CN103149146A

CN103149146A - 一种用于监测工业设备腐蚀的多功能腐蚀监测探头

Info

Publication number: CN103149146A
Application number: CN2013100444012A
Authority: CN
Inventors: 林昌健; 伍运昌; 董士刚
Original assignee: XIAMEN LE GANG MATERIALS TECHNOLOGY Co Ltd; Xiamen University
Current assignee: XIAMEN LE GANG MATERIALS TECHNOLOGY Co Ltd; Xiamen University
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2013-06-12

Abstract

一种用于监测工业设备腐蚀的多功能腐蚀监测探头，涉及腐蚀电化学监测设备。设中心电极和n支环绕电极，n支环绕电极设于中心电极周围，中心电极与n支环绕电极由绝缘材料包封，中心电极和n支环绕电极的下端分别设连接导线，绝缘材料外侧设有外壳，n为≥2的整数。可应用极化电阻、交流阻抗、循环伏安等多种电化学测量技术在线实时监测工业设备的腐蚀状态。可用于在线实时监测服役中的水溶液环境下工业设备的腐蚀速度、腐蚀电位、极化电阻、交流阻抗和金属溶解浓度等腐蚀电化学参数，实时全面地评估生产中的工业设备的腐蚀状态。特别适用于对冷凝塔、换热器、精馏塔、各种反应器、输液管道等大型工业设备服役安全进行长期跟踪监测。

Description

一种用于监测工业设备腐蚀的多功能腐蚀监测探头

技术领域

本发明涉及腐蚀电化学监测设备，尤其是涉及一种用于监测工业设备腐蚀的多功能腐蚀监测探头。

背景技术

工业生产工况复杂，环境多变，工业设备易发生腐蚀。而工业设备的腐蚀往往会降低生产效率、造成重大经济损失，甚至引发严重的突发事故。如能采用有效的在线实时腐蚀监测技术，对工业设备的一些关键部位进行全程跟踪监测，及时了解其腐蚀状态，对工业设备的科学维护、优化生产工艺、提高生产效率以及安全生产有重大的实际意义。

国内外传统监测工业设备腐蚀有挂片失重、定点测厚、声波探伤、化学分析等方法，但这些方法都难以在线实时地监测工业设备的腐蚀状态。目前，国内外采用电阻探针、极化曲线技术交流阻抗对工业设备的腐蚀进行在线实时地监测。例如杨景林等人（中国专利CN201697859U）发明的管道土壤传感器；曹洁玉等人（中国专利CN1590981）用与热交换管相同的材质制作探针监测热交换管的腐蚀状态；苗健等人（中国专利CN201060160）制作的在线腐蚀监测探针能够将挂片法和电阻法应用在一起；郭兴蓬等人（中国专利CN102128784A）等发明了电偶电化学噪声腐蚀监测探针能够灵敏地得到金属局部腐蚀的信息；但是均无法同时监测工业设备的腐蚀电位、腐蚀电流、极化电阻、交流阻抗等腐蚀电化学参数的更全面的信息。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于监测工业设备腐蚀的多功能腐蚀监测探头。

本发明设有中心电极和n支环绕电极，所述n支环绕电极设于中心电极周围，所述中心电极与n支环绕电极由绝缘材料包封，所述中心电极和n支环绕电极的下端分别设连接导线，绝缘材料外侧设有外壳，n为≥2的整数。

所述中心电极的材质可采用碳钢、不锈钢、铜、铝等金属或合金，所述中心电极的直径可为1～20mm，长度为3～30mm；所述中心电极可采用碳钢圆柱形电极，碳钢圆柱形电极的直径可为3～8mm，长度可为5～15mm。

所述环绕电极可采用各种惰性贵金属材料或石墨制作；所述各种惰性贵金属可选自铂、铱、钯、金、钛等或其合金，环绕电极的直径可为0.2～5mm，长度可为3～30mm；所述环绕电极可优选铂丝电极，铂丝电极的直径可为0.5～2mm，长度可为3～12mm。

n可为偶数，所述环绕电极最好对称设于中心电极周围。

所述中心电极与连接导线可通过焊接相连接；所述环绕电极与连接导线可通过焊接相连接，用绝缘材料密封其焊接部位。

所述绝缘材料可选自环氧树脂、硅橡胶、二氧化硅、陶瓷、塑料、聚四乙烯等中的一种。

所述外壳可采用不锈钢外壳、塑料外壳或聚四氟乙烯外壳等。

本发明集成了中心电极和周围环绕电极；可应用极化电阻、交流阻抗、循环伏安等多种电化学测量技术在线实时监测工业设备的腐蚀状态。本发明可用于在线实时监测服役中的水溶液环境下工业设备的腐蚀速度、腐蚀电位、极化电阻、交流阻抗和金属溶解浓度等腐蚀电化学参数，实时全面地评估生产中的工业设备的腐蚀状态。特别适用于对冷凝塔、换热器、精馏塔、各种反应器、输液管道等大型工业设备服役安全进行长期跟踪监测。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。

