一种模拟高温流动介质环境下的电偶腐蚀测试装置

1.本实用新型涉及电偶腐蚀测试装置领域，具体地说是一种模拟高温流动介质环境下的电偶腐蚀测试装置。


背景技术：

2.石油、化工、核电和船舶等领域广泛存在高温流动介质工况，在该环境下使用的金属材料往往通过法兰、栓接、铆接甚至焊接等方式连接在一起，由于异种金属或同种金属不同组织之间存在电位差异，这导致电偶腐蚀失效问题普遍存在。电偶腐蚀又称接触腐蚀，是指异种金属在电解质中相互接触导致电位低的金属腐蚀加速的现象。这种现象在高温流动介质环境中会异常显著。虽然，国内外学者对常规金属材料之间的电偶腐蚀行为开展过大量研究，但这些研究仅限于常温环境和静止状态。目前，针对高温流动介质下的电偶腐蚀研究未见报道，主要原因是没有相关的电偶腐蚀评价装置，因而无法准确评价不同金属材料在该环境下的服役稳定性，更难以准确理解不同金属材料在该环境下的电偶腐蚀行为与机理。而搭建一套能够模拟高温流动介质环境下的电偶腐蚀实验装置，并借助电化学原位测试方法和失重方法开展不同金属材料在高温流动介质环境下电偶腐蚀倾向性的系统评价，可积累大量腐蚀基础数据，为实际工程选材和相关材料设计提供重要指导。


技术实现要素：

3.本实用新型的目的是提供一种模拟高温流动介质环境下的电偶腐蚀测试装置，解决当前无法模拟异种金属材料在高温流动介质环境下的电偶腐蚀电化学测试和失重测试问题，实现对不同金属材料电偶腐蚀性能的系统评价。
4.本实用新型的技术方案是：
5.一种模拟高温流动介质环境下的电偶腐蚀测试装置，该装置具有防溅射玻璃反应釜系统、夹持系统、转动电连接系统、温度控制系统、转速控制系统、电化学测试系统和排液系统，具体结构如下：
6.防溅射玻璃反应釜系统与温度控制系统相连，防溅射玻璃反应釜系统的玻璃釜体位于温度控制系统的加热套中，夹持系统悬空于玻璃釜体中并与上方的转动电连接系统相连，转动电连接系统继续与其上方的转速控制系统相连；夹持系统的样品转盘轴心、转动电连接系统的尼龙实心柱轴心和转速控制系统的转轴轴心位于同一垂直轴线上，同时转动电连接系统通过两个碳刷与电化学测试系统相连，排液系统通过泵机和导管与玻璃釜体相连；使用时，通过温度控制系统来调节玻璃釜体中溶液的温度，通过转速控制系统来控制转盘的转速，玻璃釜体中的样品固定在夹持系统的转盘上，并通过导线与转动电连接系统中滑环上的带螺帽螺丝柱相连，接有导线的碳刷通过与滑环紧密连接来实现转动条件下的电导通，碳刷通过导线与电化学工作站相连实现高温流动介质环境下的电偶腐蚀测量。
7.所述的模拟高温流动介质环境下的电偶腐蚀测试装置，防溅射玻璃反应釜系统设有玻璃釜体、磨口玻璃盖、不锈钢密封圈和防溅射尼龙组件，防溅射尼龙组件位于玻璃釜体
内腔四周，磨口玻璃盖罩扣于玻璃釜体的上端口，玻璃釜体上端与磨口玻璃盖之间设置不锈钢密封圈，不锈钢密封圈同时连接玻璃釜体和磨口玻璃盖进行固定；
8.防溅射尼龙组件由尼龙圈和尼龙柱组成，两个尼龙圈上下相对平行设置，尼龙圈的外周均布有凹槽，尼龙柱一侧的上下两端分别设有凹槽，沿圆周均匀排布的两个以上尼龙柱分别通过其上凹槽与两个尼龙圈凹槽相对应，每个尼龙柱上下两端分别与两个尼龙圈通过凹槽卡住并固定在玻璃釜体内。
9.所述的模拟高温流动介质环境下的电偶腐蚀测试装置，夹持系统设有转盘、空心转杆，水平的转盘中心孔与竖向的空心转杆下端通过螺纹连接，空心转杆的上部侧面分布均匀的小孔，空心转杆的上端与转动电连接系统的尼龙实心柱相连；转盘采用尼龙制成，转盘的四周均匀开设样品槽，每个样品槽的侧面和底部均有开孔，转盘上同时安放一对或两对以上电化学样品组件以及失重样品组件，并进行电偶腐蚀测试。
