一種用于測量金屬管外壁腐蝕的傳感器的制造方法
【專利摘要】一種用于測量金屬管外壁腐蝕的傳感器，包括圓盤形蓋板、參比電極柱、輔助電極和圓環形底座，圓盤形蓋板的中心位置設置有蓋板中孔，在圓盤形蓋板小圓盤的外側設置螺紋，參比電極柱包括由參比電極接線柱，連接柱和氯化銀絲組成的上部，和由緊固螺管和玻璃管組成的下部，上部的連接柱套在下部玻璃管的外側，連接柱內的氯化銀絲伸入至玻璃管底端，輔助電極的鉑片設置于圓盤形蓋板的小圓盤的下方，圓環形底座的內部設置環形磁鐵，將整個裝置吸附在實驗金屬的表面，該測試裝置反應靈敏，便于攜帶，操作便捷，能夠在服役狀態下迅速判斷出金屬管線外壁涂裝破損情況、破損類型和腐蝕程度。
【專利說明】
一種用于測量金屬管外壁腐蝕的傳感器
技術領域
[0001]本發明涉及金屬腐蝕測量裝置，尤其涉及一種用于測量金屬管外壁腐蝕的傳感器。
【背景技術】
[0002]有調查表明，全世界每年因腐蝕造成的經濟損失達6000億至12000億元，占各國國民生產總值的2%_4%。特別是對于水利或油氣輸送管線，其運行過程中管道的安全性具有重要意義。影響金屬管線服役年限的因素有很多，例如管道工作壓力、加工材質、第三方破壞、金屬腐蝕、涂層破裂等因素均會導致管線使用年限縮短。其中，腐蝕因素對于管線服役年限的影響程度最為嚴重。
[0003]引起金屬腐蝕的環境千差萬別，即便是同一種材料，在不同的腐蝕環境下其腐蝕形態也存在差異。針對金屬管線的服役環境，管線鋼的腐蝕類型可分為均勻腐蝕、點蝕、縫隙腐蝕、沖刷腐蝕及應力腐蝕等。在管線的服役過程中，腐蝕產物形成并會沉積在管線鋼的表面，影響管線鋼進一步的腐蝕過程。管線鋼的腐蝕機制是由其腐蝕產物的成分和結構所決定，不止如此，腐蝕產物層的性質還決定了腐蝕速率的變化。
[0004]因輸送管線腐蝕破壞后果的嚴重性，以及其腐蝕過程的復雜性，對金屬管線在服役期間的腐蝕狀態進行便捷的檢測和準確的評價則顯得尤為重要。在腐蝕檢測和評價方面，電化學方法有著獨特的優勢。待檢測和評價的金屬管線外壁一般覆有防護涂層，是金屬/涂層體系。隨著服役時間的延長，防護涂層逐步失效，管線鋼表面有腐蝕產物生成，這時成為金屬/銹層/涂層體系。涂層下金屬腐蝕主要是電化學腐蝕，防護涂層在失效過程中，伴隨著一系列的電化學變化。通過檢測電化學信號變化，可以獲得金屬腐蝕與涂層防護性能變化的動態信息，實現涂層耐蝕性與管線鋼腐蝕過程的定量與半定量評價。目前，國內對金屬管線耐蝕性能的評估方法僅限于對管道的形變、外覆涂層使用狀態的監測，或者使用無損探傷手段對外壁已發生破損的管線進行破壞位置及破損程度探查，同時結合管線表面形貌變化等參數，對金屬管線整體的腐蝕狀況做出間接評價，無法對金屬管線在服役狀態下的腐蝕狀態進行定量評價。基于電化學測量原理，對金屬管線外壁的腐蝕狀態進行在線快速檢測和評價且適用于各種規格金屬管線外壁的電化學測量傳感器及評價方法，在國內未有使用過。
【發明內容】
[0005]本發明克服了現有技術中的缺點，提供了一種用于測量金屬管外壁腐蝕的傳感器。
[0006]為了解決上述技術問題，本發明是通過以下技術方案實現的:
[0007]—種用于測量金屬管外壁腐蝕的傳感器包括圓盤形蓋板、參比電極柱、輔助電極和圓環形底座，具體來說:
