CN200993637Y

CN200993637Y - 一种研究土壤腐蚀的装置

Info

Publication number: CN200993637Y
Application number: CN 200620168729
Authority: CN
Inventors: 尹桂勤; 张莉华; 常守文
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2016-12-29

Abstract

本实用新型涉及土壤腐蚀领域，具体为一种研究土壤腐蚀的装置，解决现有装置功能较少以及受外界影响较大容易产生误差等问题。该装置包括两个试验槽，两个试验槽通过乳胶管连通，乳胶管内装有含2－3％琼脂的饱和KCl凝胶形成离子导电通道；试验槽为PVC管和安装于PVC管底部的PVC板构成，试验槽内装有土壤介质，工作面相对的辅助电极和研究电极按上、下设置于土壤介质中。本实用新型采用独立的两个试验槽通过乳胶管离子通道连通，可以模拟土壤的不同紧实程度，土壤之间不发生接触，不会发生水分和盐分的扩散渗透，测量结果准确可靠、误差小。本实用新型采用的装置既可以进行土壤腐蚀的研究，还可以用于测量土壤电阻率、求算实验所用土壤的容重和含气率等。

Description

一种研究土壤腐蚀的装置

技术领域

本实用新型涉及土壤腐蚀领域，具体为一种研究土壤腐蚀的装置。

背景技术

土壤是由固、液、气三相组成的复杂的不均匀的介质，金属材料在土壤中的腐蚀虽然其腐蚀机理属电化学腐蚀，但其腐蚀行为比在通常的介质中要复杂得多，因此其研究方法具有某些特殊性和一定的困难。电化学方法是目前研究土壤腐蚀的常用方法，其中极化曲线法和交流阻抗技术是电化学方法中最广泛使用的方法。由于土壤介质的电阻率一般很高，在进行电化学测量时，研究电极和参比电极之间很高的电位(IR)降对测量结果的精度会产生很大的影响，因此人们通常采用增加土壤介质的水分含量来降低参比电极和研究电极之间的介质电阻，或者利用一些电化学仪器本身所具有的电阻补偿土壤介质电阻上的IR降；前一种方法脱离了金属在野外埋藏的真实环境；后一种方法往往会因为仪器本身电化学噪声的影响和外界电磁场的干扰而带来很大的误差，或者因为补偿不当而使仪器出现电流或电位过载等故障。

现有技术中，提到一种评价各种金属和合金在土壤条件下形成有效的差异充气腐蚀电池的倾向的方法，把两个由被研究的金属做成同样的电极放在装着两种土壤的标准试验电解池5中。在一个电极周围是透气良好的疏松的土壤(砂土6)，相反，在另一个电极周围是透气困难的密实的粘土7，粘土7和砂土6之间插有铜-硫酸铜参比电极3。在比较密实的土壤中的电极是阳极1，在比较疏松的土壤中的电极是阴极2，通过毫安表4测量电流。如图1所示，每次实验取一对而积为2×2厘米的同样的电极(由同种金属所做成)。电极间的距离等于10厘米。电极上面的土层厚度为1厘米。用重量浓度为10％的氯化钠溶液把两种土壤都润湿到湿度等于10％。记录电极电位和在所研究的电池线路中建立起来的电流值。经过三个昼夜，在试验终了的时候记下来的稳定电液压值是试验的特征值。在个别情况下，为了核对起见，也可以在断路状态下测定每个电极的电位值。如果用上述方法研究两种不同透气性、紧实程度的土壤腐蚀时，很难把握土壤紧实程度，并且在土壤接触面会发生水分的扩散渗透，影响测量效果。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种研究土壤腐蚀的装置，解决现有装置功能较少以及受外界影响较大容易产生误差等问题。

本实用新型技术方案是：

一种研究土壤腐蚀的装置，包括两个试验槽，两个试验槽通过乳胶管连通，乳胶管内设离子导电通道；试验槽为PVC管和安装于PVC管底部的PVC板构成，试验槽内装有土壤介质，工作面相对的辅助电极和研究电极按上、下设置于土壤介质中。

所述的辅助电极和研究电极为与PVC管内径相同的圆形板，其中心处开孔，在辅助电极和研究电极背面开有用于铆接导线的未通透的穴。

所述的辅助电极和研究电极与PVC管交接处用环氧树脂涂封。

所述PVC管顶部覆盖塑料薄膜。

所述的研究土壤腐蚀的装置，在辅助电极和研究电极之间的PVC管侧面开有两个铜棒电极插孔。

所述的研究土壤腐蚀的装置，位于研究电极上、下两侧的PVC管上分别开有用于插设参比电极的前插孔和后插孔。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型装置的参比电极和研究电极工作表面之间无电流通过，它们之间由研究电极试片上的小孔中的土壤连接，这部分土壤仅起到盐桥的作用，所以参比电极和研究电极之间的介质电阻上的IR降可降低到非常小的数值，使电化学实验结构不会受到影响。

