确定腐蚀速率的方法及D-S双电解池实验装置与流程

确定腐蚀速率的方法及d-s双电解池实验装置
技术领域
1.本技术是关于腐蚀速率测试技术领域，尤其是关于一种确定腐蚀速率的方法及d-s双电解池实验装置。


背景技术：

2.腐蚀速率(corrosion rate)是评定金属耐均匀腐蚀性能的重要指标，常见的腐蚀速率的测定方法是失重法。
3.失重法是根据腐蚀前后金属试样的重量变化来测定金属腐蚀速率，在操作上需要制作一定形状和大小的试样，对试样进行处理，然后将处理后的试样放在腐蚀环境中，经过一定的时间后，取出并测量其重量和尺寸的变化，即可计算其腐蚀速率。
4.由上述可知，使用失重法确定腐蚀速率的操作较为繁琐，耗时较长。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种确定腐蚀速率的方法及d-s双电解池实验装置，能够克服相关技术中存在的问题。所述技术方案如下：
6.根据本技术，提供了一种确定腐蚀速率的方法，所述方法包括：
7.通过氢通量探针获取待测试件的目标位置处的可扩散氢的氢通量d，所述d的单位为pl/cm2/s；
8.根据所述d和预先确定的腐蚀速率公式
9.计算所述待测试件的目标位置处的腐蚀速率v
corr
，所述v
corr
的单位为mm/a；
10.其中，所述m为待测试件的摩尔质量，单位为g/mol；所述k为失去电子的数量，所述t为绝对温度，单位为k；所述ρ为待测试件的密度，单位为g/cm3；所述a为和温度相关的参数，无量纲。
11.可选的，所述方法还包括：
12.使用d-s双电解池实验装置，对样品在多种温度下进行氢渗透实验；
13.根据所述样品在各个温度下的氢渗透实验的结果，以及电子得失守恒定律，确定所述样品腐蚀中产生的总氢量h
t
和可扩散氢量h
ads
之间的关系
14.根据所述确定
15.可选的，所述根据所述样品在各个温度下的氢渗透实验的结果，以及电子得失守恒定律，确定所述样品腐蚀中产生的总氢量h
t
和可扩散氢量h
ads
之间的关系包括：
16.根据电子得失守恒定律，确定
17.根据所述确定所述样品腐蚀中产生的总氢量h
t
；
18.对所述样品的每个温度下的氢渗透脱附曲线进行积分处理，得到所述样品在每个温度下的氢渗透实验中的可扩散氢量
19.根据各个温度下所述样品腐蚀中产生的总氢量h
t
和可扩散氢量h
ads
之比拟合出所述
20.可选的，所述样品和所述待测试件在腐蚀中失去的电子全部用于还原氢。
21.可选的，所述样品的长度和宽度均为1cm，所述样品的厚度小于0.5mm。
22.可选的，所述待测试件为含硫湿气管道。
23.可选的，所述待测试件为含硫湿气管道的弯管或三通管处。
24.另一方面，提供了一种d-s双电解池实验装置，所述实验装置包括反应容器、试样固定部、电化学工作站和加热带；
25.实验样品通过所述试样固定部竖向安装在所述反应容器中，所述反应容器由所述实验样品和所述试样固定部划分为第一腔室和第二腔室；
26.所述第一腔室中容纳有电解液，且所述电解液的液面高于所述实验样品，所述电化学工作站的辅助电极和参比电极均伸入所述第一腔室中，所述参比电极与所述实验样品接近，所述电化学工作站的工作电极与所述实验样品电连接；
27.所述第二腔室中容纳有加湿液，且所述加湿液的液面高度低于所述实验样品，所述第二腔室的顶壁具有进气孔和排气孔，所述第二腔室的容器壁安装有所述加热带。
28.可选的，所述进气孔中插有进气管，所述进气管的底部靠近所述加湿液的液面。
29.可选的，所述排气孔中插有排气管，所述排气管的底部靠近所述实验样品的顶部。
30.本技术提供的技术方案带来的有益效果至少包括：
31.在本技术实施例中，使用该方法进行腐蚀速率的测定中，首先使用氢通量探针在待测试件的目标位置处，测量可扩散氢的氢通量，然后再将可扩散氢的氢通量代入氢通量和腐蚀速率之间的关系公式中，便可以确定当前温度下，当前可扩散氢的氢通量所表征的腐蚀速率。可见，使用该方法无需使用失重法来确定腐蚀速率，简单方便，耗时短。
