本實(shí)用新型涉及電化學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，尤其是一種模擬不同流速下陰極保護(hù)氫滲透試驗(yàn)的裝置。

背景技術(shù)：

近年來，由于海洋腐蝕而造成的損失越來越大，陰極保護(hù)是腐蝕防護(hù)的重要手段，關(guān)于陰極保護(hù)電位與氫脆關(guān)系的研究已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展，但是研究都只是關(guān)注于陰極過保護(hù)所造成的后果如何，并沒有深入地分析陰極保護(hù)電位對氫滲透到材料內(nèi)部的過程的影響。除此之外，之前的研究基本上都是在一般的環(huán)境條件下進(jìn)行的，很少涉及到其他的環(huán)境因素對陰極保護(hù)電位與氫脆關(guān)系的影響。因此，本實(shí)用新型基于陰極保護(hù)的研究，主要目的是實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)電位對氫滲透行為的影響檢測，并由氫滲透行為的特征推測發(fā)生氫脆風(fēng)險性的大小。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型克服了旋轉(zhuǎn)式的低流速模擬缺陷以及管流的設(shè)計(jì)復(fù)雜缺陷，實(shí)現(xiàn)不同大小的流速模擬，來進(jìn)行陰極保護(hù)試驗(yàn)，在實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)的同時，也實(shí)現(xiàn)了滲氫電流的測定。

本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種模擬不同流速下陰極保護(hù)氫滲透試驗(yàn)的裝置，由電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置組成、流速模擬裝置和流速測定裝置，其中：

所述電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置包括陰極池、陽極池、試樣固定架、泄水管、恒電位儀和電化學(xué)工作站，陰極池與陽極池相連通，在陰極池與陽極池連接區(qū)域設(shè)置有試樣固定架用于放置試樣，在陰極池下端設(shè)置有泄水管通入貯水槽，在泄水管上設(shè)置有泄水閥，所述恒電位儀連接試樣、第一參比電極和第一輔助電極，所述第一參比電極和第一輔助電極伸入陰極池內(nèi)的電解液中，所述電化學(xué)工作站連接試樣(試樣即是陰極池內(nèi)三電極系統(tǒng)的工作電極，也是陽極池內(nèi)三電極系統(tǒng)的工作電極)、第二參比電極和第二輔助電極；

在上述技術(shù)方案中，所述的第一參比電極為飽和甘汞電極，第一輔助電極為Pt電極；

在上述技術(shù)方案中，所述的第二參比電極為飽和甘汞電極，所述第二輔助電極為Pt電極；

在上述技術(shù)方案中，所述的陰極池一側(cè)設(shè)置有溢水孔。

所述流速模擬裝置包括貯水槽、水泵、吸水管、出水管、角度調(diào)節(jié)裝置和噴嘴；所述吸水管的出水端口與水泵相連，吸水管的進(jìn)水端口設(shè)置在貯水槽中；所述出水管的進(jìn)水端口與水泵相連，在出水管的出水端口設(shè)置有角度調(diào)節(jié)裝置，角度調(diào)節(jié)裝置上連接有噴嘴，所述出水管末端連同角度調(diào)節(jié)裝置和噴嘴設(shè)置于陰極池的電解液液面之下；

這樣一來，水泵由吸水管吸水，在出水管口獲得有一定初始流速的水流，該流速的水流經(jīng)過角度調(diào)節(jié)裝置和噴嘴，在噴嘴出口處獲得最終流速，即在試樣附近形成模擬的流速，可通過調(diào)整泵的功率(泵的功率越大，初始流速越大)或者噴嘴的角度(通過角度調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)不同角度的噴射水流)，在試樣附近形成模擬流速；

在上述技術(shù)方案中，所述貯水槽為長方體，所述吸水管和出水管的直徑明顯小于水槽的長短高，即所述吸水管和出水管的直徑與水槽的長短高相比，小一到兩個數(shù)量級，例如選擇400x70x50mm的封閉水槽，吸水管和出水管的直徑為2.5mm(略大于噴嘴的直徑即可)，這樣一來，與整個水槽相比，吸水管和出水管的直徑較小，僅僅能夠在進(jìn)水端口和出水端口附近產(chǎn)生水流，這一水流比較小且不會引起整個水槽內(nèi)水流的變化。

所述流速測定裝置由壓力計(jì)與畢托管組成，所述畢托管的測量頭部設(shè)置于噴嘴與試樣之間，所述畢托管的尾部十字口通過膠管與壓力計(jì)相連，噴嘴出水口的水流流過畢托管的測量頭部，產(chǎn)生一個壓力，反應(yīng)到壓力計(jì)上，通過壓力計(jì)計(jì)算出畢托管測量頭部的動壓，利用下述公式測定樣品附近的流速；

