CN203337521U

CN203337521U - 高温高压动态电化学测试及pH原位监测实验装置

Info

Publication number: CN203337521U
Application number: CN2013204300862U
Authority: CN
Inventors: 许立宁; 路民旭; 郭少强; 李大鹏; 石云光
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2013-07-18
Filing date: 2013-07-18
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2023-07-18

Abstract

本实用新型高温高压动态电化学测试及pH原位监测实验装置，包括高温高压反应釜、旋转系统、加热保温系统、外接供气系统、三电极系统、第一pH复合电极系统、第二pH复合电极系统、信号传导通路、控制箱、外接电化学工作站、外接pH仪表和计算机。该装置采用陶瓷轴承的耐高温、耐寒、耐磨、耐腐蚀、抗磁电绝缘、无油自润滑、高转速、高强度等特性，可以应用于恶劣腐蚀环境，也提高了旋转工作电极的转速和同心度精度，采用集电环实现两端动静导线的连接，可以测试工作电极高温高压动态下的电化学信号，采用高温高压pH复合电极系统实现原位连续监测并记录旋转工作电极附近溶液和本体溶液的pH变化，可以用于高温高压动态腐蚀行为和机理研究。

Description

高温高压动态电化学测试及pH原位监测实验装置

技术领域

本实用新型属于腐蚀电化学领域，涉及一种动态高温高压腐蚀环境下金属材料的腐蚀电化学行为、pH影响规律和机理研究用的实验装置。适用于高温高压腐蚀介质在动态工况条件工作，尤其适用于动态条件下高温高压CO₂腐蚀原位电化学信号测试，以及金属材料电化学反应对其附近溶液的pH影响研究。

背景技术

高温高压多相介质腐蚀是一种因电化学腐蚀作用而导致材料失效的常见现象。例如油气工业开采和集输过程中各种管道和容器的腐蚀就以高温高压多相介质的腐蚀为主要失效形式，涉及腐蚀介质主要有CO₂等酸性气体和水。进行动态高温高压腐蚀模拟实验是研究流动介质下材料的耐蚀性和腐蚀机理，以及评价和研究缓蚀剂的重要手段。因此，必须有可以模拟实际条件下的动态高温高压电化学腐蚀实验的装置，并能够实现本体模拟溶液和金属材料表面附近溶液的pH监测记录。但由于高温高压条件下，对动态工作电极、参比电极和pH电极等结构和承压密封都有很高的要求，不容易实现电化学信号的输出和pH的监测。通常，在动态高温高压反应釜中进行模拟实验后，再在静态常压反应容器中进行电化学测试和pH检测，并不能得出实际情况下腐蚀过程中的电化学行为和对材料表面溶液pH的影响。因此，由于测量动态高温高压电化学信号和监测pH装置的缺乏，影响了对高温高压动态腐蚀行为和机理的深入研究。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种动态高温高压电化学测试实验装置，并能实现本体模拟溶液和材料表面附近溶液pH的连续监测记录。解决了以往不能对实际情况下腐蚀过程电化学信号进行测量和监测pH变化的问题，可以方便的测量动态条件下试样的电化学信号和连续监测记录两处溶液的pH值。

本实用新型的技术方案是：一种高温高压动态电化学测试及pH原位监测装置，该装置包括高温高压反应釜、旋转系统、加热保温系统、外接供气系统（图上未显示）、三电极系统、第一pH复合电极系统、第二pH复合电极系统、工作电极信号传导通路、外接控制箱（图上未显示）、外接电化学测试仪器（图上未显示）、外接pH仪表（图上未显示）和计算机（图上未显示）;

所述高温高压反应釜由高压釜盖、高压釜体、进气管、出气管、压力传感器、压力表及安全阀构成；

所述旋转系统由磁力驱动装置、第一陶瓷轴承、第二陶瓷轴承、金属轴套和旋转轴组成；

所述加热保温系统用于给所述高温高压反应釜加热，该系统由加热保温装置和温度传感器构成；

所述外接供气系统用于提供腐蚀性气体；

所述三电极系统由旋转工作电极、第一参比电极和辅助电极组成；

所述第一pH复合电极系统由第二pH电极与第三参比电极构成；

所述第二pH复合电极系统由第一pH电极与第二参比电极构成；

所述工作电极信号传导通路由导电压簧、旋转导线、法兰座、集电环、软导线和工作电极导线构成；

所述外接电化学测试仪器用于采集和传输旋转工作电极24、第一参比电极21和辅助电极32的电化学信息；所述外接pH仪表用于采集所述第一pH复合电极系统（试样表面）和第二pH复合电极系统（远离试样表面的溶液中）测量得到pH值；