2、本实用新型参比电极可插入前插孔或后插孔，进行电化学测试，目的在于将前插法与后插法的实验进行比较。由于整个实验装置在全密闭条件下进行，因此在整实验周期内，土壤中的水分含量基本上不会减少。

3、本实用新型装置还可以方便的求算土壤的容重和含气率等重要的物理性质。

4、本实用新型采用独立的两个试验槽通过乳胶管离子通道连通，可以模拟土壤的不同紧实程度，即不同充气状态、不同含水量、不同含盐量等实际情况，土壤之间不发生接触，不会发生水分和盐分的扩散渗透，测量结果准确可靠、误差小。

5、本实用新型采用的装置既可以进行土壤腐蚀的研究，还可以用于测量土壤电阻率等。

附图说明

图1为现有技术中评价各种金属和合金在土壤条件下形成有效的差异充气腐蚀电池倾向的装置之一示意图。

图2为本实用新型研究土壤腐蚀装置的示意图。

图3为本实用新型研究电极或辅助电极背面示意图。

图中，1、阳极；2、阴极；3、铜-硫酸铜参比电极；4、毫安表；5、电解池；6、砂土；7、粘土；8、试验槽I；8′、试验槽II；9、辅助电极导线；10、乳胶管；11、PVC管；12、土壤介质；13、研究电极导线；14、PVC板；15、后插孔；16、研究电极；17、前插孔；18、铜棒电极插孔；19、辅助电极；20、塑料(聚乙烯)薄膜；21、穴；22、中心孔。

具体实施方式

本实用新型在后插参比电极法(唐红雁等，土壤腐蚀体系后插参比测量法研究，腐蚀科学与防护技术，第6卷第4期，352-356页，1994年10月)的基础上，对实验装置进行了改进。

如图2所示，本实用新型研究土壤腐蚀的电化学测试装置，包括两个试验槽：试验槽I 8和试验槽II 8′，两个试验槽通过乳胶管10连通，乳胶管10内装有2-3％琼脂的饱和KCl凝胶形成离子导体，即将重量含量为2-3％的琼脂溶到饱和KCl水溶液中吸入乳胶管形成凝胶，作为离子导电通道；每个试验槽采用PVC管11和PVC板14焊接而成，试验槽的高度为350mm，试验槽内装有土壤介质12，在距PVC板14的100mm的地方钻一小孔，在其上方15mm处再钻一同样大小的孔，前者为后插孔15，后者为前插孔17，研究电极16位于前插孔17和后插孔15之间，辅助电极19在研究电极16上方靠近PVC管口，距PVC管口大约80mm处，研究电极16的工作面与辅助电极19的工作面相对。实验时，将参比电极从后插孔15或前插孔17插入土壤中靠近研究电极16的中心孔22附近，每次实验完毕后，用胶带纸将小孔封好，避免试验过程中水分的蒸发，本实施例所用的参比电极均为饱和甘汞电极。在辅助电极19和研究电极16之间的PVC管11侧面开有两个铜棒电极插孔18，插入的铜棒电极可用来测试土壤电阻率，PVC管11顶部覆盖塑料薄膜20。两个辅助电极导线9之间或者两个研究电极导线13之间可以连接微安表，用于测量不同压实程度的腐蚀电流，进而通过腐蚀电流密度反映腐蚀速度；另外，每个测试槽的研究电极导线13与插入的参比电极之间可以连接毫伏表，用于测量每个测试槽的腐蚀电位。

本实用新型装置可用于测量不同透气性、含水量、含盐量、紧实程度等条件下钢铁材料的腐蚀电位和腐蚀速度，由于测试槽之间相互独立，置于测试槽中的土壤介质可模拟真实过程中两种不同透气性、紧实程度、含水量、含盐量的土壤，进而研究不同状态下的土壤腐蚀情况。实验表明，当一种土壤在很密实或较密实，另一种土壤在很疏松或较疏松的情况下，对腐蚀电位和腐蚀速度影响较大。

