腐蚀监测

腐蚀监测（通用4篇）

篇1：腐蚀监测

《金属腐蚀理论及腐蚀控制》

（跟着剑哥走，有肉吃。）

习题解答

第一

章

1.根据表1中所列数据分别计算碳钢和铝两种材料在试验介质中的失重腐蚀速度V-

和年腐蚀深度Vp，并进行比较，说明两种腐蚀速度表示方法的差别。

表1

碳钢和铝在硝酸中的腐蚀试验数据

试

验

介

质

30%

HNO3，25°C

试样材料

碳

钢

铝

矩形薄板试样尺寸(mm)

20´40´3

30´40´5

腐蚀前重W0(g)

18.7153

16.1820

浸泡时间t

(hr)

腐蚀后重W1(g)

18.6739

16.1347

解：由题意得：

（1）对碳钢在30%HNO3（25℃)中有：

Vˉ=△Wˉ/st

=(18.7153-18.6739)/45×2×(20×40＋20×3＋40×30)×0.000001

=0.4694g/

m∙h

又有d=m/v=18.7154/20×40×0.003=7.798g/cm2∙h

Vp=8.76Vˉ/d=8.76×0.4694/7.798=0.53mm/y

对铝在30%HNO3(25℃)中有：

Vˉ=△Wˉ铝/st

=(16.1820-16.1347)/2×(30×40＋30×5＋40×5)×45×10-6

=0.3391g/㎡∙h

d=m铝/v=16.1820/30×40×5×0.001=2.697g/cm3

说明：碳钢的Vˉ比铝大，而Vp比铝小，因为铝的密度比碳钢小。

（2）对不锈钢在20%HNO3（25℃)有：

表面积S=2π×＋2π×0.015×0.004=0.00179

m2

Vˉ=△Wˉ/st=(22.3367-22.2743)/0.00179×400=0.08715

g/

m2∙h

试样体积为：V=π×1.52×0.4=2.827

cm3

d=W/V=22.3367/2.827=7.901

g/cm3

Vp=8.76Vˉ/d=8.76×0.08715/7.901=0.097mm/y

对铝有：表面积S=2π×＋2π×0.02×0.005=0.00314

m2

Vˉ=△Wˉ/st=(16.9646-16.9151)/0.00314×20=0.7882

g/

m2∙h

试样体积为：V=π××0.5=6.28

cm3

d=W/V=16.9646/6.28=2.701

g/cm3

Vp=8.76Vˉ/d=8.76×0.7882/2.701=2.56mm/y

试样在98%

HNO3(85℃)时有：

对不锈钢：Vˉ=△Wˉ/st

=(22.3367-22.2906)/0.00179×2=12.8771

g/

m2∙h

Vp=8.76Vˉ/d=8.76×12.8771/7.901=14.28mm/y

对铝：Vˉ=△Wˉ/st=(16.9646-16.9250)/0.00314×40=0.3153g/

m2∙h

Vp=8.76Vˉ/d=8.76×0.3153/2.701=1.02mm/y

说明：硝酸浓度温度对不锈钢和铝的腐蚀速度具有相反的影响。

3.镁在0.5mol/L

NaCl

溶液中浸泡100小时，共放出氢气330cm3。试验温度25°C，压力760mmHg；试样尺寸为20´20´0.5

(mm)的薄板。计算镁试样的失重腐蚀速度Vp。（在25°C时水的饱和蒸汽压为23.8mmHg）

解：由题意得：该试样的表面积为：

S=2×(20×20＋20×0.5＋20×0.5)×=840×

m2

压力P=760mmHg-23.8

mmHg

=736.2

mmHg=98151.9Pa

根据PV=nRT

则有放出的氢气的物质的量为：

n=PV/RT=98151.9×330×/8.315×(25＋273.15)=0.01307mol

又根据Mg

＋

—>

＋

Mg腐蚀的量为n(Mg)=0.01307mol

所以：Vˉ=nM(Mg)/St=0.01307×24.3050/840××100=3.7817

g/

m2∙h

查表得：dMg=1.74

g/cm3

有：

Vp=8.76Vˉ/d=8.76×3.7817/1.74=19.04mm/y

4.表面积4cm2的铁试样，浸泡在5%盐酸溶液中，测出腐蚀电流为Icor

=

0.55mA。计算铁试样的腐蚀速度V-

和Vp。

解：由题意得：

根据Vˉ=A/nF=icor可知

Vˉ=（A/nF）Icor/s

=55.845×0.55×0.001/2×26.8×4×0.0001=1.4326g/

m2∙h

查表得d(Fe)=7.8g/

cm3

Vp=8.76Vˉ/d=8.76×1.4326/7.8=1.61mm/y

即铁试样的腐蚀速度Vˉ=1.4326

g/㎡*h

Vp=1.61mm/y

第二

章

1.将铜片和锌片插在3%NaCl

溶液中，测得铜片和锌片未接通时的电位分别为

+0.05V和

–0.83V。当用导线通过电流表把铜片和锌片接通，原电池开始工作，电流表指示的稳定电流为0.15mA。已知电路的欧姆电阻为200W。

(1)

原电池工作后阳极和阴极的电位差Ec

–

Ea

=？

(2)

阳极极化值

DEa与阴极极化值DEc的绝对值之和

DEa

+

½DEc

½等于多少?

(3)

如果阳极和阴极都不极化，电流表指示应为多少？

(4)

如果使用零电阻电流表，且溶液电阻可以忽略不计，那么电流达到稳态后，阳极与阴极的电位差Ec

–

Ea、阳极极化值与阴极极化值的绝对值之和

DEa

+

½DEc

½等于多少？电流表的指示又为多少？

解：由题意得：

（1）：根据Ec-Ea=IR

则有：Ec-Ea=IR=0.51mA×200欧=30mV=0.03V

即原电池工作后阳极和阴极的电压差Ec-Ea=0.03V

（2）：△Ea=Ea-Eoa

|△Ec|=Eoc-Ec

△Ea＋|△Ec|=Ea-Eoa+Eoc-Ec=(Eoc-Eoa)-(Ec-Ea)

=0.05＋0.83-0.03=0.85V

即阳极极化值△Ea与阴极极化值△Ec的绝对值之和为0.85V。

（3）：如果阳极和阴极都不极化，则有Pc=0，Pa=0

Icor=(Eoc-Eoa)/R=(0.05＋0.83)/200=0.0044A=4.4mA

即电流表指示应为4.4mA。

（4）：当使用零电阻电流表时有，阳极与阴极的电位差

Ec=Ea，则有：电位差Ec-Ea=0

由（2）知：△Ea＋|△Ec|=(Ea-Ec)-(Eoa-Eoc)=0-(-0.83-0.5)=0.88V

Pc+Pa=(Eoc-Ec＋Ea-Eoa)/

Icor=(0.88-0.03)/0.15×=5666.7Ω

I=(Eoc-Eoa)/

(Pc+Pa)=(0.05＋0.83)/5666.7=0.000155A

2.某腐蚀体系的参数为：

E

0a

=

-0.4V，E0c

=

0.8V，Ecor

=

-0.2V。当R

=

0时，Icor

=

10mA，该腐蚀电池属于什么控制类型？如果欧姆电阻R

=

90W，那么I¢cor

=？

腐蚀电池又属于什么控制类型？

解：由题可知：当R=0时有：

Icor=(Eoc-Eoa)/

（Pc+Pa）

Pc+Pa=(Eoc-Eoa)/

Icor=（0.8+0.4）/10×=120Ω

Pc=(Eoc-Ec)/

Icor=(0.8＋0.2)/10×=100Ω

则有

Pa=120-100=20Ω

因为Pc>>Pa，所以该电池属于阳极极化控制。

当欧姆电阻R=90Ω时有：

=(Eoc-Eoa)/(Pc+Pa+R)=(0.8+0.4)/(120+90)=5.71mA

因为R与Pc接近，所以该腐蚀电池为欧姆电阻和阳极极化共同控制。

第三

章

1.在下列情况下，氧电极反应的平衡电位如何变化：

(1)