32.而且，该方法与失重法相比，无需在待测试件上切割进行挂片试验，该方法为无损腐蚀监测方法。
33.应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本技术。
附图说明
34.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本技术的实施例，并与说明书一起用于解释本技术的原理。在附图中：
35.图1是根据实施例示出的一种使用氢通量计算腐蚀速率的方法流程示意图；
36.图2是根据实施例示出的一种氢渗透脱附曲线的示意图；
37.图3是根据实施例示出的一种使用氢通量探针测量的氢通量和时间的关系示意图；
38.图4是根据实施例示出的一种使用氢通量探针测量的氢通量和时间的关系示意图；
39.图5是根据实施例示出的一种d-s双电解池实验装置的结构示意图；
40.图6是根据实施例示出的一种d-s双电解池实验装置的结构示意图。
41.图例说明
42.1、反应容器；2、试样固定部；3、电化学工作站；4、加热带；
43.11、第一腔室；12、第二腔室；121、进气孔；122、排气孔；
44.5、实验样品；6、进气管；7、排气管。
45.通过上述附图，已示出本技术明确的实施例，后文中将有更详细的描述。这些附图和文字描述并不是为了通过任何方式限制本技术构思的范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本技术的概念。
具体实施方式
46.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本技术相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本技术的一些方面相一致的装置和方法的例子。
47.本技术实施例提供了一种确定腐蚀速率的方法，由于金属腐蚀失去电子能够还原氢，例如，含硫湿气管道及设备在腐蚀中，失去的电子全部用来还原氢，因此可以使用产生的总氢量来表征金属的腐蚀速率。
48.例如，含硫湿气管道及设备中，材料表面可以形成离子或者偶极子化合物，阳极反应可以分为两步进行，即：
49.fe h2s
→
fesh-ad
h

ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
反应式1
50.fesh-ad
→
fesh
ad
2e
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
反应式2
51.在酸性溶液中反应式2生成的fesh
ad
或发生水解反应或形成fes，反应如下：
52.fesh
ad
→
fes h

ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
反应式3
53.由上述反应过程可知，金属铁在含硫湿气管道或者含硫设备中，在腐蚀中失去的电子全部用来还原氢，那么，可以使用产生的总氢量h
t
来表征金属铁的腐蚀速率。
54.金属腐蚀产生的氢主要有以下四个去向：
55.(1)能够由待测试件的发生腐蚀的表面扩散至位置相对的另一表面的可扩散氢量，可以记为h
ads
；
56.(2)结合为氢气逸散的逸散氢，可以记为hd；
57.(3)吸附在待测试件的发生腐蚀的表面的吸附氢，可以记为h
ad
；
58.(4)进入待测试件内部陷阱中的陷阱氢，可以记为h
t
。
59.如果金属发生腐蚀全部用来生成氢，那么可以使用腐蚀中产生的总氢量来表征腐蚀速率，进一步在确定可扩散氢量h
ads
与总氢量h
t
的对应关系以后，也可以使用可扩散氢量h
ads
来表征腐蚀速率，而可扩散氢量h
ads
与可扩散氢的氢通量d也具有对应关系，那么，通过氢通量探针测量可扩散氢的氢通量d也能用来确定腐蚀速率。
60.其中，氢量是指氢的含量，而氢通量是指单位时间单位面积内的氢的含量。可扩散氢量也即是可扩散的氢的含量，可以使用h
ads
