CN204536169U - 腐蚀速率测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种腐蚀速率测量系统，所述腐蚀速率测量系统包括被构造成用于暴露给腐蚀性材料的牺牲探针。传感器被布置成用于检测牺牲探针中由于腐蚀性材料对牺牲探针的腐蚀引起的物理变化。测量电路连接到传感器，并且提供指示牺牲探针暴露给腐蚀性材料的腐蚀速率的输出。牺牲探针具有导致牺牲探针以非线性速率腐蚀的物理特性。

Description

腐蚀速率测量系统

技术领域

本实用新型涉及构件在各种环境中的腐蚀。更具体地，本实用新型涉及在该环境条件下对腐蚀速率的测量。

背景技术

腐蚀是依靠环境的化学反应或磨损对材料的逐渐破坏。腐蚀降低材料和结构的有用性质，包括强度、外观和对流体的渗透性。许多结构合金仅在暴露给空气中的湿气的条件下腐蚀。该过程可以通过暴露给某些物质而被加速。腐蚀可以局部性集中以形成坑或裂缝，或腐蚀可以延伸越过宽阔的面积，均匀地腐蚀表面。

对腐蚀的测量、控制、和预防的技术领域较广阔。腐蚀测量使用各种技术以确定环境的腐蚀性如何并且材料损耗的速率是多少。一些腐蚀测量技术可以被在线使用，一直暴露给腐蚀过程，而其他腐蚀测量技术提供离线测量，并且在实验室分析中进行确定。一些技术提供对材料损耗或腐蚀速率的直接测量，而其他技术用于推断可能存在腐蚀环境。

腐蚀的速率指示过程设备或构件可以被有用地和安全地操作多长时间。对腐蚀的测量和补救高腐蚀速率的动作允许在减少与操作相关的寿命周期成本的同时实现最有效成本的设备操作。然而，由于它们的特性，许多腐蚀传感器要求频繁的维持和更换。进一步，难以测量被认为是“麻点腐蚀”的一类局部腐蚀。

实用新型内容

一种腐蚀速率测量系统，包括被构造成用于暴露给腐蚀性材料的牺牲探针。传感器被布置成用于检测牺牲探针中由于腐蚀性材料对牺牲探针的腐蚀引起的物理变化。测量电路连接到传感器，并且提供指示牺牲探针暴露给腐蚀性材料的腐蚀速率的输出。牺牲探针具有导致牺牲探针以非线性速率腐蚀的物理特性。

本实用新型内容和摘要被提供以便以简化形式介绍对在下文的具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本实用新型内容和摘要的意图不是识别要求保护的主题的关键特征或本质特征，也不是用作确定要求保护的主题的保护范围的辅助手段。

附图说明

图1是包括牺牲探针的腐蚀测量系统的简化方块图。

图2是图1的牺牲探针的示例性实施例的透视图。

图3是图1的牺牲探针的示例性实施例的透视图。

图4是图1的被构造成用于检测局部的麻点腐蚀的牺牲探针的另一示例性实施例的透视图。

图5是示出连接到牺牲探针的压力变送器的剖视图。

具体实施方式

提供了一种腐蚀速率测量系统，其中牺牲探针被构造成用于在暴露给腐蚀性流体时随着时间的流逝以不同的速率腐蚀。例如，探针可以被构造成用于在初期以相对较快的速率腐蚀，以提供对腐蚀测量的较高敏感性。然而，在长时间使用之后，探针可以被构造成用于以不同的速率腐蚀，例如以更慢的速率腐蚀。这允许探针继续操作，并且在没有要求立即更换的情况下提供有限的功能。还可以提供增加探针对向特定类型的腐蚀，诸如对麻点腐蚀类型的腐蚀的敏感性的构造。

各种插入式方法和非插入式方法被用于监控包括材料损耗的腐蚀、电气化学测量和分析测量。多种技术包括测量阻力、涡电流、电导率、超声波和声学。过程工业中最普遍的技术是腐蚀试样、电阻(ER)和线性极化电阻(LPR)。

重量损耗技术是最知名和最简单的腐蚀监测技术。该方法涉及将材料的样本(称为“试样”)在规定的持续时间内暴露给过程环境，然后移除样本以分析。重量损耗是根据腐蚀试样确定的基本测量。腐蚀速率是重量损耗除以密度、试样表面积和暴露的时间的乘积所得的商值。试样监测在腐蚀速率在较长的时间周期内不显著改变的环境下最有用。然而，它们可以提供与其它技术有效的相互关系。