计算机（图上未显示）用于对所述外接电化学测试仪（图上显示）和外接pH仪表采集（图上显示）的数据进行记录、分析处理和输出；

其中，所述高压釜盖上设有第一参比电极孔、第二参比电极孔、第一pH电极孔、温度传感器孔、辅助电极孔、第二pH电极孔、旋转工作电极孔、第三参比电极孔，所述高压釜盖的两侧面分别设置所述进气管和出气管；所述旋转工作电极孔位于所述高压釜盖的圆心位置，所述压力传感器、压力表和安全阀通过管路与所述出气管联通，所述高压釜盖与高压釜体通过紧固螺栓连接，所述高压釜体的侧壁上设置所述加热保温装置，所述外接供气系统与所述进气管联通；

所述旋转轴安装在所述旋转工作电极孔上，所述旋转轴的下端插入所述高压釜体内通过背紧螺母与所述聚四氟乙烯夹具固接，所述旋转工作电极镶嵌在所述聚四氟乙烯夹具上，所述金属轴套通过陶瓷轴承安装于所述旋转轴的上端，所述工作电极导线通过螺母和压簧安装在上盖上，所述上盖安装在所述金属轴套的顶端，通过压盖固定，所

述磁力驱动装置安装所述金属轴套上，所述旋转导线通过绝缘外壳设置在所述旋转轴内，所述旋转工作电极通过设置在所述聚四氟乙烯夹具内的导电压簧与所述旋转导线一端连接，所述法兰座通过第二紧固螺栓、第一绝缘垫片和绝缘螺栓套安装在所述旋转轴的顶端，所述电环安装在所述法兰座上，所述集电环下部的转子与所述旋转导线的另一端连接，所述集电环上部的定子通过所述软导线与固定在所述金属轴套顶端的所述工作电极导线的下端连接；

所述温度传感器通过所述温度传感器孔插入到所述高压釜体内，所述第一参比电极安装第一参比电极孔上、所述辅助电极安装辅助电极孔上、所述第二pH电极安装第二pH电极孔上、所述第三参比电极安装第三参比电极孔上、所述第一pH电极安装第一pH电极孔上、所述第二参比电极安装第二参比电极孔上；

所述外接控制箱通过导线与所述磁力驱动装置、加热保温装置和温度传感器和压力传感器连接，所述第一pH电极、第二pH电极、第二参比电极和第三参比电极通过导线与所述外接pH仪表连接，所述工作电极导线、第一参比电极和辅助电极通过导线与所述外接电化学测试仪连接，所述外接电化学测试仪和外接pH仪表通过导线与所述计算机数据连接。

进一步，该装置还包括用于冷却旋转系统的循环冷却系统，该系统包括循环冷却水泵和冷却水管，所述冷却水管设置所述金属轴套上，所述冷却水管的进水端与所述循环冷却水泵连接。

进一步，所述第一参比电极、第二参比电极和第三参比电极为高

温高压参比电极。

本实用新型装置使用最高温度200˚C，最高压力为20Mpa的高温高压Ag/AgCl参比电极和金属Pt辅助电极32，高温高压pH电极可根据实验温度和压力选择玻璃基pH电极（温度1-80˚C，最高压力为13Mpa）和ZrO₂基pH电极（温度70-200˚C，最高压力为13Mpa）。使用环形试片以消除试样旋转时由于与参比电极和辅助电极之间距离变化引起的电极间溶液电阻变化的影响。

本实用新型的优点在于：该装置采用陶瓷轴承的耐高温、耐寒、耐磨、耐腐蚀、抗磁电绝缘、无油自润滑、高转速、高强度等特性，可以应用于恶劣腐蚀环境，也提高了旋转工作电极的转速和同心度精度，采用集电环实现两端动静导线的连接，可以测试工作电极高温高压动态下的电化学信号，采用高温高压pH复合电极系统实现原位连续监测并记录旋转工作电极附近溶液和本体溶液的pH变化，可以用于高温高压动态腐蚀行为和机理研究。

