海洋服役环境下阴极保护电化学模拟测试系统及方法与流程

本发明属于阴极保护技术领域，具体涉及一种海洋服役环境下阴极保护电化学模拟测试系统及方法，结合丝束电极技术和电化学工作站，进行海洋服役环境下阴极保护的模拟测试研究，对牺牲阳极电极的布置方式进行电化学实验评价，降低过保护风险，达到阴极保护的目的。

背景技术：

阴极保护作为一种有效的保护手段，广泛应用于海洋平台、钢筋混凝土设施、输油管道等场所，能够有效地保护服役环境下的金属、减少腐蚀行为的发生。尤其是海洋环境下的浪花飞溅区，高的氯离子浓度往往能够破坏金属表面的钝化膜，造成强烈的局部腐蚀。

阴极保护的判据一般是电位参数(保护电位)，而通常不用电流参数。

美国腐蚀工程师协会制定的NACE RP 0169-96标准提出三项判据：

1.在阴极保护系统通电情况下，所测量的金属结构物相对于CSE的电位在消除欧姆电压降后应等于或负于-850mV。

2.受到阴极保护的金属结构物的瞬间断电电位应等于或负于-850mV。

3.被保护金属结构物的阴极极化值最少应达到100mV。

极化到100mV的测量方法基本原理：

1.极化形成法：测量金属结构物施加阴极保护前后自腐蚀电位的差距；自腐蚀电位和瞬间断电电位差值。

2.极化衰减法：断开所有保护，测量金属结构物的瞬间断电电位，及持续测量到金属结构物的去极化电位，去极化电位不要求完全回复至自腐蚀电位。

对于海洋环境下的阴极保护进行模拟测试，做出保护评价，使牺牲阳极发挥保护作用，并减少过保护风险，找到合适的牺牲阳极布置方式，具有重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术存在的缺陷、根据极化衰减法的原理，提供了一种海洋服役环境下阴极保护电化学模拟测试系统与方法，并结合丝束电极技术，进行海洋服役环境下阴极保护的研究，对牺牲阳极电极的布置方式进行电化学实验评价。通过丝束电极能够很好地模拟和监测局部腐蚀行为，得到一些主要的电化学参数，对腐蚀进行评价。本发明所采用的技术方案如下：

海洋服役环境下阴极保护电化学模拟测试系统，包括：通用计算机、电化学工作站、丝束电极、海洋服役环境模拟装置，所述的丝束电极包括中心区域和牺牲阳极区域，中心区域的丝束电极按照N×N方式排列构成正方形，丝束电极数量即N×N的数量可根据中心区域大小增加或减少，N≥2，将中心区域的每根丝束电极引出的导线并联在一起后、与电化学工作站的输入端进行电连接，牺牲阳极区域的每根丝束电极均匀排列在中心区域周边，将至少1根以上牺牲阳极区域的丝束电极的按顺时针方向串联之后、与电化学工作站的输入端进行电连接；

所述的丝束电极全浸于海洋服役环境模拟装置的海水腐蚀介质中、或者位于海洋服役环境模拟装置的海水腐蚀介质飞溅区中；所述的通用计算机分别与电化学工作站、海洋服役环境模拟装置电连接。

通用计算机采用控制软件实现电化学工作站的电化学相关参数测量设置；同时，通用计算机采用控制软件实现海洋服役环境模拟装置的海水腐蚀介质流出及流入的流量参数、满足模拟海水潮汐时海水高度变化的要求，实现对海水腐蚀介质流速的调整、满足不同海水流速的冲刷丝束电极的模拟效果。通过电化学工作站对丝束电极进行电位和电流测量，进行海洋服役环境下阴极保护的模拟测试，以保证丝束电极中心区域金属的保护效果。