表示。可扩散氢的氢通量，也即是，单位时间单位面积内可扩散的氢的含量，可以使用d表示。
61.该方法能够使用氢通量探针测量的可扩散氢的氢通量d来计算金属的腐蚀速率，相应的步骤可以按照如图1所示的流程执行：
62.在步骤101中，通过氢通量探针获取待测试件的目标位置处的可扩散氢的氢通量d。
63.其中，d的单位为pl/cm2/s。
64.其中，氢通量探针可以是hydrosteel 6000氢通量探针。
65.在一种示例中，待测试件可以是管线，也可以是设备等。目标位置处，可以是待测试件的某一个位置处，例如，对于管线，可以是管线的弯管处，或者管线的三通管处。
66.在步骤102中，根据可扩散氢的氢通量d和预先确定的腐蚀速率公式，计算待测试件的目标位置处的腐蚀速率v
corr
。
67.其中，预先确定的腐蚀速率公式为：
[0068][0069]
式中，v
corr
的单位为mm/a；m为待测试件的摩尔质量，单位为g/mol；k为失去电子的数量，t为绝对温度，单位为k；ρ为待测试件的密度，单位为g/cm3；a为d和h
ads
之间的转换系数，主要和温度相关，无量纲，例如，转换系数a和问题t一一对应，可以通过当前的温度，查表的方式确定转换系数a。
[0070]
那么，在使用该方法进行腐蚀速率的测定中，首先使用氢通量探针在待测试件的目标位置处，测量可扩散氢的氢通量d，然后再将可扩散氢的氢通量代入上述公式1中，便可以确定当前温度下，当前可扩散氢的氢通量所表征的腐蚀速率。可见，使用该方法无需使用失重法来确定腐蚀速率，简单方便，耗时短。
[0071]
例如，使用氢通量探针在含硫湿气管的弯管处，测量可扩散氢的氢通量d为1pl/cm2/s，当前温度为30℃，而30℃所对应的转换系数a为36000，其中，m为铁的摩尔质量，ρ为铁的密度，k为2。那么，根据可扩散氢的氢通量d和公式1，可以计算得到v
corr
为0.001mm/a，那么，1pl/cm2/s表示腐蚀速率为0.001mm/a。
[0072]
其中，将上述参数代入公式1可得：
[0073][0074]
其中，得到上述公式1的关键在于确定可扩散氢量h
ads
和总氢量h
t
的对应关系，那么可以通过氢渗透实验以及电子得失守恒定律，来确定可扩散氢量h
ads
和总氢量h
t
的对应
关系。
[0075]
例如，首先使用d-s双电解池实验装置，对样品在多种温度下进行氢渗透实验。然后，根据样品在各个温度下的氢渗透实验的结果，以及电子得失守恒定律，确定样品腐蚀中产生的总氢量h
t
和可扩散氢量h
ads
之间的关系为如下的公式2。之后，根据公式2，确定上述的公式1。
[0076][0077]
其中，样品可以是长度和宽度均为1cm，厚度为0.5mm的正方形金属片。
[0078]
在一种示例中，由于腐蚀中失去的电子全部用来还原氢，那么，电子得失守恒定律可以是如下公式3。
[0079][0080]
那么，由公式3可以得到公式4：
[0081][0082]
式中，δm的单位是g，为样品的失重质量；k为失去电子的数量；e为单位电子所带电荷量，e为1.6
×
10-19
c；n为阿伏伽德罗常数，n为6.022
×
10
23
。
[0083]
对于h
ads
，使用d-s双电解池实验装置，对样品在多种温度下进行氢渗透实验，可以得到各个温度下的氢渗透脱附曲线，其中，氢渗透脱附曲线是电流和时间的对应关系，可以参见如图2所示。那么，对该氢渗透脱附曲线进行积分便可以得到该过程的总放电量，再根据总电量和每个电子的电量，便可以得到电子的摩尔数，电子的摩尔数等于可扩散氢量h
ads
，相应的可以参见公式5所示：
[0084][0085]
式中，i为单位面积的电流，t为时间。
[0086]
这样，每个温度下，都可以按照公式5得到一个h
ads
，按照公式4得到一个h
t
。例如，在30℃、35℃和40℃下分别对样品进行氢渗透实验，再经由上述的公式4和公式5分别计算得到总氢量h
t
和可扩散氢量h
ads
，可以得到多组(h
ads
，h
t
)，可以参见表1所示的实验结果。
[0087]
