一种海水管路弯头局部腐蚀电化学测试装置及方法与流程

本发明涉及一种海水管路弯头局部腐蚀电化学测试装置及方法，属于金属材料海水冲刷腐蚀领域，广泛应用于管路系统流动海水下的冲刷腐蚀行为研究。

背景技术：

海水流经弯头处方向发生改变，在管道内部形成湍流冲击，同时高流速的海水中携带大量的氧气和氯离子，造成管壁表面出现电化学腐蚀与冲刷腐蚀协同作用，成为导致管路构件失效的主要原因。由于弯头内部海水湍流作用，局部部位流速和腐蚀行为不同，各部位的冲刷腐蚀速率存在显著差异，研究管路弯头局部部位冲刷腐蚀对管路弯头设计选材和综合防护具有重要意义。

目前，国内外普遍采用模拟试验研究管路材料及构件流动海水腐蚀行为，便于研究温度、流速、含沙量等各因素对管路材料的腐蚀行为规律影响。管路冲刷研究试验主要包括旋转式、管流式和腐蚀监测三种手段，其中旋转冲刷法应用最为普遍，如周娟等在《可实现稳流和温控的旋转冲刷腐蚀试验装置》201710950740.5中介绍了一种可稳流和温控的旋转冲刷试验装置，该装置可通过获得金属材料在冲刷条件下的腐蚀失重来判定金属的腐蚀速率，分析不同流速下金属材料的腐蚀行为。该装置主要用于材料外表面冲刷腐蚀研究，同时管路弯头各个部位的腐蚀行为不同，而该装置只能获取平均腐蚀速率，因此该装置不适用于管路弯头内表面局部冲刷腐蚀研究。同时，旋转模拟环境与实际环境存在一定的差异，无法准确代表金属材料在实际管路中局部部位冲刷腐蚀行为。

针对旋转冲刷腐蚀试验局限性，国内学者发明了管路模拟装置用于冲刷腐蚀研究。201810470206.9发明了一种管流式冲刷腐蚀实验装置，可模拟管路运行工况和不同管径直管段、弯管段和焊接管段结构，用于管路构件不同流速冲刷腐蚀研究。201811277952.2发明了一种管路冲刷腐蚀及电化学测试装置，用于管路材料流动海水极化、阻抗等测试，分析管路材料冲刷腐蚀机理。201510605410.3发明了电化学测量方式的电站流动加速腐蚀模拟实验管路装置，该装置可对腐蚀介质温度、压力、流量、含氧量和pH值进行控制，研究各种参数对管路材料腐蚀影响快速研究。201811241995.5发明了一种多通道冲刷腐蚀测试系统及方法，实现了多通道、独立工作的单相流或气液两相流冲刷腐蚀测试。上述发明，实现了管路冲刷腐蚀工况环境的准确模拟，可用于管路材料、构件等冲刷腐蚀研究，其测试获取的为材料、构件表面的全局或者平均腐蚀电化学数据，而无法获取局部腐蚀电化学行为，无法用于管路弯头局部部位的电化学测试。

在管路腐蚀检测方法研究方面，国内外学者开展了大量的研究，并且设计出管道腐蚀监测系统。管道实时监测系统主要通过在管道内安装检测探针测量管路局部腐蚀速率，如201620547747.3的电阻探针和201720817286.1的脉冲涡流检测探针等。这些方法虽然可以测量管路弯头局部腐蚀速率，但安装的探针会改变弯头内部流态，导致测量结果与实际结果存在一定偏差，操作难度较大。

通过对现有技术分析可知，管路弯头冲刷腐蚀测量的技术难点主要在于：（1）设计研制管路模拟装置，避免前后直管段长度不足对弯头内部流场造成影响，准确模拟弯头内部湍流环境，且测试过程中不会对弯头流场造成干扰；（2）目前常规电化学测试方法只能获取管路弯头平均腐蚀速率，无法得到弯头内部局部腐蚀电化学信号测量，探针测试方法可以获取弯头内部局部腐蚀速率，但影响弯头内部流场，导致测量结果存在误差，弯头内部局部腐蚀速率准确测量是另一个技术难点。