温度升高10°C

(取Po2

=1atm，pH

=

7)。

(2)

氧压力增大到原来的10倍

(温度25°C)。

(3)

溶液pH值下降1单位

(温度25°C)。

解：在中性溶液中，阴极的反应为：O2+2H2O+4=4OH-

其平衡位则为Ee=E0（OH-/O2）+㏑(Po2/-)

（1）

当温度升高10℃后有：

Ee

=

E0（OH-/O2）+×㏑(Po2/-)

=E+㏑(Po2/)+

㏑Po2/-

则平衡电位变化量△Ee1=

Ee’-

Ee=㏑(Po2/-)

=㏑Po2－㏑-

又因㏑=2.3lg，则有lg=pH－14

所以：△Ee1=10×8.314/(4×96500)

×

㏑Po2-10×8.314/(4×96500)×4×2.3×(7-14)

=0+0.01387=0.0139V>0

即：温度升高10℃后平衡电位正移0.0139V。

（2）

当氧压力增加到原来的10倍时

=E＋㏑(10Po2/)=E＋ln10＋㏑(Po2/-)

△E2=

Ee’’－Ee

=ln10

=(8.314×298.15)/(4×96500)×2.3

=0.0148V>0

即氧压力增大到原来的10倍时有氧电极平衡电位正移0.0148V

（3）

当溶液pH值下降1时有

=E＋㏑(Po2/-)=E＋ln

Po2－㏑-

ΔE3=

Ee’’’－Ee=E＋ln

Po2－㏑－(E＋ln

Po2－㏑)

=2.3(－14)＋2.3(pH－14)

=×2.3==0.0591V>0

即pH值下降1个单位，氧电压反应平衡电位正移0.0591V。

2.将铁置于饱和空气的碱溶液(pH

=

10)中，按阳极反应为

(1)

Fe

+

Fe2+

+

2e

(2)

Fe

+

2OH-

=

Fe(OH)2

+

2e

计算腐蚀倾向，二者是否相同？为什么？

解：在pH=10的碱溶液中，去极化还原反应为：

O2+2H2O+4=4

Ee=E0（OH-/O2）+㏑(Po2/-)

=0.401＋lg(0.21/)

=0.627V

(1)

当阳极反应为Fe=＋2

有＋2=Fe(OH)2↓

查得Ksp

Fe(OH)2=1.87×

a()=Ksp

Fe(OH)/a=1.87×/

=1.87×mol/L

由：Fe=＋2

又有Eea=

-0.440＋0.02955lg

a()

=

-0.440＋0.02955lg1.8×

=

-0.639V

（2）当阳极反应为

Fe＋2=Fe(OH)2＋2

查表有=-0.875V

[OH]=

mol/L

Ee=E0

+㏑(1/a)

=

-0.875＋(8.315×298.15)/(2×96500)×2×2.3lg

=

-0.639V

综上则有两种计算所得结果相同，即二者的腐蚀倾向一样。

3.将两根铜棒分别浸于0.01mol/L

CuSO4溶液和0.5mol/L

CuSO4溶液，组成一个金属离子浓差电池。

(1)

哪一根铜棒是阳极，哪一根铜棒是阴极？

(2)

写出阳极反应和阴极反应，计算其平衡电位。

该金属离子浓差电池的腐蚀倾向是多少伏？

解：（1）铜棒在0.01

mol/LCuSO4溶液中时有：Cu=＋2

查表得：γ()=0.41

又根据=E0＋㏑a()

=0.337＋lg(0.01×0.41)=0.266V

当铜棒在0.5mol/LCuSO4溶液中时有：γ()=0.0668

=

E0＋㏑a()’

=0.337＋lg(0.5×0.0668)

=0.293V

因为<，即铜在0.01

mol/LCuSO4溶液中的电位比在0.5mol/LCuSO4溶液中电位低。故有铜在0.01

mol/LCuSO4溶液中作阳极，而在0.5mol/LCuSO4溶液中的铜棒作阴极。

（2）阳极反应：Cu=＋2

其平衡电位Eea=0.266V

阴极反应＋2=Cu，其平衡电位=0.293V

（3）Eec=

=0.293V

而Eea==

0.266V

有腐蚀倾向Eec－Eea=0.293－0.266=0.027V=27mV

即该金属离子浓差电池的腐蚀倾向是27mV

第四章

1．表面积为20cm2的铁样品浸泡在PH=1的除氧酸溶液中，经过50h试验，测得了铁样品的损失质量为0.1g，已知在铁的表面上析氧反应符合Tafel公式η=-0.64-0.125lg|i|，η的单位为V，i的单位为A/cm2，试计算：

（1）

样品厚度的减少△h(mm);

（2）

铁电流的腐蚀电流密度icor(A/m2);

（3）

铁试样的腐蚀电位Ecor。

解：（1）

根据失重腐蚀V-

=

∴Vp=8.76=8.76×1/7.8=1.12

mm/y

∴有△h=Vp.t=1.12×50/(365×24)=0.0064mm

即样品的厚度加少量为0.0064mm

(2)根据可知有：

=

阴极反应

2H++2e=H2

当pH=1时其平衡电位

Eec=-0.0591pH=

-0.0591×1=

-0.059

(V)

在腐蚀电位下，阴极反应过电位：

hc

=

Ecor

–

Eec

=

-0.64

–

0.125

lg│icor│

(V)

所以Ecor

=

-0.64

–

0.125

lg│icor│

+

Eec

=

-0.64

–

0.125×（lg0.9606×10-4）–0.059

=

-0.707V

(vs

SHE)

=

-0.707V

–0.242

=

–

0.949

(vs

SCE)

2.海水中的含氧量为3.2mg/L,求一年中锌的消耗量？（氧的扩散层厚度为，扩散系数为D=1.9×10-5

cm2

/s,Zn的原子量为65.4）。

解：由题知有：

在海水中阴极反应为:O2+2H2O+4e=4OH-

在稳定条件时有：|ic|=Nf||=nFD

当减小到零时有|

ic

|=id=nFD

=4×26.8A.h/mol×1.9×10-5

cm2/s×

=

[4×26.8×1.9×10-5×3.2×10-3/(32×10-4)]×3600×10×10-3

=0.7332A/m2

∴icor=id=0.7332A/m2

查表得dZn=7.1g/cm3

Zn-2e=Zn2+

∴有腐蚀深度Vp=8.76

失重腐蚀速度:V-=

对如下两个电极系统：

(a)

Hg—0.1mol/L

HCl

(b)

Pt—1mol/L

H2SO4

分别进行阴极极化，测量数据列于表1。要求：

(1)