图2为不同浓度的FeSO₄溶液的循环伏安曲线。在图2中，a为0.0005M，b为0.001M，c为0.0025M，d为0.005M，e为0.0075M，f为0.01M，g为0.05M。

图3为图2的局部放大图。在图3中，a为0.0005M，b为0.001M，c为0.0025M，d为0.005M，e为0.0075M，f为0.01M，g为0.05M。

图4为各种浓度FeSO₄溶液循环伏安曲线的氧化峰电流和Fe²⁺浓度的关系。

图5为各种浓度FeSO₄溶液循环伏安曲线的还原峰电流和Fe²⁺浓度的关系。

图6为以20#为材质的中心电极在不同浓度Na₂S溶液中的交流阻抗谱图。在图5中，a为0.01mol·L^-1，b为0.001mol·L^-1，c为0.0001mol·L^-1，d为0.00001mol·L^-1。

图7为以20#为材质的中心电极在不同浓度Na₂S溶液中的极化曲线。在图6中，标记■为0.00001mol·L^-1，●为0.0001mol·L^-1，▲为0.001mol·L^-1，

为0.01mol·L^-1。

具体实施方式

以下结合附图和应用实施例对本发明作进一步说明。

参见图1，本发明实施例设有中心电极1和4支环绕电极2，所述4支环绕电极2对称设于中心电极1周围，所述中心电极1与4支环绕电极2由绝缘材料3包封，所述中心电极1和4支环绕电极2的下端分别设连接导线4，绝缘材料3外侧设有外壳5。

所述中心电极1采用碳钢圆柱形电极，碳钢圆柱形电极的直径可为3～8mm，长度可为5～15mm。

所述环绕电极2采用铂丝电极，铂丝电极的直径可为0.5～2mm，长度可为3～12mm。

所述中心电极1与连接导线4通过焊接相连接；所述环绕电极2与连接导线4通过焊接相连接，用绝缘材料3密封其焊接部位。

所述绝缘材料3采用环氧树脂。

所述外壳5采用不锈钢外壳。

本发明实施例制作过程如下：

中心电极的制备：选取与待监测工业设备相同的材质，如碳钢、不锈钢、铜等各种金属与合金，加工成一定直径为1～20mm，长度为3～30mm的圆柱体，将圆柱体的一端截面连接导线，另一端截面作为工作面，经金相砂纸打磨、无水乙醇和纯水清洗。

周围环绕电极的制备：取直径为0.2～5mm，长度为3～30mm铂丝或是铱丝、铂铱合金、石墨、钛丝，一端连接导线，然后用无水乙醇和纯水清洗。

将上述的中心电极和周围环绕电极按一定的分布和尺寸要求包封固定在圆柱状的绝缘材料环氧树脂中（周围环绕电极可以有2支、4支、6支、8支、10支或更多，对称分布在中心电极的周围）。用金相砂纸打磨环氧树脂的一端，露出各电极的平整截面，再用无水乙醇和纯水超声清洗。环氧树脂的另一端露出与电极相连的导线。

可选择工作电极和辅助电极，如果以中心电极作为工作电极，周围环绕电极作为辅助电极，可以用线性极化和交流阻抗的技术来测量待监测金属的腐蚀速率、腐蚀电位、极化电阻、交流阻抗等腐蚀电化学参数；也可以部分周围环绕电极作为工作电极，以其余环绕电极作为辅助电极，用循环伏安的技术测量溶液中的金属离子浓度。

以下给出用于监测工业设备腐蚀的多功能腐蚀监测探头的具体制作过程：

截取20#碳钢加工成长10mm，直径5mm的圆柱体作为中心电极；截取4支长4mm，直径1mm的铂丝为周围环绕电极。每支电极的一端都焊接上长约10cm的铜导线。将4支铂丝电极均匀分布在碳钢电极周围，用环氧树脂包封成圆柱体，环氧树脂的一端露出上述各电极的截面，另一端露出连接各电极的铜导线，如图1所示。金相砂纸将各电极截面打磨平整，再用无水乙醇和纯水超声清洗。

Fe2+浓度的测定：配制浓度分别为5×10^-4M、1×10^-3M、2.5×10^-3M、5×10^-3M、7.5×10^-3M、1×10^-2M、5×10^-2M的FeSO₄溶液，在溶液中加少量H₂SO₄防止Fe²⁺水解氧化，（本实施例中溶液中H₂SO₄的浓度都为0.001M），配制的溶液通入N₂除氧。测量仪器为AUTOLAB电化学工作站，以多功能腐蚀监测探头的两支周围环绕电极作为工作电极，其余两支作为对电极，饱和甘汞电极作为参比电极，扫描不同溶液的循环伏安曲线。扫描循环伏安曲线的条件如下：扫描范围大致为相对开路电位±0.4V，扫描速度100mV/s。不同浓度的FeSO₄溶液的循环伏安曲线参见图2和3。