技术实现要素：

本发明的技术任务是针对现有技术的不足，提供一种海水管路弯头局部腐蚀电化学测试装置及方法。该装置和方法可在线实时测量流动海水下管路弯头腐蚀电化学信号，评价弯头不同部位、不同流速、不同材料冲刷腐蚀行为，为海水管路弯头设计选材和综合防护提供技术支撑。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

1、本发明提供一种海水管路弯头局部腐蚀电化学测试装置，该装置由弯头局部腐蚀电化学测试电解池、前端管路和后端管路组成；

所述弯头局部腐蚀电化学测试电解池由管路弯头、丝状工作电极体系、丝状辅助电极体系和丝状参比电极体系组成，丝状工作电极体系、丝状辅助电极体系和丝状参比电极体系安装在管路弯头上；

其中丝状工作电极体系由丝状工作电极、绝缘外套和电缆组成，丝状工作电极材质与管路弯头材质相同；

所述的丝状辅助电极体系由丝状辅助电极、绝缘外套和电缆组成，丝状辅助电极材质为惰性金属或者贵金属氧化物；

所述的丝状参比电极体系由丝状参比电极、绝缘外套和电缆组成，丝状参比电极材质为Ag/AgCl复合材料。

作为本发明优选地，所述的弯头局部腐蚀电化学测试电解池有两种规格，一种用于管径不超过65mm管路弯头局部腐蚀电化学测试，一种用于管径大于65mm管路弯头局部腐蚀电化学测试；

所述的管径不超过65mm弯头局部腐蚀电化学测试电解池，由1个管路弯头、1个丝状工作电极体系、1个丝状辅助电极体系和1个丝状参比电极体系组成，且1个丝状工作电极体系、1个丝状辅助电极体系相对设置；

所述的管径大于65mm弯头局部腐蚀电化学测试电解池，由1个管路弯头、1个丝状工作电极体系、多个丝状辅助电极体系和1个丝状参比电极体系组成，多个丝状辅助电极体系呈圆形分布在丝状工作电极体系周围，保证丝状工作电极体系周围电力线分布均匀，提高腐蚀电化学测试结果准确性。

作为本发明优选地，所述的丝状工作电极体系、丝状辅助电极体系和丝状参比电极体系通过螺纹的方式安装在管路弯头上。

作为本发明优选地，所述的丝状参比电极体系与丝状工作电极体系距离控制在3mm以内，减少IR降对测量结果影响。

作为本发明优选地，所述的丝状工作电极体系、丝状辅助电极体系和丝状参比电极体系与管路弯头绝缘，且工作面与弯头平齐，不会对管路弯头内部流场分布造成干扰。

作为本发明优选地，所述的丝状工作电极、丝状辅助电极和丝状参比电极通过过盈配合安装在绝缘外套内部，并通过环氧树脂密封，保证丝状工作电极、丝状辅助电极和丝状参比电极与绝缘外套装配面不渗水。

作为本发明优选地，所述的前端管路和后端管路长度大于10倍弯头外径，弯头前端和后端管路不会对弯头内流场造成影响。

所述的海水管路弯头局部电化学测试装置与泵、阀等连接后，即可用于管路弯头局部电化学测试。

2、本发明另提供一种海水管路弯头局部腐蚀电化学测量方法，包括以下步骤：

1）采用线切割机切出丝状工作电极，把加工好的丝状工作电极放入充满无水乙醇的烧杯中，用超声波震荡5分钟后取出，放入30度的烘箱内烘干表面液体，利用导线将丝状工作电极与电缆焊接在一起，丝状工作电极通过过盈配合安装在绝缘外套内部，并通过环氧树脂密封，保证丝状工作电极与绝缘外套装配面不渗水，丝状辅助电极体系和丝状参比电极体系均采用同种制备方法；

2）管路弯头材质与丝状工作电极材质相同，在需要测量的局部部位安装丝状工作电极体系，同时在管壁上安装丝状辅助电极体系、丝状参比电极体系，组成弯头局部腐蚀电化学测试电解池，最后通过内窥镜观察丝状工作电极体系、丝状辅助电极体系和丝状参比电极体系与管路弯头平齐，方能开始试验；

