一种接地材料在土壤模拟溶液中腐蚀试验装置及方法与流程

本发明涉及一种接地材料在土壤模拟溶液中腐蚀试验装置及方法，属接地
技术领域：
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背景技术：
：金属材料在土壤中的腐蚀是金属的严重腐蚀问题之一。接地网作为保障电网设备安全稳定运行的诸多环节之一，其运行的可靠性直接关系到电网的安全运行。研究金属腐蚀具有重大意义，土壤腐蚀试验方法主要有现场埋置试片法和实验室模拟加速法。现场埋置试片法是最经典的土壤腐蚀性研究方法，它能可靠的得到不同材料在不同的土壤环境中的腐蚀速率、腐蚀类型以及腐蚀机理等腐蚀数据。m.romanoff等进行过相关试验，结果表明接地材料在土壤中的腐蚀速率与埋设时间的关系是随着埋片时间的加长，腐蚀速率呈先增大后减小的变化趋势，并由此推断接地材料的使用寿命，但现场埋片法，实验周期长，需大量试片，且费时费力，重现性差。实验室模拟加速法是在实验室条件下埋片试验，控制主要变量因素，具有参数测量精确，试验操作简单、试验周期短等特点，主要有以下几种方法：电偶加速法是利用两种存在一定电位差的材料在土壤中进行短接，构成电偶腐蚀电池，从而加大试片在土壤中的腐蚀速率。但引入了电偶电流，对腐蚀机理和腐蚀行为具有较大影响。电解失重法是通过人为的外加电流或者电压，或者改变腐蚀试片阴阳极面积比等方法促进材料在土壤中的电解过程，从而达到加速腐蚀的目的。但腐蚀机理和腐蚀产物的形貌与实际土壤中的情况不同，导致模拟试验与实际环境下的腐蚀相关性较差。土壤加速试验法恒温恒湿箱中进行，一般采用实际土壤，不引入其他离子，通过控制试验土壤含水量、温度变化的方式来加速腐蚀过程。技术实现要素：本发明的目的是，针对现有土壤腐蚀试验方法存在的问题，为了研究土壤模拟溶液的模拟性和加速性以及各腐蚀因素对接地材料腐蚀的影响，本发明提出一种接地材料在土壤模拟溶液中腐蚀试验装置及方法。实现本发明的技术方案如下，一种接地材料在土壤模拟溶液中腐蚀试验装置包括土壤模拟溶液箱、温度控制系统、气体控制系统、三电极系统和液体传输系统。所述温度控制系统用于监测和控制土壤模拟溶液箱中土壤模拟溶液的温度；所述气体控制系统用于监测和控制土壤模拟溶液箱中土壤模拟溶液的含氧量；所述三电极系统用于监测接地材料工作电极的腐蚀程度；所述液体传输系统用于控制和监测三电极试验区中土壤模拟溶液的流速。所述温度控制系统包括加热-控温一体机和感温模块；所述气体控制系统包括气体开关、气体导管、智能气体传感器、氧含量分析模块和氧气瓶；所述液体传输系统包括智能水泵、土壤模拟溶液控制阀、液体分流器、智能控制阀、智能液体流量计、汇流箱和液体控制开关；所述三电极系统包括三个三电极试验区，每个三电极试验区都包括三电极智能旋转模块、接地材料工作电极、参比电极、辅助电极和智能旋转模块电机。所述土壤模拟溶液箱内装有土壤模拟溶液；设置在土壤模拟溶液箱中的智能水泵将模拟溶液通过管道注入液体分流器；液体分流器分三个出口管道分别通过第一智能控制阀和串联的第一智能液体流量计、第二智能控制阀和串联的第二智能液体流量计、第三智能控制阀串联的第三智能液体流量计，将模拟溶液分别注入第一三电极试验区、第一三电极试验区和第三三电极试验区后进入汇流箱；汇流箱的出水口出水通过管道回流至土壤模拟溶液箱；氧气瓶通过气体开关阀连接智能气体传感器；智能气体传感器通过气体管道连接土壤模拟溶液箱下部的气体开关；土壤模拟溶液箱内安装有氧含量分析模块和感温模块；土壤模拟溶液箱底部安装有加热-控温一体机，为土壤模拟溶液箱内的土壤模拟溶液调节温度。所述三电极智能旋转模块内含三个安装槽，分别安装和固定接地材料工作电极、参比电极和辅助电极；所述接地材料工作电极、参比电极和辅助电极组成三电极，并通过导线引出，与电化学工作站连接；所述三电极智能旋转模块外接智能旋转电机；所述三电极智能旋转模块和智能旋转电机与计算机信号连接，以便控制和监测三电极智能旋转模块的角度，即接地材料工作电极与水流方向的角度。