[0008]圓盤形蓋板由上大下小的兩個圓盤形結構組成，上方的圓盤為大圓盤，下方的圓盤為小圓盤，在圓盤形蓋板的中心位置設置有蓋板中孔，蓋板中孔分為上下兩段孔，上段孔的直徑大于下段孔的直徑，上段孔內設置有螺紋，用于與參比電極柱的緊固螺管連接，在小圓盤的外側設置螺紋，用于與圓環形底座的連接；
[0009]在上述技術方案中，其中所述的小圓盤直徑為大圓盤直徑的1/3-1/2;
[0010]參比電極柱包括由參比電極接線柱，連接柱和氯化銀絲組成的上部，和由緊固螺管和玻璃管組成的下部;在連接柱的上平面中心垂直設置參比電極連接柱，連接柱內部垂直于上平面設置有氯化銀絲，氯化銀絲的頂端穿過中孔連接柱的上平面與參比電極連接柱的底端相連;在緊固螺管的下端外側設置有螺紋，用于與圓盤形蓋板的蓋板上段孔連接，在緊固螺管的內部設置玻璃管，玻璃管上方開口，內部中空，用以填充瓊脂和飽和氯化鉀溶液作為鹽橋，在玻璃管的下端設置多孔陶瓷，上部的連接柱套在下部玻璃管的外側，連接柱內的氯化銀絲伸入至玻璃管底端;上部與下部保持連接，組成參比電極柱整體；
[0011]在上述技術方案中，其中所述的氯化銀絲底端距離玻璃管底端的距離為0.5-2cm;
[0012]在上述技術方案中，所述的多孔陶瓷為堇青石、鈦酸鋁材料，作為緩沖溶液的過濾介質，多孔陶瓷的厚度為1-1Omm;
[0013]輔助電極包括鉑片和輔助電極接線柱，鉑片設置于圓盤形蓋板的小圓盤的下方，面積與小圓盤的面積相同，鉑片的中央設置有圓孔，參比電極柱玻璃管穿過鉑片中央圓孔，并設置緊固螺母，用于將鉑片固定在圓盤形蓋板的小圓盤上，輔助電極接線柱垂直設置于圓盤形蓋板內，輔助電極接線柱距離圓盤形蓋板圓心的水平距離小于小圓盤的半徑，輔助電極接線柱貫穿大圓盤和小圓盤，下端與鉑片相連，上端一部分暴露在圓盤形蓋板的大圓盤的上方；
[0014]在上述技術方案中，所述的輔助電極接線柱暴露在圓盤形蓋板的大圓盤上方的部分長度占整體長度的I/3-1/2;
[0015]在上述技術方案中，所述的鉑片為Ag/AgCl電極；
[0016]圓環形底座為圓環形柱體，圓環的外周圓面積大小與圓盤形蓋板的大圓盤的面積相同，圓環的內周圓面積大小與圓盤形蓋板的小圓盤的面積相同，圓環形底座的內側設置螺紋，用于與圓盤形蓋板的小圓盤連接，圓環形底座的厚度大于圓盤形蓋板的小圓盤的厚度，圓環形底座與圓盤形蓋板通過螺紋連接后，形成凹槽，此凹槽作為填充浸潤緩沖液的海綿的空間，詳見后續實驗方法；圓環形底座的內部設置環形磁鐵，用于將整個裝置吸附在實驗金屬的表面，在圓環形底座內圓的邊緣設置環形墊圈；
[0017]在上述技術方案中，其中所述的小圓盤高度為圓環形底座高度的1/3-1/2;
[0018]在上述技術方案中，其中所述的凹槽底面面積為鉑片的面積、高度為圓環形底座的高度減去圓盤形蓋板的小圓盤的高度的差值；
[0019]在上述技術方案中，其中所述的環形磁鐵設置于圓環形底座向下的一側；
[0020]在使用本發明的傳感器測試時，按照以下步驟進行:
[0021]步驟1:將玻璃管中填充以填充瓊脂和飽和氯化鉀溶液，作為反應中的鹽橋，
[0022]步驟2:將連接柱套在玻璃管外側，使氯化銀絲伸入至玻璃管底端，將參比電極柱整體，通過螺紋與圓盤形蓋板連接，將圓盤形蓋板通過螺紋與圓環形底座連接，
[0023]步驟3:向凹槽內填充浸潤緩沖溶液的吸附材料，