式中：V—水流速(m/s)；

k—畢托管系數(shù)；

P—通過畢托管測得的動壓(Pa)；

ρ—流體(水)密度(kg/m³)；

在上述技術(shù)方案中，所述壓力計(jì)為U型壓力計(jì)，所述畢托管的尾部十字口與壓力計(jì)通過第一膠管和第二膠管相連。

一種模擬不同流速下陰極保護(hù)氫滲透試驗(yàn)的裝置的應(yīng)用，按照下列步驟進(jìn)行：

將試樣密封安裝于試樣固定架上，向陽極池中倒入陽極電解液，使液面沒過試樣，施加恒電位將試樣內(nèi)部殘留的可擴(kuò)散氫H電離出來，在保持陽極恒電位的情況下，向陰極池中加入陰極池電解液，使液面沒過整個試樣，使用流速測定裝置測量出噴嘴處水流的壓力，進(jìn)而換算成流速，接通恒電位儀后開始計(jì)時，記錄陽極電流隨時間的變化，直至陽極電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

在上述技術(shù)方案中，所述的試樣的厚度為0.1-0.3mm。

在上述技術(shù)方案中，所述的試樣朝向陽極池的一側(cè)經(jīng)過鍍鎳處理，鍍鎳的方式采用電鍍。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：

本實(shí)用新型制作簡單，成本低，操作簡單；本實(shí)用新型能夠模擬0～6m/s流速下的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)，且沖刷過程只針對工作電極，不會使參比電極不穩(wěn)定。本實(shí)用新型可用于進(jìn)行不同角度、不同流速沖刷下典型海洋用鋼的陰極保護(hù)試驗(yàn)及滲氫電流的測定。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為流速測定裝置局部示意圖。

圖3為X65管線鋼分別在靜態(tài)及動態(tài)條件下施加-0.900V陰極保護(hù)電位時的氫滲透曲線。

圖4為X65管線鋼分別在靜態(tài)及動態(tài)條件下施加-1.00V陰極保護(hù)電位時的氫滲透曲線。

圖5為X65管線鋼分別在靜態(tài)及動態(tài)條件下施加-1.20V陰極保護(hù)電位時的氫滲透曲線。

其中，1為貯水槽，2為吸水管，3為水泵，4為出水管，5為角度調(diào)節(jié)裝置，6為陰極池，7為溢水孔，8為泄水管，9為泄水閥，10為噴嘴，11為試樣固定架，12為恒電位儀，13為電化學(xué)工作站，14為陽極池，15為流速測定裝置，15-1為畢托管，15-2為第一膠管，15-3為壓力計(jì)，15-4為第二膠管。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體的實(shí)施方式對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述：

一種模擬不同流速下陰極保護(hù)氫滲透試驗(yàn)的裝置，由電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置組成、流速模擬裝置和流速測定裝置，其中：

所述電化學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置包括陰極池、陽極池、試樣固定架、泄水管、恒電位儀(ZF-3，上海正方電子科技有限公司)和電化學(xué)工作站(PARSTAT2273電化學(xué)測試系統(tǒng)，美國普林斯頓公司)，陰極池與陽極池相連通，在陰極池與陽極池連接區(qū)域設(shè)置有試樣固定架用于放置試樣，在陰極池下端設(shè)置有泄水管通入貯水槽，在泄水管上設(shè)置有泄水閥，所述恒電位儀連接試樣、飽和甘汞電極和Pt電極，飽和甘汞電極和Pt電極伸入陰極池內(nèi)的電解液中，所述電化學(xué)工作站連接試樣(試樣即是陰極池內(nèi)三電極系統(tǒng)的工作電極，也是陽極池內(nèi)三電極系統(tǒng)的工作電極)、Hg/HgO和Pt電極；

所述的陰極池一側(cè)設(shè)置有溢水孔，用于防止流速過快造成陰極池內(nèi)的電解液溢出。

所述流速模擬裝置包括貯水槽、水泵、吸水管、出水管、角度調(diào)節(jié)裝置和噴嘴；所述吸水管的出水端口與水泵相連，吸水管的進(jìn)水端口設(shè)置在貯水槽中；所述出水管的進(jìn)水端口與水泵相連，在出水管的出水端口設(shè)置有角度調(diào)節(jié)裝置，角度調(diào)節(jié)裝置上連接有噴嘴，所述出水管末端連同角度調(diào)節(jié)裝置和噴嘴設(shè)置于陰極池的電解液液面之下；

這樣一來，水泵由吸水管吸水，在出水管口獲得有一定初始流速的水流，該流速的水流經(jīng)過角度調(diào)節(jié)裝置和噴嘴，在噴嘴出口處獲得最終流速，即在試樣附近形成模擬的流速，可通過調(diào)整泵的功率(泵的功率越大，初始流速越大)或者噴嘴的角度(通過角度調(diào)節(jié)裝置實(shí)現(xiàn)不同角度的噴射水流)，在試樣附近形成模擬流速；

在上述技術(shù)方案中，所述貯水槽為長方體，選擇400x70x50mm的封閉水槽，吸水管和出水管的直徑為2.5mm，吸水管和出水管的直徑較小，僅僅能夠在進(jìn)水端口和出水端口附近產(chǎn)生水流，這一水流比較小且不會引起整個水槽內(nèi)水流的變化。