附图说明

图1是本实用新型的高压釜上盖结构示意图。

图2是本实用新型的沿图1中A-A剖面的整釜结构示意图。

图3是本实用新型的沿图1中B-B剖面的整釜结构示意图。

图4是本实用新型的沿图1中C-C剖面的整釜结构示意图。

图5是本实用新型图2中A区的剖视结构示意图。

图6是本实用新型图2中B区的剖视结构示意图。

图中：

1.螺栓孔,2.第一参比电极孔, 3.第二参比电极孔,4.第一pH电极孔,5. 温度传感器孔,6.辅助电极孔,7.第二pH电极孔,8.旋转工作电极孔,9.第三参比电极孔,10.冷却水管,11.磁力驱动装置,12第三高温高压参比电极，13.温度传感器,14.第一紧固螺栓,15.出气管,16.高压釜加热保温装置,17.高压釜体,18.背紧螺母,19.陶瓷轴承,20.轴套,21.第一高温高压参比电极,22.高压釜盖,23.进气管,24.环形试片,25.旋转轴,26.第二高温高压参比电极,27.压力传感器,28.压力表,29.安全阀,30.第二pH电极,31. 第一pH电极,32.辅助电极,33.第一螺母,34.绝缘垫,35,压盖,36.第二螺母,37. 浮拉集电环,38.法兰座,39.第一绝缘垫片，40. 第二绝缘垫片,41.绝缘外壳,42.工作电极导线, 43.压簧,44.上盖,45.软导线,46.第二紧固螺栓,47.第三绝缘垫片,48.绝缘螺栓套,49.旋转导线,50.聚四氟乙烯试样夹具,51.导电压簧。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步说明。

如图1至6所示，本实用新型一种高温高压动态电化学测试及pH原位监测装置，该装置包括高温高压反应釜、加热保温系统、三电极系统、第一pH复合电极系统、第二pH复合电极系统、工作电极信号传导通路、旋转系统、外接控制箱、外接供气系统、外接电化学测试仪器、外接pH仪表和计算机；

高温高压反应釜由高压釜盖22、高压釜体17、进气管23、出气

管15、压力传感器27、压力表28及安全阀29构成；

三电极系统由旋转工作电极24、第一参比电极21和辅助电极32组成；

所述旋转系统由磁力驱动装置11、陶瓷轴承19、金属轴套20和旋转轴25组成；

所述工作电极信号传导通路由导电压簧51、旋转导线49、法兰座38、集电环37、软导线45和工作电极导线42构成；

第一pH复合电极系统第二pH电极30与第三参比电极12构成；

第二pH复合电极系统第一pH电极31与第二参比电极26构成；

外接供气系统（图上显示）用于提供腐蚀性气体；

加热保温系统用于给所述高温高压反应釜加热，该系统由加热保温装置16和温度传感器13构成；

外接电化学测试仪器用于采集和传输旋转工作电极24、第一参比电极21和辅助电极32的电化学信息；所述外接pH仪表用于采集所述第一pH复合电极系统（试样表面）和第二pH复合电极系统（远离试样表面的溶液中）测量得到pH值；

其中，所述高压釜盖22上设有第一参比电极孔2、第二参比电极孔3、第一pH电极孔4、温度传感器孔5、辅助电极孔6、第二pH电极孔7、旋转工作电极孔8、第三参比电极孔9，所述高压釜盖22

的两侧面分别设置所述进气管23和出气管15；所述旋转工作电极孔8位于所述高压釜盖22的圆心位置，所述压力传感器27、压力表28和安全阀29通过管路与所述出气管15联通，所述高压釜盖22与高压釜体17通过紧固螺栓14连接，所述高压釜体17的侧壁上设置所述加热保温装置16，所述外接供气系统与所述进气管23联通；

所述旋转轴25安装在所述旋转工作电极孔8上，所述旋转轴25的下端插入所述高压釜体17内，并通过背紧螺母18与所述聚四氟乙烯夹具50固接，所述旋转工作电极24镶嵌在所述聚四氟乙烯夹具50上，所述金属轴套20通过陶瓷轴承19安装于所述旋转轴25的上端，所述工作电极导线42通过螺母33和压簧43安装在上盖4上，所述上盖44安装在所述金属轴套20的顶端，通过压盖35固定，所述磁力驱动装置11安装所述金属轴套20上，所述旋转导线49通过绝缘外壳41设置在所述旋转轴25内，所述旋转工作电极24通过设置在所述聚四氟乙烯夹具50内的导电压簧51与所述旋转导线49一端连接，所述法兰座38通过第二紧固螺栓46、第一绝缘垫片39和绝缘螺栓套48安装在所述旋转轴25的顶端，所述浮拉集电环37安装在所述法兰座38上，所述集电环37下部的转子与所述旋转导线49的另一端连接，所述集电环37上部的定子通过所述软导线45与固定在所述金属轴套25顶端的所述工作电极导线42的下端连接；