ER探针可以被认为是″电子″腐蚀试样。ER探针提供对金属损耗的基本测量，并且在探针位于原位置的任何时候可以测量金属损耗的值。ER技术测量暴露给过程的腐蚀金属元件(探针)的电阻的改变。对探针的表面的腐蚀作用导致探针的横截面积的减少和探针的电阻的对应增加。

LPR技术基于电化学理论。较小的电压施加到溶液中的电极(探针)。需要在探针中保持特定的电压变化(通常地10mV)的电流直接与在溶液中对电极的表面的腐蚀相关。通过测量电流，可以得到腐蚀速率。LPR技术的优点是即刻进行对腐蚀速率的测量，然而对于试样或ER而言，需要一段时间的暴露以确定腐蚀速率。LPR技术可以仅在洁净水电解液环境中被执行，并且在气体中将不工作。

可以用于测量腐蚀速率的另一技术是监控膜的形状的改变。例如，对于规定的施加压力，较薄的膜将比较厚的膜偏离更大的程度。

如上所述，腐蚀监测系统通常包括本文中被称为“牺牲探针”的一些类型的牺牲元件。该牺牲元件随着时间的流逝而腐蚀，并且必须被替代。例如，一个典型的腐蚀监测系统具有仅六个月到九个月的有效寿命。关于ER类型探针的一个特定的问题是探针更换的较高维护成本。一些系统使用可缩回的探针。然而，该构造昂贵，并且仅减少了需要更换探针的时间。

图1是示出连接到过程容器102的腐蚀速率测量系统100的简化方块图。过程容器102容纳腐蚀性流体104。系统100包括暴露给过程流体104的牺牲探针106。下文更详细地讨论对牺牲探针106的操作。传感器110被布置成用于感测牺牲探针106的与腐蚀相关的物理特性。示例性物理特性包括重量、厚度、刚度、密度、诸如电阻之类的电参数等。传感器110根据包括本文中具体地讨论的那些技术的任何适当的技术操作。传感器110可以直接电连接到和/或物理地连接到牺牲探针106，或可以远程监控牺牲探针106。在一个构造中，牺牲探针106被移除以不暴露给流体104并且然后由传感器110测量。例如，牺牲探针106可以被从过程移除并且使用重量测量天平称重。还可以使用传感器进行非插入式腐蚀测量。例如，牺牲探针106可以被放置在腐蚀性材料内并且被远程测量。远程测量技术的一个示例利用基于超声波的腐蚀测量。传感器110连接到被构造成用于测量传感器110的特性的测量电路120。示例性特性包括电阻、电容、电压等。控制器122连接到测量电路120，并且被构造成用于根据存储在存储器124中的指令操作。然而，控制器可以是诸如简单的比较器的简单电路，或可以包括诸如微处理器的更复杂的电路。基于来自测量电路120的输出，控制器可以通过I/O电路126进行通信，并且提供与如由牺牲探针106感测到的腐蚀速率相关的输出。

图2是牺牲探针106的一示例性构造的透视图。在图2中，牺牲探针106被构造为由多层不同类型的材料组成的膜。具体地，图2的构造图示了六个不同的层150A、150B、150C、150D、150E和150F。在特定的构造中，层150A直接暴露给腐蚀性材料104。逐个层至150F提供了增加的耐腐性。例如，层150A可以包括碳钢，其后是各种类型的材料，如304SS、316SS、316LSS、和钛。该构造提供了一种配置，其中牺牲探针106对腐蚀具有初始较高的敏感性，并且随着各层被腐蚀所述敏感性降低。这增加了探针的寿命，并且在更换探针之前允许探针在敏感性降低的情况下继续操作。还可以使用其它构造，并且各层对腐蚀的敏感性根据需要增加或减少。除了在层之间使用不同的材料，还可以使用不同的厚度和/或形状。

图3示出牺牲探针106的另一示例性实施例。在图3中，加固结构160被提供以增加牺牲探针106的强度并且减小牺牲探针106的弹性。由于结构160相对于它们的体积来说具有相对较大的表面积，因此与牺牲探针106和基部162的体积相比，结构160将以增加的速率腐蚀。该构造在本文中通常地被称为“外壳承载的结构(exostructure)”。图3的构造仅是加固结构中的一个示例性实施例，其可以用于增加牺牲探针106的刚度。在另一示例中，结构160可以由具有不同于牺牲探针106的剩余部分162的电特性的材料形成。例如，结构160可以由具有高于牺牲探针106的基部162的电导率的材料形成。可以使用其它结构，包括工形梁形状、蜂窝图案等。结构160显著增加了牺牲探针106的刚度。如下所述，可以通过向牺牲探针106施加压力并且监测变形的程度来测量刚度。由于结构160提供了接触腐蚀性材料的相对较大的表面积，并且结构160相对较薄，因此结构160将倾向于以比牺牲探针106的剩余部分的更快的速率腐蚀。这提供了对于腐蚀的较高的初始敏感性，因而具有较长的产品寿命。另一示例性构造是在牺牲探针106的侧面具有较大程度开口的表面的结构，该表面暴露给腐蚀性材料并且随着深入到牺牲探针106逐渐变成实心。其它的示例性变化包括使用不同的材料、结构构造和厚度。

