一种测试干湿交替环境中金属腐蚀的电极测试系统及测试方法

1.本发明属于金属腐蚀及电化学测试研究领域，具体涉及一种测试干湿交替环境中金属腐蚀的电极测试系统及测试方法，可用于不同形状、不同尺寸的海洋管道因点焊所造成的成分不同的表面局部腐蚀，或部分腐蚀较快部位生成的腐蚀产物使得与周围主体材料不同所形成的电偶腐蚀，主要用于研究在干湿交替环境中金属材料表面具有不同形状、不同尺寸、不同成分的情况下的局部腐蚀电化学信息。


背景技术：

2.海洋油气管道是海洋油气开发生产过程中的最为关键的组成结构，是连续输送大量油品最为便捷、费用最低、安全性最高的输送方式。海洋油气管道铺设前，管线钢内外表面喷镀防腐涂层，但是随着管道运行年限的增加，在多方面因素的共同作用下管道防腐涂层会发生损坏和剥离，管道金属材料将直接暴露在海洋环境中，并发生化学和电化学反应，造成管材腐蚀，影响管道腐蚀的关键因素则取决于海洋环境。在垂直海平面纵向方向，按深度自上而下可以被划分为：大气区、浪花飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区五个区域，其中飞溅区和潮差区因属于干湿交替环境，金属在此区域中的腐蚀行为较为复杂。同时海洋油气管道长期服役的过程中不可避免的其外壁出现各种各样的局部形貌缺陷，这种局部形貌会使得金属周围的环境发生变化，造成金属腐蚀热力学上的不稳定性，同时局部缺陷会使得金属表面有明显的阴阳极区分，使得金属表面的电化学产生不均一性，导致电化学腐蚀。
3.丝束电极，又称阵列电极，作为一种新型的电化学研究方法和测试技术，能够提供电极表面各点电化学参数的分布信息，进而有效的表征电极/溶液界面的电化学不均一性。它是基于微积分的原理，将一个大面积的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。因此，各个微电极既能相互耦合作为大面积使用，给出大面积电极做提供的统计平均信号，又能作为独立的微小探头，分别测试该微小区域的电化学参数，给出大面积电极无法提供的表面参数分布及差异大小等重要信息，表征出电极表面的电化学不均一性。
4.目前对于管线钢在海洋的飞溅区和潮差区的腐蚀行为的研究较少，如果采取传统电化学方法，不能反映出局部的腐蚀以及材料与环境的作用机理与过程，给局部电化学测量带来了极大的不便。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种测试干湿交替环境中金属腐蚀的电极测试系统及测试方法，该方法通过可插拔电极以及选择不同插拔电极的材料可以模拟不同形状、尺寸和成分的金属材料表面，在金属处于干湿交替环境的情况下，准确测试不同时刻、不同位置的电化学信息。
6.本发明的技术方案如下：
7.一种测试干湿交替环境中金属腐蚀的电极测试系统，包括电极主体、电极板和电化学测试系统，电极测试系统中的电极主体设置在干湿交替装置中；电极主体上设置内嵌孔中设置可插拔电极，在内嵌孔的外围的电极主体上均匀设置参比电极；参比电极和可插拔电极通过导线连接电极板，电极板通过导线连接电化学测试系统。
8.优选地，内嵌孔设置为m
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m矩阵或n圈同心圆阵列。
9.优选地，参比电极为ag/agcl参比电极。
10.优选地，可插拔电极的材料为碳钢(x70、x65、x80钢等)、铜镍合金(b10、b30)、钛合金(ta2、ta10)及前述和合金氧化物(feooh、fe3o4、cu2o、cuo、niooh、nio、ni(oh)2)中的一种或几种。
11.优选地，可插拔电极与内嵌孔之间设置硅胶垫片，硅胶垫片连接内嵌孔。
12.一种测试干湿交替环境中金属腐蚀的测试方法，利用上述的电极测试系统，测试干湿交替环境中金属腐蚀情况，具体测试方法如下：
13.(1)在干湿交替装置中的安装电极测试系统的电极主体，先将电极主体的工作端面置于液体中，然后将电极主体的工作端面置于干燥环境中，电极工作端面在干湿交替环境中的循环；