海洋服役环境下阴极保护电化学模拟测试方法，模拟测试全浸区的阴极保护效果，包括以下步骤：

步骤1、将第一丝束电极穿过中间支板上的开孔、用密封硅胶固定在中间支板上，其两个表面平齐，用硅胶等填补两者接触的空隙保证完全不漏水，并在中间支板上密封固定好第一有机玻璃筒，将中间支板放置在第二有机玻璃筒上；

步骤2、将第一丝束电极中心区域的每根丝束电极引出的导线与第一串行仪器控制器接入端连接，第一串行仪器控制器的输出端用一根导线由第二有机玻璃筒的开孔引出连接到电化学工作站的测试接入端；

步骤3、通过调频电动机、进水口电控阀门、腐蚀介质海水、搅拌器、出水口电控阀门、通用计算机和调频水泵实现对海洋服役环境下不同潮汐流动的模拟；进水口电控阀门和出水口电控阀门自带有流量监测功能，能实时监测第一有机玻璃筒液体流出及流入的流量参数，流量参数在通用计算机上显示并由其上的可编程控制软件实现控制，满足模拟海水潮汐时海水高度变化的要求，调频电动机同样由通用计算机控制，通过电机转速调整可实现不同海水流速的冲刷丝束电极的效果；

步骤4、模拟工作进行2个小时后，按照顺时针方向连接至少1根牺牲阳极丝束电极，并连接到电化学工作站的测试接入端，利用电化学工作站进行第一丝束电极的电位和电流测量，结合通用计算机5控制第一和第二串行控制器17、18控制的丝束位置可绘制出电位和电流的分布图；

步骤5、当牺牲阳极区域电位高于中心区域时，即中心区域有阳极电流流过，表明没能够实现阴极保护的效果；继续按照顺时针方向进行更多数量的牺牲阳极丝束电极的连接，并与中心区域电位进行测量和比较，直到中心区域电位高于牺牲阳极区域电位，即中心区域出现阴极电流，表明开始能够实现阴极保护的作用。

海洋服役环境下阴极保护电化学模拟测试方法，模拟测试飞溅区的阴极保护效果，包括以下步骤：

步骤1、将第二丝束电极用密封硅胶固定在第一有机玻璃筒的侧面，其两个表面平齐，用硅胶等填补两者接触的空隙保证完全不漏水，并在中间支板上密封固定好第一有机玻璃筒，将中间支板放置在第二有机玻璃筒上；

步骤2、将第二丝束电极的中心区域的每根丝束电极引出的导线与第三串行仪器控制器接入端连接，第三串行仪器控制器的输出端一根导线电连接至电化学工作站的测试接入端；

步骤3、通过调频电动机、进水口电控阀门、腐蚀介质海水、搅拌器、出水口电控阀门、通用计算机和调频水泵实现对海洋服役环境下不同潮汐流动的模拟；进水口电控阀门和出水口电控阀门自带有流量监测功能，能实时监测第一有机玻璃筒内液体流出及流入的流量参数，流量参数在通用计算机上显示并由其上的可编程控制软件实现控制，满足模拟海水潮汐时海水高度变化的要求，调频电动机同样由通用计算机控制，通过电机转速调整可实现不同海水流速的冲刷丝束电极的飞溅效果；

步骤4、模拟工作进行2个小时后，按照顺时针方向只串连接至少1根牺牲阳极丝束电极，并连接到电化学工作站的测试接入端，利用电化学工作站进行第二丝束电极的电位和电流测量，结合通用计算机5控制第三和第四串行控制器21、22控制的丝束位置可绘制出电位和电流的分布图；

步骤5、当牺牲阳极区域电位高于中心区域时，即中心区域有阳极电流流过，表明没能够实现阴极保护的效果；继续按照顺时针方向进行更多数量的牺牲阳极丝束电极的连接，并与中心区域电位进行测量和比较，直到中心区域电位高于牺牲阳极区域电位，即中心区域出现阴极电流，表明开始能够实现阴极保护的作用。

