专利名称：监测表面腐蚀的设备和方法
技术领域：
本发明涉及一种用以监测和评估表面腐蚀状况的设备和方法。
技术背景工业生产中，通常需要对易受腐蚀的部件采取防止或抑制腐蚀的措施。 对于盛放腐蚀性溶液的容器、管道等， 一种常见的防腐蚀措施是在该腐蚀性 溶液中加入抑制腐蚀的药剂。所加入药剂的量过少，不能起到抑制腐蚀的作用；量过多，则造成不必要的浪费。如果能对容器或管道中的腐蚀情况作实 时的监测，就可以根据实时腐蚀监测的反馈，持续调节所加入其中的药剂量， 使其更接近实际需要。现有的腐蚀监测方法包括腐蚀试片法(Corrosion Coupon )、电阻法 (Electrical Resistance )、感应阻抗法(Inductive Resistance )、线性极化电阻法 (Linear Polarization Resistance )、 电4匕学阻4元光i普分才斤法(Electrochemical Impedance Spectroscopy )、谐波分析法(Harmonic Analysis )、 电化学噪声分 才斤法(Electrochemical Noise )、零电P且电；克i十法(Zero Resistance Ammetry )、 动电位极化分析法(Potentiodynamic Polarization )、薄层活化法(Thin Layer Activation )、电场特征分析法(Electrical Field Signature Method )、声波发射 法(Acoustic Emission )、腐々虫电4立法(Corrosion Potential )、氬才笨4十法(Hydogen Probe )和化学分析法(Chemical Analysis )。电阻法和感应阻抗法是通过测量 腐蚀试样的电特性，以评估其腐蚀程度，其所用的传感器可以是板状、管状 或线形。用这种方法测量，腐蚀试样越薄，传感器的灵敏度越高；但是另一 方面，传感器的寿命却因腐蚀试样厚度的降低而缩短。其它方法包括电化学 噪声法、零电阻电流计法、动电位极化法、薄层活化法、电场特征分析法、 声波发射法、腐蚀电位法、氢探针法和化学分析法等等，都是利用间接证据 来探测腐蚀程度的，所测得的结果比较容易受到腐蚀之外的其他因素的影响
发明内容
本发明的目的在于提供一种简单且灵敏度高的监测表面腐蚀的设备和方法。本发明一种监测表面腐蚀的设备包括 一导电试样， 一可以向所述导电 试样传送变化的频率的电源装置，以及一个测量该导电试样在不同电流工作 频率下阻抗的测量装置。本发明 一种监测表面腐蚀的方法包括向 一导电试样传输不同频率的电 流，并测量该导电试样在所述不同频率下的阻抗，其中高频电流所测得的阻 抗反映局部腐蚀的特征，而低频电流测得的阻抗反映全面腐蚀的特征。
通过结合附图对于本发明的实施例进行描述，可以更好地理解本发明， 在附图中图1所示为本发明监测表面腐蚀的设备一个实施方式的示意图；图2所示为随着流经一导电试样的电流工作频率的逐渐增大，该试样阻 抗的曲线和试样的趋肤深度的曲线；图3所示为某一电流工作频率下，试片横断面的示意图，用以说明该频 率下试片的趋肤深度；图4所示为随电流工作频率逐渐增大，有点蚀和无点蚀试片阻抗的比较图；图5所示试片横截面的另一个示意图，其中趋肤深度大致等于试片高度 的一半。
具体实施方式
本发明包括的实施例涉及用以监测和评估表面腐蚀的设备和方法。 全面腐蚀(均匀腐蚀)是指腐蚀广泛分布或出现在相对大的比例或相对 大的面积上。其通常相对均匀的分布于系统中的管道或容器内表面。全面腐 蚀损害和降低金属质量，改变其几何机构，例如，减小管道壁的厚度，并且 导致原材料的老化或损耗。全面腐蚀危及管道或容器的结构刚度和完整性。 另一方面，局部腐蚀是指仅分布于小面积或小部分，相对不均匀并且比例相 对较小。典型的局部腐蚀包括但不限于点蚀、环境应力裂紋(ESC)、(氢)