所述加热-控温一体机和感温模块与计算机信号连接，可自动控制和监测土壤模拟溶液温度。所述智能气体传感器和氧含量分析模块与计算机信号连接，可自动控制和监测土壤模拟溶液氧含量。所述液体分流器有三个分支，所述智能控制阀和智能液体流量计与计算机信号连接，可自动控制和监测三个三电极试验区土壤模拟溶液流动速度。所述土壤模拟溶液箱密封、耐腐蚀，工作温度为25℃～80℃。本发明装置在研究不同接地材料在土壤模拟溶液中的腐蚀特征时，可制备多种不同接地材料工作电极，分别组成三电极体系，任意分别放置在三电极试验区，控制试验其他条件不变，测其电化学参数。本发明装置在研究土壤模拟溶液流动速度对接地材料的腐蚀特征时，制备三组同样的接地材料工作电极，分别组成三电极体系，任意分别放置在三电极试验区，调节智能控制阀，改变三电极试验区土壤模拟溶液流量，控制试验其他条件不变，测其电化学参数。本发明装置在研究土壤模拟溶液流动方向与接地材料角度的关系腐蚀特征，制备三组同样的接地材料工作电极，分别组成三电极体系，任意分别放置在三电极试验区，调节三电极智能旋转模块，改变接地材料工作电极与土壤模拟溶液流动方向的角度，控制试验其他条件不变，测其电化学参数。本发明一种接地材料在土壤模拟溶液中腐蚀试验方法，所述方法利用土壤模拟溶液对接地材料进行试验步骤如下：(1)根据某变电站土壤理化性质制备与相对应的土壤模拟溶液；(2)按照本发明腐蚀试验装置结构搭建腐蚀试验装置平台；(3)制备被试接地材料工作电极，背面焊接导线，非工作面用环氧树脂密封；(4)将被试接地材料工作电极，与参比工作电极、辅助电极组成三电极体系；将三电极体系分别放置在三电极试验区；(5)控制腐蚀试验条件，包括接地材料工作电极的工作面与土壤模拟溶液流动方向垂直、土壤模拟溶液温度保持恒定为30℃±0.1℃、土壤模拟溶液氧含量为20mg/l±1mg/l、土壤模拟溶液流速为0.2m/s；并使三电极试验区的条件保持一致；(6)设置土壤模拟溶液流动方向、土壤模拟溶液温度、土壤模拟溶液氧含量、土壤模拟溶液流速的试验参数，维持5min；使整个体系达到试验所设置的条件，再开始进行电化学试验，测量不同接地材料的电化学参数；(7)根据不同接地材料工作电极腐蚀参数，以及利用腐蚀失重手段，分析不同接地材料在土壤模拟溶液腐蚀规律和机理；所述方法可以在改变土壤模拟溶液流动速度、改变土壤模拟溶液的ph值、改变土壤模拟溶液的温度、改变土壤模拟溶液的氧含量条件下，分别对接地材料进行腐蚀试验；用以研究土壤模拟溶液流动速度、土壤模拟溶液的温度、土壤模拟溶液的氧含量对接地材料的腐蚀特征，研究土壤模拟溶液流动方向与接地材料角度关系的腐蚀特征。本发明的有益效果是，本发明装置为研究接地材料在土壤模拟溶液中腐蚀寿命等研究提供可靠保证，可用于研究不同接地材料在土壤模拟溶液中的腐蚀特征，研究土壤模拟溶液流动速度、土壤模拟溶液的ph值、土壤模拟溶液的温度、土壤模拟溶液的氧含量等对接地材料的腐蚀特征；研究土壤模拟溶液流动方向与接地材料角度的关系腐蚀特征。附图说明图1为本发明的试验装置结构示意图；图2为本发明三电极试验区的侧面结构示意图；图中，1为土壤模拟溶液箱，2为进液口，3为进液开关，4为出液开关，5为出液口，6为氧含量分析模块，7为智能水泵，8为感温模块，9为加热-控温一体机，10为气体开关，11为气体导管，12为智能气体传感器，13为气体开关阀，14为气瓶，15为土壤模拟溶液控制阀，16为液体分流器，17为第一智能控制阀，18为第二智能控制阀，19为第三智能控制阀，20为第三智能液体流量计，21为第二智能液体流量计，22为第一智能液体流量计，23为第三三电极试验区，24为第二三电极试验区，25为第一三电极试验区，26为汇流箱，27为液体控制开关；28为三电极智能旋转模块，29为接地材料工作电极，30为参比电极，31为辅助电极，32为智能旋转模块电机。具体实施方式本发明的具体实施方式如图1所示。本实施例一种接地材料在土壤模拟溶液中腐蚀试验装置包括土壤模拟溶液箱、温度控制系统、气体控制系统、三电极系统和液体传输系统。