本发明的有益效果：

1)本发明提供了一种海洋服役环境下阴极保护电化学模拟测试系统与方法，结合丝束电极技术，进行海洋服役环境下阴极保护的模拟测试，对牺牲阳极电极的布置方式进行电化学实验评价，模拟环境和测试结果准确，具体较高的应用价值。

2)本发明实施和操作简单方便，经济成本低，具体很好的推广前景。

附图说明

图1是本发明实施例的阴极保护电化学模拟测试系统的结构示意图；

图2是用于研究阴极保护的丝束电极的结构示意图，其中中心区域为被保护金属，周边为牺牲阳极区域；

图中，1－T型固定平台、2－夹套、3－带有开孔的可调节伸缩杆、4－调频电动机、5－通用计算机、6－电化学工作站、7－调频水泵、8－海水腐蚀介质进管、9－水槽、10－进水口电控阀门、11－第一有机玻璃筒、12－海水腐蚀介质、13－搅拌器、14－出水口电控阀门、15－中间支板、16－第一丝束电极、17－第一串行仪器控制器、18－第二串行仪器控制器、19－第二有机玻璃筒、20－第二丝束电极、21－第三串行仪器控制器、22－第四串行仪器控制器、23－第一螺栓、24－第二螺栓、25－第三螺栓、26－海水腐蚀介质出管。

具体实施方式

结合附图附图，对本发明的具体实施方式作进一步描述。

如图1所示，是本发明实施例的阴极保护电化学模拟测试系统的结构示意图。海洋服役环境下阴极保护电化学模拟测试系统，包括：通用计算机5、电化学工作站6、丝束电极、海洋服役环境模拟装置，所述的丝束电极包括中心区域和牺牲阳极区域，中心区域的丝束电极按照N×N方式排列构成正方形，将中心区域的每根丝束电极引出的导线并联在一起后、与电化学工作站6的输入端进行电连接，牺牲阳极区域的每根丝束电极均匀排列在中心区域周边，将至少1根以上牺牲阳极区域的丝束电极的按顺时针方向串联之后、与电化学工作站6的输入端进行电连接；所述的丝束电极全浸于海洋服役环境模拟装置的海水腐蚀介质中、或者位于海洋服役环境模拟装置的海水腐蚀介质飞溅区中；所述的通用计算机5分别与电化学工作站6、海洋服役环境模拟装置电连接。

如图2所示，是用于研究阴极保护的丝束电极的结构示意图，其中中心区域为被保护金属A，周边为牺牲阳极区域的金属材料B。

所述的海洋服役环境模拟装置包括：T型固定平台1，T型固定平台1的垂直杆的上端部水平方向设置有中空的夹套2，带有开孔的可调节伸缩杆3的固定端穿过夹套2后通过第一螺栓23固定，可调节伸缩杆3的长度通过开孔配合第二螺栓24和第三螺栓25进行调节，可调节伸缩杆3的可伸缩一端的端部设置有调频电动机4，调频电动机4与搅拌器13电连接，搅拌器13位于第一有机玻璃筒11的空腔中；水槽9置于第一有机玻璃筒11的一侧，水槽9内装有海水腐蚀介质12，调频水泵7位于水槽9底部，调频水泵7与海水腐蚀介质进管8的一端相连，海水腐蚀介质进管8的另一端位于第一有机玻璃筒11的上方、向第一有机玻璃筒11注入海水腐蚀介质12，海水腐蚀介质出管26的一端连接第一有机玻璃筒11底部的开孔、另一端连接水槽9侧面中上部的开孔；通用计算机5分别与调频电动机4、调频水泵7电连接，通过可编程控制软件LabVIEW控制调频电动机4的转速、调频水泵7的海水流量，实现不同潮汐、不同海水流量冲刷和飞溅的模拟效果。

