一种用于流态下表面缺陷处局部腐蚀的电极测试系统的测试方法

本发明属于流动腐蚀电化学研究技术领域，具体涉及一种用于流态下表面缺陷处局部腐蚀的电极测试系统的测试方法，可用于对于底管路等具有表面局部缺陷(如管路焊接处的余高)的流动局部腐蚀，主要用于研究流体处于流动态条件下，金属材料表面存在不同形状、尺寸、成分的缺陷的情况下的局部流动腐蚀电化学信息。

背景技术：

海水管路系统作为船舶、海上采油平台、滨海电厂和海水淡化工厂等海洋装备和工程设施的重要工作单元，承担着换热、冷却、消防等重要功能。海水管路由于长期输运海水作为冷却介质，其内壁存在着各种各样的局部形貌缺陷，这种表面的局部缺陷对于海水管路腐蚀行为有着至关重要的影响。其管内存在的局部形貌缺陷可能会改变流体的流型，极易形成局部湍流，从而对海水管路表面氧化膜的冲击破坏使得金属裸露在流体中，或者冲击海水管路表面使得氧化膜难以形成，导致电化学腐蚀及其与冲刷磨损的协同效应，对整个海水管路的安全运行造成极大的威胁。

丝束电极，又称阵列电极，是由一系列规则排列的电极丝组成的复合电极。它是基于微积分的原理，将一个大面积电极分割成若干个微电极，然后将这些微电极重新组合排列，互相绝缘并进行封装来模拟大面积电极。传统的阵列电极既能获得整体电极提供的平均信号，也能获得整体电极无法提供的电化学信息表面分布、差异大小等一系列重要数据。如果自身能形成三电极体系，则可以突破很多界限，更为精确的获得局部的电化学信息。

目前对于海水管路在流动状态下的腐蚀行为已有一定的研究，但是对于具有表面局部缺陷下的流动腐蚀行为研究较少。已有的整体丝束电极具有一次成型、表面形貌不可调节、表面材料不可替换等不足，并且共用一个参比电极，给局部电化学测量带来了极大的不便，同时原有的传统的阵列电极主要作为工作电极用于腐蚀研究，极大的限制了该技术的应用。

技术实现要素：

针对现有技术存在的技术问题，本发明提供了一种用于流态下表面缺陷处局部腐蚀的电极测试系统的测试方法，该方法打破了原有阵列电极仅作为工作电极的局限，在每根电极丝外复配参比电极与辅助电极薄片，使得每根电极丝区域可以组成独立的三电极测试体系，从而为海水管路部位存在局部缺陷下的流动腐蚀行为机制研究提供关键数据；同时通过可调节式阵列电极通过可调节模块组成所需要模拟的表面缺陷，获得海水管路不同表面流动下的局部腐蚀电化学信息。

本发明的技术方案如下：

一种用于流态下表面缺陷处局部腐蚀的电极测试系统的测试方法，具体测试方法步骤如下：

第一步，在冲刷装置的安装口安装电极测试系统，电极测试系统中的电极主体的工作端面置于液体中，通过冲刷装置调节到实验所需的流速，对电极工作端面进行连续的冲刷；

第二步，利用电化学测试系统，对表面缺陷处在动态冲刷环境中的电化学信息分布予以表征，获得其腐蚀电位与电流密度信息；测试电位时，将待测电极丝与其它电极丝断开，测量其相对于参比电极的电极电位；测试电流时，将待测电极丝断开，测量其与其余短接电极丝之间的电偶电流，测试数据由计算机自动记录；

