CN116678932A - 一种动态极化电化学腐蚀检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
一种动态极化电化学腐蚀检测装置及方法，电解池内设置有参比电极、辅助电极、工作电极，参比电极和工作电极与恒电位电路模块相连，恒电位电路模块，输入端与电压激励模块相连，输出端与参比电极、辅助电极、工作电极相连，电压激励模块，输入端与主控制器相连，数据采集模块，输入端与辅助电极相连，输出端与主控制器相连，主控制器，用于控制电压激励模块产生以一定规律变化的激励电压，实时监控参比电极的电压并校准参比电极和工作电极之间压差，同时将数据采集模块输入的数据输送到显示模块；显示模块，用于显示激励电压、对应的腐蚀电流、时间。本发明具有检测准确、体积小、操作简单的优点。
Description
技术领域
本发明属于电化学技术领域，具体涉及到一种动态极化电化学腐蚀检测装置及检测方法。
背景技术
随着自动化控制技术的发展，控制和监测技术得到了广泛的发展，其应用领域已经涉及到生活中的方方面面。而电化学腐蚀监测在石油、航空、汽车、建筑等领域都有着广泛的应用，油气管道的腐蚀问题一直存在着巨大的安全隐患和经济损失，目前仍在延用的腐蚀监测方法中，主要还是以腐蚀挂片、电阻探针为主，以及近几年新兴的技术包括氢探针、电化学噪声、场指纹监测以及超声波测厚的方法，在材料保护期刊中2021年6月15日发表的电阻探针技术和挂片失重法腐蚀监测结果的对比分析一文中同时给出了电阻探针和腐蚀挂片的监测方法，现有的腐蚀监测方法中腐蚀挂片的使用最为广泛，需要将其与管道材料相同的挂片安装在相同的腐蚀环境中，需要经过一定周期过后取出材料并进行称重，以此来计算腐蚀速率。这种检测方法成本低廉但所需周期较长，也不能够实现真正意义上的在线实时监测。
电阻探针的监测方法利用两组材料相同的电极，一个将其放在腐蚀介质中，一个将其置于保护状态，两种材料会随着腐蚀的加剧出现阻值上的不同，且此种监测方法体积较大，并不适用于长期复杂的腐蚀监测环境中。氢探针技术只能用在腐蚀中的析氢现象，适用性较差。在材料保护期刊中2020年1月15日发表的超声波在线监测技术在普光气田的应用探究一文中，阐述并进行了实验，该监测方法能够实现在线的实时监测，精度也可直接满足工业要求，但对于管道不够平滑的部分，会造成定位不准，数据会出现紊乱的现象，需要提前安装设备监测并进行长期的测试。
在现有的腐蚀监测方法中，直接测量存在着周期长的问题，间接测量中存在着体积大不能够实现在线的腐蚀监测。所以，需要集成于一种体积小，电路简单，功耗较低的电化学测试***，并且加以封装用于管道的腐蚀监测。目前实验室中所能检测到不同材料在不同浓度溶液中的腐蚀情况，需要用到电化学工作站，且目前所用到的电化学工作站的体积大，重量大，不能够实现井下的腐蚀在线监测，因此开发出一种与电化学工作站中恒电位检测这一功能相同的便携小型设备显得格外重要。
发明内容
本发明所要解决的技术在于克服现有电化学腐蚀监测的缺点，提供一种体积小、结构简单、能够高效、精确地检测材料的腐蚀情况的动态极化电化学腐蚀检测装置及检测方法。
解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种动态极化电化学腐蚀检测装置，包括：主控制器、参比电极、辅助电极、工作电极、电解池、电压激励模块、数据采集模块、显示模块、恒电位电路模块；所述电解池内设置有参比电极、辅助电极、工作电极，工作电极用于使电解池内溶液发生电化学反应，参比电极作为工作电极的参照基准，辅助电极，用于向工作电极传输腐蚀电流；