典型的腐蚀测量装置在测量均匀性腐蚀时是有效的，但是在进行局部性腐蚀测量时通常不及前者有效。局部性腐蚀具有各种原因，并且难以检测到。局部性腐蚀的一个示例是相对较小的表面积被侵蚀和腐蚀的麻点腐蚀。麻点腐蚀可以在其可见之前的数月或数年开始。然而，在一些强腐蚀性的环境下，严重的麻点腐蚀仅在很少几天内产生在不锈钢中。一旦开始，随着被侵蚀的面积增加，麻点腐蚀以不断增加的速率渗入，易于侵蚀表面。凹点通常在重力方向上生长。使用实心牺牲探针通常不易检测到麻点腐蚀。例如，如果膜的偏转量被用于识别麻点腐蚀，则由于麻点腐蚀引起的卸压面积通常仅可以最低限度地影响膜的刚度。

图4是提供用于测量局部性腐蚀的敏感性增加的牺牲探针106的一示例性构造的透视图。在该构造中，牺牲探针106包括顶部牺牲层170。顶部牺牲层170由从牺牲探针106的基部174延伸的多个柱或其它支撑件172支撑。柱172可以具有提高牺牲探针106的刚度的形状和间距。由于顶部牺牲层170被麻点腐蚀侵蚀，因而刚度上没有显著改变。然而，在一些点处麻点腐蚀将渗透穿过顶部牺牲层170，允许腐蚀性材料接触柱172。这将导致对柱172的迅速腐蚀，并且从而导致牺牲探针106的刚度经历显著的阶跃改变。还可以使用其它的示例，包括不同的材料、不同的层、不同的支撑结构、允许麻点腐蚀促使通过层渗透的不同技术等。上述的柱是用于支撑外层的支撑结构的一个示例。

本文中讨论的示例性构造适用于测量材料损耗的任何腐蚀探针，包括试样以及ER类型探针。该ER探针可以被制造成具有多个材料层。迅速的材料损耗允许探针具有对腐蚀的初始较高敏感性，迅速的材料损耗之后是延长探针寿命的较慢的材料损耗。图4中图示的柱状探针可以被用于检测麻点腐蚀。穿过外层的渗透可以暴露更易受影响的可以快速改变电阻的内层。许多变化可以被施加在用于层、结构、厚度等的构造和材料中。可以使用任何适当的技术来制成这里讨论的各种构造。一个示例性技术使用诸如由3D打印提供的那些累加式制造技术。

如上所述，用于测量牺牲探针106的腐蚀的传感器110的具体方法和技术可以根据任何适当的技术。可以用于测量牺牲探针的腐蚀的一个技术是通过测量牺牲膜的响应于施加压力的偏转。图5是示出用于腐蚀测量系统100中的压力变送器210的简化剖视图。图5的构造用于说明性目的，并且可以不提供最优的性能。变送器210连接到牺牲探针106和如下所述的参考探针198。变送器210包括主体212、法兰213和传感器主体214。变送器电路220被容纳在主体212中，并且用于提供控制器和测量电路，如图1所示。

如图5所示，填充有填充流体224的通道190将牺牲探针连接到隔离膜片248。类似地，参考探针198通过在通道188中容纳的隔离流体226来连接到隔离膜片252。参考探针198可以由基本上不会由于暴露给腐蚀性材料104而腐蚀的材料制成。由于探针106、198形成的膜偏转，因而压力被分别地施加到隔离膜片248和252。这导致压差通过也容纳有隔离填充流体的通道180和182被施加到压差传感器216。由于探针106中的偏转量由于腐蚀而改变，与通过参考探针198施加的压力相关的压力变化可以与探针106的厚度相联系。该压力变化指示由探针106经历的相对于探针198的腐蚀量。可以根据上文讨论的技术制成探针106，以检测全面性腐蚀和/或局部性腐蚀。传感器电路218用于测量压差，并且向变送器电路220提供输出222。变送器电路220可以提供指示腐蚀的局部性输出，或可以，例如，通过二线式过程控制回路、无线连接等向另一位置发送腐蚀信息。