第三步,先关掉所有阀门，停止冲刷；

第四步，在冲刷装置的安装口取下电极测试系统，可对冲刷过后的电极主体的工作端面进行腐蚀形貌观察和腐蚀产物分析，清除电极主体工作端面的腐蚀产物,对电极主体进行称重；

所述电极主体中设置有若干个三电极单元，三电极单元由辅助电极薄片、参比电极薄片和工作电极组成。

优选地，冲刷的液体为天然海水或人工海水，也可选择含砂的天然海水和人工海水。

优选地，冲刷的速度为1-5m/s。也可在一些高流速下进行冲刷，具体流速取决于本申请的系统所在的冲刷装置泵的流量，需要根据实际情况进行选择调控。

优选地，冲刷液体的温度为-3-30℃。

优选地，电极测试系统包括电极主体、阵列电极、高速切换开关、电化学测试系统，阵列电极包含若干个三电极单元，三电极单元由辅助电极薄片、参比电极薄片和工作电极组成。

优选地，一种用于流态下表面缺陷处局部腐蚀的电极测试系统，包括电极主体、阵列电极、高速切换开关和电化学测试系统，电极主体中设置阵列电极，阵列电极包括可调节式阵列电极、固定式阵列电极，固定式阵列电极设置在电极主体中，在固定式阵列电极中设置有可调节式阵列电极，所述可调节式阵列电极、固定式阵列电极均包含若干个三电极单元，三电极单元由辅助电极薄片、参比电极薄片和工作电极组成，工作电极外层依次包裹参比电极薄片和辅助电极薄片，辅助电极薄片、参比电极薄片以及工作电极之间设有空隙，相邻三电极单元之间设有空隙；固定式阵列电极为若干个三电极单元紧密排列，通过环氧树脂浇注固化为一体式的阵列电极；可调节式阵列电极由可调节模块组成，可调节模块由单个三电极单元通过环氧树脂浇注固化获得，最外层为环氧树脂；可调节式阵列电极活动连接在固定式阵列电极中；辅助电极薄片、参比电极薄片和工作电极的非工作端均由导线连接到电化学测试系统形成回路，导线上设置与高速切换开关；可调节式阵列电极中的每个可调节模块均可在垂直位置上下调整，且可调节模块的工作端面为平面、斜面、弧面中的一种。该系统可测量流动状态下，缺陷处不同位置的电偶电流、腐蚀电位、腐蚀电流密度、电化学阻抗谱等电化学信息。

为了更好的技术效果，可调节模块的工作端面可设计多种形状，为模拟更多表面缺陷提供可能。利用该电极系统模拟比如一些海水管路中的表面缺陷(如焊接余高处、凹陷)，从而获得缺陷处的局部电化学信息。

优选地，三电极单元是在工作端面为正方形的工作电极外层依次包裹参比电极薄片和辅助电极薄片而获得。

优选地，可调节阵列电极的工作端面的缺陷形状模拟不同高度和形状的凸起缺陷、不同深度和形状的凹陷缺陷、凸凹缺陷并存的复杂表面缺陷形状中的一种，缺陷形状可以是平面或v形或弧形或其他形状。该电极所模拟的表面缺陷(如凸起和凹陷)的高度或者深度主要取决于研究对象，如模拟焊接余高处时，所模拟余高的高度可根据国家标准中的规定进行设置。

优选地，可调节式阵列电极为m╳m矩阵或m╳n矩阵。

优选地，固定式阵列电极内开设内嵌孔，可调节式阵列电极卡接在内嵌孔内。

优选地，电极主体为长方体、正方体、圆柱体等其他形状中的一种。

优选地，可调节单元式阵列电极和外单元式阵列电极使用不同的电极材料或相同电极材料。

优选的，辅助电极薄片的制作材料选用铂薄片、镀铂黑的铂薄片、石墨薄片等薄片中的一种，参比电极材料为固态ag薄片或agcl薄片或锌薄片。

本发明中每一个三电极单元使得每根电极丝区域可以组成独立的三电极测试体系，自身能形成三电极体系，则可以突破很多界限，得到更为精确的获得局部的电化学信息，可以进行单丝极化曲线、电化学阻抗谱等的测量，每一个三电极单元均可以直接测量单丝的电化学信息，进一步可准确获得大面积的局部腐蚀电化学信息。