所述恒电位电路模块，输入端与电压激励模块相连，输出端与参比电极、辅助电极、工作电极相连，用于将电压激励模块给出的激励电压施加在参比电极和工作电极之间并使工作电极与参比电极之间的压差保持恒定；
所述电压激励模块，输入端与主控制器相连，用于产生激励电压；
所述数据采集模块，输入端与工作电极相连，输出端与主控制器相连，用于将工作电极输出的电流信号进行放大并转换成电压信号，然后再转换成数字信号输入到主控制器；
所述主控制器，用于控制电压激励模块产生以一定规律变化的激励电压，实时监控参比电极的电压并校准参比电极和工作电极之间压差，同时将数据采集模块输入的数据输送到显示模块；
所述显示模块，用于显示激励电压、对应的腐蚀电流、时间信息。
作为一种优选的技术方案，所述参比电极为饱和甘汞电极，所述工作电极为圆柱形由待测材料制成，所述辅助电极为铂丝电极，端部有效面积为0.5～0.7cm2，所述工作电极端部有效面积是辅助电极端部有效面积的0.1～0.2倍，所述辅助电极和工作电极分别位于电解池两端。
作为一种优选的技术方案，所述恒电位电路为运算放大器U1的同相输入端接电压激励模块、反相输入端接输出端并通过电阻R1接运算放大器U2的反相输入端，运算放大器U2的反相输入端通过电阻R2接运算放大器U3的反相输入端和输出端，运算放大器U2的同相输入端接地，运算放大器U2的输出端接参比电极，运算放大器U3的同相输入端接辅助电极，运算放大器U4的反相输入端接工作电极并通过电阻R3接输出端、同相输入端接地、输出端通过电容C1接地并接主控制器。
本发明还提供一种动态极化电化学腐蚀检测装置的检测方法，包括以下步骤：
S1.向电解池内加入腐蚀介质溶液，使参比电极、辅助电极、工作电极完全浸入腐蚀介质溶液中，等待一段时间，直到电极与介质达到稳定状态；
S2.从初始电位开始，以线性的方式逐渐增加激励电压，在每个电位点上，等待***达到平衡后，记录辅助电极的电流响应；
S3.将电位作为横坐标，电流作为纵坐标绘制动电位扫描曲线；
S4.分析动电位扫描曲线，识别腐蚀的起始电位即腐蚀电位和临界电位即出现显著电流增加的电位。根据曲线形状和电流值，评估腐蚀速率和腐蚀类型。
本发明的有益效果如下：
本发明的恒电位电路能够提供高精度的腐蚀电流测量，它通过保持工作电极与参比电极之间的恒定电位差，实现对腐蚀电流的准确测量，从而可以获得精确的电流数值，以便评估腐蚀速率和腐蚀程度。恒电位电路能够实时监测腐蚀电流的变化，可以及时发现腐蚀问题的发展趋势和异常情况，这使得可以采取及时的措施来预防腐蚀损害，提高设备和结构的寿命。
本发明采用的恒电位电路测量方法是一种非破坏性的测量方法，不需要直接接触被测物体或结构。它通过使用参比电极与工作电极相比较，测量其间的电位差，而无需对被测物体进行任何物理改变或损伤。这使得被测***在运行过程中进行腐蚀电流的监测，而不会对***的正常运行造成干扰。
本发明结构简单、体积小、方便携带，可以用于在线的管道腐蚀监测。
附图说明
图1是本发明的电路原理方框图。
图2是恒电位电路模块的电子线路原理图。
图3是由该测试***所监测到的塔菲尔腐蚀速率曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于下述的实施方式。
实施例1
在图1中，本实施例的动态极化电化学腐蚀检测装置，包括主控制器、参比电极、辅助电极、工作电极、电解池、电压激励模块、数据采集模块、显示模块、恒电位电路模块。电解池内设置有参比电极、辅助电极、工作电极，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂丝电极，端部有效面积为0.5～0.7cm2，本实施例端部有效面积为0.59cm2，工作电极端部有效面积是辅助电极端部有效面积的0.15倍，也可以是0.1倍，也可以是0.2倍，辅助电极和工作电极分别位于电解池两端，工作电极由待测材料制成，本实施例工作电极为圆柱形的碳素钢电极，工作电极用于使电解池内溶液发生电化学反应，参比电极作为工作电极的参照基准，辅助电极，用于传输腐蚀电流。