分别画出在汞电极上和铂电极上析氢反应的阴极极化过电位曲线。

(2)图上求Tafel斜率bc和交换电流密度i0。

(3)为了使电位偏离平衡电位

+10mV，需要通入多大的外加极化电流(取n

=

1)？

比较两个电极的极化性能。

表1

阴极极化实验数据

(25°C)

极化电流密度½ic½

极化电位E

(V,vs

SCE)

(A/m2)

Hg电极

Pt电极

5×103

-0.5370

2.5×103

-0.4991

-1.6164

-0.4511

5×102

-1.5780

-0.4040

-1.5085

-0.3362

-1.3815

-1.2665

解：（1）对于Hg电极有：阴极反应：2H++2e-=H2

有Y=0.796

∴Eec=

当|ic|=

A/㎡

即lg|ic|=3时有

同理有：当|ic|=A/㎡时，lg|ic|=2.7时有：

当|ic|=时，lg|ic|=2,当|ic|=10时，lg|ic|=1,当|ic|=1时，lg|ic|=0,对于Pt电极有:2H++2e=H2,当H2SO4

为1mol/L时Y=0.13

∴Eec=

当|ic|=5×103A/㎡

即lg|ic|=3时有:

当|ic|=5×103时，lg|ic|=3.4,当|ic|=103时，lg|ic|=3,当|ic|=时，lg|ic|=2.7,当|ic|=时，lg|ic|=2,极化曲线如下：

(2)

由图知直线斜率即为Tafel斜率bc，截距为氢过电位a。

①对于Hg-0.1mol/LHCl有：

斜率

∴Tafel斜率bc=-=0.117V

当|ic|取1时有=

-0.961V，即氢过电位a=

-0.961V

∴由塔菲尔公式：，得：

-0.961=

0.117lg

i0

则：lg

i0

=-7.265

即i0

=5.4×10-8

A/m2

②对于Pt-1mol/L

H2SO4

有：

斜率

∴Tafel斜率bc=0.112

V

当|ic|取1时有=

0.180V，即氢过电位a=

0.180V

∴由塔菲尔公式：，代入有：0.180=

-0.112lg

i0

得=40.46A/

m2

(3)

当极化值ΔE=10mv时，属于微极化范畴，由Fanardy方程式

：i=η/Rf

①对于Hg-0.1mol/LHCl有：

Rf=RT/（i0nF）=8.314×298/（96500×10-7.265）=4.755×105Ω

iHg=η/Rf

=0.01/4.755×105

=2.1×10-8

A/m2

②对于Pt-1mol/L

H2SO4

有：

Rf=RT/（i0nF）=8.314×298/（96500×101.607）=6.346×10-4Ω

iPt=η/Rf

=0.01/6.346×10-4=16

A/m2

4.铂电极在充氧的中性水溶液中进行阴极极化，电极表面发生氧离子化反应。利用氧离子化反应的动力学参数(bc

=

0.110V，i0

=

1.198×10-6

mA/cm2

=

1.198×10-5A/m2)，计算当½ic½=

7×10-2

mA

/

cm2时，阴极极化过电位h，其中浓度极化过电位h浓和活化极化过电位h活各占多大比例？

扩散层厚度取d

=

10-2cm，水中溶解氧浓度为3.2mg/L。

比较氢电极反应和氧电极反应的阴极极化特征。

解：

浓度极化时有：

极限扩散电流密度时代入数据，则有：

∴

活化极化时有：

∴阴极极化的过电位

∴有：

所以氧电极受浓度极化与活化极化共同控制，其中活化极化占大部分，而氢电极主要受活化极化控制。

5.一个活化极化控制腐蚀体系，阴极反应和阳极反应的交换电流密度为、；Tafel斜率为bc、ba；腐蚀电位满足条件Eea<

设加入阴极性缓蚀剂，使阴极反应受到抑制，阴极反应交换电流密度改变为。假定其他参数都不改变，此时腐蚀电位负移到E¢cor，腐蚀电流密度下降到i¢cor。

(1)

作加入缓蚀剂前后腐蚀体系的极化曲线图。

(2)

用图解法求腐蚀电流密度的变化r

=

i¢cor

/

icor和腐蚀电位的变化DE

=

E¢cor

–

Ecor。

解：极化曲线如右图；

由（1）的极化曲线利用图解法求解得：在△ABC中，1.2直线段位两平行线，则有：,分别为未加入缓蚀剂时阳极反应和加入缓蚀剂后阴极反应的斜率：

根据

由图可知有：

6.一个阳极反应受活化极化控制、阴极反应受浓度极化控制的腐蚀体系，阴极反应的极限扩散电流密度为id，腐蚀电位为Ecor。

由于搅拌使阴极反应的极限扩散电流密度上升到i¢d，阳极反应参数不变；腐蚀电位正移到E¢cor。

(1)

作腐蚀体系的极化曲线图。

(2)

用图解法求腐蚀电位变化DE

=

E¢cor

–

Ecor。

解：（1）极化曲线如右图；

（2）由（1）极化曲线可知，在△ABC中

阳极反应的斜率

第五

章

思考题：

1.交换电流密度的概念及意义，与电极反应极化性能的关系；过电位和电极反应速度的关系。动力学方程的一般表达式；Tafel方程式的数学形式、图形表示以及适用条件；极限扩散电流密度的计算。

答：析氢腐蚀的阴极反应是氢离子的还原反应，发生电学腐蚀的条件是<发生析氢腐蚀的体系包括标准电位负值很大的活泼金属；大多数工程上使用的金属，如Fe在酸性溶液中，正电性的金属一般不会发生析氢腐蚀。但是当溶液之中含有络合剂使金属离子活度很低时正电性金属也可能发生析氢腐蚀。析氢腐蚀的阴极反应和阳极反应都要受活化极化控制，其电极反应的阻力表现为交换电流密度的大小，比较电极反应的阻力，则只需比较交换电流密度。因为氢离子还原反应受活化极化控制，因此析氢反应符合Tafel公式:=a-blg

其中影响析氢反应动力的有a值，即与

有关，与材料本身及状态，环境PH值等有关。所以综合其影响因素有：pH值，温度，及溶液中其他组分，金属本身杂质，阴极还原面积，表面状态等。

2.对受氧扩散控制的吸氧腐蚀体系，当id增加到一定程度，阴极反应将由浓度极化控制转变为浓度极化与活化极化共同影响。这种控制特征的变化与电极金属材料有什么关系？用极化图进行分析。

答：在《id时，D2的还原反应受活化极化控制，当增加到约id时，还原反应受活化极化与浓度极化共同控制。当id增大到阳极极化曲线的交点，越出了氧化扩散控制电位，则自然状态下阴极反应不再受浓度极化控制，如曲线3所示。与阳极极化曲线的交点在混合控制电位区间，必须考虑活化极化作用。在分析腐蚀速度的影响因素时，应包括氧化极限扩散电流密度id和还原反应交换电流密度两方面。

3.(1)

在pH

=

0的除氧硫酸铜溶液中()，铜能否发生析氢腐蚀生成Cu2+？如果能发生，腐蚀倾向是多少伏？

(2)