10.所述的模拟高温流动介质环境下的电偶腐蚀测试装置，电化学样品组件由环氧树脂、电化学样品、聚四氟乙烯套管、电化学样品导线组成，电化学样品采用聚四氟乙烯管进行封装，聚四氟乙烯管内部填充环氧树脂，电化学样品埋置于环氧树脂中，且电化学样品上表面露出，电化学样品导线焊接在电化学样品下表面并穿过环氧树脂；使用时，电化学样品组件放置在样品槽中，电化学样品导线通过转盘样品槽、转盘中心孔进入空心转杆内腔，并从转杆上部侧面的小孔穿出。
11.所述的模拟高温流动介质环境下的电偶腐蚀测试装置，失重样品组件由失重样品、尼龙螺钉、尼龙螺柱组成，失重样品为圆片状，其直径与样品槽一致，失重样品的中心开有沉头式孔，安装时尼龙螺钉通过沉头式孔将失重样品固定在尼龙螺柱上；使用时，失重样品组件通过尼龙螺柱卡在转盘的样品槽中。
12.所述的模拟高温流动介质环境下的电偶腐蚀测试装置，转速控制系统中，转动电机位于竖向转动杆的上端，转动杆的下端与转动电连接系统的尼龙实心柱相连，传动杆的外部为独立固定的保护外壳，碳刷i、碳刷ii固定在保护外壳上，转速控制面板连接转动电机。
13.所述的模拟高温流动介质环境下的电偶腐蚀测试装置，转动电连接系统中，铜滑环i、铜滑环ii上下镶嵌在尼龙实心柱表面并使铜滑环i、铜滑环ii之间保持电绝缘，铜滑环i的侧面焊有一个带螺帽螺丝柱i，铜滑环ii的侧面焊有一个带螺帽螺丝柱ii，螺丝柱i、螺丝柱ii分别与电化学样品导线连接；碳刷i、碳刷ii一端分别通过导线i、导线ii与电化学测试系统的电化学工作站相连；同时，碳刷i、碳刷ii另一端分别与滑环i、滑环ii紧密连接实现转动条件下的电连接，尼龙实心柱的上下两端分别与夹持系统的空心转杆及转动控制系统的传动杆通过螺纹相连。
14.所述的模拟高温流动介质环境下的电偶腐蚀测试装置，温度控制系统中，温度传感器置于玻璃釜体的溶液中，温度传感器通过导线与温度控制面板连接，进行实时温度测量，装有溶液的玻璃釜体位于加热套中，加热套对玻璃釜体进行加热。
15.所述的模拟高温流动介质环境下的电偶腐蚀测试装置，电化学测试系统由三电极系统构成，进行电偶腐蚀测试的双金属样品分别作为工作电极和对电极，参比电极采用外置饱和甘汞电极放在装有饱和氯化钾溶液的烧杯中，饱和甘汞电极通过盐桥与玻璃釜体中的溶液相连，三电极通过导线i、导线ii、导线iii与电化学工作站相连。
16.所述的模拟高温流动介质环境下的电偶腐蚀测试装置，排液系统包括泵机和导管，导管上安装泵机，导管的一端接有吸盘伸至玻璃釜体的溶液，导管的另一端接有废液桶。
17.本实用新型的设计思想是：
18.本实用新型基于实际工程问题：石油、化工、核电和船舶等领域广泛存在高温流动介质工况，在该环境下异种金属的电偶腐蚀问题普遍存在。但因缺少相应的电偶腐蚀评价装置，无法对其开展有效研究。因此，研发一套模拟高温流动介质环境下的电偶腐蚀测试装置，可系统评价不同金属材料在该环境下的服役稳定性，准确理解不同金属材料在该环境下的电偶腐蚀行为与机理，为实际工程选材和相关材料设计提供重要指导。
19.为防止转盘高速旋转导致溶液飞溅并在溶液中心出现较大旋涡造成样品与溶液分离，在玻璃釜体的内腔设计并安装了防溅射尼龙组件。
20.为实现高温电化学测量，参比电极进行了外置设计，通过玻璃盐桥将釜体内溶液与外置盐桥相连。
21.为了实现旋转过程中的电化学测量，对转盘和转杆进行了特殊的设计，连接样品的导线通过转盘侧孔引出并进入中空的转杆从其上端穿出与滑环上的螺柱相连，再借助碳刷与电化学工作站相连，从而实现了转动电连接，避免了转动过程中绞线的发生。