本发明，通过不同流速下的电化学图谱的比较，确定腐蚀过程电化学信息随时间/空间的变化规律，确定环境条件、流速等变化对缺陷处腐蚀行为的影响。对局部活性点(阳极电流位置)，可通过单丝极化曲线、交流阻抗谱测量，分析局部腐蚀萌生的基本电化学特征；通过活性点周边区域电流分布的变化，获得局部腐蚀区扩展的一般规律及其扩展速率。结合传统腐蚀测试结果，综合分析流体变化缺陷处腐蚀行为的影响规律。

本发明的电极测试系统适用的冲刷装置，可采用现有技术中已有的冲刷装置，如申请号201811241995.5公开的冲刷装置。

本发明的有益效果是：本发明打破了原有阵列电极仅作为工作电极的局限，在每根电极丝外复配参比电极与辅助电极薄片，使得每根电极丝区域可以组成独立的三电极测试体系，实现了将辅助电极和参比电极围绕工作电极近距离分布，测试时电力线分布更为均匀，而且在电阻率相对较大的流体体系中，由于参比电极和工作电极距离较近，电位测试精度较高，电流测试不易出现断路，为海水管路部位存在局部缺陷下的腐蚀行为机制研究提供关键数据；采用可调节式阵列电极中的可调节模块更好的模拟现实中的管路表面，极易获得海水管路不同表面局部缺陷在流动状态下的腐蚀电化学信息；本发明适用于流动状态下，金属表面存在不同缺陷的局部腐蚀的电化学研究，可调节式阵列电极由于可调节模块的工作端面可以改变表面形貌来模拟海底管路有一定表面形貌缺陷的腐蚀情况，采用该结构可以方便的调节缺陷尺寸、缺陷形状以及电极的材料，而固定式阵列电极不用更换，大大降低实验误差。

本发明既可以通过可调节单元式阵列电极模拟表面缺陷，通过调节可调节模块的在垂直位置的高度或替换不同工作端面形状的可调节模块，模拟不同高度和形状的凸起缺陷、不同深度和形状的凹陷缺陷或者凸凹缺陷并存的复杂表面缺陷，并且可以自由替换可调节式阵列电极的每一个可调节模块的电极材料；避免了使用一次性阵列电极模拟表面缺陷，同时避免了暴力拆除对电极的损伤，同时有效缩短了制备模拟表面缺陷的阵列电极的时间，节省了资源，本发明设计的可调节模块组成的可调节阵列电极既能高效、便捷的模拟复杂的表面缺陷，相对于现有技术一体式成型的模拟表面阵列电极，省时省力，减少了资源的浪费；本系统利用三电极单元，经过测试能够更加便于全面获取测得流动状态下，在材料表面有不同局部形貌缺陷存在的情况下，缺陷处不同位置的电偶电流、腐蚀电位、腐蚀电流密度、电化学阻抗谱等界面电化学信息。

附图说明

图1为本发明的三电极单元的俯视图；

图2为本发明的可调节模块的俯视图；

图3为本发明的可调节模块的结构示意图；

图4为本发明的可调节模块的剖视图；

图5为矩阵8×8矩阵固定式阵列电极内嵌2×8矩阵可调节式阵列电极工作端表面示意图；

图6为矩阵8×8矩阵固定式阵列电极内嵌2×2矩阵可调节式阵列电极工作端表面示意图；

图7为矩阵8×8矩阵固定式阵列电极内嵌4×8矩阵可调节式阵列电极工作端表面示意图；

图8为矩阵8×8矩阵固定式阵列电极内嵌4×4矩阵可调节式阵列电极工作端表面示意图；

图9、11为本发明的阵列电极工作端表面为凸出缺陷的竖向剖视图；

图10、12为本发明的阵列电极工作端表面为凹陷缺陷的竖向剖视图；

图13为本发明的阵列电极工作端表面为复杂缺陷的竖向剖视图；

图中，1为工作电极，2为参比电极薄片，3为辅助电极薄片，4为环氧树脂，5为电极主体，6为固定式阵列电极，7为可调节式阵列电极，8为高速切换开关，9为电化学测试系统。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种用于流态下表面缺陷处局部腐蚀的电极测试系统的测试方法，具体测试方法如下:

