CN105223129A - 一种铁及其合金腐蚀过程中的溶液化学自动控制装置及其使用方法 - Google Patents

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钟显康
扈俊颖
张智
曾德智
施太和
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Abstract

本发明提供一种铁及其合金腐蚀过程中的溶液化学自动控制装置及其使用方法，属于材料腐蚀与控制领域，它实现了铁及其合金在腐蚀过程中的pH和铁离子/亚铁离子浓度的自动控制。该装置由pH控制模块和铁离子/亚铁离子浓度控制模块构成，主要构件包括离子交换树脂、稳流泵、pH控制器、计时控制器、pH探头、实验样品等。本装置通过离子交换产生的氢离子来中和铁及其合金腐蚀过程中产生的氢氧根离子，并由pH控制器控制稳流泵的通/断，实现pH的自动控制；同时，通过离子交换吸收腐蚀过程中产生的铁离子/亚铁离子，以铁离子/亚铁离子浓度的实时测定结果为参照，采用计时控制器调整稳流泵的通/断时间比，实现铁离子/亚铁离子浓度的自动控制。

Description

一种铁及其合金腐蚀过程中的溶液化学自动控制装置及其使用方法
技术领域
本发明涉及材料腐蚀与控制领域，可推广应用于腐蚀过程监测、腐蚀过程室内模拟、腐蚀产物膜生长过程控制等。
背景技术
铁及铁合金的腐蚀是一种存在于生产生活中的普遍现象。铁及铁合金腐蚀的主要阳极反应为铁的溶解，铁溶解后形成铁离子和/或亚铁离子，导致溶液中的铁离子和/或亚铁离子浓度增加；主要阴极反应为氧还原和溶液中氢离子还原，这两个反应都会造成溶液pH升高。
铁离子和亚铁离子浓度，以及pH是影响腐蚀产物膜形成的关键因素，而腐蚀产物膜决定了铁及合金的腐蚀速率变化趋势。例如，铁及铁合金在二氧化碳腐蚀环境中，亚铁离子浓度和pH直接影响到金属表面碳酸亚铁膜的生长速率以及膜的致密度，从而影响腐蚀的发展过程。对于一个封闭的腐蚀体系，随着腐蚀的进行，pH和铁离子及亚铁离子浓度较初始状态都会增加；然而，对于一个开放体系，比如，油气开采、集输管线的腐蚀体系，管道中总是有新鲜的流体从某一点流过，因此，对于某一点来讲，其腐蚀过程中的溶液化学(pH和亚铁离子浓度)变化并不大。因此，封闭腐蚀体系和开放腐蚀体系的腐蚀行为应该存在显著差异。
但是，几乎所有的实验室模拟实验都是在封闭腐蚀体系中进行的，如比如高压反应釜，玻璃烧瓶等。这就造成了实验室模拟结果和现场腐蚀数据的明显差异。特别是基于实验数据建立的腐蚀模型与现场的腐蚀行为并不匹配。
因此，为了更好地模拟现场腐蚀行为，目前的解决方案是采用大型的环路实验装置，然后，这些装置不仅运行成本高，而且实验效率地下，因此，发明一种经济、且能控制腐蚀过程中溶液的pH和铁离子/亚铁离子浓度的小型实验装置具有重要现实意义。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供一种控制铁及铁合金腐蚀过程中pH、铁离子/亚铁离子浓度的实验装置及其使用方法。
本发明的技术解决方案是：pH自动控制模块和铁离子/亚铁离子浓度自动控制模块：
所述pH自动控制模块，用于实现铁及其合金腐蚀过程中pH的自动控制；用不锈钢导管(1)依次连接液体容器(7)，离子交换柱(2)、稳流泵(3)、体容器(7)，形成pH控制环路；pH探头(5)用于监测液体容器(7)中溶液的pH；pH控制器(4)用于设定pH范围、实时监测液体容器(7)中溶液的pH、发送命令控制稳流泵(3)的通/断，当液体容器(7)中的溶液pH在设定范围内时，稳流泵处于关闭状态；当液体容器(7)中的溶液pH高于设定范围上限时，稳流泵(3)运行，离子交换柱(2)中的氢型离子交换树脂与溶液中的阳离子发生离子交换，氢离子随溶液进入液体容器(7)，直至液体容器(7)中的溶液pH回到设定范围，稳流泵(3)关闭。