本实施例中温度控制系统包括加热-控温一体机9和感温模块8；所述气体控制系统包括气体开关10、气体导管11、智能气体传感器12、氧含量分析模块6、气体开关阀13和氧气瓶14；所述液体传输系统包括智能水泵7、土壤模拟溶液控制阀15、液体分流器16、第一智能控制阀17、第二智能控制阀18、第三智能控制阀19、第一智能液体流量计22、第二智能液体流量计21、第三智能液体流量计20、液体控制开关27和汇流箱；所述三电极系统包括第一三电极试验区25、第二三电极试验区24和第三三电极试验区23；每个三电极试验区都包括三电极智能旋转模块28、接地材料工作电极29、参比电极30、辅助电极31和智能旋转模块电机32。本实施例的土壤模拟溶液箱1上方设置进液口2，进液口处2设置进液开关3，下方设置出液口5，出液口设置出液开关4。本实施例的温度控制系统包括加热-控温一体机9和感温模块8，所述加热-控温一体机9置于土壤模拟溶液箱1的底端，感温模块8放置于土壤模拟溶液1内；加热-控制一体机9和感温模块8与计算机相连，通过计算机控制和监测土壤模拟溶液温度。本实施例的气体控制系统包括气体开关10、气体导管11、智能气体传感器12、氧含量分析模块6、气体开关阀13和氧气瓶14；氧含量分析模块6放置于土壤模拟溶液内，气体导管11与土壤模拟溶液箱底端相连通，其间设置气体开关10，所述气体导管11通过智能气体传感器12，所述智能气体传感器12与氧气瓶14相连通，其间设置气体开关阀13；所述氧含量分析模块6通过导线和智能气体传感器12与计算机相连接，通过计算机控制和检测土壤模拟溶液氧含量。本实施例的液体传输系统包括智能水泵7、土壤模拟溶液控制阀15、液体分流器16、第一智能控制阀17、第二智能控制阀18、第三智能控制阀19、第一智能液体流量计22、第二智能液体流量计21、第三智能液体流量计20、汇流箱26、液体控制开关27，所述智能水泵7放置于土壤模拟溶液内，所述智能水泵7与液体分流器16相连接，其间设置土壤模拟溶液控制阀15；所述液体分流器16有三个分支，分别在每个分支上分别设置有第一智能控制阀17、第一智能液体流量计22和第一三电极试验区25串联的一分支，第二智能控制阀18第二智能液体流量计21和第二三电极试验区24串联的二分支，第三智能控制阀19、第三智能液体流量计20和第三三电极试验区23串联的三分支；在三个分支末端设置汇流箱26，汇流箱26与土壤模拟溶液箱1之间设置液体控制开关27；所述智能控制阀和智能液体流量计与计算机信号连接，以控制和监测三电极试验区土壤模拟溶液流动速度。本实施例的三电极系统包括第一三电极试验区25、第二三电极试验区24和第三三电极试验区23。如图2所示，每个三电极试验区都包括三电极智能旋转模块28、接地材料工作电极29、参比电极30、辅助电极31、智能旋转模块电机32。所述三电极智能旋转模块28内含三个安装槽，分别安装和固定接地材料工作电极29、参比电极30、辅助电极31。所述接地材料工作电极29、参比电极30和辅助电极31组成三电极，并通过导线引出，与电化学工作站连接；所述三电极智能旋转模块外接智能旋转电机32，所述三电极智能旋转模块28和智能旋转电机32与计算机信号连接，以便控制和监测三电极智能旋转模块28的角度，即接地材料工作电极29与水流方向的角度。本实施例一种接地材料在土壤模拟溶液中腐蚀试验方法，其步骤如下：(1)制备土壤模拟溶液、接地材料工作电极；(2)将土壤模拟溶液置入土壤模拟溶液腐蚀试验装置中的土壤模拟溶液箱；将接地材料工作电极安装在所述装置的三电极智能旋转模块中；安装三电极体系；(3)检查温度控制系统、气体控制系统和液体传输系统是否正常；(4)通过计算机设置土壤模拟溶液试验温度、土壤模拟溶液含氧量、土壤模拟溶液流动速度、接地材料工作电极角度试验参数；(5)达到试验预设条件，开始试验；(6)通过电化学工作站测量各接地材料工作电极腐蚀参数；(7)根据测量腐蚀失重手段，研究和分析接地材料在土壤模拟溶液腐蚀规律和机理。