电流大小i₀。

在实验条件下得到了Tafel方程表达式中的参数i₀交换电流大小、βTafel斜率大小、以及η＝E_实际电位-E_平衡电位中平衡电位的大小。

步骤四：根据实验条件下标定的参数——i₀交换电流密度大小、βTafel斜率大小、以及η＝E_实际电位-E_平衡电位中平衡电位大小，然后构建阴极保护电流与保护涂层脱落面积的数学模型：

I_阴极＝I_金属R+I_电解质R+I_{电化学腐蚀}

I₀＝I_金属R+I_电解质R

I_{电化学腐蚀}＝i_腐蚀*A_裸露

得到

步骤五：将获得的函数模型录入到云端服务器监测平台，然后在进行初始安装的时候测量好初始保护电流大小I₀，然后通过传感器实时采集海底管道或海上风电杆柱的阴极保护电流大小I_阴极和管道杆柱表面电位，并传送至云端服务器进行计算就可以通过上面等式获取得到此时此刻整个被保护区域的钢柱腐蚀裸露面积A的大小。然后根据初始安装的时候测得了整个受保护区域管道表面积大小，可以区域性的分析得到管道腐蚀情况，当某区域管道腐蚀面积达到设定阈值的时候，需要进行维修通知，并将该通知发布到对应区域管道负责人的工作平台中，便于联系工作人员及时对管道防腐涂层进行修复，修复完成以后，重新测量此时管道的初始保护电流并录入系统中。

优选的，所述管道或海上风电杆柱的保护电位应该保持在-1.15V到-0.85V之间。

本发明的有益效果：

从上述的方法中可以看出，本发明提供的方法可以非常便捷的评估海底管道或者海上风电杆柱的防腐涂层的脱落情况，不需要额外的在管道上面施加外加交流电源，而且应用于不同的海水或者泥土中都可以达到相对较高的准确度，因为所提供大方案可以进行实际采样环境，然后在实验环境下进行参数的确定。而且本实验方案不需要额外增加其他传感器和采集装置，安装方便也便捷，一次安装以后可以实现多次重复使用，即使在更换防腐涂层以后，只需要额外测量初始保护电流大小即可。此外本发明所提供的管道防腐涂层脱落程度的在线监测和判定方法，可以非常直观的展示防腐涂层脱落面积大小，避免了多次耗费大量人力物力开挖和修复管道涂层，极大程度上降低了下场作业成本，更加的经济实惠。

附图说明

图1是本发明的实施流程图。

图2是测量平衡电位的设备安装图。

图3是绘制极化曲线时候进行实验的设备安装图。

1.电化学综合测试仪；2.辅助电极；3.海水电解质；4.海底管道材料；5.参考电极；6.电位计；7.标准氢电极。

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，这里以海底管道为例，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。

接下来结合图1和图2对本发明提供的管道防腐层评估装置进行详细介绍。

步骤一：首先先截取两小段需要保护的海底管道(未涂防腐涂层)，然后确定截取管道的材料，并分析其腐蚀电流密度大小的获取方法：

其中i表示腐蚀电流密度；i₀表示交换电流密度(与电化学反映的性质有关)；β表示Tafel斜率；η表示过电位。其中β和i₀可以在实验条件下通过拟合极化曲线获得Tafel斜率(在电极反应区域极化曲线通常近似为直线，此时Tafel斜率＝极化曲线斜率)然后计算得到交换电流密度。

步骤二和步骤三：前往需要安装海底管道的海域提取适量的海水作为电解质溶液，并记录该海水的温度。然后在实验室条件下，测得被保护管道的交换电流密度i₀大小、Tafel斜率以及平衡电位E_平衡电位的大小。具体如下：

首先测量平衡电位，将实验室温度调至海水温度范围，然后将海底管道和标准氢电极准备好，保证它们表面清洁，然后将其放置在装有海水的电解质溶液中。然后使用电位计将标准氢电极和海底管道连接起来，确保连接稳固，电极的导线与电位计正确端口相连，如图3。在实验开始前，记录标准氢电极的初始电位。这个值通常为0。开始实验，通过电位计测量标准氢电极和待测电极之间的电位差。记录测得的电位差值。由能斯特方程可得：