22.本实用新型具有如下优点及有益效果：
23.1.本实用新型实现了在高温流动工况下，对不同金属材料进行电偶腐蚀倾向性的系统评价。
24.2.本实用新型采用了模块化设计，装置的每一部分均可以方便地拆卸、组合以及进行再改造。
25.3.本实用新型可同时实现多个电偶对金属的电化学和失重同时测量。
26.4.本实用新型可通过调节温度和转速实现在不同温度和不同流速下的电偶腐蚀测试。
27.5.本实用新型安装了防溅射尼龙组件避免了溶液飞溅和大液流旋涡出现。
28.6.本实用新型可以实现多对电偶对电偶腐蚀动态测试和电化学测量。
29.7.本实用新型涉及的装置材料均为无毒环保型材料，避免了对人体的伤害。
30.8.本实用新型可模拟石油、化工、核电和船舶等领域存在的高温流动介质工况条件，研究异种金属材料在高温流动下的电偶腐蚀行为，可精确控制溶液温度、转盘转速等参数，实现不同耦合金属样品的在线电化学测试和失重测试。
附图说明
31.图1为本实用新型主体结构示意图。
32.图2(a)-图2(c)为本实用新型防溅射组件示意图。其中，图2(a)为尼龙圈示意图，图2(b)为尼龙圈与尼龙柱组合图，图2(c)为尼龙柱示意图。
33.图3为本实用新型电化学样品组件示意图。
34.图4为本实用新型失重样品组件示意图。
35.图5为本实用新型转盘示意图。
36.图6为某电偶对借助该设备在流速为3m/s下测得的电偶电位结果。图中，横坐标
time代表时间(s)，纵坐标potential代表电位(v
sce
)。
37.图7为某电偶对借助该设备在流速为3m/s下测得的电偶电流结果。图中，横坐标time代表时间(s)，纵坐标current density代表电流密度(a/cm2)。
38.图中：1.磨口玻璃盖；2.不锈钢密封圈；3.玻璃釜体；4.空心转杆；5.电化学样品组件；6.转盘；7.防溅射组件；8.温度传感器；9.加热套；10.尼龙实心柱；11.碳刷i；12.带螺帽螺丝柱i；13.铜滑环i；14.碳刷ii；15.带螺帽螺丝柱ii；16.铜滑环ii；17.传动杆；18.保护外壳；19.泵机；20.导管；21.废液桶；22.盐桥；23.饱和甘汞电极；24.烧杯；25.导线i；26.导线ii；27.导线iii；28.电化学工作站；29.失重样品；30.尼龙螺钉；31.尼龙螺柱；32.环氧树脂；33.电化学样品；34.聚四氟乙烯套管；35.尼龙圈；36.尼龙柱；37.电化学样品导线；38.失重样品组件；39.样品槽；40.中心孔；41.导线孔。
具体实施方式
39.如图1所示，本实用新型模拟高温流动介质环境下的电偶腐蚀测试装置，设有防溅射玻璃反应釜系统、夹持系统、转动电连接系统、温度控制系统、转速控制系统、电化学测试系统和排液系统。防溅射玻璃反应釜系统与温度控制系统相连，防溅射玻璃反应釜系统的玻璃釜体3位于温度控制系统的加热套9中，夹持系统悬空于玻璃釜体3中并与上方的转动电连接系统相连，转动电连接系统继续与其上方的转速控制系统相连。需要说明的是，夹持系统的样品转盘6轴心、转动电连接系统的尼龙实心柱10轴心和转速控制系统的传动杆17轴心位于同一垂直轴线上，同时转动电连接系统通过碳刷i11、碳刷ii 14与电化学测试系统相连，排液系统可通过泵机19和导管20与玻璃反应釜体3相连。实验时，通过温度控制系统来调节玻璃釜体中溶液的温度，通过转速控制系统来控制转盘的转速，玻璃釜体中的样品固定在夹持系统的转盘上，并通过导线与转动电连接系统中滑环上的带螺帽螺丝柱相连，接有导线的碳刷通过与滑环紧密连接来实现转动条件下的电导通，碳刷通过导线与电化学工作站相连实现高温流动介质环境下的电偶腐蚀测量。