为了进一步说明本发明，下面结合具体实施例对本发明提供的一种接地材料在土壤模拟溶液中腐蚀试验装置及方法进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。实施例1：土壤模拟溶液成分不变，分别对三种接地材料进行腐蚀试验，比较腐蚀程度。根据某变电站土壤理化性质等特点，制备了相对应的土壤模拟溶液，成分见表1。表1土壤模拟溶液成分naclcacl2mgso4·7h2onahco3na2so4kno3ph0.0502g/l0.0109g/l0.0201g/l0.0139g/l0.0158g/l0.0301g/l4.04按照试验装置结构示意图1搭建试验装置平台。制备q235钢工作电极、镀锌钢工作电极和铜包钢工作电极，工作面积都为1cm2，背面焊接导线，非工作面用环氧树脂密封。将三类工作电极分别安装在三电极智能旋转模块的工作电极安装槽内，并把参比电极、辅助电极分别安装在各自的安装槽内，组成三组三电极体系。控制智能旋转模块电机和三电极智能旋转模块，使得三类工作电极的工作面与土壤模拟溶液流动方向垂直。控制加热-控温一体机和感温模块，使得土壤模拟溶液温度保持恒定为30℃±0.1℃。控制氧含量分析模拟和智能气体传感器，使得土壤模拟溶液氧含量为20mg/l±1mg/l。控制智能控制阀和智能液体流量计，使得流经工作电极的土壤模拟溶液流速为0.2m/s。待以上设置的试验参数，达到并维持5min，测量三类接地材料的电化学参数。腐蚀测试结束后，极化曲线拟合得出的腐蚀电流密度如表2所示，从表2可知，铜包钢的耐腐蚀性能最好，镀锌钢的耐腐蚀性能次之，q235钢的耐腐蚀性能较差。这是因为铜包钢在土壤模拟溶液中出现明显的钝化现象，能抑制腐蚀，镀锌钢表面锌层的覆盖能提高基体的抗腐蚀能力，当腐蚀发生时镀锌层先被腐蚀破坏，对基体产生保护作用，镀锌钢在土壤模拟溶液中的腐蚀反应的阳极过程为活化控制，阴极过程为活化和扩散过程共同控制，q235钢基本上处于活化状态，腐蚀产物覆盖层易脱落，致密性降低，腐蚀速率增大。表2三种接地材料极化曲线拟合腐蚀电流密度参数接地材料腐蚀电流密度(μa·cm-2)q235钢12.235镀锌钢9.789铜包钢3.232实施例2：改变土壤模拟溶液ph，分别对三种接地材料在不同土壤模拟溶液ph值状态下进行腐蚀试验，比较腐蚀程度。将实施例1中的土壤模拟溶液成分，通过醋酸或氢氧化钠改变土壤模拟溶液ph，其余不变。使其土壤模拟溶液ph值分别为5、6、7、8、9。按照实施例1的条件分别进行腐蚀试验，腐蚀测试结束后，极化曲线拟合得出的腐蚀电流密度如表3所示，由表3可知，随着ph值得增大，腐蚀电流密度减少，腐蚀速率下降。在此条件下，三种接地材料的吸氧腐蚀速率小于析氢腐蚀速率。表3不同ph土壤模拟溶液中接地材料极化曲线拟合腐蚀电流密度参数实施例3：改变土壤模拟溶液的含量，分别对三种接地材料在不同土壤模拟溶液氧含量状态下进行腐蚀试验，比较腐蚀程度。改变实施例1土壤模拟溶液氧含量分别为30mg/l、40mg/l和50mg/l(±1mg/l)。其他条件不变，重复实施例1的试验。腐蚀测试结束后，极化曲线拟合得出的腐蚀电流密度如表4所示，由表4可知，随着氧含量的增大，三种接地材料的腐蚀电流密度都增大，腐蚀速率增大，说明在此条件下，氧含量增加，增大了三种材料电化学反应速率，腐蚀速率增加。表4不同氧含量下三种接地材料极化曲线拟合腐蚀电流密度参数由以上实施例腐蚀测试结果可知，本实施例提供的一种接地材料在土壤模拟溶液中腐蚀试验装置及方法，可确保土壤模拟溶液的模拟性和加速性，可研究土壤模拟溶液各腐蚀因素对接地材料腐蚀的影响。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本
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的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12