所述流速測定裝置由壓力計(jì)與畢托管組成，所述畢托管的測量頭部設(shè)置于噴嘴與試樣之間，所述畢托管的尾部十字口通過第一膠管和第二膠管與壓力計(jì)相連，噴嘴出水口的水流流過畢托管的測量頭部，產(chǎn)生一個壓力，反應(yīng)到壓力計(jì)上，通過壓力計(jì)計(jì)算出畢托管測量頭部的動壓，利用下述公式測定樣品附近的流速；

式中：V—水流速(m/s)；

k—畢托管系數(shù)；

P—通過畢托管測得的動壓(Pa)；

ρ—流體(水)密度(kg/m³)；

在上述技術(shù)方案中，所述壓力計(jì)為U型壓力計(jì)。

本實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)藥品和試劑見下表：

表1 實(shí)驗(yàn)藥品和試劑

本實(shí)施例中所使用的實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備見下表：

表2 實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備

以下通過對流動海水條件下X65管線鋼的陰極保護(hù)及氫滲透行為的研究為例對以上裝置的使用進(jìn)行說明：

1.試樣的準(zhǔn)備處理

試樣采用X65鋼(化學(xué)成分見下表)進(jìn)行氫滲透行為的分析，將試樣切割成40x40mm，厚度為1mm的正方形薄片，使用100#的粗砂紙打磨各個表面，然后依次用100#、320#、600#、800#、1000#、1200#、1500#的金相砂紙打磨40x1mm的兩個表面，使試樣表明平整光滑無銹痕，之后對其中一面進(jìn)行鍍鎳處理；

表3 X65管線鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

鍍鎳的具體工藝流程及參數(shù)如下：

a.除油，將配制好的堿性除油液(NaOH(10-15g/L)、Na₂CO₃(30-40g/L)、Na₃PO₄(25-35g/L)、十二烷基硫酸鈉(0.4-0.6g/L)，溶劑為水)用恒溫水浴鍋加熱至70°，將試樣放在除油液中，在該溫度下保溫15min后取出，依次用70°的熱水沖洗3min，冷蒸餾水沖洗2min，用冷風(fēng)吹干后待用；

b.活化，將除油后的試樣放入5％-10％的HCl水溶液中去除試樣表面的氧化皮，停留2min后取出，用蒸餾水沖洗表面，冷風(fēng)吹干待用；

c.鍍鎳，將除油和活化后的試樣用導(dǎo)線與穩(wěn)壓直流電源相連，鉑電極作為輔助電極與電源的正極相連，試樣作為工作電極與電源的負(fù)極相連，然后將試樣懸掛在鍍鎳液中，電鍍時的電流密度為1A/dm²，時間為2min，獲得一層肉眼可明顯觀察到的均勻鎳層。鍍鎳液的配方為：硫酸鎳260g/L，氯化鎳45g/L，硼酸30g/L，十二烷基硫酸鈉0.5g/L，溶劑為水；

在鍍鎳過程中，會有氫進(jìn)入試樣，故在鍍鎳之后還要將試樣放在300°的真空干燥箱(天津天宇技術(shù)有限公司)中，加熱兩個小時進(jìn)行除氫。

2.陽極池除氫

向陽極池中倒入0.2mol/L的NaOH溶液，然后施加200mV的恒電位(vs.Hg/HgO)將試樣內(nèi)部殘留的可擴(kuò)散氫H電離出來，當(dāng)陽極電流I<1μA時，可以認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)定；

3.測試

在保持陽極恒電位的情況下，向陰極池中加入3.5％NaCl溶液，使溶液沒過整個試樣，使用流速測定裝置測量出噴嘴處水流的壓力，進(jìn)而換算成流速，接通恒電位儀后開始計(jì)時(t＝0)，記錄陽極電流隨時間的變化，直至陽極電流達(dá)到穩(wěn)態(tài)，停止實(shí)驗(yàn)。

在靜態(tài)和2m/s的流速下，不同的陰極保護(hù)電位對氫滲透行為的影響分別如圖3、圖4和圖5所示的施加-0.90V、-1.00V、-1.20V保護(hù)電位所得的氫滲透曲線所示。

除測量不同流速下的氫滲透行為外，上述實(shí)驗(yàn)裝置還可以通過角度調(diào)節(jié)裝置(例如轉(zhuǎn)動軸)和噴嘴改變射向試樣的水流的角度，來完成不同角度水流的模擬，以達(dá)到使用該實(shí)驗(yàn)裝置研究試樣在不同角度水流沖擊下的氫滲透行為的目的。

以上對本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，但所述內(nèi)容僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，不能被認(rèn)為用于限定本實(shí)用新型的實(shí)施范圍。凡依本實(shí)用新型申請范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本實(shí)用新型的專利涵蓋范圍之內(nèi)。