14.(2)通过电化学测试系统对电极测试系统在干湿交替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，将待测电极丝与其他电极丝断开，测试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，测试其与其余短接电极丝之间的电偶电流，测试数据由电化学测试系统自动记录；
15.(3)关掉系统，停止测试；
16.(4)取下电极测试系统，可对测试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；
17.(5)设置不同测试参数，重复以上测试。
18.优选地，干湿交替装置中的液体为天然海水或人工海水。
19.优选地，干湿交替装置中的液体温度为10-50℃。
20.优选地，干燥环境即为大气环境(室内环境)，干燥环境的温度为30-50℃。
21.本发明通过调整可插拔电极的位置以及选择不同的可插拔电极的材料，可以模拟金属表面一定的表面形貌以及表面形貌的成分不同的情况，采用可插拔电极可以方便的调节不同形貌的尺寸以及成分不同的表面形状，而参比电极和工作电极距离较近，电位测试精度较高，电流测试不易出现短路；每根电极丝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。本发明通过不同干湿交替环境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、时间等变化对不同形貌的尺寸以及成分不同处腐蚀行为的影响，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，综合分析干湿交替环境、时间变化不同形貌的尺寸以及成分不同处腐蚀行为的影响规律。
22.由于本发明中的可插拔电极是设置内嵌孔中的，可插拔电极可以再内嵌孔中调节高低，因为本发明的可插拔电极不仅仅可以针对平面形貌以及成分不同平面形貌的模拟，
还可以对凸凹缺陷并存的复杂表面缺陷的钢材表面进行模拟、测试和研究。
23.本发明是通过可插拔电极模拟表面不同尺寸、形状和不同成分的表面，采用可插拔电极可以方便的调节模拟表面的尺寸、形状以及不同成分的形状，而参比电极不进行更换，降低实验误差，可以自由调节可插拔电极，避免了使用一次性丝束电极模拟表面，避免了暴力拆除对电极的损伤，同时有效缩短了制备模拟不同尺寸、形状以及成分不同表面的丝束电极时间，节省了资源。本发明的电极测试系统，既能高效、便捷的模拟复杂的表面，相对于现有技术一体式成型的模拟表面丝束电极，省时省力，减少了资源的浪费，在材料表面具有成分不同存在的情况下，获得成分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
24.图1为本发明的电极测试系统；
25.图2为矩阵5
×
5矩阵丝束电极的示意图；
26.图3为图2中矩阵平面矩形成分不同示意图；
27.图4为图2中矩阵平面复杂形状成分不同示意图；
28.图5为3层同心圆丝束电极的示意图；
29.图6为图5中圆形平面圆形成分不同示意图；
30.图7为图5中圆形平面复杂形状成分不同示意图；
31.图中，1为可插拔电极，2为参比电极，3为硅胶垫片，4为电极主体，5为电极板，6为电化学测试系统，1-1为合金材料的可插拔电极，1-2为合金氧化物的可插拔电极。
32.具体实施措施
33.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。
34.如图所示，一种测试干湿交替环境中金属腐蚀的电极测试系统，包括电极主体4、电极板5和电化学测试系统6，电极测试系统中的电极主体4设置在干湿交替装置中；电极主体4上设置内嵌孔中设置可插拔电极1，在内嵌孔的外围的电极主体4上均匀设置参比电极2；参比电极2和可插拔电极1通过导线连接电极板5，电极板5通过导线连接电化学测试系统6；内嵌孔设置为m
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m矩阵或n圈同心圆阵列，在内嵌孔中的可插拔电极1的局部测试形状可以是多样的，模拟不同形状的表面形貌，参比电极2为ag/agcl参比电极2。