[0024]步驟4:將整個裝置通過環形磁鐵固定在傳感器表面，并保持密封，以凹槽對應的測試金屬作為工作電極，鉑片作為輔助電極，工作電極與輔助電極的面積一致，氯化銀絲作為參比電極，
[0025]步驟5:將電化學工作站接在參比電極接線柱和輔助電極接線柱上，即可進行測試。
[0026]在上述技術方案中，其中所述的吸附材料為海綿。
[0027]與現有技術相比，本發明的有益效果是:該傳感器制作簡單，反應靈敏，便于攜帶，操作便捷;評價方法簡單準確，數據可分辨性高，能夠在服役狀態下迅速判斷出金屬管線外壁涂裝破損情況、破損類型、腐蝕程度，并適用于對各種規格金屬管線外壁涂裝的腐蝕狀態進行快速檢測和評價。
【附圖說明】
[0028]圖1為本傳感器裝置參比電極柱與圓盤形蓋板連接結構示意圖。
[0029]圖2為參比電極柱側視結構示意圖。
[0030]圖3為圓盤形蓋板側視結構示意圖。
[0031]圖4為圓盤形蓋板底部平面結構示意圖。
[0032]圖5為圓環形底座結構示意圖。
[0033]圖6為圓環形底座側視結構示意圖。
[0034]圖7為圓環形底座底部平面結構示意圖。
[0035]圖8為表層涂覆有環氧樹脂的X65管線鋼在模擬海水中浸泡第10-50天的電化學阻抗譜。
[0036]圖9為表層涂覆有環氧樹脂的X65管線鋼在模擬海水中浸泡第10天的腐蝕形貌。
[0037]圖10為表層涂覆有環氧樹脂的X65管線鋼在模擬海水中浸泡第20天的腐蝕形貌。
[0038]圖11為表層涂覆有環氧樹脂的X65管線鋼在模擬海水中浸泡第140-200天的電化學阻抗譜。
[0039]圖12為表層涂覆有環氧樹脂的X65管線鋼在模擬海水中浸泡第140天的腐蝕形貌。
[0040]圖13為表層涂覆有環氧樹脂的X65管線鋼在模擬海水中浸泡第200天的腐蝕形貌。[0041 ]圖14為本傳感器裝置整體結構示意圖。
[0042]其中I為參比電極接線柱，2為氯化銀絲，3為輔助電極接線柱，4為玻璃管，5為緊固螺管，6為圓盤形蓋板，7為圓環形底座，8為環形磁鐵，9為鉑片，10為緊固螺母，11為環形墊圈，12為多孔陶瓷，13為蓋板中孔，14為小圓盤，15為大圓盤，16為上段孔，17為下段孔，18為連接柱，19為凹槽。
【具體實施方式】
[0043]下面結合附圖與具體的實施方式對本發明作進一步詳細描述:
[0044]一種用于測量金屬管外壁腐蝕的傳感器包括圓盤形蓋板、參比電極柱、輔助電極和圓環形底座，具體來說:
[0045]圓盤形蓋板由上大下小的兩個圓盤形結構組成，上方的圓盤為大圓盤，下方的圓盤為小圓盤，在圓盤形蓋板的中心位置設置有蓋板中孔，蓋板中孔分為上下兩段孔，上段孔的直徑大于下段孔的直徑，上段孔內設置有螺紋，用于與參比電極柱的緊固螺管連接，在小圓盤的外側設置螺紋，用于與圓環形底座的連接；
[0046]在上述技術方案中，其中所述的小圓盤直徑為大圓盤直徑的1/3-1/2;
[0047]參比電極柱包括由參比電極接線柱，連接柱和氯化銀絲組成的上部，和由緊固螺管和玻璃管組成的下部;在連接柱的上平面中心垂直設置參比電極連接柱，連接柱內部垂直于上平面設置有氯化銀絲，氯化銀絲的頂端穿過中孔連接柱的上平面與參比電極連接柱的底端相連;在緊固螺管的下端外側設置有螺紋，用于與圓盤形蓋板的蓋板上段孔連接，在緊固螺管的內部設置玻璃管，玻璃管上方開口，內部中空，用以填充瓊脂和飽和氯化鉀溶液作為鹽橋，在玻璃管的下端設置多孔陶瓷，上部的連接柱套在下部玻璃管的外側，連接柱內的氯化銀絲伸入至玻璃管底端;上部與下部保持連接，組成參比電極柱整體；