表1：多种温度下，对样品进行氢渗透脱附曲线中的实验结果
[0088]
[0089]
那么，由多组(h
ads
，h
t
)又可以得到多个每个温度对应一个进而可以拟合得到公式2所示的对应关系。也即是，可以根据表1所示的拟合得到公式2所示的对应关系。
[0090]
而又有δm＝ρ
×
ν
corr
×
s，其中，s为样品的表面为1cm2，那么公式4可以转换为如下公式6：
[0091][0092]
那么，综合公式2和公式6，便可以得到如下公式7：
[0093][0094]
而又根据通过氢通量探针测试的可扩散氢的氢通量d与可扩散氢量h
ads
之间具有d＝a
×hads
关系，其中a为转换系数，与温度相关，那么，由此可以得到上述公式1。
[0095]
其中，通过上述关系推导出的公式1，需要满足待测试件发生腐蚀失去的电子全部用来还原氢，样品在腐蚀中失去的电子也全部用于还原氢。
[0096]
通常情况下，含有二价硫的环境中，发生腐蚀中，金属所失去的电子全部用来还原氢，所以，上述方法可以应用在含硫环境中，例如，含硫湿气管道的弯管处，或者含硫湿气管道的三通管处，或者含硫设备中等。
[0097]
在本技术实施例中，使用该方法进行腐蚀速率的测定中，首先使用氢通量探针在待测试件的目标位置处，测量可扩散氢的氢通量d，然后再将可扩散氢的氢通量代入上述公式1中，便可以确定当前温度下，当前可扩散氢的氢通量所表征的腐蚀速率。可见，使用该方法无需使用失重法来确定腐蚀速率，简单方便，耗时短。
[0098]
而且，该方法与失重法相比，无需在待测试件上切割进行挂片试验，该方法为无损腐蚀监测方法。
[0099]
另外，该方法计算出的腐蚀速率与失重法计算出的腐蚀速率基本一致。例如，对龙001-6-龙001-7集气支线(d219.1
×
8.8l360ncs)全长3.8km，采用气液混输工艺。实验验证上述方法期间管线运行参数如下：产气量4.6-5.2万方之间，硫化氢含量28.12g/m3，管线进站压力6.06-6.20mpa，进站温度23-30℃，产水量88-96m3。现场氢通量监测采用hydrosteel 6000氢通量探针，其数据计量单位是pl/cm2/s，根据上述公式1(30℃时，c＝36000)，可计算得到30℃时1pl/cm2/s＝0.001mm/a。
[0100]
其中，通过挂片试验计算的腐蚀速率和通过公式1计算的腐蚀速率可以参见表2所示，通过氢通量探针测试的可扩散氢的氢通量可以参见图3和图4所示。
[0101]
表2：挂片试验和公式1分别计算的腐蚀速率
[0102][0103]
由表2可知，通过公式1中使用可扩散氢的氢通量计算出的腐蚀速率和通过挂片试验计算出的腐蚀速率基本一致，可见，使用公式1计算出的腐蚀速率的准确度较高。
[0104]
本技术实施例还提供了一种d-s双电解池实验装置，该实验装置用于拟合上述所述的公式2，使用该实验装置得到各个温度下的氢渗透脱附曲线，然后对氢渗透脱附曲线进行积分得到各个温度下的h
ads
，再根据各个温度下的实验样品的失重量和公式4，计算得到各个温度下的h
t
，再之后，使用各个温度所对应的h
ads
和h
t
，拟合上述公式2。
[0105]
如图5所示，该实验装置包括反应容器1、试样固定部2、电化学工作站3和加热带4；实验样品5通过试样固定部2竖向安装在反应容器1中，反应容器1由实验样品5和试样固定部2划分为第一腔室11和第二腔室12；第一腔室11中容纳有电解液，且电解液的液面高于实验样品5，电化学工作站3的辅助电极和参比电极均伸入第一腔室11中，参比电极与实验样品5接近，电化学工作站3的工作电极与实验样品5电连接；第二腔室12中容纳有加湿液，且加湿液的液面高度低于实验样品5，第二腔室12的顶壁具有进气孔121和排气孔122，第二腔室12的容器壁安装有加热带4。
[0106]