这里E₀是氢电极的标准电位一般为0，因此测得的电位差值即为E_平衡电位。为了减小误差，应在相同条件下进行多次重复实验，然后对数据进行处理分析，得到最终的可靠的平衡电位。

然后测量交换电流密度i₀大小和Tafel斜率大小，将实验室温度调至海水温度范围，将辅助电极，参比电极以及钢管准备好，保证其表面干净整洁，然后将其放入海水电解质溶液中，然后使用导线将辅助电极、参比电极以及钢管与电化学综合测试仪连接如图3所示，确保连接稳固。电化学综合测试仪具有测量电流、电位大小、施加电流或电位、记录数据值、测量响应电流的功能。首先对电化学综合测试仪进行调零和标定，确保测量系统的准确可靠，然后在未施加外部电位或者电流的情况下测量开路电位，然后通过综合测试仪对钢管进行逐步施加不同的电位，与此同时测量钢管上面的电流响应，然后计算电流密度。多次重复上述步骤，保证测量数据的可靠性。然后绘制极化曲线——横轴为电位大小，纵轴为电流密度大小。

根据普遍化的多电子反应Butler-Volmer公式：

其中：i是电流密度，i₀是交换电流密度大小，n是反应中转移电子数目，F为法拉第常数，R为通用气体常数，T为热力学温度，a为阳极电子转移系数，η为过电位，β为阴极电子转移系数：a和β取值由下面规则决定：

①在电化学反应中，转移电子数目为1：a(β)＝0.5；

③在电化学反应中，转移电子数目为3：

当过电位较大的时候阴极达到极化时候，

变形两边取lg得到：

这里我们记化简得到：

又因为η＝E_实际电位-E_平衡电位

故

因为在电极反应区域极化曲线通常近似为直线，这样就可以通过一次拟合极化曲线，获得Tafel斜率β和交换电流密度大小i₀。前序步骤已经测得了平衡电位大小，这样的话通过拟合的极化曲线，就可以获得参数交换电流密度大小i₀和β大小。

步骤四：将实验得到的平衡电位、电流密度和Tafel斜率大小整理，构建输入阴极电流与防腐层脱落面积的数学模型：

I₀＝I_阴极＝I_金属R+I_电解质R

I_阴极＝I_金属R+I_电解质R+I_{电化学腐蚀}

I_{电化学腐蚀}＝i_腐蚀*A_裸露

其中i_腐蚀为腐蚀电流密度大小，A_裸露为涂层破损以后，裸露在海水中的管道或者海上风电杆柱的表面积。而i_腐蚀由下式提供：

结合前面步骤二和步骤三求解的参数——i₀交换电流密度大小、βTafel斜率大小、以及η＝E_实际电位-E_平衡电位中平衡电位大小，可以得到最终的数学模型为：

步骤五：将步骤四的模型录入到云端服务器后台中，然后安装好海底管道防腐涂层，并开启调整好阴极保护电流，然后记录此时此刻的初始保护电流大小i₀录入系统代替I₀，然后云端服务器点击开始运行，对整个保护管道进行监控。并展示每段被保护的管道实时的防腐涂层脱落面积大小，当脱落面积达到阈值以后，触发报警，需要进行维修通知，并将该通知发布到对应区域管道负责人的工作平台中，便于联系工作人员及时对管道防腐涂层进行修复，修复完成以后，重新测量此时管道的初始保护电流并录入系统中。

本实施案例中，管道的保护电位应该控制在-1.15V到-0.85V之间。

综上所述，本发明采用阴极输入电流大小来评估防腐涂层脱落面积的大小，实现了对防腐涂层的便捷监测和风险评估，本监测系统还可以非常直观的展示防腐涂层脱落面积大小，避免了多次耗费大量人力物力开挖和修复管道涂层，极大程度上降低了下场作业成本，更加的经济实惠。此外相关的参数确定是依据实际工况来进行确定了，保证了参数的可靠性，进而是的测量计算得到的脱落面积的准确性和可靠性。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.基于阴极保护电流的防腐涂层脱落程度在线监测判定方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：确定该种海底管道的材料，并分析其腐蚀电流密度大小的获取方法，i的大小由以下方式获取得到：

