专利名称：一种应用于旋转式单相流冲蚀试验的电化学测试方法
技术领域：
本发明涉及冲蚀试验的电化学测试方法，具体地说是涉及一种应用于旋转式单相流冲蚀试验的电化学测试方法。
背景技术：
流体管道是在一定压力下运输流体的特种设备，已成为与公路、铁路、水运和航空并列的五大运输方式之一，广泛应用于原油、天然气、自来水、城市液化气以及流程工业领域中各种流体物料的输送。流体管道在国民经济中应用广泛，但腐蚀性多相流对管道系统的冲蚀失效具有明显的局部性和突发性，安全风险很大。
管道的腐蚀，不仅会造成因穿孔而引起的油、气跑漏损失以及由于维修所带来的材料和人力的浪费，而且还可能因腐蚀穿孔引起火灾。尤其是高压输气管道，一旦破裂，压缩气体迅速膨胀，释放大量的能量，引起爆炸。在油库和加油站人员比较集中的环境，造成巨大的经济损失、环境污染的同时，还直接威胁人身安全。因此，流体管道的安全研究意义重大。
管道失效的形式多样，机理复杂，如材料缺陷、腐蚀、外力破坏等，其中冲蚀破坏引起的腐蚀失效是管道系统中最广泛也是常见的破坏形式。冲蚀磨损是一个很复杂的过程，影响因素很多，其中最重要的方面就是电化学因素，包括腐蚀介质的浓度、温度、pH值、溶氧量，各种活性离子的浓度。管道中混有水，很容易与管壁形成电化学腐蚀。而如何用有效的避免电化学腐蚀或者降低它带来的不稳定因素，显得非常重要。
针对目前石油化工、天然气输送领域存在的堵蚀或冲蚀问题，进一步研究管道的堵蚀冲蚀机理，存在的不足之处主要在于(1)目前我国进行冲蚀试验的机理不够深入，相关设备测试的时间较长，实验结果难以推广工程应用。
(2)测试方法单一；国内外学者的冲蚀试验通常将金属试件放进腐蚀介质中，通过提高流速或转速，通过称重的方法静态测试金属的损失量，无法实现流体冲蚀破坏的临界值的瞬态特性研究。
本发明所提供的电化学测试方法对试件进行模拟实际工况的试验以揭示各种参数对材料冲蚀性能的影响规律，以及冲刷与腐蚀的交互作用，对研制新型耐冲蚀合金及其失效规律研究，具有非常重要的现实意义和可观的经济价值。
发明内容
针对国内外冲蚀试验测试方法存在的不足，本发明的目的在于提供一种应用于旋转式单相流冲蚀试验装置的电化学测试方法，通过工作电极的保护膜预制，腐蚀电流或阻抗的测试，分析腐蚀与流动耦合作用的冲蚀破坏的瞬态特性。根据电流或阻抗等电化学参数的突变实时检测材料冲蚀破坏临界值及超临界以后的腐蚀特性。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是该方法的步骤如下1)根据试验要求的材料与尺寸加工制成工作电极，并将其表面用金相砂纸磨亮，随后用丙酮、去离子水洗净；2)将工作电极安装到试验装置上，并调整工作电极、参比电极、辅助电极相互间的间距；3)从容器顶部加料口加入测试的腐蚀性溶液，液位高出旋转圆盘顶面75mm；4)在静止的腐蚀介质溶液中采用在工作电极上加钝化电位的电化学方法对工作电极进行预腐蚀，直至腐蚀电流变小且趋于稳定，使工作电极表面形成均匀致密的腐蚀产物保护膜；5)通过冷却盘管循环系统将工作电极的测试温度调整到预设值；6)接通恒电位仪电源，打开恒电位仪电源开关；开启变频电机，通过工控计算机按照预设加速曲线进行缓慢升速，观察恒电位仪电流曲线变化，直至电流曲线发生突变，并记录该工况下的电机转速。
7)实验完毕，关闭恒电位仪电源，拆除三电极上的连接导线，洗净电解池。
所述的工作电极为待测试件，材质为碳钢，形状为圆棒，规格为φ3.8×10mm。
所述的参比电极采用甘汞参比电极；盐桥电解液为饱和的KCl溶液；旋转圆盘侧面包覆一层不锈钢或白金作为辅助电极。
所述的工作电极与参比电极之间的距离为0.4～0.6mm；工作电极与辅助电极之间的距离为8～10mm。