恒电位电路模块，输入端与电压激励模块相连，输出端与参比电极、辅助电极、工作电极相连，用于将电压激励模块给出的激励电压施加在参比电极和工作电极之间并使工作电极与参比电极之间的压差保持恒定，由于电解池内溶液发生电化学反应，辅助电极与工作电极导通，辅助电极将产生的腐蚀电流输送到工作电极；电压激励模块，输入端与主控制器相连，用于产生激励电压；数据采集模块，输入端与工作电极相连，输出端与主控制器相连，用于将工作电极输出的电流信号转换成电压信号并进行放大，然后再转换成数字信号输入到主控制器；主控制器，用于控制电压激励模块产生以一定规律变化的激励电压，实时监控参比电极的电压并校准参比电极和工作电极之间压差，使参比电极和工作电极之间压差保持恒定，当出现误差时，采用PID算法调节校正。同时主控制器将数据采集模块输入的电压数据转换成电流数据输送到显示模块；显示模块为触摸屏，用于显示激励电压、对应的腐蚀电流，时间，然后向显示模块输入工作电极的端部有效面积值，则显示模块按照该公式:腐蚀电流密度＝腐蚀电流/工作电极端部有效面积，得到腐蚀电流密度即单位面积上的腐蚀电流。
在图2中，本实施例的恒电位电路由运算放大器U1～运算放大器U4、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电容C1连接构成。运算放大器U1的同相输入端接电压激励模块、反相输入端接输出端并通过电阻R1接运算放大器U2的反相输入端，运算放大器U2的反相输入端通过电阻R2接运算放大器U3的反相输入端和输出端，运算放大器U2的同相输入端接地，运算放大器U2的输出端接参比电极，运算放大器U3的同相输入端接辅助电极，运算放大器U4的反相输入端接工作电极并通过电阻R3接输出端、同相输入端接地、输出端通过电容C1接地并接主控制器。
运算放大器U1的同相输入端接收到激励电压，运算放大器U4同相端接地，在此种状态下工作电极(working electrode，WE)处于“虚地”状态，同相端电压为0，此时也就是工作电极对地电势为0，即保持了工作电极相对于参比电极的电位恒定，也就是激励电压大小。随着电化学反应的进行，极化作用对工作电极的电势产生了显著的影响，从而导致电势出现了明显的偏移，不会一直稳定在所提供的激励电压大小的范围。此时运算放大器U3会呈现出来高阻态，根据运放中所呈现出来的“虚断”特性要求参比电极(referenceelectrode,RE)不流过电流，以确保参比电极和工作电极之间形成一个闭环负反馈***，从而实现对电极的精确控制，从而达到最佳的工作效果。工作电极发生的电压偏移现象会随着电压跟随器作用在运算放大器U1的反相端,使得溶液中所发生的极化现象得到改善。在激励电压的第一级电路中增加了运算放大器U2，提高整个电路的驱动能力。整个电路中检测电流的运放的选择最大偏置电流达到100pA,需检测的电流大小为μA级别，完全符合要求。
本实施例动态极化电化学腐蚀检测装置的检测方法，包括以下步骤：
S1.向电解池内加入腐蚀介质溶液，本实施例的腐蚀介质溶液为蒸馏水+1wt％NaCl溶液，使参比电极、辅助电极、工作电极完全浸入腐蚀介质溶液中，等待一段时间，直到电极与介质达到稳定状态；
S2.从初始电位开始，以线性的方式逐渐增加激励电压，本实施例以每秒增加10mV增加激励电压，在每个电位点上，等待***达到平衡后，记录辅助电极的电流响应；