所述铁离子/亚铁离子浓度自动控制模块，用于实现铁及其合金腐蚀过程中溶液中的铁离子和亚铁离子浓度的自动控制；用不锈钢导管(1)依次连接液体容器(7)、离子交换柱(8)、稳流泵(9)和液体容器(7)，形成另一个环路；计时控制器(10)用于控制稳流泵(9)的通/断，通过实时测定液体容器(7)中的铁离子/亚铁离子浓度(总铁浓度)来设定或调整计时控制器中稳流泵的通/断时间比；稳流泵开启时，液体容器中的溶液流经离子交换柱，钠型或钾型离子交换树脂与溶液中的铁离子/亚铁离子进行离子交换，铁离子/亚铁离子被离子交换树脂吸收，从而降低溶液中的铁离子/亚铁离子浓度；稳流泵关闭时，离子交换停止，液体容器(7)中的铁离子/亚铁离子浓度随着腐蚀的进行而升高；通过计时控制器(10)对稳流泵(9)的通/断循环控制，实现液体容器(7)中的铁离子/亚铁离子浓度自动调节。
铁及其合金腐蚀过程中的溶液化学自动控制装置的使用方法，包括下列步骤：
a.将铁或铁合金样品(6)固定在液体容器(7)中，放入腐蚀性液体，确保样品完全浸没在腐蚀液体中；
b.将pH探头(5)固定在液体容器(7)中，并使探头浸入腐蚀液体中；
c.将氢型交换树脂和钠型或钾型离子交换树脂分别装入离子交换柱(2)和(8)中；
d.用不锈钢导管(1)依次连接液体容器(7)、稳流泵(3)、离子交换柱(2)、液体容器(7)；
e.用不锈钢导管(1)依次连接液体容器(7)、稳流泵(9)、离子交换柱(8)、液体容器(7)；
f.用数据线连接pH探头(5)和pH控制器(4)，并用数据线连接pH控制器(4)和稳流泵(3)；
g.在pH控制器(4)中设定需要控制的pH范围；
h.当液体容器(7)中的溶液pH高于设定范围上限时，稳流泵(3)运行，直至液体容器(7)中的溶液pH回到设定范围，稳流泵(3)关闭；
i.在计时控制器(10)中设定稳流泵(9)的通/断时间比；
j.当稳流泵(9)开启时，离子交换过程发生，液体容器(7)中的亚铁离子/铁离子总浓度降低，当稳流泵(9)关闭时，离子交换停止，随着样品(6)的腐蚀，溶液中铁离子/铁离子总浓度升高；
k.测定液体容器(7)中亚铁离子/铁离子总浓度，调整稳流泵(9)的通/断时间比例；
l.在计时控制器(10)的控制下，实现稳流泵(9)的通/断循环，从而实现液体容器中溶液的铁离子/铁离子总浓度自动控制。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
a.本发明能精确控制铁及铁合金腐蚀过程中的pH，和铁离子/亚铁离子浓度；
b.本发明适用于开放腐蚀体系的模拟实验；
c.本发明可以用于腐蚀产物膜的生长动力学研究。
附图说明
图1是本发明控制***的结构原理图；
具体实施方式
如图1说明了本发明的自动控制***的结果原理。本***包括pH自动控制模块和铁离子/亚铁离子浓度自动控制两个部分：
所述pH自动控制模块，用于实现铁及其合金腐蚀过程中pH的自动控制；用不锈钢导管(1)依次连接液体容器(7)，离子交换柱(2)和稳流泵(3)；pH探头(5)用于监测液体容器(7)中溶液的pH；pH控制器(4)用于设定pH范围、实时监测液体容器(7)中溶液的pH、发送命令控制稳流泵(3)的通/断，当液体容器(7)中的溶液pH在设定范围内时，稳流泵处于关闭状态；当液体容器(7)中的溶液pH高于设定范围上限时，稳流泵(3)运行，离子交换柱(2)中的氢型离子交换树脂与溶液中的阳离子发生离子交换，氢离子随溶液进入液体容器(7)，直至液体容器(7)中的溶液pH回到设定范围，稳流泵(3)关闭。
所述铁离子/亚铁离子浓度自动控制模块，用于实现铁及其合金腐蚀过程中溶液中的铁离子和亚铁离子浓度的自动控制；用不锈钢导管(1)依次连接液体容器(7)，离子交换柱(8)和稳流泵(9)；计时控制器(10)用于控制稳流泵(9)的通/断，通过实时测定液体容器(7)中的铁离子/亚铁离子浓度(总铁浓度)来设定或调整计时控制器中的通/断时间比；稳流泵开启时，液体容器中的溶液流经离子交换柱，钠型或钾型离子交换树脂与溶液中的铁离子/亚铁离子进行离子交换，铁离子/亚铁离子被离子交换树脂吸收，从而降低溶液中的铁离子/亚铁离子浓度；稳流泵关闭时，离子交换停止，液体容器(7)中的铁离子/亚铁离子浓度随着腐蚀的进行而升高；通过计时控制器(10)对稳流泵(9)的通/断循环控制，实现液体容器(7)中的铁离子/亚铁离子浓度自动调节。
本***的使用具体步骤如下：