如图2、3所示，试样(研究电极16和辅助电极19)为圆形，半径为50mm，厚度为5mm，中心处钻一φ5mm的中心孔22，在试样的一面的中心孔22和边缘之间约1/2处，钻一个φ3mm的穴21(未钻透，深度为总厚度的一半左右，用以铆接导线)试样的工作面用砂纸磨光，最后一遍用400#砂纸打磨，暴露面积为19.4cm²。在非工作面上打上已编好的钢号，用丙酮和无水酒精清洗(特别注意小孔及穴)、吹干后放入干燥器中，半小时后称重，记录各试样的初始重量W₀，精确至0.01克。在试样的背面用铅丝铆接导线(辅助电极导线9和研究电极导线13)，除工作面外，试件的其他部分均用环氧树脂涂封，尤其注意小孔及四周，一方面保证必须封住侧壁，否则影响重量变化ΔW_t，另一方面又不能把小孔封死，否则无法进行后插参比电极测量。

本实用新型采用极化曲线和交流阻抗技术对X70钢在格尔木盐土壤中的腐蚀行为进行研究。选用的金属材料是X70钢，它是西气东输管道用钢，其化学成分如下：C 0.049％，Mn 1.59％，S 0.0008％，Si 0.26％，P 0.014％，Fe余量。

土壤的预处理：本实施例所用土壤取自青海格尔木土壤腐蚀试验站2号坑地下1米深处，土壤类型为盐渍土。将取回来的土壤放入干燥箱中在105～110℃下烘干6小时，除去其中的水分、杀死土壤中的微生物，研磨，过1mm筛，然后装入自封袋中备用。

本实施例采用极化曲线测量方法来测求盐渍土壤介质中X70钢的腐蚀速度，测量在弱极化区进行。同时，还对金属土壤腐蚀体系进行交流阻抗谱的测试，作为辅助手段研究钢铁在该土壤中的腐蚀机理。另外，为了研究土壤的理化性质的差异对土壤电阻率的影响，还对含水量和含盐量不同的土壤进行电阻率的测量。

极化曲线测量采用电化学阻抗谱测试系统(Solartron1270)，弱极化扫描范围为：-70mV～70mV(相对于自腐蚀电位E_corr)，扫描速度为1.667mV/s，从阴极扫向阳极。

电化学阻抗谱测量采用电化学阻抗谱测试系统(Solartron1270+1287)，测试时的外加电压为10mV，扫描频率为10⁴～0.01Hz。

具体步骤如下：

(1)根据实验方案，配制所需土壤。按顺序分别将处理好的土壤、X70钢试片装入电化学测试槽中，记下各实验装置中试片的编号，测试槽口用保鲜塑料薄膜封好，以免实验过程中水分蒸发；

(2)放置一天后，测量X70钢在不同条件下的土壤中的极化曲线和交流阻抗，实验周期为30天，分别为测量第1、3、5、10、15、20、25、30天的极化曲线和交流阻抗；

(3)对所测得的极化曲线和电化学阻抗谱进行拟合，得到X70钢在盐渍土中的腐蚀电位E_corr、腐蚀电流密度I_corr、塔菲尔斜率β_a、β_c等，总结在不同的土壤中X70钢的腐蚀规律。

(4)30天后，将电解池装置拆开，取出研究电极，清除导线、环氧树脂和锈蚀产物后，称取其重量，计算研究电极在土壤中实际腐蚀速度，比较电化学测试槽中研究电极和电阻率测试槽中研究电极的腐蚀速度。

土壤饱和含水量、水溶盐含量和pH值的确定：

土壤的饱和含水量凭经验方法来确定，称取烘干后的土壤样品50克，加入蒸馏水并不断搅拌，直至土壤表面渗出一层水膜时，可以认为土壤已为水分所饱和。

本实施例采用土壤的饱和含水量大约为25％(wt)。

土壤(及地下水)中水溶盐的分析，是研究盐渍土盐分动态的重要方法，对于了解盐分对金属材料在土壤中的腐蚀行为和规律具有十分重要的意义。土壤中的水溶盐分析一般包括pH值、全盐量、阴离子(Cl^-、SO₄ ^2-、CO₃ ^2-、HCO₃ ^-、NO₃ ^-等)和阳离子(Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺)的测定。土壤可溶盐的测定主要是测定土壤水浸出液中各盐分的含量，按照土壤农业化学常规分析方法进行，本实施例所用的土壤的水溶盐含量(wt％)和pH值如下表所示：

表1

pH	Cl^-	SO₄ ^2-	CO₃ ^2-	HCO₃ ^-	Na⁺	K⁺	Ca²⁺
pH	Cl^-	SO₄ ^2-	CO₃ ^2-	HCO₃ ^-	Na⁺	K⁺	Ca²⁺	8.7	9.23	6.439	0.09	0.366	13.406	0.539	1.36