第一步，在冲刷装置的安装口安装电极测试系统，电极测试系统中的电极主体的工作端面置于液体中，通过冲刷装置调节到实验所需的流速，对电极工作端面进行连续的冲刷；

第二步，利用电化学测试系统，对表面缺陷处在动态冲刷环境中的电化学信息分布予以表征，获得其腐蚀电位与电流密度信息；测试电位时，将待测电极丝与其它电极丝断开，测量其相对于参比电极的电极电位；测试电流时，将待测电极丝断开，测量其与其余短接电极丝之间的电偶电流，测试数据由计算机自动记录；经后处理得到耦合不同时间的电位、电流的分布图；

第三步,先关掉所有阀门，停止冲刷；

第四步，在冲刷装置的安装口取下电极测试系统，可对冲刷过后的电极主体的工作端面进行腐蚀形貌观察和腐蚀产物分析，清除电极主体工作端面的腐蚀产物,对电极主体进行称重；进行电极的失重计算，通过失重计算，可计算腐蚀速率等。

本发明，通过不同流速下的电化学图谱的比较，确定腐蚀过程电化学信息随时间/空间的变化规律，确定环境条件、流速等变化对缺陷处腐蚀行为的影响。对局部活性点(阳极电流位置)，可通过单丝极化曲线、交流阻抗谱测量，分析局部腐蚀萌生的基本电化学特征；通过活性点周边区域电流分布的变化，获得局部腐蚀区扩展的一般规律及其扩展速率。结合传统腐蚀测试结果，综合分析流体变化对缺陷处腐蚀行为的影响规律。

如图1-13所示，用于流态下表面缺陷处局部腐蚀的电极测试系统，包括电极主体5、阵列电极、高速切换开关8和电化学测试系统9，电极主体5中设置阵列电极，阵列电极包括可调节式阵列电极7、固定式阵列电极6，固定式阵列电极6设置在电极主体5中，在固定式阵列电极6中设置有可调节式阵列电极7，固定式阵列电极6、可调节式阵列电极7包含若干个三电极单元，三电极单元由辅助电极薄片3、参比电极薄片2和工作电极1组成，三电极单元是在工作端面为正方形的工作电极1外层依次包裹参比电极薄片2和辅助电极薄片3而获得，辅助电极薄片3、参比电极薄片2以及工作电极1之间设有空隙，相邻三电极单元之间设有空隙；固定式阵列电极6为若干个三电极单元紧密排列，通过环氧树脂浇注固化为一体式的阵列电极，辅助电极薄片3、参比电极薄片2以及工作电极1之间和相邻三电极单元之间均为环氧树脂；可调节式阵列电极7由可调节模块组成，可调节模块由单个三电极单元通过环氧树脂浇注固化获得，最外层为环氧树脂，辅助电极薄片3、参比电极薄片2以及工作电极1之间也为环氧树脂；固定式阵列电极6中开设内嵌孔，可调节式阵列电极7卡接在固定式阵列电极6的内嵌孔中；辅助电极薄片3、参比电极薄片2和工作电极1的非工作端均由导线连接到电化学测试系统9形成回路，导线上设置与高速切换开关8；可调节阵列电极7中的每个可调节模块均可在垂直位置上下调整，且可调节模块的工作端面为平面、斜面、弧面中的一种。该系统可测量流动状态下，缺陷处不同位置的电偶电流、腐蚀电位、腐蚀电流密度、电化学阻抗谱等电化学信息；可调节式阵列电极7的工作端面的缺陷形状模拟不同高度和形状的凸起缺陷、不同深度和形状的凹陷缺陷、凸凹缺陷并存的复杂表面缺陷形状，缺陷形状可以是平面或v形或弧形；可调节式阵列电极7为m╳m矩阵或m╳n矩阵；辅助电极薄片3的制作材料选用铂薄片、镀铂黑的铂薄片、石墨薄片中的一种，参比电极材料2为固态ag薄片或agcl薄片或锌薄片。