3）将弯头局部腐蚀电化学测试电解池通过法兰与前端管路、后端管路连接，组成海水管路弯头腐蚀电化学测试装置；

4）将海水管路弯头腐蚀电化学测试装置与泵、流量计、阀连接，通过泵和阀控制，在电化学测试装置入口处施加不同流速的海水；流量计和泵通过隔离变压器供电，并接地处理；

5）控制软件通过485通讯方式与多个电化学工作站连接，同步实现管路弯头多点局部腐蚀电化学测试。

本发明的一种海水管路弯头局部腐蚀电化学测试装置及方法，与现有技术相比所产生的有益效果是：

本发明适用于海水管路弯头局部腐蚀电化学行为测试、分析弯头不同部位局部腐蚀速率差异和海水流速对弯头局部腐蚀速率影响，找出管路弯头腐蚀薄弱点，为海水管路弯头设计选材和综合防护提供技术支撑。

附图说明

附图1为本发明丝状工作/辅助/参比电极结构图；

附图2为管径不超过65mm弯头局部腐蚀电化学测试电解池结构图；

附图3为管径大于65mm弯头局部腐蚀电化学测试电解池结构图；

附图4为管径不超过65mm海水管路弯头局部腐蚀电化学测试装置结构图；

附图5为管径大于65mm海水管路弯头局部腐蚀电化学测试装置结构图；

附图6为实施例一所测得弯头内弯处的极化曲线。

图中各标号表示：

1、弯头局部腐蚀电化学测试电解池，1-1、管路弯头，

1-2、丝状工作电极体系，1-3、丝状辅助电极体系，

1-4、丝状参比电极体系，

2、前端管路，3、后端管路，4、丝状工作电极，5、丝状辅助电极，

6、丝状参比电极，7、绝缘外套，8、电缆。

具体实施方式

下面结合附图1-6，对本发明的一种海水管路弯头局部腐蚀电化学测试装置及方法作以下详细说明。

实施例一

结合附图2、4，本发明的一种海水管路弯头局部腐蚀电化学测试装置，该装置由弯头局部腐蚀电化学测试电解池1、前端管路2和后端管路3组成；

弯头局部腐蚀电化学测试电解池1适用于管径不超过65mm弯头局部腐蚀电化学测试，由1个管路弯头1-1、1个丝状工作电极体系1-2、1个丝状辅助电极体系1-3和1个丝状参比电极体系1-4组成，且1个丝状工作电极体系1-2、1个丝状辅助电极体系1-3相对设置，丝状工作电极体系1-2、丝状辅助电极体系1-3和丝状参比电极体系1-4通过螺纹的方式安装在管路弯头1-1上；

结合附图1，其中丝状工作电极体系1-2由丝状工作电极4、绝缘外套7和电缆8组成，丝状工作电极4材质与管路弯头1-1材质相同，尺寸为Φ2 mm×40mm，绝缘外套7尺寸为Φ6 mm×60mm；

丝状辅助电极体系1-3由丝状辅助电极5、绝缘外套7和电缆8组成，丝状辅助电极5材质为金、铂等惰性金属或者贵金属氧化物，尺寸为Φ2 mm×40mm，绝缘外套7尺寸为Φ6 mm×60mm。

丝状参比电极体系1-4由丝状参比电极6、绝缘外套7和电缆8组成，丝状参比电极6材质为Ag/AgCl复合材料，尺寸为Φ2 mm×40mm，绝缘外套7尺寸为Φ6 mm×60mm。