40.如图1-图5所示，该电偶腐蚀测试装置主要包括：磨口玻璃盖1、不锈钢密封圈2、玻璃釜体3、空心转杆4、电化学样品组件5、转盘6、防溅射组件7、温度传感器8、加热套9、尼龙实心柱10、碳刷i11、带螺帽螺丝柱i12、铜滑环i13、碳刷ii 14、带螺帽螺丝柱ii 15、铜滑环ii 16、传动杆17、保护外壳18、泵机19、导管20、废液桶21、盐桥22、饱和甘汞电极23、装有饱和氯化钾的烧杯24、导线i 25、导线ii 26、导线iii 27、电化学工作站28、失重样品29、尼龙螺钉30、尼龙螺柱31、环氧树脂32、电化学样品33、聚四氟乙烯套管34、尼龙圈35、尼龙柱36、电化学样品导线37等，具体结构如下：
41.防溅射玻璃反应釜系统设有玻璃釜体3、磨口玻璃盖1、不锈钢密封圈2和防溅射尼龙组件7，防溅射尼龙组件7位于玻璃釜体3内腔四周，磨口玻璃盖1罩扣于玻璃釜体3的上端口，玻璃釜体3上端与磨口玻璃盖1之间设置不锈钢密封圈2，不锈钢密封圈2同时连接玻璃釜体3和磨口玻璃盖1进行固定。
42.如图1、图2(a)-图2(c)所示，防溅射尼龙组件7由尼龙圈35和尼龙柱36组成，两个尼龙圈35上下相对平行设置，尼龙圈35的外周均布有凹槽，尼龙柱36一侧的上下两端分别设有凹槽，沿圆周均匀排布的两个以上尼龙柱36分别通过其上凹槽与两个尼龙圈35凹槽相对应，每个尼龙柱36上下两端分别与两个尼龙圈35通过凹槽卡住并固定在玻璃釜体3内以
防止溅射。
43.如图1、图5所示，夹持系统设有转盘6、空心转杆4，水平的转盘6的中心孔40与竖向的空心转杆4下端通过螺纹连接，空心转杆4的上部侧面分布均匀的小孔，空心转杆4的上端与转动电连接系统的尼龙实心柱10相连。转盘6采用尼龙制成，转盘6的四周均匀开设样品槽39，每个样品槽39的侧面和底部均有开孔，转盘6上可以同时安放一对或两对以上电化学样品组件5以及失重样品组件38，并进行电偶腐蚀测试。
44.如图1、图3所示，电化学样品组件5由环氧树脂32、电化学样品33、聚四氟乙烯套管34、电化学样品导线37组成，采用聚四氟乙烯管34进行封装电化学样品33，聚四氟乙烯管34内部填充环氧树脂32，电化学样品33埋置于环氧树脂32中，且电化学样品33上表面露出，电化学样品导线37焊接在电化学样品33下表面并穿过环氧树脂32。测试时，电化学样品组件5放置在样品槽39中，电化学样品导线37通过转盘6的样品槽39、转盘6的中心孔40进入空心转杆4内腔，并从转杆4上部侧面的小孔穿出。不进行电化学测试时，一对电偶对的电化学样品导线37互相连接；在进行电化学测试时，电偶对的电化学样品导线37分别并连接到两个铜滑环i13、铜滑环ii16的带螺帽螺丝柱i12、带螺帽螺丝柱ii 15上。
45.如图1、图4所示，失重样品组件38由失重样品29、尼龙螺钉30、尼龙螺柱31组成，失重样品29为圆片状，其直径与样品槽39一致，失重样品29的中心开有沉头式孔，安装时尼龙螺钉30通过沉头式孔将失重样品29固定在尼龙螺柱31上。测试时，失重样品组件38通过尼龙螺柱31卡在转盘6的样品槽39中。
46.转速控制系统中，转动电机位于竖向转动杆17的上端，转动杆17的下端与转动电连接系统的尼龙实心柱10相连，传动杆17的外部为保护外壳18，碳刷i11、碳刷ii 14固定在保护外壳18上，转速控制面板连接转动电机，可实现不同转速的调节。