本文中阐述的构造允许用户具有可以基于特定应用的可定制的腐蚀探针。这提供了延长探针的寿命和/或测量麻点腐蚀的能力。可以在探针的寿命期间控制探针精确性和寿命长度之间的权衡。进一步，随着腐蚀从一个区域改变到另一个区域，传感器将输出探针的腐蚀的相对的阶跃改变。这允许确定探针在多大程度上被腐蚀。该信息可以用于校准腐蚀传感器。进一步，当探针的腐蚀从一种材料改变到另一种材料时，应该为了继续的测量精确性更新腐蚀速率校准。与腐蚀速率相关的该校准信息可以被存储在图1示出的存储器124中。

虽然已经参照优选的实施例描述了本实用新型，但是本领域的技术人员将认识到可以在没有脱离本实用新型的精神和范围的情况下对形式和细节进行改变。牺牲探针可以由任何适当的材料、层、层的物理构造等根据需要单独或结合地制成。以上讨论提供了多材料探针、具有外壳承载的结构的探针、柱状牺牲探针和其结合的示例。可以使用任何适当的技术来测量对牺牲探针的腐蚀，包括改变探针的刚度，改变诸如探针的电阻的电参数，探针的重量或其它的技术。虽然具体地图示了压力传感器，但是在一个构造中，传感器110包括ER传感器或感测探针的可以与腐蚀相联系的物理特性的一些其它的传感器。可以根据任何适当的技术生产牺牲探针，包括诸如3D打印的累加式技术。牺牲构造的另一示例性探针可以是诸如音叉的共振结构。在该构造中，探针的共振频率随着探针材料被腐蚀而改变。在一个构造中，牺牲探针是操作为膜的大致平坦的结构。在以上示例中，探针被以一定方式制成，使得探针的腐蚀速率在探针暴露给腐蚀性材料时是非线性的。虽然使用了术语“非线性”，但是可以同样使用其它的术语，其中探针暴露给规定的腐蚀性材料时的腐蚀速率随着腐蚀进行而改变。改变可以是从较快的腐蚀速率到较慢的腐蚀速率，从较慢的腐蚀速率到较快的腐蚀速率，并且还可以包括诸如多个速率改变的中间阶段。

Claims (17)

1.一种腐蚀速率测量系统，其特征在于，该腐蚀速率测量系统包括：

牺牲探针，所述牺牲探针被构造成用于暴露给腐蚀性材料；

传感器，所述传感器被布置成用于检测所述牺牲探针的与腐蚀性材料对所述牺牲探针的腐蚀相关的物理特性；和

测量电路，所述测量电路连接到所述传感器，并且具有指示所述牺牲探针暴露给所述腐蚀性材料的腐蚀速率的输出；

所述牺牲探针被暴露给所述腐蚀性材料时的腐蚀速率是非线性的。

2.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其特征在于，所述牺牲探针包括多层结构。

3.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其特征在于，所述牺牲探针包括外壳承载的结构。

4.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其特征在于，所述牺牲探针包括具有不同的腐蚀速率的多种不同的材料。

5.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其特征在于，所述牺牲探针的刚度响应于腐蚀而改变。

6.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其特征在于，所述牺牲探针被构造成用于检测麻点腐蚀。

7.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其特征在于，所述牺牲探针包括通过支撑结构支撑的外层。

8.根据权利要求7所述的腐蚀速率测量系统，其特征在于，对外层的腐蚀允许所述腐蚀性材料接触所述支撑结构。

9.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其特征在于，所述物理特性包括刚度。

10.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其特征在于，所述物理特性包括电阻。

11.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其特征在于，所述牺牲探针包括多个层，并且所述牺牲探针的暴露给腐蚀性材料的一层具有大于牺牲探针的基层的腐蚀速率。

12.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其特征在于，所述牺牲探针包括增加所述牺牲探针的刚度的结构。

13.根据权利要求12所述的腐蚀速率测量系统，其特征在于，所述结构包括暴露给腐蚀性材料的薄的结构。

14.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其特征在于，所述牺牲探针通过累加式工艺制成。

15.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其特征在于，所述传感器基于施加的压力来测量所述牺牲探针的偏转。

16.根据权利要求15所述的腐蚀速率测量系统，其特征在于，该腐蚀速率测量系统还包括参考探针。

17.根据权利要求1所述的腐蚀速率测量系统，其特征在于，所述传感器测量所述牺牲探针的电阻。