35.根据实际的需求，可插拔电极1的材料选择为相同材料或者不同的材料，可插拔电极的材料为碳钢(x70、x65、x80钢等)、铜镍合金(b10、b30)、钛合金(ta2、ta10)及前述和合金氧化物(feooh、fe3o4、cu2o、cuo、niooh、nio、ni(oh)2)中的一种或几种。如图2-7，1-1为合金材料的可插拔电极，具体可为x70材料的可插拔电极，1-2为合金氧化物的可插拔电极，具体可为feooh材料的可插拔电极。
36.另一种实施方式，可插拔电极1与内嵌孔之间设置硅胶垫片3，硅胶垫片3连接内嵌孔，通过在内嵌孔中卡接硅胶垫片3或者粘接硅胶垫片3，主要为了延长可插拔电极1的使用寿命。
37.一种测试干湿交替环境中金属腐蚀的测试方法，利用上述的电极测试系统，测试干湿交替环境中金属腐蚀情况，具体测试方法如下：
38.(1)在干湿交替装置中的安装电极测试系统中的电极主体4，先将电极主体4的工作端面置于液体中，然后将电极主体4的工作端面置于干燥环境中(从液体中取出，将电极主体4的工作端面置于空气中)，电极工作端面在干湿交替环境中的循环；
39.(2)通过电化学测试系统6对电极测试系统在干湿交替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，将待测电极丝与其他电极丝断开，测试其相对于参比电极2的电极电位；测试电流时，将待测电极丝断开，测试其与其余短接电极丝之间的电偶电流，测试数据由电化学测试系统6自动记录；
40.(3)关掉系统，停止测试；
41.(4)取下电极主体4，可对测试后的电极主体4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4工作端面的腐蚀产物，对电极主体4进行称重；
42.(5)设置不同测试参数(如温度、循环时间等)，重复以上测试。
43.其中，干湿交替装置中的液体为天然海水或人工海水，干湿交替装置中的液体温度为10-50℃，干燥环境为大气环境(室内环境)，其温度为30-50℃。
44.另外，本发明提到的测试系统为现有的电化学测试系统6，不再详述。
45.本发明通过不同干湿交替环境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、时间等变化对不同尺寸、形状以及成分不同处腐蚀行为的影响。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，综合分析干湿交替环境、时间变化不同尺寸、形状以及成分不同处处腐蚀行为的影响规律。
46.由于本发明中的可插拔电极1是设置内嵌孔中的，可插拔电极1可以在内嵌孔中调节高低，因为本发明的可插拔电极1不仅仅可以针对平面形貌以及成分不同平面形貌的模拟，还可以对凸凹缺陷并存的复杂表面缺陷的钢材表面进行模拟、测试和研究。
47.参见图2-7，图2与图5,模拟不同形状和不同尺寸的金属表面，图3、图4、图6和图7模拟不同形状、不同尺寸以及不同成分金属表面，可插拔电极1为矩阵丝束电极排列，根据主体材料以及不同成分处的材料，选择相应的可插拔电极1材料，通过调整可插拔电极1的位置，模拟主体处的尺寸形貌以及不同成分处的形貌，用于研究材料表面具有不同成分处材料与主体材料不同的腐蚀情况。
48.本发明通过调整可插拔电极1的位置以及选择不同的可插拔电极1的材料，可以模拟金属表面一定的表面形貌以及表面形貌的成分不同的情况，采用可插拔电极1可以方便的调节不同形貌的尺寸以及成分不同的形状，而参比电极2和工作电极距离较近，电位测试精度较高，电流测试不易出现短路；每根电极丝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。本发明通过不同干湿交替环境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、时间等变化对不同形貌的尺寸以及成分不同处腐蚀行为的影响，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，综合分析干湿交替环境、时间变化不同形貌的尺寸以及成分不同处腐蚀行为的影响规律。