在pH

=

10的除氧氰化钾溶液中()，铜能否发生析氢腐蚀？如果能发生，腐蚀倾向是多少伏？

设腐蚀生成的[Cu(CN)2]-离子的活度等于10-4mol/L，已知电极反应

Cu

+

2CN-

=

[Cu(CN)2]-

+

e的标准电位E0

=

-0.446V。

解（1）由题意可知，铜的氧化反应为Cu=＋2e

查表知，铜电极反应的标准电位=0.337V

则铜的氧化反应的平衡电位为

Eea=＋ln/Cu

=0.337＋0.5×0.059×lg0.1

=0.3075V

又在PH=0的除氧硫酸铜溶液中有2＋2e

=

析氢反应的平衡电位Eec=＋ln/PH2

得Eec=－0.0591×PH=-0.0591×0=0V

由电位比较准则知Eea>

Eec，所以铜不可能发生析氢腐蚀生成。

（2）由题意可知，铜的氧化反应为

Cu＋2=＋e

该电极反应的标准电位=-0.446V

则铜氧化反应的平衡电位为

Eea=＋ln

/([

]×[

])

=-0.446＋0.0591lg/

=-0.647V

在PH=10的除氧硫酸铜溶液中有2＋2e

=

析氢反应的平衡电位Eec=－0.0591×PH=-0.0591×10=-0.591V

由电位比较准则知Eec>Eea，所以铜能发生析氢腐蚀。

其腐蚀倾向△E=Eec－Eea=-0.591-(-0.647)=0.056V=56mV

2.(1)

推导氢电极反应交换电流密度i0与溶液pH值的关系式。

(2)

在1mol/L盐酸溶液中，Fe表面上氢电极反应的i0

=

2.5×10-6A/cm2，在0.01mol/L

盐酸溶液中Fe表面上氢电极反应的i0

=

?(取Tafel斜率b

=

0.118V)。

(3)

当酸溶液的pH值改变一个单位，氢电极反应的Tafel公式中的a的绝对值½a½改变多少伏？

解：（1）由=nFexp(-Eec/)

两边同时去对数得ln=ln[nFexp(-Eec/)]

其中Eec=lg=-2.3PH

代入式中得

2.3

lg=2.3lg(nF)＋(2.3PH)/

即lg=

lg(nF)＋PH

=

lg(nF)－PH＋PH

令lg(nF)=k=常数，取=0.5

则有lg=k－PH＋0.5PH=

k－0.5PH

即氢电极反应交换电流密度与溶液PH值的关系式为

lg=k－0.5PH

（2）在1mol/L

HCl溶液中：

=1

mol/L

PH=-

lg[]=-lg1=0

又lg=k－0.5PH

lg(2.5×)=k－0

得k=-5.6

当为0.01mol/L

HCl溶液时

①不考虑活度，αH+

=0.01

mol/L

PH=-

lg[]=-lg0.01=2

lg=k－0.5PH

=-5.6-0.5×2=-6.6

==2.5×A/cm2

②考虑活度系数，在1mol/L

HCl溶液中活度系数为0.809

PH=-lg[]=-lg0.809=0.092

又lg=k－0.5PH

lg(2.5×)=k－05×0.092

即k=-5.556

在0.01mol/L

HCl溶液中，活度系数为0.904

PH=-lg[]=-lg(9.04×)=2.044

lg=k－0.5PH

=-0.556-0.5×2.044

=-6.578

=2.65×

A/cm2

即在0.01mol/L

HCl溶液中，不考虑活度系数==2.5×

A/cm2，考虑活度系数=2.65×

A/cm2。

（3）PH值改变一个单位时，=0.118△lg

又

△lg=（k－0.5pH)－(k－0.5

pH’)

=0.5(pH’－PH)=0.5

得

=0.118×0.5=0.059V=59mV

即当酸溶液PH值改变一个单位，氢电极反应Tafel的公式中的a的绝对值改变59mV。

3.钢制容器用作酸溶液的中间贮槽，与酸溶液接触的表面积为15m2，进入贮槽的酸溶液的工艺条件为：

pH

=

2.5，25°C，1atm，并含有4.5mg/L的溶解氧，流量0.1m3/min。

实验测出容器表面的腐蚀电位Ecor

=

-0.54V(vsSCE)。

(1)

求钢容器的腐蚀速度。

(2)

求流出的酸溶液中的氧含量。

扩散层厚度取d

=

5×10-3cm。

解：（1）析氢反应

阴极2＋2e

=

Eec=＋ln[]×[]/PH2

=0.0591lg[]=0.0591×lg=-0.148V

lg=-5.602－0.5PH=-5.602-0.5×2.5=-6.852

即==1.41×

A/cm2

=Ecor＋0.242-Eec=-0.54＋0.242－(-0.148)=-0.15V

由=-0.118lg/

=×=1.41×

=2.6×

A/cm2

吸氧反应＋＋4e=2O

=nFD/

=4×96500×1.9×(1.41×)/(5×)×

=2.07×

A/cm2

=＋

=2.07×＋2.6×

=2.1×

A/cm2

因Vp=8.76×/d

mm/y，=×

g/(㎡h)

所以Vp=

8.76/d××=

××2.1××

=2.43

mm/y

（2）氧消耗速度为：

(×S)/(Fn)×60×A=(2.07×15)/(96500×4)×60×32=

0.154

g/min

流入酸中的氧流量为0.45

g/min

所以剩余氧量为0.45－0.154=0.296

g/min=2.96

mg/min

即钢容器的腐蚀速度为Vp=2.43

mm/y，流出的酸溶液中的氧含量为0.296

g/min，即为2.96

mg/min。

第六章

1.铁和两种不锈钢在除氧的0.5mol/L

硫酸溶液中的钝化参数列于表1。(在不锈钢表面上析氢反应动力学参数采用铁的数据)

（1）这三种体系的阳极反应电流峰值ip分别为多少？

（2）如果要由通入氧气来使铁和不锈钢钝化，溶液中最少需要含有多少氧(mg/L)？

表1

三种腐蚀体系的钝化参数

材

料

溶

液

Ep

(V)

i致

(mA/cm2)

Fe

0.5mol/L

H2SO4

+0.46

200

Cr25不锈钢

0.5mol/L

H2SO4

-0.18

25.4

Cr25Ni3不锈钢

0.5mol/L

H2SO4

-0.11

2.0

（1）解：阴极反应：2H+

+

2e

H2

∴

查表可得：当硫酸溶液为0.5mol/L时，=0.154

∴Eec=0.0591lg0.5´2´0.154=

–0.048V

又blg,其中=

查表可得：a=-0.70V,b=0.125V

①.对于Fe：

∴==2.17´10-10

(A/c

m2)

故∴+=200´+2.17´≈200=0.2

A/c

m2

②.对于Cr25不锈钢：

∴==2.86´10-5

A/c

m2

故∴+=25.4´+2.86´≈

2.53

´

A/c

m2

③.对于Cr25Ni3锈钢:

∴==7.87´10-6

A/c

m2

故∴+=2´+7.87´≈2´

A/c

m2

(2)