所述的一种应用于旋转式单相流冲蚀试验的电化学测试方法，其特征在于运用电化学方法通过腐蚀电流或阻抗的测试分析腐蚀与流动耦合作用过程中的瞬态特性。
所述的一种应用于旋转式单相流冲蚀试验的电化学测试方法，其特征在于运用电化学方法通过腐蚀电流或阻抗的测试分析冲刷破坏的临界特性及超过临界特性后的冲蚀速率。
本发明具有的有益效果是采用电化学测试系统可以实现冲蚀破坏的瞬态特性测试，包括保护膜冲蚀破坏的临界特性及超过临界值以后的实际冲蚀速率。采用变频调速旋转系统可以实现工作电极保护膜冲蚀破坏的临界特性(临界转速)的测试。可以采用实际的腐蚀介质进行较为真实的工作状态模拟，对冲蚀装置的试验过程进行流体动力学仿真分析，将临界转速转化为工作电极表面的临界流体动力学参数；试验结果(临界转速)及后续仿真分析(临界流体动力学参数及超临界值后的腐蚀速率)结论可以推广应用于工程实际，即结合实际管道系统的仿真分析，按相关流体动力学参数的分布规律预测冲蚀破坏的位置与冲蚀速率。本发明可以模拟压力管道、管束类设备(例如加氢反应流出物系统的换热器管束、空冷器管束、压力管道)等一系列实际工程冲蚀失效案例，进行冲蚀破坏的失效研究、冲蚀预测、优化设计、风险检验、安全评估及寿命预测等管道及管束类设备的安全保障技术研究。
本发明适合于腐蚀与流动耦合作用的冲蚀破坏机理研究、流体动力学的仿真分析、保护膜冲蚀破坏瞬态特性或临界特性的试验研究、冲蚀失效预测及工业应用推广等研究体系。
图1是旋转式单相流冲蚀试验装置的结构原理示意图。
图2是盐桥工作原理示意图。
图3是图1的A放大图。
图中1、下液体容器，2、传动轴，3、上液体容器，4、铜环-碳刷，5、变频电机，6、工控计算机，7、参比电极，8、盐桥，9、鲁金毛细管，10、旋转圆盘，11、恒电位仪，12、工作电极，13、辅助电极。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，旋转式单相流冲蚀试验装置包括工作电极12、鲁金毛细管9、盐桥8、参比电极7、辅助电极13、铜环-碳刷4、恒电位仪11、工控计算机6。传动轴2上装有旋转圆盘10，被测工件作为工作电极，其外表面与上液体容器3内壁面平齐，工作电极12与旋转圆盘侧面包覆一层不锈钢或白金的辅助电极13在同一水平面上；旋转圆盘侧面分别在0°、90°、180°、270°的位置上开孔，导线分别穿过0°、90°、180°、270°的孔汇交于旋转圆盘与传动轴中心孔一端与铜环-碳刷4联接，铜环-碳刷通过导线与恒电位仪11相连；鲁金毛细管9与参比电极7通过盐桥8连接；恒电位仪11及变频电机5分别通过数据线与工控计算机6相联接。
如图2所示，所述的盐桥电解池电解液为饱和的KCl溶液；如图3所示，所述的工作电极12与鲁金毛细管9之间的距离为0.4～0.6mm；工作电极12与辅助电极13之间的距离为8～10mm；本发明的工作过程如下将制作好的工作试件作为工作电极12放置在与旋转圆盘10侧面中心在同一水平面的上液体容器3壁上，且其外表面与上液体容器3内壁面平齐。通过细螺纹调节工作电极12与辅助电极13及鲁金毛细管9的距离，并须保证工作电极12同鲁金毛细管9的距离微调至0.4～0.6mm，工作电极与辅助电极之间的距离为8～10mm；参比电极7与鲁金毛细管9通过盐桥8联接，盐桥电解池电解液为饱和KCl溶液；旋转圆盘10安装在传动轴2上，旋转圆盘侧面分别在0°、90°、180°、270°的位置上开孔，导线分别穿过0°、90°、180°、270°的孔汇交于旋转圆盘与传动轴中心孔一端与铜环-碳刷4联接，铜环-碳刷通过导线与恒电位仪11相连；工作电极12、参比电极7分别通过导线与恒电位仪11联接。