47.转动电连接系统中，铜滑环i13、铜滑环ii 16上下镶嵌在尼龙实心柱10表面并使铜滑环i13、铜滑环ii 16之间保持电绝缘，铜滑环i13的侧面焊有一个带螺帽螺丝柱i12，铜滑环ii 16的侧面焊有一个带螺帽螺丝柱ii 15，螺丝柱i12、螺丝柱ii 15可分别与电化学样品导线37连接。碳刷i11、碳刷ii 14一端分别通过导线i 25、导线ii 26与电化学测试系统的电化学工作站28相连。同时，碳刷i11、碳刷ii 14另一端分别与滑环i13、滑环ii 16紧密连接实现转动条件下的电连接。尼龙实心柱10的上下两端均带有螺纹可分别与夹持系统的空心转杆4及转动控制系统的传动杆17相连。
48.温度控制系统中，温度传感器8置于玻璃釜体3的溶液中，温度传感器8通过导线与温度控制面板连接，进行实时温度测量，装有溶液的玻璃釜体3位于加热套9中，加热套9对玻璃釜体3进行加热，通过温度控制面板可对温度进行精细调节。
49.电化学测试系统由三电极系统构成，进行电偶腐蚀测试的双金属样品分别作为工作电极和对电极，参比电极采用外置饱和甘汞电极23(通过盐桥22与玻璃釜体3中的溶液相连)，放在装有饱和氯化钾溶液的烧杯24中，三电极通过导线i 25、导线ii 26、导线iii 27与电化学工作站28相连。
50.排液系统包括泵机19和导管20，导管20上安装泵机19，导管20的一端接有吸盘伸至玻璃釜体3的溶液中，可将玻璃釜体3中液体全部吸出，导管20的另一端接有废液桶21。
51.本实用新型的工作过程如下：
52.在进行动态电偶腐蚀测试时，首先将防溅射组件7安装进玻璃釜体3内，玻璃釜体3
放入加热套9中。电化学测试样品组件5以及失重样品组件38安装到转盘6的样品槽39内，电化学样品导线37穿过样品槽39侧面或底部开设的导线孔41，从转盘6底部进入空心转杆4内，最后通过空心转杆4上部的小孔穿出，一对电偶对的电化学样品导线37互相连接构成电偶腐蚀回路。空心转杆4与转动电连接系统的尼龙实心柱10下端连接，尼龙实心柱10上端与转速控制系统的传动杆17连接。通过转速控制面板控制电机启动并控制溶液流速，通过温度控制面板控制溶液温度，实现不同温度不同转速下的动态电偶腐蚀测试。
53.进行动态电偶腐蚀电化学测量时，需要将进行电偶腐蚀测试的电偶对电化学样品导线37分离开，再分别连接到铜滑环i13的带螺帽螺丝柱i12和铜滑环ii 16的带螺帽螺丝柱ii 15上，电化学工作站28连接的工作电极导线i 25以及对电极导线ii 26与碳刷i11、碳刷ii 14连接，同时将盐桥22一端放入玻璃釜体3内的溶液中，另一端放入装有饱和氯化钾的烧杯24中，再将放在烧杯24中的饱和甘汞电极23与电化学工作站28相连。
54.如图6所示，某电偶对电偶腐蚀不同时间后的电偶电位结果，结果表明该电偶对的电偶电位先呈现一定程度的降低，然后逐渐增加。
55.如图7所示，某电偶对电偶腐蚀不同时间后的电偶电流结果，结果表明该电偶对的电偶电流，随着浸泡时间增加而逐渐降低，但变化的幅度较小。
56.测试结果可以看出，本实用新型可以稳定测试电偶对的电偶电位以及电偶电流，并能反映在此条件下，电偶对的电偶腐蚀倾向，说明该套设备具有良好的测试稳定性。同一电偶对在相同测试环境下，在不同时间测得的电偶电位和电偶电流结果的波动都在实验误差范围内，说明该设备具有测试可重现性，实验数据更具说服力。
57.以上所述，仅是本实用新型的较最佳的案例，并非对本实用新型作任何限制。凡是根据实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。