使铁和不锈钢钝化时应满足：

∴

查表可得：

①.对于Fe：

=

因为氧含量不能达到0.273mol/L,不能使Fe钝化

②.对于Cr25不锈钢=

要使Cr25不锈钢钝化，溶液中的氧含量至少应为3.46´10-2

mol/L

③.对于Cr25Ni3不锈钢：

=

要使Cr25Ni3锈钢钝化，溶液中的氧含量至少应为2.73´10-3mol/L

2.如果钝化体系的真实阳极化曲线与真实阴极极化曲线相交产生三个点时，为什么会出现阴极极化电流现象？

答：在自然腐蚀状态，金属可能发生活性溶解腐蚀，也可能钝化。在阳极极化过程中由于发生析氧反应，使阴极电流密度，从而造成i+〈

0，表现为阴极电流，所以实测阳极极化曲线上将出现一段阴极极化电流区。

第七

章

1.金属表面的膜具有保护性的条件是什么？

（1）体积条件（P-B比），氧化物体积与消耗的金属体积之比大于1是氧化膜具有保护性的必要条件。

（2）膜有良好的化学稳定性，致密，缺陷少，蒸气压低。

（3）生成的膜有一定的强度和塑性，与基体结合牢固。否则，由于膜生长过程中体积膨胀产生的内应力向能造成膜的破裂和剥离。

（4）膜与基体金属的热膨胀系数差异少，在温度急剧变化时不致造成膜的破裂。

2.提高合金抗高温氧化性能的途径有哪些？

（1）按Hauffe原子价定律，加入适当合金元素，减少氧化膜中的缺陷浓度。

（2）生成具有良好保护作用的复合氧化物膜。

（3）通过选择性氧化形成保护性优良的氧化膜。

（4）增加氧化物膜与基体金属的结合力。在耐热钢和耐热合金中加入稀土元素能显著提高抗高温氧化性能。

3.已知PdO在850°C时的分解压力等于500mmHg，在该温度下Pd在空气中和1atm氧气中是否能氧化？

解：由题意得：2Pd＋O2=2PdO的分解压力==0.658atm

（1）在（850＋273.15）K时，1atm中的自由焓变化为：

△

G=RTln=(8.314×(850＋273.15)×ln)J/mol

=-3909.86

J/mol

=-3.91kJ/mol

因为=1atm>=0.658atm，所以△G=-3.91kJ/mol<0

根据自由焓准则可知金属Pd在1atmO2中能被氧化。

（2）P空气=0.21

atm

Pd在空气中时有：

△

G=

RTln=(8.314×1123.15×ln)

=10664.7

J/mol

=10.66kJ/mol

因为△G＞0，根据自由焓准则知Pd在空气中不能被氧化。

4.已知锌发生高温氧化时的P—B比等于1.55，锌的密度为7.1g/cm3。在400°C经过120小时氧化，测出增重腐蚀速度为0.063g/m2×hr。锌试样表面氧化膜的厚度等于多少？

解：由题意得：2Zn＋O2=2ZnO

P-B比=

=

（Mzno=81

A=56）

1.55=(81×7.1g/cm3)/(1×56×D)

（D=5.7g/cm3）

又有=

△/(st)=0.063

g/（m2·h)

根据=

可知=△/(st)=

(SD)/(St)=0.2559g/(㎡·h)

Zn发生氧化时减小的质量为:

△=SD

（—Zn减小的厚度）

所以：=△/(st)=

(SD)/(St)

=0.2559g/(m2·h)

h=t/d=(0.2559g/(㎡·h)×120)/(7.1×106g/cm3)

=4.3257×106m

而生成氧化膜即ZnO增加的质量为：

△=ShD－S

D

（h—生成氧化膜厚度）

=(ShD－SD)/(St)=

h=(t＋h)/D

=(0.063×120＋4.3257×106×7.1×)/(5.7×106)m

=6.714×106

m

即生成氧化膜的厚度为6.714×106

m。

第八章

1.氯离子活度对四种不锈钢的击穿点位Eb的影响分别为：

（1）Cr17

Eb=-0.084lgaCl-+0.020(V)

（2）Cr18Ni9

Eb=-0.115

lgaCl-

+0.247(V)

（3）Cr17M12M02.5

Eb=-0.068

lgaCl-

+0.49=0.48(v)

(V)

（4）Cr26M01

Eb=-0.198lgaCl-

+0.485(V)

排出在3%的NaCl溶液和2mol/LNaCl溶液中这4种不锈钢的耐腐蚀性能的顺序。

解：（1）

在2mol/L的NaCl溶液中有：

r=0.67

∴

a

Cl-=

C(Cl-)r=

∴

Cr17

Eb=-0.084lgaCl-+0.020=(v)

Cr18Ni9

Eb=-0.115

lgaCl-

+0.247=0.232(v)

Cr17M12M02.5

Eb=-0.068

lgaCl-

+0.49=0.48(v)

Cr26M01

Eb=-0.198lgaCl-

+0.485=0.4598(v)

因为击穿点位越正，材料的耐腐蚀性越好，故在2mol/L的NaCl溶液中4种不锈钢的耐腐蚀性能的顺序由强到弱分别是：

Cr17M12M02.5>

Cr26M01>Cr18Ni9

Cr17

（2）.在3%的的NaCl溶液中有:

设在100克水中溶有x克NaCl

即

解得，所以

查表知r=0.675

∴

Cr17

Eb=-0.084lg0.347+0.020=(v)

Cr18Ni9

Eb=-0.115

lg0.347

+0.247=0.300(v)

Cr17M12M02.5

Eb=-0.068

lg0.347+0.49=0.521(v)

Cr26M01

Eb=-0.198lg0.347

+0.485=0.576(v)

故在3%的NaCl溶液中4种不锈钢的耐腐蚀性能的顺序由强到弱分别是：

Cr26M01>

Cr17M12M02.5>

Cr18Ni9>

Cr17

2.金属在酸溶液中发生的缝隙腐蚀可以用氢离子浓差电差电池来说明，设将Fe试样浸泡于pH=0的酸溶液（25℃）中，缝内氢离子难以补充，使pH上升到3。

问：

（1）缝内Fe表面和缝外Fe表面哪个是阴极哪个是阳极？

（2）求缝外Fe表面阳极溶解电流密度和缝外Fe表面阳极溶解电流密度ia2的比值。

解：

(1)

缝内:Eec=-0.0591×3=-0.1773V

缝外:Eec=0V

所以Fe在酸溶液中发生析氢腐蚀，Eec随溶液pH值增高而负移，因此缝内Fe表面电位负移，为腐蚀电池的阳极，缝外Fe表面的电位正移，为腐蚀电池的阴极。

(2)

溶液电阻不计时，则缝内表面（阳极）与缝外表面（阴极）相互极化，达到共同的极化点位Eg，按Tafel方程式，可以写出缝内和缝外铁表面的阳极溶液溶解电流密度：

（Ⅰ）缝内：，根据可知有：

所以：

（Ⅱ）缝外：

其中,分别是缝内，缝外反应物的浓度，，分别是缝内，缝外OH-的活度。

3.不锈钢按组织分类可以分为哪几类，各举出他们的耐腐蚀性如何，并举例。

答：不锈钢按显微组织的不同可以分为四种类型：铁素体不锈钢，马氏体不锈钢，奥氏体不锈钢，沉淀硬化不锈钢。

(1)

铁素体不锈钢：基本上是铁铬二元合金，其铬含量在12%—30%之间，在许多的环境中具有优良的抗腐蚀性，但碳在铁素体中的溶解度小，铬在铁素体中的扩散速度较大，从而熵温冷却时较易析出碳化铬，形成晶界贫铬区，使材料的抗腐蚀性降低。

如17%Cr，0.012%C的铁素体不锈钢在退火状态的组织为等轴铁素体晶粒，其中弥散分布有碳化物，碳化物的存在降低材料的抗腐蚀性，可通过在700—800摄氏度退货时由于铬比较快的有晶粒内部向晶界扩散从而消除贫铬区，使晶间腐蚀性倾向降低。同时铁素体不锈钢耐氯化物应力腐蚀也较好。