[0048]在上述技術方案中，其中所述的氯化銀絲底端距離玻璃管底端的距離為0.5-2cm;
[0049]在上述技術方案中，所述的多孔陶瓷為堇青石、鈦酸鋁材料，作為緩沖溶液的過濾介質，多孔陶瓷的厚度為1-1Omm;
[0050]輔助電極包括鉑片和輔助電極接線柱，鉑片設置于圓盤形蓋板的小圓盤的下方，面積與小圓盤的面積相同，鉑片的中央設置有圓孔，參比電極柱玻璃管穿過鉑片中央圓孔，并設置緊固螺母，用于將鉑片固定在圓盤形蓋板的小圓盤上，輔助電極接線柱垂直設置于圓盤形蓋板內，輔助電極接線柱距離圓盤形蓋板圓心的水平距離小于小圓盤的半徑，輔助電極接線柱貫穿大圓盤和小圓盤，下端與鉑片相連，上端一部分暴露在圓盤形蓋板的大圓盤的上方；
[0051]在上述技術方案中，所述的輔助電極接線柱暴露在圓盤形蓋板的大圓盤上方的部分長度占整體長度的I/3-1/2;
[0052]在上述技術方案中，所述的鉑片為Ag/AgCl電極；
[0053]圓環形底座為圓環形柱體，圓環的外周圓面積大小與圓盤形蓋板的大圓盤的面積相同，圓環的內周圓面積大小與圓盤形蓋板的小圓盤的面積相同，圓環形底座的內側設置螺紋，用于與圓盤形蓋板的小圓盤連接，圓環形底座的厚度大于圓盤形蓋板的小圓盤的厚度，圓環形底座與圓盤形蓋板通過螺紋連接后，形成凹槽，此凹槽作為填充浸潤緩沖液的海綿的空間，詳見后續實驗方法；圓環形底座的內部設置環形磁鐵，用于將整個裝置吸附在實驗金屬的表面，在圓環形底座內圓的邊緣設置環形墊圈；
[0054]在上述技術方案中，其中所述的小圓盤高度為圓環形底座高度的1/3-1/2;
[0055]在上述技術方案中，其中所述的凹槽底面面積為鉑片的面積、高度為圓環形底座的高度減去圓盤形蓋板的小圓盤的高度的差值；
[0056]在上述技術方案中，其中所述的環形磁鐵設置于圓環形底座向下的一側；
[0057]在使用本發明的傳感器測試時，按照以下步驟進行:
[0058]步驟1:將玻璃管中填充以填充瓊脂和飽和氯化鉀溶液，作為反應中的鹽橋，
[0059]步驟2:將連接柱套在玻璃管外側，使氯化銀絲伸入至玻璃管底端，將參比電極柱整體，通過螺紋與圓盤形蓋板連接，將圓盤形蓋板通過螺紋與圓環形底座連接，
[0060]步驟3:向凹槽內填充浸潤緩沖溶液的吸附材料，
[0061 ]步驟4:將整個裝置通過環形磁鐵固定在傳感器表面，并保持密封，以凹槽對應的測試金屬作為工作電極，鉑片作為輔助電極，工作電極與輔助電極的面積一致，氯化銀絲作為參比電極，
[0062]步驟5:將電化學工作站接在參比電極接線柱和輔助電極接線柱上，即可進行測試。
[0063]在上述技術方案中，其中所述的吸附材料為海綿。
[0064]由于圓環形底座內嵌有一塊環形磁鐵，使傳感器在強磁鐵的作用下可以固定在金屬管線上方，適用于各種規格金屬管線。參比電極為AgCl電極，穩定性高、適用性廣;輔助電極為直徑30mm的鉑片，輔助電極面積與工作電極暴露于溶液環境中的工作面積基本相同，保證測試數據的準確性在使用時可以根據實驗需要，調整小圓盤的高度以使凹槽的深度改變。檢測利用電化學阻抗譜技術對金屬管線外壁進行測試，測試方法簡單、數據采集迅速，通過對數據進行分析，可以判斷金屬管線外壁的腐蝕狀態及涂層的完整性和破損程度。