当需要模拟测试全浸区的阴极保护效果时，所述的丝束电极为第一丝束电极16，将第一丝束电极16穿过中间支板15上的开孔、用密封硅胶固定在中间支板15上、第一丝束电极16的上工作面与第一有机玻璃筒11的底面平齐，并在中间支板15上密封固定好第一有机玻璃筒11，将中间支板15放置在第二有机玻璃筒19上；第二有机玻璃筒19的侧面设置有两个开孔使连接线缆通过。

当需要模拟测试飞溅区的阴极保护效果时所述的丝束电极为第二丝束电极20，将第二丝束电极20用密封硅胶固定在第一有机玻璃筒11的侧面，并在中间支板15上密封固定好第一有机玻璃筒11，将中间支板15放置在第二有机玻璃筒19上。

进一步地，所述的海洋服役环境下阴极保护电化学模拟测试系统，在海水腐蚀介质进管8上设置有进水口电控阀门10，在海水腐蚀介质出管26上设置有出水口电控阀门14，通用计算机5分别与进水口电控阀门10、出水口电控阀门14电连接。进水口电控阀门10和出水口电控阀门14自带有流量监测功能，能实时监测第一有机玻璃筒11内液体流出及流入的流量参数，流量参数在通用计算机5上显示并由其上的可编程控制软件LabVIEW实现控制，满足模拟海水潮汐时海水高度变化的要求。

进一步地，在连接丝束电极与电化学工作站6的导线上分别设置有第一串行仪器控制器17、第二串行仪器控制器18、第三串行仪器控制器21、第四串行仪器控制器22，通用计算机5分别与上述串行仪器控制器电连接，可通过通用计算机5的可编程控制软件LabVIEW实现由电脑控制其开关的工作状态调整。

实施方式1

首先可模拟测试全浸区的阴极保护效果、此时第一丝束电极16浸泡在海水中。将第一丝束电极16用密封硅胶固定在中间支板15上，其两个表面平齐，用硅胶等填补两者接触的空隙保证完全不漏水，并在中间支板15上密封固定好第一有机玻璃筒11，将中间支板15放置在第二有机玻璃筒19上用以支撑第一有机玻璃筒11、中间支板15和第一丝束电极16。第一丝束电极16中心区域由被保护金属材料A(比如：碳钢)制成，中心区域的每根丝束电极按照N×N方式排列构成正方形，将中心区域的每根丝束电极引出的导线与第一串行仪器控制器17进行连接，在第一串行仪器控制器17的后端用一根导线由第二有机玻璃筒19的开孔引出连接到电化学工作站6的测试接入端；

第一丝束电极16牺牲阳极区域由参与保护中心区域的金属材料B(比如：锌)制成，均匀排列在中心区域周边，通过搅拌器13、调频电动机4、进水口电控阀门10、腐蚀介质海水12、出水口电控阀门14和调频水泵7实现对海洋服役环境下不同潮汐流动的海水飞溅区的模拟。模拟工作进行2个小时后，将第一丝束电极16牺牲阳极区域的丝束电极通过导线与第二串行仪器控制器18进行连接，在第二串行仪器控制器18的后端用一根导线由第二有机玻璃筒19的开孔引出连接到电化学工作站6的测试接入端。

在具体模拟测试过程中，首先按照顺时针方向只连接牺牲阳极丝束电极其中的一部分，并经第二串行仪器控制器18连接到电化学工作站6的测试接入端，利用电化学工作站6进行第一丝束电极16的电位和电流测量，结合通用计算机5控制第一和第二串行控制器17、18控制的丝束位置可绘制出电位和电流的分布图。当牺牲阳极区域电位高于中心区域时，即中心区域有阳极电流流过，表明没能够实现阴极保护的效果。继续按照顺时针方向进行更多数量的牺牲阳极丝束电极的连接，并与中心区域电位进行测量和比较，直到中心区域电位高于牺牲阳极区域电位，即中心区域出现阴极电流，表明开始能够实现阴极保护的作用。