（2）马氏体不锈钢：马氏体不锈钢基本上是在含12%—17%铬的铁铬合金中，再加0.15%—1.0%的碳其抗腐蚀性不如铁素体，如2CrB,3CrB,4CrB等。由于碳含量的增加，其耐腐蚀性下降，一般在弱腐蚀性介质中使用。

（3）奥氏体不锈钢：基本上是铁镍铬三元合金，其铬含量约为16%—25%，镍含量约为7%—20%，其抗腐蚀性通常比铁素体不锈钢和马氏体不锈钢好，如Cr18Ni19不锈钢，在870—600摄氏度之间缓慢冷却会引起喊铬碳化物沿晶界沉淀从而产生晶间腐蚀，同时在其他条件下还会出现孔蚀，缝隙应力腐蚀等。可通过

一，提高铬和镍的含量；二，加入合金元素Mo,Cu,Si,Ti(或Nb)等；三，降低含碳量。

（4）沉淀硬化不锈钢。其成分与奥氏体不锈钢成分相近，所不同的是增加了铝，铌或钽，这类钢具有很高的强度，如17-4PHCooCr17M4Cu3,其耐腐蚀性与一般不锈钢相同。

4.1Cr18Ni9不锈钢和1Cr17不锈钢的晶间腐蚀原理有何不同，采取什么热处理方法可以消除晶间腐蚀的感性？

答：1Cr18Ni9不锈钢属奥氏体不锈钢一类（按组分分），其在弱氧化环境中发生地晶间腐蚀可用贫铬理论解释，即当不锈钢从固溶温度冷却下来时，碳属于过饱和，受到敏化处理时，碳和铬形成碳化铬【(C，Fe)23C6型】，在晶界析出，使得晶粒处于晶界处的电化学性质存在差异，从而造成晶间腐蚀。

1Cr17为铁素体不锈钢，由于碳在铁素体中的溶解度更小，但铬在铁素体中的扩散速度较大，使得别素体不锈钢从高温区快速冷却时较易析出碳化物，形成晶界贫铬区，造成晶间腐蚀。可采用的热处理方法为退火（700—800摄氏度）来消除晶间腐蚀敏感性。

篇2：在线腐蚀监测技术的应用

一、在线腐蚀监测技术简介

腐蚀监测方法可以分为两大类, 一是在设备运行一定时期后检测有无裂纹, 有无局部腐蚀穿孔的危险, 剩余壁厚是多少, 它主要是为了控制和防止突发事故。主要方法有超声波法、漏磁法等;二是检测腐蚀速度, 主要方法有挂片法、电阻探针法、电化学法、磁感法等。通常把前者称作腐蚀的离线检测, 后者称作腐蚀的在线监测。

对于像测试挂片的重量损失、使用远程数据纪录系统的电阻法 (ER) 或者是线性极化电阻法 (LPR) 等方法, 只能在腐蚀破坏作用不大或者不可能提高抗腐蚀过程控制的情况下使用, 而大多数企业希望能够通过使用化学方法 (如缓蚀剂) 或者其他处理设施 (如脱水装置) 来减少腐蚀, 并保证重点系统或管道置于有效的监控中。这样, 只能通过在线、实时的测量技术实现均匀腐蚀及局部腐蚀的全面监测。

SuperLPR技术是一种有效的、实时在线的平均腐蚀和局部腐蚀监测方法。该方法所获得的数据可以立即反映化学处理的效果, 并可用于工艺控制, 使人们可以通过改善工艺控制或进行化学处理来减小腐蚀所造成的危害。

这种在线实时监测技术使用了由相同金属材料制作的三个电极构成的探头, 将其放入腐蚀性介质当中, 可以利用电极之间很小的电位差来测量产生的极间电流, 通过计算和数据分析, 得到4~20mA的标准信号, 通过计算机系统实现在线实时监测。

这种技术一方面使用电化学噪声技术循环测量电极的电流和电压信号, 这些计算和处理每秒都在进行更新, 通过这个系统的软件得到与电流和电压波动相关的数据 (平均值、标准偏差、偏斜、峭度) 计算出来, 并通过这些数据来判断电极是阳极行为还是阴极行为, 腐蚀状态是全面腐蚀还是局部腐蚀;另一方面, 实现了LPR线性极化测量的一种新方法的应用, 利用正弦波挠动和正弦波的傅立叶转化进行数据分析。结合谐波失真技术 (HAD) 分析线性极化阻力测量的非线性的反馈部分。这些, 使得稳定体系中腐蚀参数的测量非常正确、稳定、迅速, 不到2min便可完成;同时, 针对线性极化技术和谐波失真技术只有应用与稳定状态测量才准确的弊端, SuperLPR技术利用三电极探头的特点通过电化学噪声技术测量σv和σi, 通过LPR和LDA技术来对同一电极各自独立测量B值 (Stern-Geary方程系数和腐蚀电流密度 (Icorr) 。这样, 对于局部腐蚀, SuperLPR技术可按照识别局部腐蚀活性的经验的方法定义局部腐蚀因子 (Li=σi/irms) , 更好地定义了局部功能因子或者点蚀因子, 实现局部腐蚀的准确测量。通过图1, 能直观了解Super技术实现局部腐蚀和总体腐蚀监测所采用的几种方法的有机结合。

二、在线实时监测系统的安装

1. 腐蚀测点的选择

在炼油化工企业, 原油炼制过程中出现的腐蚀问题是监测与防护的重点。炼油过程中设备所发生的腐蚀主要有两类:硫化物的高温化学腐蚀和H2S、HCl低温电化学腐蚀。前者多发生在常减压蒸馏、热裂化、催化裂化、延迟焦化以及这些装置的产品分离系统, 主要表现为均匀腐蚀;后者多发生在在蒸馏装置的初馏塔顶、常减压塔顶以及与它们相连的管线、容器及热交换器系统, 主要表现既有全面腐蚀, 又有坑蚀、孔蚀和硫化物应力腐蚀开裂 (SCC) 。

结合大庆炼化公司180万t/年常减压装置常顶设备腐蚀严重的实际情况, 同时为了确认在线实时腐蚀监测系统的有效性, 选择了常减压塔顶系统, 既出现局部腐蚀、又会发生总体腐蚀的初顶油气线上设置监测点。

2. 探头及变送器的选择和系统安装

根据应用环境, 在线实时腐蚀监测系统可选用适合的探针。针对初顶油气线上设置监测点所涉及的参数 (表1) , 通过对腐蚀监测点环境的分析, 对测点选择了交叉式探头。该探头的优点是气相凝结后更容易在探头表面形成一层凝结膜, 探头始终处于有效的电解质环境中, 使采集数据更为准确可靠。

完成上述工作后, 准备及安装与探头配套使用的CET5000M变送器及组件。探针的现场安装比较简单。

系统接线按照图2完成, 其中需注意的是:由于腐蚀测量的敏感性, 在输入及输出系统、电源和每个4~20mA/HART信号之间要提供一个好的隔离物质, 使得输入及输出卡能完全与地面绝缘。