[0065]實施例1:
[0066]利用AutoLab 302N電化學工作站和研制出的傳感器進行電化學阻抗測試，測試試樣為X65管線鋼，試樣外壁均勻涂覆環氧樹脂涂層，測試溶液為3.5wt %濃度氯化鈉水溶液(模擬海水)，海綿吸滿測試溶液后塞入傳感器底部，試驗溫度25°C，測試周期為50天，結果如圖8所示。
[0067]浸泡時間直到第10天，所測得的阻抗復數平面圖仍舊呈單個半圓弧的形狀，由容抗弧的半徑可以推斷出所測的內壁表面具有較高的涂層電阻(50MQ*cm2)，表明其耐蝕性良好。為了進一步證實實驗數據的準確性，將試樣放置于基恩士 VHX-2000全景深顯微鏡下放大觀察，發現涂層表面完整光滑，沒有破損現象發生，如圖9所示。
[0068]當浸泡時間達到20天時，所測得的阻抗復數平面圖開始呈現雙容抗弧的特征，且容抗弧的半徑明顯減小。說明有部分溶液已經可以透過涂層滲透到了金屬基體表面，涂層的耐蝕保護性能在逐漸失效。為了進一步證實實驗數據的準確性，將試樣放置于基恩士VHX-2000全景深顯微鏡下放大觀察，發現涂層表面有小面積的破損，局部區域金屬基體已經暴露，見圖10。
[0069]實施例2:
[0070]利用AutoLab 302N電化學工作站和研制出的傳感器進行電化學阻抗測試，測試試樣為X65管線鋼，試樣外壁均勻涂覆環氧樹脂涂層，測試溶液為3.5wt %濃度氯化鈉水溶液(模擬海水)，海綿吸滿測試溶液后塞入傳感器底部，試驗溫度25°C，測試時間分別為浸泡第140天和第200天，結果如圖11所示。
[0071]在浸泡第200天時，所測得的阻抗復數平面圖開始呈現雙容抗弧+擴散阻抗的三個時間常數特征，容抗弧半徑與浸泡前期相比降低明顯(30KQ*cm2)，說明溶液已經透過涂層到達金屬基體表面并發生腐蝕，涂層的耐蝕保護性能已經失效。為了進一步證實實驗數據的準確性，將試樣放置于基恩士 VHX-2000全景深顯微鏡放大觀察，發現涂層表面存在較大面積的紅褐色腐蝕產物，涂層發生嚴重的破損。圖12、圖13分別為浸泡第140天和第200天后的試樣表面形貌。
[0072]以上對本發明進行了詳細說明，但所述內容僅為本發明的較佳實施例，不能被認為用于限定本發明的實施范圍。凡依本發明申請范圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬于本發明的專利涵蓋范圍之內。
【主權項】
1.一種用于測量金屬管外壁腐蝕的傳感器，其特征在于:包括圓盤形蓋板、參比電極柱、輔助電極和圓環形底座: 圓盤形蓋板由上大下小的兩個圓盤形結構組成，上方的圓盤為大圓盤，下方的圓盤為小圓盤，在圓盤形蓋板的中心位置設置有蓋板中孔，蓋板中孔分為上下兩段孔，上段孔的直徑大于下段孔的直徑，上段孔內設置有螺紋，用于與參比電極柱的緊固螺管連接，在小圓盤的外側設置螺紋，用于與圓環形底座的連接； 參比電極柱包括由參比電極接線柱，連接柱和氯化銀絲組成的上部，和由緊固螺管和玻璃管組成的下部;在連接柱的上平面中心垂直設置參比電極連接柱，連接柱內部垂直于上平面設置有氯化銀絲，氯化銀絲的頂端穿過中孔連接柱的上平面與參比電極連接柱的底端相連;在緊固螺管的下端外側設置有螺紋，用于與圓盤形蓋板的蓋板上段孔連接，在緊固螺管的內部設置玻璃管，玻璃管上方開口，內部中空，用以填充瓊脂和飽和氯化鉀溶液作為鹽橋，在玻璃管的下端設置多孔陶瓷，上部的連接柱套在下部玻璃管的外側，連接柱內的氯化銀絲伸入至玻璃管底端;上部與下部保持連接，組成參比電極柱整體； 