所述温度传感器13通过所述温度传感器孔5插入到所述高压釜体17内，所述第一参比电极21安装第一参比电极孔2上、所述辅助电极32安装辅助电极孔6上、所述第二pH电极30安装第二pH电极

孔7上、所述第三参比电极12安装第三参比电极孔9上、所述第一pH电极31安装第一pH电极孔4上、所述第二参比电极26安装第二参比电极孔3上；

所述外接控制箱通过导线所述磁力驱动装置11、加热保温装置16和温度传感器13和压力传感器27连接，所述第一pH电极31、第二pH电极30、第二参比电极26和第三参比电极12通过导线与所述外接pH仪表连接，所述工作电极导线42、第一参比电极21和辅助电极32通过导线与所述外接电化学测试仪连接，所述外接电化学测试仪和外接pH仪表通过导线与所述计算机连接。

本实用新型的工作原理：打开高压釜盖22，将旋转工作电极24嵌在聚四氟乙烯夹具50上，利用背紧螺母18将聚四氟乙烯夹具51固定在旋转轴25上，旋转工作电极24通过导电弹簧51与旋转导线49相连，构成三电极体系的旋转工作电极。在高压釜盖22上安装的第一高温高压参比电极21、第二高温高压参比电极26、第三高温高压参比电极9、第一pH电极31和第二pH电极30，使上述电极的探头末端与旋转工作电极24处于同一水平线，组成一个电化学三电极体系和两个pH复合电极体系。向高压釜体17内倒入的模拟介质溶液，将旋转工作电极24完全浸没，盖上高压釜盖22，拧紧紧固螺栓14。通过外界供气系统从进气管23通入气体N₂除氧8小时以上，后通入一定压力的实验气体（如CO₂气体）。通过外接控制箱启动加热保温装置16，加热高压釜内溶液到设定实验温度并保温。启动磁力驱动装置11，磁力驱动装置11驱动旋转轴25按设定速度旋转，同

时打开循环冷却水泵开关，使冷却水沿沿冷却水管10循环流动，保持旋转轴25温度处于稳定状态。在控制箱上显示高压釜内的压力和温度以及旋转轴25的转速。

旋转工作电极24产生的电信号通过旋转导线49、集电环37和静止的工作电极导线42传送给电化学工作站，第一高温高压参比电极21和辅助电极32采集的信号通过导线传送给电化学工作站连接，进行电化学测试，如动电位极化曲线或交流阻抗谱等。第二pH电极30与第三高温高压参比电极12引出的导线通过T型转接头与pH仪表连接，监测旋转工作电极24附近溶液的pH。第一高温高压pH电极31与第二高温高压参比电极26引出的导线通过T型转接头与pH仪表连接，监测远离试样的本体溶液pH值。电化学工作站和pH仪表外接计算机进行数据输出、记录、处理和分析等功能。

集电环37实现信号在旋转导线49与静止的工作电极导线42之间的导通；绝缘外壳41、绝缘垫片39和聚四氟乙烯夹具50等使工作电极信号传导通路独立，与旋转轴25和套金属轴20等相绝缘，避免了旋转工作电极24和旋转轴25或高压釜体17因电连接而导致的电偶腐蚀问题。

虽然本实用新型己以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本实用新型，本实用新型的保护范围应当以本申请的权利要求保护范围所界定的内容为准。任何熟习本技术领域者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，所作的各种变化与润饰，都应当属于本实用新型的保护范围。

Claims

1. 一种高温高压动态电化学测试及pH原位监测装置，其特征在于：该装置包括高温高压反应釜、旋转系统、加热保温系统、外接供气系统、三电极系统、第一pH复合电极系统、第二pH复合电极系统、工作电极信号传导通路、外接控制箱、外接电化学测试仪器、外接pH仪表和计算机；