土壤电阻率是一个综合性的因素，是土壤导电能力的反映，也是目前土壤腐蚀研究中探讨最多的因素之一。一般来说，土壤的电阻率越小，土壤的腐蚀性越强。本实用新型在进行电化学测试的同时，也进行了土壤电阻率的测量。主要测量了格尔木盐渍土在不同含水量和含盐量的条件下，土壤电阻率的变化情况；如图2所示，距焊接的PVC板14一端100mm处钻一φ6mm的铜棒电极插孔18，在同一轴向上再钻一同样大小的孔，两孔相距100mm。测量时，在两小孔处各插入一支与孔径大小相当的铜棒电极，在两个试样之间通以10μA的恒电流I，用万用表测量两铜棒之间的电压U，每次测量时间为10分钟，每隔2分钟读一次数，按下式计算土壤的电阻率：

ρ＝U/I·S/L

式中，ρ-土壤电阻率，Ω·cm；U-测得的电压，mV；I-施加的恒电流，mA；S-试样的暴露面积，cm²；L-两铜棒之间的距离，cm。本实施例中，I＝10μA，S＝19.4cm²，L＝10cm。计算每次测量的平均电阻率，实验完毕后再计算整个实验周期内的累加平均电阻率。

实验表明，在含盐量一定的情况下，土壤越干燥，电阻率越高，土壤截止湿润，电阻率就越低；在含水量一定时，土壤的含盐量越高，其电阻率应该越小，含盐量越低，电阻率应该越大。

土壤的供氧状况与多个因素相关，含水量、含盐量、压实程度等都会影响土壤的供氧状况。由于测试槽的体积可以通过计算得到，因此本实用新型装置可以方便的求算土壤的容重和含气率。

(1)土壤容重的计算：

d_{v} = \frac{G_{s}}{V_{s}} \cdot \frac{100}{100 + H_{w}}

式中：d_v-土壤容重(g·cm^-3)；G_s-土壤重量(g)；V_s-土壤体积(cm³)；H_w-土壤含水量(％)。

(2)含气率的计算：

P_a＝P-H_w·d_v

式中：P_a-土壤含气率(％)；P-土壤总孔隙度(％)；H_w-土壤含水量(％)；d_v-土壤容重(g·cm^-3)；H_w·d_v-土壤容积含水量(％)，相当于土壤含水孔隙度(％)；P＝93.947-32.995d_v。

电化学实验结束后，拆开装置，取出研究电极和辅助电极，称量装入槽中的土壤的重量，利用上式求算各装置中土壤的容重和含气率。

实验结果表明，在含水量、含盐量和压实程度三因素交互作用下，土壤的含水量是影响X70钢在土壤中腐蚀电位高低的主要因素；在含水量接近饱和及透气性差的土壤中，腐蚀过程的阴极反应受扩散控制的特征比较明显；与单因素作用下的极化曲线相比，多因素交互作用下的阴极塔菲尔斜率数值很大；透气性的差异对腐蚀速度的影响较小，含水量仍是影响土壤腐蚀性强弱的主要因素；土壤的含水量、含盐量、电阻率和透气性共同影响着土壤腐蚀速度的大小。

Claims

1、一种研究土壤腐蚀的装置，其特征在于，包括两个试验槽，两个试验槽通过乳胶管连通，乳胶管内设离子导电通道；试验槽为PVC管和安装于PVC管底部的PVC板构成，试验槽内装有土壤介质，工作面相对的辅助电极和研究电极按上、下设置于土壤介质中。

2、按照权利要求1所述的研究土壤腐蚀的装置，其特征在于，所述的辅助电极和研究电极为与PVC管内径相同的圆形板，其中心处开孔，在辅助电极和研究电极背面开有用于铆接导线的未通透的穴。

3、按照权利要求1所述的研究土壤腐蚀的装置，其特征在于，所述的辅助电极和研究电极与PVC管交接处用环氧树脂涂封。

4、按照权利要求1所述的研究土壤腐蚀的装置，其特征在于，所述PVC管顶部覆盖塑料薄膜。

5、按照权利要求1所述的研究土壤腐蚀的装置，其特征在于，在辅助电极和研究电极之间的PVC管侧面开有两个铜棒电极插孔。

6、按照权利要求1所述的研究土壤腐蚀的装置，其特征在于，位于研究电极上、下两侧的PVC管上分别开有用于插设参比电极的前插孔和后插孔。