在下液体容器1内引入腐蚀介质(例含硫污水)，保证液面高出旋转圆盘10为75mm，然后在静止的腐蚀介质溶液中采用在工作电极上加钝化电位的电化学方法对工作电极12进行预腐蚀，直至腐蚀电流变小且趋于稳定，使工作电极表面形成均匀致密的腐蚀产物保护膜，再通过冷却盘管将腐蚀介质调节到预设温度；开启变频电机5，通过工控计算机6采集腐蚀电流、阻抗、温度、pH值、转速等数据进行实时分析处理并显示不同转速下的电流曲线(阻抗曲线)；工作试件表面腐蚀产物保护膜未冲破的情况下，恒电位仪11电流曲线图电流几乎为零(阻抗很大)。通过工控计算机6控制变频电机5的转速观察恒电位仪的电流变化(阻抗变化)，实时绘制转速与腐蚀电流、转速与阻抗、转速与腐蚀速率等相关曲线。缓慢提高变频电机5的转速观察恒电位仪11的电流(阻抗)曲线变化，直至发生突变，则可认为工作电极腐蚀产物保护膜已经冲破，得到冲刷破坏的临界特性，若持续提高转速则可通过计算得到在指定转速下的腐蚀速率。
权利要求
1.一种应用于旋转式单相流冲蚀试验的电化学测试方法，其特征在于该方法的步骤如下1)根据试验要求的材料与尺寸加工制成工作电极，并将其表面用金相砂纸磨亮，随后用丙酮、去离子水洗净；2)将工作电极安装到试验装置上，并调整工作电极、参比电极、辅助电极相互间的间距；3)从容器顶部加料口加入测试的腐蚀性溶液，液位高出旋转圆盘顶面75mm；4)在静止的腐蚀介质溶液中采用在工作电极上加钝化电位的电化学方法对工作电极进行预腐蚀，直至腐蚀电流变小且趋于稳定，使工作电极表面形成均匀致密的腐蚀产物保护膜；5)通过冷却盘管循环系统将工作电极的测试温度调整到预设值；6)接通恒电位仪电源，打开恒电位仪电源开关；开启变频电机，通过工控计算机按照预设加速曲线进行缓慢升速，观察恒电位仪电流曲线变化，直至电流曲线发生突变，并记录该工况下的电机转速。
7)实验完毕，关闭恒电位仪电源，拆除三电极上的连接导线，洗净电解池。
2.根据权利要求1所述的一种应用于旋转式单相流冲蚀试验的电化学测试方法，其特征在于所述的工作电极为待测试件，材质为碳钢，形状为圆棒，规格为φ3.8×10mm。
3.根据权利要求1所述的一种应用于旋转式单相流冲蚀试验的电化学测试方法，其特征在于所述的参比电极采用甘汞参比电极；盐桥电解液为饱和的KCl溶液；旋转圆盘侧面包覆一层不锈钢或白金作为辅助电极。
4.根据权利要求1所述的一种应用于旋转式单相流冲蚀试验的电化学测试方法，其特征在于所述的工作电极与参比电极之间的距离为0.4～0.6mm；工作电极与辅助电极之间的距离为8～10mm。
5.根据权利要求1所述的一种应用于旋转式单相流冲蚀试验的电化学测试方法，其特征在于运用电化学方法通过腐蚀电流或阻抗的测试分析腐蚀与流动耦合作用过程中的瞬态特性。
6.根据权利要求1所述的一种应用于旋转式单相流冲蚀试验的电化学测试方法，其特征在于运用电化学方法通过腐蚀电流或阻抗的测试分析冲刷破坏的临界特性及超过临界特性后的冲蚀速率。
全文摘要
本发明公开的是一种应用于旋转式单相流冲蚀试验的电化学测试方法。将试件制成工作电极安装到试验装置上，调整工作、参比和辅助电极间距；从容器顶部加料口加入测试的腐蚀性溶液且高出辅助电极75mm；在静止的腐蚀介质溶液中采用在工作电极上加钝化电位的电化学方法对工作电极进行预腐蚀，直至电流变小趋于稳定，使工作电极表面形成均匀致密的腐蚀产物保护膜；开启变频电机，通过计算机按照预设加速曲线缓慢升速，观察恒电位仪电流曲线变化，直至发生突变。适合于腐蚀与流动耦合作用下保护膜冲蚀破坏临界特性或瞬态特性的试验研究，能模拟工业环境中的实际工况条件，实时检测材料冲蚀破坏瞬态特性和临界值的电化学测试方法。
文档编号G01N17/00GK101042330SQ20071006821
公开日2007年9月26日 申请日期2007年4月24日 优先权日2007年4月24日
发明者偶国富, 许根富, 梁灵鹏 申请人:浙江理工大学