49.本发明是通过可插拔电极1模拟表面不同尺寸、形状和不同成分的表面，采用可插拔电极1可以方便的调节模拟表面的尺寸、形状以及不同成分的形状，而参比电极2不进行更换，降低实验误差，可以自由调节可插拔电极1，避免了使用一次性丝束电极模拟表面，避免了暴力拆除对电极的损伤，同时有效缩短了制备模拟不同尺寸、形状以及成分不同表面的丝束电极时间，节省了资源。本发明的电极测试系统，既能高效、便捷的模拟复杂的表面，相对于现有技术一体式成型的模拟表面丝束电极，省时省力，减少了资源的浪费，在材料表面具有成分不同存在的情况下，获得成分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。
50.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。

技术特征：
1.一种测试干湿交替环境中金属腐蚀的电极测试系统，包括电极主体(4)、电极板(5)和电化学测试系统(6)，其特征在于，所述电极测试系统中的电极主体(4)设置在干湿交替装置中；所述电极主体(4)上设置内嵌孔中设置可插拔电极(1)，在内嵌孔的外围的电极主体(4)上均匀设置参比电极(2)；参比电极(2)和可插拔电极(1)通过导线连接电极板(5)，电极板(5)通过导线连接电化学测试系统(6)。2.根据权利要求1所述的一种测试干湿交替环境中金属腐蚀的电极测试系统，其特征在于，所述内嵌孔设置为m
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m矩阵或n圈同心圆阵列。3.根据权利要求1所述的一种测试干湿交替环境中金属腐蚀的电极测试系统，其特征在于，所述参比电极(2)为ag/agcl参比电极(2)。4.根据权利要求1所述的一种测试干湿交替环境中金属腐蚀的电极测试系统，其特征在于，所述可插拔电极(1)的材料为碳钢、铜镍合金、钛合金及其合金氧化物中的一种或几种。5.根据权利要求1所述的一种测试干湿交替环境中金属腐蚀的电极测试系统，其特征在于，所述可插拔电极(1)与内嵌孔之间设置硅胶垫片(3)。6.一种测试干湿交替环境中金属腐蚀的测试方法，其特征在于，利用任一权利要求1-5所述的电极测试系统，测试干湿交替环境中金属腐蚀情况，具体测试方法如下：(1)在干湿交替装置中的安装电极测试系统中的电极主体(4)，先将电极主体(4)的工作端面置于液体中，然后将电极主体(4)的工作端面置于干燥环境中，电极工作端面在干湿交替环境中的循环；(2)通过电化学测试系统(6)对电极测试系统在干湿交替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，将待测电极丝与其他电极丝断开，测试其相对于参比电极(2)的电极电位；测试电流时，将待测电极丝断开，测试其与其余短接电极丝之间的电偶电流，测试数据由电化学测试系统(6)自动记录；(3)关掉系统，停止测试；(4)取下电极主体(4)，可对测试后的电极主体(4)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(4)工作端面的腐蚀产物，对电极主体(4)进行称重；(5)设置不同测试参数，重复以上测试。7.根据权利要求6所述的一种测试干湿交替环境中金属腐蚀的测试方法，其特征在于，所述干湿交替装置中的液体为天然海水或人工海水。8.根据权利要求6所述的一种测试干湿交替环境中金属腐蚀的测试方法，其特征在于，所述干湿交替装置中的液体温度为10-50℃。9.根据权利要求6所述的一种测试干湿交替环境中金属腐蚀的测试方法，其特征在于，所述干燥环境的温度可设置为30-50℃。

技术总结
本发明属于金属腐蚀及电化学测试研究领域，具体涉及一种测试干湿交替环境中金属腐蚀的电极测试系统及测试方法，该电极测试系统包括电极主体、电极板和电化学测试系统，电极测试系统中的电极主体设置在干湿交替装置中；电极主体上设置内嵌孔中设置可插拔电极，在内嵌孔的外围的电极主体上均匀设置参比电极；参比电极和可插拔电极通过导线连接电极板，电极板通过导线连接电化学测试系统，利用上述系统测试干湿交替环境中金属腐蚀情况。通过可插拔电极以及选择不同插拔电极的材料可以模拟不同形状、尺寸和成分的金属材料表面，在金属处于干湿交替环境的情况下，准确测试不同时刻、不同位置的电化学信息。同位置的电化学信息。同位置的电化学信息。


技术研发人员：张大磊 何宗浩 张鑫炜 金泓熹 何川
受保护的技术使用者：中国石油大学（华东）
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/8/9