丝状参比电极体系1-4与丝状工作电极体系1-2距离控制在3mm以内，减少IR降对测量结果影响。

丝状工作电极体系1-2、丝状辅助电极体系1-3和丝状参比电极体系1-4与管路弯头1-1绝缘，且工作面与弯头平齐，不会对管路弯头内部流场分布造成干扰。

丝状工作电极、丝状辅助电极和丝状参比电极通过过盈配合安装在绝缘外套内部，并通过环氧树脂密封，保证丝状工作电极、丝状辅助电极和丝状参比电极与绝缘外套装配面不渗水。

前端管路2和后端管路3长度大于10倍弯头外径，弯头前端和后端管路不会对弯头内流场造成影响。

海水管路弯头局部电化学测试装置与泵、阀等连接后，即可用于管路弯头局部电化学测试。

本发明一种海水管路弯头局部腐蚀电化学测量方法，包括以下步骤：

（1）采用线切割机切出Φ2 mm×40mm的丝状工作电极，把加工好的丝状工作电极放入充满无水乙醇的烧杯中，用超声波震荡5分钟后取出，放入30度的烘箱内烘干表面液体。利用导线将丝状工作电极与电缆焊接在一起，丝状工作电极通过过盈配合安装在绝缘外套内部，并通过环氧树脂密封，保证丝状工作电极与绝缘外套装配面不渗水，如图1所示。丝状辅助电极体系和丝状参比电极体系均采用同种制备方法。

（2）管路弯头材质与丝状工作电极材质相同，在需要测量的局部部位加工Φ6mm带有内螺纹的小孔，并安装丝状工作电极体系；在安装丝状工作电极体系位置对面管壁上，加工Φ6mm带有内螺纹的小孔，并安装丝状辅助电极体系；在丝状工作电极体系2～3mm处，加工Φ6mm带有内螺纹的小孔，并安装丝状参比电极体系，组成弯头局部腐蚀电化学测试电解池，如图2所示。最后通过内窥镜观察丝状工作电极体系、丝状辅助电极体系和丝状参比电极体系与管路弯头平齐，方能开始试验。

（3）将弯头局部腐蚀电化学测试电解池通过法兰与15倍弯头管径长前端管路、15倍弯头管径长后端管路连接，组成图3所示的海水管路弯头腐蚀电化学测试装置。

（4）将海水管路弯头腐蚀电化学测试装置与泵、流量计、阀连接，通过泵和阀控制，在电化学测试装置入口处施加不同流速的海水；流量计和泵通过隔离变压器供电，并接地处理，避免工业电网脉冲随泵、流量计进入海水，对腐蚀电化学测量信号造成干扰。

（5）电化学工作站采用电池供电，避免工业电网中脉冲对腐蚀电化学电压和电流信号造成干扰。

（6）控制软件通过485通讯方式与多个电化学工作站连接，可同步实现管路弯头多点局部腐蚀电化学测试；可实现管路弯头局部部位腐蚀电位、恒电位极化、动电位极化和阻抗测试。

（7）将丝状工作电极体系、丝状辅助电极体系和丝状参比电极体系分别与电化学工作站工作电极、辅助电极和参比电极连接。测试弯头处需测试部位的开路电位，等开路电位稳定后测试金属的极化曲线，设定扫描电位范围相对于开路电位的-0.4V~+0.4V，扫描速率为0.333mV/s，得到弯头内弯处的极化曲线，测试的结果如图6所示。

（8）将测试数据按公式（Ⅰ）计算弯头局部部位的冲刷腐蚀速率，v为金属材料的腐蚀速率，单位为毫米每年；M为摩尔质量，单位为克每摩尔；i为金属材料冲刷腐蚀电流密度，单位为安培每平方米；n为金属的电子；ρ为金属的密度，单位为千克每立方米，得到了铜镍合金弯头处此时的腐蚀速率为0.072 mm/a。

（Ⅰ）

实施例二

结合附图3、5，实施例同实施例一，所不同的是，实施例二弯头局部腐蚀电化学测试电解池1适用于管径大于65mm弯头局部腐蚀电化学测试，由1个管路弯头1-1、1个丝状工作电极体系1-2、多个丝状辅助电极体系1-3和1个丝状参比电极体系1-4组成，丝状工作电极体系1-2、丝状辅助电极体系1-3和丝状参比电极体系1-4通过螺纹的方式安装在管路弯头1-1上；多个丝状辅助电极体系1-3呈圆形分布在丝状工作电极体系1-2周围，保证丝状工作电极体系1-2周围电力线分布均匀，提高腐蚀电化学测试结果准确性。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。