S3.将电位作为横坐标，电流作为纵坐标绘制动电位扫描曲线；
S4.分析动电位扫描曲线，识别腐蚀的起始电位即腐蚀电位和临界电位即出现显著电流增加的电位。根据曲线形状和电流值，评估腐蚀速率和腐蚀类型。
本实施例动态极化电化学腐蚀检测装置最大电位和最小电位对应的电流密度分别为8.58×10-3A/cm2(E＝1.5V)2.03×10-3A/cm2(E＝-1.5V)，本实施例动态极化电化学腐蚀检测装置在常规静止的腐蚀环境中工作较为稳定，无明显数据偏移和指向性***误差。数据对于阴极、阳极塔菲尔曲线拟合结果影响较小，如图3。由此可见，本发明动态极化电化学腐蚀检测装置在有限空间、供电不足条件下，也可以用于管壁的腐蚀监测，提供定期的腐蚀速率结果，本发明具有灵敏度高、检测准确的优点。
Claims (4)
1.一种动态极化电化学腐蚀检测装置，其特征在于，包括：主控制器、参比电极、辅助电极、工作电极、电解池、电压激励模块、数据采集模块、显示模块、恒电位电路模块；所述电解池内设置有参比电极、辅助电极、工作电极，工作电极用于使电解池内溶液发生电化学反应，参比电极作为工作电极的参照基准，辅助电极，用于向工作电极传输腐蚀电流；
所述恒电位电路模块，输入端与电压激励模块相连，输出端与参比电极、辅助电极、工作电极相连，用于将电压激励模块给出的激励电压施加在参比电极和工作电极之间并使工作电极与参比电极之间的压差保持恒定；
所述电压激励模块，输入端与主控制器相连，用于产生激励电压；
所述数据采集模块，输入端与工作电极相连，输出端与主控制器相连，用于将工作电极输出的电流信号进行放大并转换成电压信号，然后再转换成数字信号输入到主控制器；
所述主控制器，用于控制电压激励模块产生以一定规律变化的激励电压，实时监控参比电极的电压并校准参比电极和工作电极之间压差，同时将数据采集模块输入的数据输送到显示模块；
所述显示模块，用于显示激励电压、对应的腐蚀电流、时间信息。
2.根据权利要求1所述动态极化电化学腐蚀检测装置，其特征在于，所述参比电极为饱和甘汞电极，所述工作电极为圆柱形由待测材料制成，所述辅助电极为铂丝电极，端部有效面积为0.5～0.7cm2，所述工作电极端部有效面积是辅助电极端部有效面积的0.1～0.2倍，所述辅助电极和工作电极分别位于电解池两端。
3.根据权利要求1所述动态极化电化学腐蚀检测装置的检测方法，其特征在于，所述恒电位电路为运算放大器U1的同相输入端接电压激励模块、反相输入端接输出端并通过电阻R1接运算放大器U2的反相输入端，运算放大器U2的反相输入端通过电阻R2接运算放大器U3的反相输入端和输出端，运算放大器U2的同相输入端接地，运算放大器U2的输出端接参比电极，运算放大器U3的同相输入端接辅助电极，运算放大器U4的反相输入端接工作电极并通过电阻R3接输出端、同相输入端接地、输出端通过电容C1接地并接主控制器。
4.根据权利要求1所述动态极化电化学腐蚀检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.向电解池内加入腐蚀介质溶液，使参比电极、辅助电极、工作电极完全浸入腐蚀介质溶液中，等待一段时间，直到电极与介质达到稳定状态；
S2.从初始电位开始，以线性的方式逐渐增加激励电压，在每个电位点上，等待***达到平衡后，记录辅助电极的电流响应；
S3.将电位作为横坐标，电流作为纵坐标绘制动电位扫描曲线；
S4.分析动电位扫描曲线，识别腐蚀的起始电位即腐蚀电位和临界电位即出现显著电流增加的电位，根据曲线形状和电流值，评估腐蚀速率和腐蚀类型。
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