輔助電極包括鉑片和輔助電極接線柱，鉑片設置于圓盤形蓋板的小圓盤的下方，面積與小圓盤的面積相同，鉑片的中央設置有圓孔，參比電極柱玻璃管穿過鉑片中央圓孔，并設置緊固螺母，用于將鉑片固定在圓盤形蓋板的小圓盤上，輔助電極接線柱垂直設置于圓盤形蓋板內，輔助電極接線柱距離圓盤形蓋板圓心的水平距離小于小圓盤的半徑，輔助電極接線柱貫穿大圓盤和小圓盤，下端與鉑片相連，上端一部分暴露在圓盤形蓋板的大圓盤的上方； 圓環形底座為圓環形柱體，圓環的外周圓面積大小與圓盤形蓋板的大圓盤的面積相同，圓環的內周圓面積大小與圓盤形蓋板的小圓盤的面積相同，圓環形底座的內側設置螺紋，用于與圓盤形蓋板的小圓盤連接，圓環形底座的厚度大于圓盤形蓋板的小圓盤的厚度，圓環形底座與圓盤形蓋板通過螺紋連接后，形成凹槽;圓環形底座的內部設置環形磁鐵，用于將整個裝置吸附在實驗金屬的表面，在圓環形底座內圓的邊緣設置環形墊圈。2.如權利要求1所述的一種用于測量金屬管外壁腐蝕的傳感器，其特征在于:所述的小圓盤直徑為大圓盤直徑的1/3-1/2。3.如權利要求1所述的一種用于測量金屬管外壁腐蝕的傳感器，其特征在于:所述的氯化銀絲底端距離玻璃管底端的距離為0.5-2cm。4.如權利要求1所述的一種用于測量金屬管外壁腐蝕的傳感器，其特征在于:所述的多孔陶瓷為堇青石、鈦酸鋁材料，作為緩沖溶液的過濾介質，多孔陶瓷的厚度為l-10mm。5.如權利要求1所述的一種用于測量金屬管外壁腐蝕的傳感器，其特征在于:所述的輔助電極接線柱暴露在圓盤形蓋板的大圓盤上方的部分長度占整體長度的1/3-1/2。6.如權利要求1所述的一種用于測量金屬管外壁腐蝕的傳感器，其特征在于:所述的鉑片為Ag/AgCl電極。7.如權利要求1所述的一種用于測量金屬管外壁腐蝕的傳感器，其特征在于:所述的小圓盤高度為圓環形底座高度的1/3-1/2。8.如權利要求1所述的一種用于測量金屬管外壁腐蝕的傳感器，其特征在于:所述的凹槽底面面積為鉑片的面積、高度為圓環形底座的高度減去圓盤形蓋板的小圓盤的高度的差值。9.一種用于測量金屬管外壁腐蝕的傳感器的測試方法，其特征在于，按照以下步驟進行測試: 步驟I:將玻璃管中填充以填充瓊脂和飽和氯化鉀溶液，作為反應中的鹽橋， 步驟2:將連接柱套在玻璃管外側，使氯化銀絲伸入至玻璃管底端，將參比電極柱整體，通過螺紋與圓盤形蓋板連接，將圓盤形蓋板通過螺紋與圓環形底座連接， 步驟3:向凹槽內填充浸潤緩沖溶液的吸附材料， 步驟4:將整個裝置通過環形磁鐵固定在測試裝置表面，并保持密封，以凹槽對應的測試金屬作為工作電極，鉑片作為輔助電極，工作電極與輔助電極的面積一致，氯化銀絲作為參比電極， 步驟5:將電化學工作站接在參比電極接線柱和輔助電極接線柱上，進行測試。10.如權利要求9所述的一種用于測量金屬管外壁腐蝕的傳感器的測試方法，其特征在于，所述的吸附材料為海綿。
【文檔編號】G01N17/00GK105891097SQ201610361662
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】王吉會, 李秋實
【申請人】天津大學