实施方式2

其次可模拟测试飞溅区的阴极保护效果、此时第二丝束电极位于海水的飞溅区域中。将第二丝束电极20用密封硅胶固定在第一有机玻璃筒11的侧面，其两个表面平齐，用硅胶等填补两者接触的空隙保证完全不漏水，并在中间支板15上密封固定好第一有机玻璃筒11，将中间支板15放置在第二有机玻璃筒19上以支撑第一有机玻璃筒11和中间支板15。第二丝束电极20的中心区域由被保护金属材料A制成，中心区域的每根丝束电极按照N×N方式排列构成正方形，将中心区域的每根丝束电极引出的导线并联在一起后、与第一串行仪器控制器17进行电连接，在第三串行仪器控制器21的后端引出一根导线连接至电化学工作站6的测试接入端；

第二丝束电极20的牺牲阳极区域由参与保护中心区域的金属材料B制成，均匀排列在中心区域周边，通过搅拌器13、调频电动机4、进水口电控阀门10、腐蚀介质海水12、出水口电控阀门14和调频水泵7实现对海洋服役环境下不同潮汐流动的模拟。模拟工作进行2个小时后，将第二丝束电极20的牺牲阳极区域的丝束电极通过第四串行仪器控制器22进行连接，在第四串行仪器控制器22的后端用一根导线引出连接到电化学工作站6的测试接入端。

在具体模拟测试过程中，首先按照顺时针方向只连接牺牲阳极丝束电极其中的一部分，并经第四串行仪器控制器22连接到电化学工作站6的测试接入端，利用电化学工作站6进行第二丝束电极20的电位和电流测量，结合通用计算机5控制第三和第四串行控制器21、22控制的丝束位置可绘制出电位和电流的分布图。当牺牲阳极区域电位高于中心区域时，即中心区域有阳极电流流过，表明没能够实现阴极保护的效果。继续按照顺时针方向进行更多数量的牺牲阳极丝束电极的连接，并与中心区域电位进行测量和比较，直到中心区域电位高于牺牲阳极区域电位，即中心区域出现阴极电流，表明开始能够实现阴极保护的作用。

实施方法3

可同时进行实施方法1和实施方法2，进行全浸区和飞溅区的牺牲阳极的阴极保护方式的效果评价和研究。

进一步地，当丝束电极的中心区域有阴极保护效果后进行阴极保护效果的判定，包括以下步骤：

步骤1、先用电化学工作站6测量腐蚀电流，然后进行电位的测量，电位测量采用极化衰减法，迅速断开牺牲阳极区域的所有丝束电极的连接，测量出中心区域的瞬间断电电位V1，并持续测量出中心区域的去极化电位值V2及稳定后的未外接牺牲阳极的腐蚀电流；

步骤2、比较瞬间断电电位V1和去极化电位之间V2的差值即V1－V2，若差值达到100mV则说明有很好的阴极保护效果，若小于100mV则阴极保护效果不理想，若差值过大则形成过保护而造成中心区域金属性能损伤。

同时，还可对比接入牺牲阳极B形成阴极保护效果前后，金属A的腐蚀电流密度进行辅助的牺牲阳极效果判定，即比较前后变化的腐蚀电流密度的减小程度及减小比例，效果不理想则需要快速改变牺牲阳极区域B的数量和分布形式，再进行阴极保护效果的测量和鉴定，经过多种牺牲阳极区域B数量及分布形式的试验可最终可得最优的牺牲阳极区域B丝束电极的分布形式和保护效果。

需要说明的是，利用通用计算机、采用控制软件LabVIEW实现电化学工作站的电化学相关测量参数设置，实现电控阀门、调频水泵、调频电动机的相应的控制操作，均是公知的现有技术，在这里不再详细描述。比如，CN201010231885.8《基于LABVIEW的变频水处理控制系统》中，运用基于LabVIEW的控制系统实现变频水处理控制设备，实现控制设备工作频率无级调节。