所述高温高压反应釜由高压釜盖（22）、高压釜体（17）、进气管（23）、出气管（15）、压力传感器（27）、压力表（28）及安全阀（29）构成；

所述旋转系统由磁力驱动装置（11）、陶瓷轴承（19）、金属轴套（20）和旋转轴（25）组成；

所述加热保温系统用于给所述高温高压反应釜加热，该系统由加热保温装置（16）和温度传感器（13）构成；

所述外接供气系统用于提供腐蚀性气体；

所述三电极系统由旋转工作电极（24）、第一参比电极（21）和辅助电极（32）组成；

所述第一pH复合电极系统由第二pH电极（30）与第三参比电极（12）构成；

所述第二pH复合电极系统由第一pH电极（31）与第二参比电极（26）构成；

所述工作电极信号传导通路由导电压簧（51）、旋转导线（49）、法兰座（38）、集电环（37）、软导线（45）和工作电极导线（42）构成；

所述外接电化学测试仪器用于采集和传输旋转工作电极（24）、第一参比电极（21）和辅助电极（32）的电化学信息；所述外接pH仪表用于采集所述第一pH复合电极系统测量试样表面附近溶液中pH值和第二pH复合电极系统采集的远离试样表面的溶液中pH值；

所述计算机用于对所述外接电化学测试仪和外接pH仪表采集的数据进行记录、分析处理和输出；

其中，所述高压釜盖（22）上设有第一参比电极孔（2）、第二参比电极孔（3）、第一pH电极孔（4）、温度传感器孔（5）、辅助电极孔（6）、第二pH电极孔（7）、旋转工作电极孔（8）、第三参比电极孔（9），所述高压釜盖（22）的两侧面分别设置所述进气管（23）和出气管（15）；所述旋转工作电极孔（8）位于所述高压釜盖（22）的圆心位置，所述压力传感器（27）、压力表（28）和安全阀（29）通过管路与所述出气管（15）联通，所述高压釜盖（22）与高压釜体（17）通过紧固螺栓（14）连接，所述高压釜体（17）的侧壁上设置所述加热保温装置（16），所述外接供气系统与所述进气管（23）联通；

所述旋转轴（25）安装在所述旋转工作电极孔（8）上，所述旋转轴（25）的下端插入所述高压釜体（17）内通过背紧螺母（18）与所述聚四氟乙烯夹具（50）固接，所述旋转工作电极（24）镶嵌在所述聚四氟乙烯夹具（50）上，所述金属轴套（20）通过陶瓷轴承（19）安装于所述旋转轴（25）的上端，所述工作电极导线（42）通过螺母（33）和压簧（43）安装在上盖（44）上，所述上盖（44）安装在所述金属轴套（20）的顶端，通过压盖（35）固定，所述磁力驱动装置（11）安装所述金属轴套（20）上，所述旋转导线（49）通过绝缘外壳（41）设置在所述旋转轴（25）内，所述旋转工作电极（24）通过设置在所述聚四氟乙烯夹具（50）内的导电压簧（51）与所述旋转导线（49）一端连接，所述法兰座（38）通过第二紧固螺栓（46）、第一绝缘垫片（39）和绝缘螺栓套（48）安装在所述旋转轴（25）的顶端，所述集电环（37）安装在所述法兰座（38）上，所述集电环（37）下部的转子与所述旋转导线（49）的另一端连接，所述集电环（37）上部的定子通过所述软导线（45）与固定在所述金属轴套（20）顶端的所述工作电极导线（42）的下端连接；

所述温度传感器（13）通过所述温度传感器孔（5）插入到所述高压釜体（17）内，所述第一参比电极（21）安装第一参比电极孔（2）上、所述辅助电极（32）安装辅助电极孔（6）上、所述第二pH电极（30）安装第二pH电极孔（7）上、所述第三参比电极（12）安装第三参比电极孔（9）上、所述第一pH电极（31）安装第一pH电极孔（4）上、所述第二参比电极（26）安装第二参比电极孔（3）上；

所述外接控制箱通过导线和所述磁力驱动装置（11）、加热保温装置（16）、温度传感器（13）和压力传感器（27）连接，所述第一pH电极（31）、第二pH电极（30）、第二参比电极（26）和第三参比电极（12）通过导线与所述外接pH仪表连接，所述工作电极导线（42）、第一参比电极（21）和辅助电极（32）通过导线与所述外接电化学测试仪连接，所述外接电化学测试仪和外接pH仪表通过导线与所述计算机连接。