三、在线实时腐蚀监测系统调试运行

在线实时腐蚀监测系统按图3所示流程工作:探头安装在工艺管线上, 由数据采集器采集与腐蚀速度有关的模拟信号, 放大后转换成数字信号, 并传送到监控室计算机。通信接口是连接数据采集器和计算机的接口。数据到达计算机后处理、显示、建立数据库 (可直接进入DCS网和局域网络) 。通过多点实时在线监测, 获得生产过程中各点腐蚀状况。数据汇总到生产车间, 根据反馈数据调整生产工艺, 如调整塔顶注水、注氨、注缓蚀剂的周期或注入量, 选择减缓设备腐蚀的最佳工艺。

为了确保在线实时监测系统对腐蚀状态判断结果的客观、可靠, 通过流程操作为监测点建立了一个闭路循环系统, 准备对流经监测管线内的介质进行两次工艺变更操作, 即在工艺系统中投放一定量含有Cl-的介质, 使腐蚀环境发生变化, 来考察在线监测腐蚀系统的响应速度和结果, 判定其系统监测的实时性、准确性。

从现场测试情况来看, 数据的获取较快, 各个参数的数值变化是实时的, 图4显示的是96h内监测到的各个参数的图谱。从图4可看出, 监测点所处的工艺系统腐蚀速率较小, 点蚀系数也不大, 小于0.2, 意味所监测的工艺系统基本上不发生什么腐蚀, 但是偶尔腐蚀状态发生了较大变化:图中B值曲线显示, 在第70h以及第88h两次添加试验介质时, 对应的曲线也出现峰值波动。由于试验介质加入量较少, 所以很快B值就回落在13mV左右, 即保持阳极活化控制范围内。

在线腐蚀监测系统投入运行后, 人们对腐蚀的参数测量能够像测量流量、温度和压力一样简便, 通过实际监测发现, 在较长一段时间内, 监测点的腐蚀状态以均匀腐蚀为主, 当腐蚀机理因子在峰值变化和振荡时, 对应在同一时间坐标的局部腐蚀系数曲线的数值由0.04到0.75, 说明在腐蚀的表面存在活性和钝化交替, 这正是局部腐蚀最容易产生的现象。为了进一步确认信息的准确性, 及时查看了其他工艺参数, 发现介质的pH值也是这种振荡的状态, 于是及时地采取了工艺措施, 严格控制了氯离子浓度, 使这种很危险的工艺状态恢复到正常。

四、结论

SuperLPR在线实时监测技术是一种综合的测量技术, 是扩展了的电化学腐蚀测量技术, 能够进行点蚀系数以及其他局部腐蚀参数的测量, 利用腐蚀速率、点蚀系数、腐蚀统计数据等参数进行实时、在线的腐蚀诊断, 实现对腐蚀的较为全面监测。但它不适用于环烷酸或硫酸环境, 露点探针—空冷探针现场应用目前还不成熟;对于碳酸盐腐蚀裂纹和氰化物腐蚀还需要量化咨询和建立模型等。该技术还需更进一步发展和完善。

参考文献

[1]陈匡民.化工机械材料腐蚀与防护[M].化学工业出版社, 1994.

[2]郑立群.石油化工装置腐蚀监检测技术[J].石油化工腐蚀与防腐, 2001 (6) .

[3]Scully.Corrosion, Vol56, No.2, February2000:199.

篇3：腐蚀监测

【关键词】电力通信；ADSS光缆；电腐蚀；光纤光栅传感器

ADSS光缆是在电力通信中广泛应用于35kV及以上电压等级的架空线路杆塔上的全介质自承式的架空光缆，凭借其外径尺寸小、质量轻的优点，经常在通信线路改造时被安装在原有的输电杆塔上。但当杆塔强度、空间电位强度、与地面或交越物的间距关系失配，ADSS光缆就很容易出现各类故障，其中最主要的是电腐蚀故障，不仅阻碍着电力通信网的正常运行，同时也威胁着电力系统的安全与稳定。

1、电腐蚀故障的常见形式

电腐蚀故障主要三种常见形式为击穿、电痕和腐蚀。击穿指ADSS光缆表面发生巨能电弧并伴随大量热量，熔化护套边缘并造成穿孔，烧断纺纶使光缆强度急剧下降。电痕是指电弧在护套表面形成放射状碳化通道，然后不断加深，在张力的作用下开裂并露出纺纶。腐蚀故障指护套表面泄漏电流所产生的热量，减弱聚合物的结合力，从而使护套表面粗糙、减薄。当电腐蚀故障发生时，护套的聚合力会随之减弱，一旦当减弱至不足以维张力时便会发生严重的断缆事故，阻碍通信网络的安全稳定运行。

2、光纤Sagnac环的应变效应

Sagnac干涉效应的原理为将光源发出的光经分光器变成两束，使其分别沿顺、逆时针在干涉仪中传播，并汇聚至耦合器处发生干涉。光缆受到应力后会影响护套内的光纤，使其发生细微的变化，从而改变受干扰位置处纤芯的折射率、长度、散射效应等物理特性。造成传播在其中的光波相位差发生变化，并改变干涉后的接收光波功率，通过监测相位、功率的变化可以实现对外部应力的监测。Sagnac干涉仪的结构示意图为：

耦合器的两个端口分别连接一段ADSS光缆的其中两芯，并在远端将这两芯环接起来就构成了一个Sagnac环。L1和L2为干涉仪的两个传感臂，耦合器负责聚合及分解光束。激光器发出的光源经耦合器被分解后，分别沿顺时针及逆时针方向传播至耦合器处，再次汇合发生干涉。当ADSS光缆未受到应力干扰时，沿着顺、逆时针传播的光波干涉后相差恒定。

当ADSS光缆处发生电腐蚀故障时，伴随而来的应力以及高温灼烧作为一种干扰源，会透过护套改变光纤的长度、折射率、散射效应，从而改变光波的相位，从而使得光波带有干扰源的位置信息。当受影响的光波与未受影响的光波在耦合器处再次发生干涉，并经光电探测仪接收后，便可解调受干扰源的光波从而获得电腐蚀故障所发生的位置。

3、电腐蚀故障定位原理

已知光缆长度为L假设在光纤中传播的信号遭受电腐蚀故障后发生的相位调制为，采用的耦合器。A和为扰动引起的相位信号的幅度及角频率，则Sagnac环中沿顺、逆时针传播的信号可以表达为：

4、电腐蚀故障的在线监测

传统的光时域反射仪（OTDR）是通过一个脉冲光源向连接被测光纤，在光脉冲的传播过程中，有部分光会因为光纤长度、折射率等细微的变化而发生向四周的散射，散射光向着光源方向反向传播，便形成了后向散射光，后向散射光在耦合器处被光电检测器捕捉并分析。利用光纤上的每一处位置都能由对应的一个后向散射光表示，于是便可以通过信号处理器分析后向散射光的时延信息来确定光纤上干扰源的位置。值得注意的是，光脉冲所产生后向散射光光强极低，依靠OTDR能探测出光缆上发生例如断缆或弯曲超过光纤极限的破坏性性故障，而检测出光缆护套破坏但纤芯未受损的故障。

而Sagnac干涉仪通过分析干涉光波的时延便可获得护套故障的位置信息，因此选择Sagnac光纤干涉仪作为主要监测工具，再利用能够分析时延获得护套故障点的光纤探测器来搭建电腐蚀故障的在线监测装置。图2为在线式光腐蚀故障监测系统的基本框架，环形器的主要作用是隔离反射光的干扰，为消除由于风摆的干扰造成的噪声以及温漂干扰，增加一个具有较强性能的运算放大器组成一个负反馈电路，来将输出对放大电路进行偏置。

5、结论

本文首先介绍了ADSS光缆常见的集中电腐蚀故障形式及其危害，接着介绍了光纤Sagnac干涉环的应变效应原理，在此基础上分析并给出了电腐蚀故障定位原理的理论表达式。在贝塞尔函数展开的基础上利用互相关算法求得两路干涉信号的时延，从而得到故障距离的具体表达式。通过以上提供了一种ADSS光缆电腐蚀故障的在线监测方法，一旦监测到干涉信号的强度及时延变化，便可利用所得表达式定位故障位置，提对对光缆进行维护，避免断缆所造成的损失。

参考文献

[1] Bravo M， Pinto AMR， Lopez-Amo M， Kobelke J， Schuster K. High precision micro-displacement fiber sensor through a suspended-core Sagnac interferometer. 2012， 37（2）：202?204.