将铁或铁合金样品(6)固定在液体容器(7)中，放入腐蚀性液体，确保样品完全浸没在腐蚀液体中；将pH探头(5)固定在液体容器(7)中，并使探头浸入腐蚀液体中；将氢型交换树脂和钠型或钾型离子交换树脂分别装入离子交换柱(2)和(8)中；用不锈钢导管(1)依次连接液体容器(7)、稳流泵(3)、离子交换柱(2)、液体容器(7)；用不锈钢导管(1)依次连接液体容器(7)、稳流泵(9)、离子交换柱(8)、液体容器(7)；用数据线连接pH探头(5)和pH控制器(4)，并用数据线连接pH控制器(4)和稳流泵(3)；在pH控制器(4)中设定需要控制的pH范围；当液体容器(7)中的溶液pH高于设定范围上限时，稳流泵(3)运行，直至液体容器(7)中的溶液pH回到设定范围，稳流泵(3)关闭；在计时控制器(10)中设定稳流泵(9)的通/断时间比；当稳流泵(9)开启时，离子交换过程发生，液体容器(7)中的亚铁离子/铁离子总浓度降低，当稳流泵(9)关闭时，离子交换停止，随着样品(6)的腐蚀，溶液中铁离子/铁离子总浓度升高；测定液体容器(7)中亚铁离子/铁离子总浓度，调整稳流泵(9)的通/断时间比例；在计时控制器(10)的控制下，实现稳流泵(9)的通/断循环，从而实现液体容器中溶液的铁离子/铁离子总浓度自动控制。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.铁及其合金腐蚀过程中的溶液化学自动控制装置，其特征在于：包括pH自动控制模块和铁离子/亚铁离子浓度自动控制模块两个部分：
所述pH自动控制模块，用于实现铁及其合金腐蚀过程中pH的自动控制；用不锈钢导管(1)依次连接液体容器(7)，离子交换柱(2)、稳流泵(3)和体容器(7)，组成pH控制环路；pH探头(5)用于监测液体容器(7)中溶液的pH；pH控制器(4)用于设定pH范围、实时监测液体容器(7)中溶液的pH、发送命令控制稳流泵(3)的通/断，当液体容器(7)中的溶液pH在设定范围内时，稳流泵处于关闭状态；当液体容器(7)中的溶液pH高于设定范围上限时，稳流泵(3)运行，离子交换柱(2)中的氢型离子交换树脂与溶液中的阳离子发生离子交换，氢离子随溶液进入液体容器(7)，直至液体容器(7)中的溶液pH回到设定范围，稳流泵(3)关闭；
所述铁离子/亚铁离子浓度自动控制模块，用于实现铁及其合金腐蚀过程中溶液中的铁离子和亚铁离子浓度的自动控制；用不锈钢导管(1)依次连接液体容器(7)，离子交换柱(8)、稳流泵(9)和液体容器(7)，组成铁离子/亚铁离子浓度自动控制环路；计时控制器(10)用于控制稳流泵(9)的通/断，通过实时测定液体容器(7)中的铁离子/亚铁离子浓度(总铁浓度)来设定或调整计时控制器中稳流泵的通/断时间比；稳流泵开启时，液体容器中的溶液流经离子交换柱，钠型或钾型离子交换树脂与溶液中的铁离子/亚铁离子进行离子交换，铁离子/亚铁离子被离子交换树脂吸收；稳流泵关闭时，离子交换停止；通过计时控制器(10)对稳流泵(9)的通/断循环控制，实现液体容器(7)中的铁离子/亚铁离子浓度自动调节。
2.铁及其合金腐蚀过程中的溶液化学自动控制装置的使用方法，其特征在于包括下列步骤：
a.将铁或铁合金样品(6)固定在液体容器(7)中，加入腐蚀性液体，确保样品完全浸没在腐蚀液体中；
b.将pH探头(5)固定在液体容器(7)中，并使探头浸入腐蚀液体中；
c.将氢离子型交换树脂、钠型或钾型离子交换树脂分别装入离子交换柱(2)和(8)中；
d.用不锈钢导管(1)依次连接液体容器(7)、稳流泵(3)、离子交换柱(2)、液体容器(7)，组成pH控制环路；
e.用不锈钢导管(1)依次连接液体容器(7)、稳流泵(9)、离子交换柱(8)、液体容器(7)，组成铁离子/亚铁离子浓度控制环路；
f.用数据线连接pH探头(5)和pH控制器(4)，并用数据线连接pH控制器(4)和稳流泵(3)；
g.在pH控制器(4)中设定需要控制的pH范围；
h.当液体容器(7)中的溶液pH高于设定范围上限时，稳流泵(3)运行，直至液体容器(7)中的溶液pH回到设定范围，稳流泵(3)关闭；
i.在计时控制器(10)中设定稳流泵(9)的通/断时间比；
j.当稳流泵(9)开启时，离子交换过程发生，当稳流泵(9)关闭时，离子交换停止；
k.测定液体容器(7)中铁离子/亚铁离子总浓度，并根据测定结果调整计时控制器中稳流泵(9)的通/断时间比例；
l.在计时控制器(10)的控制下，实现稳流泵(9)的通/断循环，从而实现液体容器中溶液的铁离子/铁离子总浓度自动控制。
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