脆化等等。趋肤效应是指交流电流经导体的过程中趋于导体表面的现象。在交流电频率较低时，其流经导体的整个横截面；随着交流电频率的增高，流经导体 的交流电流大致集中于导体的表层，其厚度(以下称"趋肤深度5")的计算 方式(公式1-1)是其中f是流经导体的交流电的频率；p是导体的"电阻率"，其且仅与导 体材质相关；jLi是"真空磁导率"，为一常数。因此，就一个具体的导体而言， 趋肤深度S仅与流经该导体的交流电的频率有关，即与该频率的平方根成反比。图1所示为本发明利用趋肤效应监测表面腐蚀的设备100 —个实施例的 示意图，其可以实时检测金属等表面的腐蚀情况，比如传输液体的管道内表 面的腐蚀情况。该检测设备100包括一个试样1、 一个可以向试样1传输交 流电的电源装置101、以及一个可以实时检测试样1阻抗的测量装置。电源 装置101可以是一个电流源或其他可以提供变化频率交流电的电源设备。试 样1的材料与其^r测对象的材料完全相同。以传输液体的管道为例，试样1 由与管道内表面相同的材料制成。测量过程中，试样1被置于管道的内表面， 使得试样1和管道内表面处于完全相同的腐蚀性的环境。如图1所示的实施 例中，仅试样1上表面109暴露于腐蚀环境中，试样1的其它五个表面被密 封以避免被管道中的液体腐蚀。试样l可以是截面为矩形的片状，其长为"a",宽为"b",高为"h"。作 为一个实施例，试样l由铜制成片状，其长、宽、高的尺寸分别为a二50毫米， b二10毫米，以及h二l毫米。在其他实施例中，试样1截面形状可以是圓形、 椭圓形等不同形状。在图1所示的实施例中，用于实时测量试样1阻抗的测量装置是一个四 线测量装置。该四线测量装置包括与试样1相连的4根引线 一正电流引线 11、 一负电流引线12、 一正电压引线13和一负电压引线14。正、负电流引 线ll、 12分别连接电源装置101的正、负极接线柱，并与一电流表102串联。 正、负电压引线13、 14之间连接一电压表103。电源装置101以不同的工作 频率向试样1输送交流电(AC)。在一个实施例中，电源装置101向试样1 所传送交流电的频率不断增加。电流表102和电压表103分别测量试样1的 实时电流和电压，由此可根据欧姆定律计算出试样1的实时阻抗。与二线测 量方法比较，四线测量消除了引线中不必要的电压降或电阻变化对测量结果 的影响，尤其是当电流表102和电压表103与试样1距离较远而需要较长导 线时，所得到的测量结果较二线测量方法更为精确。 试样1的阻抗Z公式为(公式1-2 ):<formula>formula see original document page 7</formula>其中Z是试样1的阻抗，R是电阻，Ls是感抗，Cs是容抗，W是电流的角频率。阻抗Z表示导体对交流电阻碍的特性，包括电阻和电抗两部分。电阻是 由于电子与导体内离子相碰撞而产生的，代表电能被转换成热能的过程，不 同的材料有不同的电阻系数。电抗是交流电通过导体时，导体产生的电感和 电容对交流电的阻碍的特性，是随着频率的变化而变化的。实际测量中，因 为试样1的尺寸远小于电源装置101所传输交流电流的波长，感抗Ls和容抗 Cs对阻抗Z的作用微乎其微，阻抗Z近似等于电阻R。为便于说明，设想试样1的高度h因受全面腐蚀而减小，且试样1上表 面109有一局部点蚀104。 <吏用4企测4义100对全面腐蚀后高度h的变化和点 蚀104的检测方法将在下面详细论述。全面腐蚀如前所述，由于趋肤效应，高频交流电仅流过试样1的表层，且电流的 趁肤深度5随频率增大而逐渐变小，导体1的趋肤深度部分是与阻抗有关的。在一定的频率下， 一导体的趋肤深度是确定的，在计算导体的阻抗Z时， 可以假设电流均匀分布在导体上所述趋肤深度所确定的表层内。这种假设可 以简化试样l的几何形状，从而用公式U，更容易计算出给定频率下趋肤深 度区域内的阻抗。