动力学控制的电化学反应遵循以下Tafel方程表达式：

其中，i表示腐蚀电流密度；i₀表示交换电流密度大小；β表示Tafel斜率；η表示过电位；

η＝E_实际电位-E_平衡电位；

其中，E_实际电位就是金属表面的实际测量点位，在阴极保护系统中该电位就是设置的保护电位；E_平衡电位在实验条件下测量获取：

其中，E₀是金属标准电极电位；R为气体状态常数；F为法拉第常数；T为绝对温度；n为电极反应中得失电子数；a₀为氧化态物质的密度；a_t为还原态物质浓度；

金属是固体，浓度为1；当t＝25℃时候，T、R、F均为常数：

海底管道材料的阳极反应是：

Fe→Fe²⁺+2e^-

所以此处的得失电子数n＝2，a₀是管道处于动态平衡条件下，管道周围Fe²⁺浓度大小；

步骤三：获取截取的海底管道交换电流密度大小i₀和Tafel斜率β大小；

根据普遍化的多电子反应Butler-Volmer公式：

其中：n是反应中转移电子数目，F为法拉第常数，R为通用气体常数，T为热力学温度，a为阳极电子转移系数，η为过电位，β为阴极电子转移系数：

当阴极达到极化时候，

变形两边取lg得到：

记化简得到：

通过一次拟合极化曲线，获得Tafel斜率β和交换电流大小i₀；

步骤四：根据实验条件下标定的参数——i₀、β、η中平衡电位大小，然后构建阴极保护电流与保护涂层脱落面积的数学模型：

I_阴极＝I_金属R+I_电解质R+I_{电化学腐蚀}

I₀＝I_金属R+I_电解质R

I_{电化学腐蚀}＝i_腐蚀*A_裸露

得到

步骤五：将获得的数学模型录入到云端服务器监测平台，然后在进行初始安装的时候测量好初始保护电流大小I₀，通过传感器实时采集海底管道或海上风电杆柱的阴极保护电流大小I_阴极和管道杆柱表面电位，并传送至云端服务器进行计算就能通过等式获取得到此时此刻整个被保护区域的钢柱腐蚀裸露面积的大小。

2.如权利要求1所述的基于阴极保护电流的防腐涂层脱落程度在线监测判定方法，其特征在于，所述海底管道或海上风电杆柱的保护电位应该保持在-1.15V到-0.85V之间。

3.如权利要求1或2所述的基于阴极保护电流的防腐涂层脱落程度在线监测判定方法，其特征在于，所述第三步中，a和β取值由下面规则决定：

①在电化学反应中，转移电子数目为1：a(β)＝0.5；

③在电化学反应中，转移电子数目为3：

4.如权利要求1或2所述的基于阴极保护电流的防腐涂层脱落程度在线监测判定方法，其特征在于，所述第五步中，根据初始安装的时候测得了整个受保护区域管道表面积大小，能区域性的分析得到管道腐蚀情况，当某区域管道腐蚀面积达到设定阈值的时候，需要进行维修通知，并将该通知发布到对应区域管道负责人的工作平台中，便于联系工作人员及时对管道防腐涂层进行修复，修复完成以后，重新测量此时管道的初始保护电流并录入系统中。

5.如权利要求3所述的基于阴极保护电流的防腐涂层脱落程度在线监测判定方法，其特征在于，所述第五步中，根据初始安装的时候测得了整个受保护区域管道表面积大小，能区域性的分析得到管道腐蚀情况，当某区域管道腐蚀面积达到设定阈值的时候，需要进行维修通知，并将该通知发布到对应区域管道负责人的工作平台中，便于联系工作人员及时对管道防腐涂层进行修复，修复完成以后，重新测量此时管道的初始保护电流并录入系统中。