图4显示了几种不同浓度的FeSO₄溶液的CV曲线。图5显示了CV曲线的氧化峰电流和FeSO₄溶液浓度的数量关系。图6显示了CV曲线的还原峰电流和FeSO₄溶液浓度的数量关系。从图得出氧化峰电流和还原峰电流和FeSO₄浓度有很好的线性关系。Fe²⁺浓度和峰电流的关系的工作曲线可以用以下两个方程表示：i_pa=1890C+3.9802；

i_pc=1500C+3.5155；

i_pa：氧化峰电流，μA

i_pc：还原峰电流，μA

C：Fe²⁺浓度，mol/L

根据此方程可确定溶液中金属溶解量或金属腐蚀速度。

金属腐蚀状态的监测：

将上述探头用金相砂纸打磨，露出光洁的电极表面，再用无水乙醇和纯水超声。配制不同浓度的Na₂S溶液，以20#碳钢中心电极为工作电极，以周围的四支铂丝电极为对电极，饱和甘汞为参比电极，测量仪器为AUTOLAB电化学工作站，采用线性极化和交流阻抗的技术研究20#碳钢在Na₂S溶液中的腐蚀行为。图6为20#碳钢电极的极化曲线，图7为20#碳钢电极的交流阻抗谱图。

电极在不同浓度Na2S溶液中的腐蚀电位、腐蚀电流、极化电阻和阻抗见表1。

表1

Na₂S浓度/mol·L^-1	0.00001	0.0001	0.001	0.01
					腐蚀电位/mV	-0.725	-0.746	-0.763	-0.780
腐蚀电流密度/μA·cm^-2	3.115	1.059	1.950	1.006
					极化电阻/KΩ	5.75	6.95	4.74	6.43
电荷转移电阻/KΩ	4.00	3.40	2.37	3.96

由表1可看出20#碳钢电极的腐蚀电位、腐蚀电流、极化电阻、阻抗等腐蚀电化学参数受S^2-浓度的影响。

由此可知制作的多功能腐蚀监测探头可用于监测工业设备的腐蚀电位、腐蚀电流、极化电阻、阻抗和金属的溶解浓度，将此探头用于在线腐蚀监测***可全面、实时、精准评价工业设备腐蚀浓度及安全性。

Claims

1.一种用于监测工业设备腐蚀的多功能腐蚀监测探头，其特征在于设有中心电极和n支环绕电极，所述n支环绕电极设于中心电极周围，所述中心电极与n支环绕电极由绝缘材料包封，所述中心电极和n支环绕电极的下端分别设连接导线，绝缘材料外侧设有外壳，n为≥2的整数。

2.如权利要求1所述一种用于监测工业设备腐蚀的多功能腐蚀监测探头，其特征在于所述中心电极的材质采用碳钢、不锈钢、铜、铝或合金。

3.如权利要求1所述一种用于监测工业设备腐蚀的多功能腐蚀监测探头，其特征在于所述中心电极的直径为1～20mm，长度3～30mm。

4.如权利要求1所述一种用于监测工业设备腐蚀的多功能腐蚀监测探头，其特征在于所述中心电极采用碳钢圆柱形电极，碳钢圆柱形电极的直径为3～8mm，长度为5～15mm。

5.如权利要求1所述一种用于监测工业设备腐蚀的多功能腐蚀监测探头，其特征在于所述环绕电极采用惰性贵金属材料或石墨制作；所述惰性贵金属选自铂、铱、钯、金、钛或其合金，环绕电极的直径可为0.2～5mm，长度可为3～30mm。

6.如权利要求1所述一种用于监测工业设备腐蚀的多功能腐蚀监测探头，其特征在于所述环绕电极为铂丝电极，铂丝电极的直径为0.5～2mm，长度为3～12mm。

7.如权利要求1所述一种用于监测工业设备腐蚀的多功能腐蚀监测探头，其特征在于n为偶数，所述环绕电极对称设于中心电极周围。

8.如权利要求1所述一种用于监测工业设备腐蚀的多功能腐蚀监测探头，其特征在于所述中心电极与连接导线通过焊接相连接；所述环绕电极与连接导线通过焊接相连接，用绝缘材料密封其焊接部位。

9.如权利要求1所述一种用于监测工业设备腐蚀的多功能腐蚀监测探头，其特征在于所述绝缘材料选自环氧树脂、硅橡胶、二氧化硅、陶瓷、塑料、聚四乙烯中的一种。

10.如权利要求1所述一种用于监测工业设备腐蚀的多功能腐蚀监测探头，其特征在于所述外壳采用不锈钢外壳、塑料外壳或聚四氟乙烯外壳。