图2所示为交流电的频率逐渐增加时，试样1阻抗的曲线和相应的趋肤 深度S曲线。在低频电流流经试样1时，所产生的趋肤深度不小于试样1高 度h的一半，因此交流电流经试样1的整个横截面。依据线性电阻标准方程 1-2:<formula>formula see original document page 8</formula>其中p是试样1所采用材料的电阻率，L是试样1的有效长度，S是电流 所流经的由趋肤深度S确定的横截面积。因此，在低频电流，L与试样l的 长度a相同，而S就是试样1的总橫截面积，即S=b*h。因此，试样1的电 阻R在低频时是一个常量。随着电流工作频率的增加，当趋肤深度S小于试样1高度h的一半时， 相应的频率称作"第一临界频率fo",在试样1中交流电流所流经的路径可以 看作是一个如图3所示的中空导管，该中空导管长度为"a"，管壁厚度为"5"。 交流电流可以认为均匀分布于趋肤深度区域，将其导入公式1-2:<formula>formula see original document page 8</formula>可见，当交流电流的频率大于f。，其经过的有效横截面积S较试样1的 总横截面积要小。因此，试样1的电阻R自第一临界频率fo陡增，则图2所 示试样1的阻抗Z曲线在第一临界频率fo有一拐点。从而，试样1的全面腐蚀可通过这种方式测得，即实时测量试样1在逐 渐增加的频率下的相应的电阻(阻抗)，形成了电阻(阻抗)曲线图。该电阻 (阻抗)曲线图上，阻值出现隄增的位置相应的频率是第一临界频率fo，此 时所对应的趋肤深度S大致等于试样1高度h的一半。则试样高度h由方程 1-1算出P兀* fo *U作为一个实施方式，由公式l-3所得电阻公式的二阶导数可用来预测图2 中电阻曲线拐点的出现。在低频状态下，f^f0，电阻R为常量，且等于p^^L/S， 则电阻的二阶导数为0;当频率大于第一临界频率f。时，电阻是趋肤深度S 的二次函数，则该电阻的二阶导数为一非零的常数。因此，可以在二阶导数 图上观测到第一临界频率fo的出现。
局部腐蚀请参照图4，曲线vl、 v2分别是在电流工作频率逐渐增加的过程中，试 样1表面无点蚀和有点蚀104时阻抗的曲线图。在低频下，曲线vl和曲线 v2完全重合，即点蚀104对试样1的阻抗几乎没有影响。当工作频率达到 1.6MHZ时，曲线v2较曲线vl明显升高，即自频率高于1.6MHZ时，点蚀 104开始影响试样1的阻抗。根据电阻的基础方程(方程1-2 ),当趋肤深度5大于试样1高度h的一 半时，随着频率进一步增加，电流流经试样1的有效横截面积减小，但是试 样1的有效长度L几乎不变。因此，此时试样1的交流电阻仅与趋肤深度5 有关，即与电流的频率有关，而点蚀104对交流电阻影响微小。如图5所示， 而当电流工作频率再进一步增高，当趋肤深度5趋近点蚀104的深度r (以下 称点蚀深度r)时，交流电流过点蚀104的半球形底面，从而导致了电阻的基 础方程(方程l-2)中的有效长度L的增加，进而使得电阻R的值增加。因 此，曲线v2较曲线vl迅速上升处，相应的电流工作频率为"第二临界频率 f,'，，即图3中1.6MHZ。由此，点蚀深度r可由以下方程算出r= 5 = -兀* fi *U理论上，当趋肤深度5接近点蚀深度r时，交流电所流经的路径长度已 经较L大。因此，依照上述公式计算的点蚀深度r与第二临界频率f,所对应 的5并非完全相等，但两者之间的误差在真实的表面腐蚀测试中是可接受的。 此外，因简化方法测得的点蚀深度r较实际的点蚀深度大，故有利于更早发现点蚀的出现。另外，根据试样1阻抗与频率变化之间的关系，点蚀深度r可通过建立 有限要素模型(有限元)(Finite-Element-Model )来计算。商用 Finite-Element-Model l欠件包4舌Swanson Analysis Systems, Inc.的ANSYS , R & D, Inc.