该d-s双电解池实验装置为在确定公式2时所使用的实验装置，如图5所示，反应容器1可以为密封腔室，由试验固定部2和安装在试验固定部2的实验样品5划分为第一腔室11和第二腔室12。试验固定部2为用来将实验样品5竖向安装在反应容器1中的加持部件，可以包括两部分，试验固定部2的第一部分安装在反应容器1的上盖，试验固定部2的第二部分安装在反应容器1的底部，且试验固定部2的第一部分和第二部分的位置相对，实验样品5固定在试验固定部2的第一部分和第二部分之间，这样，试验固定部2的第一部分、实验样品5和试验固定部2的第二部分可以将反应容器1划分为第一腔室11和第二腔室12，而实验样品5的第一表面位于第一腔室11中，实验样品5的第二表面位于第二腔室12中。
[0107]
其中，实验样品5可以是长度和宽度均为1cm，厚度为0.05mm的金属片。
[0108]
如图5所示，第一腔室11中容纳有电解液，且电解液的液面高于实验样品5，电解液可以是naoh溶液，作为氢渗透的电解液。
[0109]
而进行氢渗透实验中，还需要具有电化学工作站，如图5所示，电化学工作站3的辅助电极(counter electrode，简称c)和参比电极(reference electrode，简称r)均伸入第一腔室11中，参比电极与实验样品5接近，电化学工作站3的工作电极(working electrode，简称w)与实验样品5电连接。
[0110]
这样，启动电化学工作站3并设置好参数以后，电化学工作站3所连接的主机便可以存储如图2所示的氢渗透脱附曲线。
[0111]
而如图5所示，第二腔室12中容纳有加湿液，且加湿液的液面高度低于实验样品5，
第二腔室12的顶壁具有进气孔121和排气孔122。
[0112]
其中，进气孔121用于向第二腔室12中充入h2s气体，以制造含硫环境，让实验样品5在含硫环境中发生腐蚀。排气孔122用于排出多余的气体。
[0113]
而只有干燥的h2s气体，实验样品5难以腐蚀，故第二腔室12中还具有加湿液，用于让第二腔室12成为潮湿的环境。
[0114]
这样，第二腔室12能够模拟含硫湿气管道所在的环境，使得实验样品5的位于第二腔室12的第二表面发生腐蚀，而腐蚀产生的可扩散的氢便穿过实验样品5渗透至实验样品5的位于第一腔室11的第一表面处，发生氢渗透实验。
[0115]
而为了在不同温度下，进行氢渗透实验，相应的，如图5所示，d-s双电解池实验装置还包括加热带4，加热带4安装在第二腔室12的容器壁，用于改变第二腔室12内的环境温度。
[0116]
在一种示例中，为了更好向加湿液提供含硫环境，相应的，如图6所示，进气孔121中插有进气管6，进气管6的底部靠近加湿液的液面。这样能够更好的将h2s充入到加湿液中，使得第二腔室12能够更好模拟含硫湿气管道。
[0117]
同样，为了便于排出多余的气体，相应的，如图6所示，排气孔122中插有排气管7，排气管7的底部靠近实验样品5的顶部。
[0118]
使用该d-s双电解池实验装置，能够进行不同温度下的氢渗透实验，每个温度下的氢渗透实验结束以后，能够得到对应的氢渗透脱附曲线，通过对该曲线进行积分处理，能够得到可扩散氢量h
ads
。而每个温度下氢渗透实验结束以后，通过减少的重量，按照公式4，可以得到该温度下的总氢量h
t
。进而，多个温度可以得到多组(h
ads
，h
t
)，进一步得到多个由这多个便可以拟合公式2。得到公式2之后，再由公式6中总氢量和腐蚀速率之间的关系，得到可扩散氢的氢通量和腐蚀速率之间的关系，也即是，便可以得到公式1。
[0119]
得到公式1之后，便可以进行腐蚀速率的测定，在使用中，首先使用氢通量探针在待测试件的目标位置处，测量可扩散氢的氢通量，然后再将可扩散氢的氢通量代入上述公式1中，便可以确定当前温度下，当前可扩散氢的氢通量所表征的腐蚀速率。可见，使用该方法无需使用失重法来确定腐蚀速率，简单方便，耗时短。
[0120]
而且，该方法与失重法相比，无需在待测试件上切割进行挂片试验，该方法为无损腐蚀监测方法。
[0121]
应当理解的是，本技术并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本技术的范围仅由所附的权利要求来限制。