电极主体5为长方体、正方体、圆柱体等其他形状中的一种，电极主体5可根据实际的需要选择不同的形状；可调节式阵列电极7和固定式阵列电极6使用不同的电极材料或相同电极材料。

本发明中，每根电极丝区域可以组成独立的三电极测试体系，自身能形成三电极体系，则可以突破很多界限，得到更为精确的获得局部的电化学信息，可以进行单丝极化曲线、电化学阻抗谱等的测量，每一个三电极单元均可以直接测量单丝的电化学信息，进一步可准确获得大面积的局部腐蚀电化学信息。

具体的有，图5、6、7、8不同矩阵固定式阵列内嵌可调节式阵列矩阵的工作端表面示意图；图9、11为本发明的阵列电极工作端表面为凸出缺陷的竖向剖视图；图10、12为本发明的阵列电极工作端表面为凹陷缺陷的竖向剖视图；图13为本发明的阵列电极工作端表面为复杂缺陷的竖向剖视图；

上述几种具体模拟情况，固定式阵列电极6和可调节式阵列电极7均为矩阵单元式三电极排列，固定式阵列电极6内嵌的可调节式电极7通过调节可调节模块的上下位置或替换不同工作端面形状的可调节模块，即可用于研究材料表面部分不同凸凹缺陷的腐蚀情况；还可以通过替换可调节式阵列电极的电极材料，用于研究材料表面部分具有不同凸凹缺陷，且缺陷处材料与主体材料不同时的腐蚀情况。

本发明的电极测试系统适用的冲刷装置，可采用现有技术中已有的冲刷装置，如申请号201811241995.5公开的冲刷装置。本发明可实现在流动状态下对不同缺陷处的局部腐蚀的研究，本发明的测试面置于液体中，在流动状态下，适用于金属表面存在不同缺陷的局部腐蚀的电化学研究，可调节式阵列电极7由于可调节模块的工作端面可以改变表面形貌来模拟海底管路有一定表面形貌缺陷的腐蚀情况，采用该结构可以方便的调节缺陷尺寸、缺陷形状以及电极的材料，而固定式阵列电极不用更换，大大降低实验误差。

本发明提到的电化学测量系统为现有的电化学测量系统。

为了更好的研究局部缺陷处的局部腐蚀，冲刷的液体为天然海水或人工海水，冲刷的流速为1-5m/s，冲刷液体的温度为-3-30℃。

本发明既可以通过可调节单元式阵列电极模拟表面缺陷，通过调节可调节模块的在垂直位置的高度或替换不同工作端面的形状的可调节模块，模拟不同高度和形状的凸起缺陷、不同深度和形状的孔洞缺陷或者凸凹缺陷并存的复杂表面缺陷，并且可以自由替换可调节式阵列电极的每一个可调节模块的电极材料；避免了使用一次性阵列电极模拟表面缺陷，同时避免了暴力拆除对电极的损伤，同时有效缩短了制备模拟表面缺陷的阵列电极的时间，节省了资源，本发明设计的可调节模块组成的可调节阵列电极既能高效、便捷的模拟复杂的表面缺陷，相对于现有技术一体式成型的模拟表面阵列电极，省时省力，减少了资源的浪费；本系统利用三电极单元，能够更加便于全面获取测得流动状态下，在材料表面有不同局部形貌缺陷存在的情况下，缺陷处不同位置的电偶电流、腐蚀电位、腐蚀电流密度、电化学阻抗谱等界面电化学信息。

以上所述，仅是本发明的部分较佳实施例，任何熟悉本领域的技术人员均可能利用上述阐述的技术方案加以修改或将其修改为等同的技术方案。因此，依据本发明的技术方案所进行的任何简单修改或等同置换，尽属于本发明要求保护的范围。