的ADINA , Hibbitt, Karisson, & Sorenson, Inc.的ABAQUS⑧等等。作为一种实施方式，电源装置101向试样1传送频率递增的电压或电流， 该频率可以是线性增加，也可以是呈对数增长的。其中低频反应全面腐蚀的 情况，而高频反应局部腐蚀的情况。在一个实施方式中，测量全面腐蚀的最 低电流工作频率所对应的趋肤深度大于导电试样1的厚度h的二分之一。而 测量局部腐蚀的最高电流工作频率所对应的趋肤深度不大于导电试样1厚度 h的十分之一。电源装置101不间断地重复该选择的频率范围，也可以持续 若干个循环后停顿一个预设的间隔，比如循环十次以后停顿，以计算全面腐蚀和局部腐蚀。虽然结合特定的实施例对本发明进行了说明，但本领域的技术人员可以 理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的 意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。
权利要求
1. 一种监测表面腐蚀的设备，用于监测腐蚀性环境中零件的表面腐蚀情况，包括一导电试样；一可以向所述导电试样传送变化的频率的电源装置；以及一个测量该导电试样在不同电流工作频率下阻抗的测量装置。
2. 如权利要求1所述的监测表面腐蚀的设备，其中所述测量装置是指一 种四线测量装置。
3. 如权利要求1所述的监测表面腐蚀的设备，其中所述导电试样有至少 一个面是密封而避免被腐蚀的。
4. 如权利要求1所述的监测表面腐蚀的设备，其中所述导电试样的截面 形状可以是矩形、圆形或椭圓形。
5. —种监测表面腐蚀的方法，包括向一导电试样传输不同频率的电流， 并测量该导电试样在所述不同频率下的阻抗，其中高频电流所测得的阻抗反 映局部腐蚀的特征，而低频电流测得的阻抗反映全面腐蚀的特征。
6. 如权利要求5所述的监测表面腐蚀的方法，其中对局部腐蚀和全面腐 蚀状况的监测都利用了趋肤效应的现象。
7. 如权利要求5所述的监测表面腐蚀的方法，进一步包括观察不同频率 下测得的阻值，当电阻陡增时，相应的趋肤深度大致等于被测导体的高度的 二分之一。
8. 如权利要求5所述的监测表面腐蚀的方法，其中局部腐蚀是通过将测 得的不同频率下导电试样的阻抗与 一参考试样的阻抗比较而测得的。
9. 如权利要求5所述的监测表面腐蚀的方法，其中所述在不同的频率下 测量一导电试样的阻抗，电流工作频率是依据导电试样的材料和高度来选择 的。
10. 如权利要求9所述的监测表面腐蚀的方法，其中所述反应全面腐蚀的 低频电流，其最低频率所对应的趋肤深度大于导电试样的厚度的二分之一 。
11 .如权利要求9所述的监测表面腐蚀的方法，其中所述反应局部腐蚀的 高频电流，其最高频率所对应的趋肤深度不大于导电试样厚度的十分之一 。 12. —种监测表面腐蚀的方法，包括 向 一导电试样内传输变化频率的电流； 测量多种频率下导入电流的各个阻抗并形成阻抗曲线图；依据电流工作频率和导电试样的阻抗之间的关系建立有限要素模型；以及依据有限要素模型和阻抗曲线图来评估局部腐蚀和全面腐蚀。
全文摘要
本发明揭示一种监测表面腐蚀的设备和方法，用以检测易受腐蚀的金属等部分的表面腐蚀情况。该测量表面腐蚀的设备包括一导电试样；一可以向所述导电试样传送变化的频率的电源装置；以及一个测量该导电试样在不同电流工作频率下阻抗的测量装置。该监测表面腐蚀的方法包括向一导电试样传输不同频率的电流，并测量该导电试样在所述不同频率下的阻抗，其中高频电流所测得的阻抗反映局部腐蚀的特征，而低频电流测得的阻抗反映全面腐蚀的特征。
文档编号G01N17/00GK101398369SQ20071016413
公开日2009年4月1日 申请日期2007年9月30日 优先权日2007年9月30日
发明者布莱恩·W·莱思克, 育 张, 芦继来, 陈为国 申请人:通用电气公司