[2] Huang Junhua，Zhang Zhong. Recogmition of land based communication optical cable based on radio frequency，2009.

[3]XuWenyuan，ZhangChunxi，LiangSheng，etal.Fiber-optic distributed sensor based on a Sagnac interferometer with a time delay loop for detecting time-varying disturbance [J].Micro wave and Optical Technology Letters，2009，51（11）：2564-2567.

篇4：恒电量智能腐蚀监测系统的研究

关键词：恒电量,腐蚀监测,C8051F020

腐蚀监测通过对材料的腐蚀或破坏进行系统的测量,力图弄清腐蚀过程,了解腐蚀控制的应用情况以及控制效果。对于环境现场中金属的腐蚀测量和腐蚀行为研究,以前大多数采用现场挂片人工取样的方式,这种方法的优点是安装结构简单、维护成本低,但缺点是测量周期长,在挂片未取出前,无法知道腐蚀速率情况,即无法动态、连续地观察腐蚀数据,不利于及时了解腐蚀情况。同时由于我国幅员辽阔,环境腐蚀网站分布不集中,地区跨度较大,则需要耗费大量的人力、车辆台班、工作时日,于是基于无线通讯网络的远程腐蚀监测技术就表现出较大的优势。远程腐蚀监测系统将传统的腐蚀监测技术与无线通信技术结合起来,组成一个分布式数据采集与信息处理系统,成为环境腐蚀现场试验、数据积累工作与实验室的应用基础研究密切结合的有效手段[1]。

1 恒电量法的理论分析和数学模型的建立

恒电量方法就是采用先进的电子技术,将一已知量的电荷作为激励信号,在极短的时间内注入到电解池中,对所研究的金属电极进行扰动,同时记录电极极化电位随时间的衰减曲线并加以分析,求得多个电化学参数。从本质上看,恒电量法是一种断电松弛技术,恒电量激励下的暂态张弛过程中没有外电流流过研究电极,测量过程被认为是在没有任何净电流通过的开路条件下进行的,所以不受溶液介质电阻的影响,适合于在高阻介质中的快速测量,这是常规的电化学方法难以做到的。它具有测量快速、扰动微小、结果重现性好等优点。采用这种方法可以快速测量和分析数据,并可以进一步获得完整的电极动力学参数。目前,这种技术已成为腐蚀监测等领域[2]十分有用的手段。

1.1 单个时间常数体系在恒电量激励下线性响应方程

腐蚀电化学研究中,针对不同的腐蚀体系会建立不同的等效电路模型,对于线性电路模型的电位响应的求解,拉普拉斯变化及其逆运算比常微分方程组的求解更简便。

对于单个时间常数的腐蚀体系,研究中常用Randle简单电路模型进行描述(见图1)。

在图1的等效电路中,C0为贮存有已知微量电荷的标准电容,K为快速开关,当K闭合时储存于C0中的电量(Δq=C0V0)将迅速转移到双电层电容上;Rs、Rp、Cd和ΔE(t)分别是溶液电阻、电极极化电阻、电极双电层电容和极化电位。

在恒电量激励条件下,对于图1所示的Randle等效电路,可以转化为图2所示的等效模型。

图2的等效电路模型通过拉普拉斯变化可得电位ΔE(t) 衰减的时域表达式:

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当RsC0<< RpCd 时,RsC0可忽略时,有:

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若电量△q很小,引起的极化电位偏移在线形极化区内(小于5mV),且极化电位衰减过程中的浓差极化可以忽略不计,此时可以认为双电层微分电容Cd,电极反应的极化阻力Rp保持常数,则有:

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根据式(3)可以算出微分电容Cd的值,再代入(2)式可以算出极化阻力Rp的值。

1.2 恒电量瞬态响应信号的滤波处理

利用恒电量的测量过程中,激励信号是很小的,其极化电位瞬态响应是微弱信号。信息采集过程中不可避免地会引入干扰,而噪声的干扰对信号的检测和恒电量数据处理精度的影响很大,因此控制和抑制噪声是十分重要的[3]。

通常情况下可以通过采集设备性能的提高来改善随机噪声对采集信号的影响。在恒电量腐蚀测量系统中,虽然已经采用一些硬件设计,以提高测量系统的抗干扰能力,可是硬件的抗干扰措施只能抑制某个频率段的干扰,对于频谱很宽、且具有随机性的噪声干扰,为更加有效地提取有用的信号、提高实验精度,必需对采集信号进行滤波处理。

在对恒电量瞬态响应信号进行时间域滤波处理时,采用五点三次平滑法[3],该平滑法的公式为:

Yi-2=[69yi-2+4yi-1-6yi+4yi+1-yi+2]/70 (4)

Yi-1=[2yi-2+27yi-1+12yi-8yi+1+2yi+2]/35 (5)

Yi=[-3yi-2+12yi-1+17yi+12yi+1+3yi+2]/35 (6)

Yi+1=[2yi-2-8yi-1+12yi+27yi+1+2yi+2]/35 (7)

Yi+2=[-yi-2+4yi-1-6yi+4yi+1+69yi+2]/70 (8)

其中Yi 表示yi 的平滑值。对于开始两点和最后两点分别由(4)、(5)式与(7)、(8)式进行平滑。本方法要求数据点数n≥5即可。由于它采用的多项式次数较高,故平滑的结果比较精密,得到的曲线更接近于信号的真实情况。图3给出恒电量响应经过数据平滑滤波处理后的结果。从图中可以看出数据点的波动大大减小,对时域的响应信号而言,起到一定的降噪作用。滤波后的极化电位衰减曲线直接用于曲线拟合,可以获得较为可靠的腐蚀信息参数。

2 恒电量智能腐蚀监测系统

2.1 恒电量激励信号的产生

恒电量方法是将一已知量的电荷作为激励信号,在极短的时间内注入到电解池中,对所研究的金属电极体系进行扰动,同时记录极化电位随时间的变化。获得恒电量激励信号的方法通常有两类[3]:一类是利用已充电的精密电容器向电解池快速放电;另一类则是使用大功率的恒电流方波脉冲发生器向电解池输送恒电流脉冲。前一类方法结构简单,电量易于控制,因而采用得较多。但为提高激励电量的精度,必须选用漏电小,残存电荷少的高质量精密电容器,而且要求电容器充电用的恒压源精度高(见图4)。

2.2 恒电量腐蚀监测系统结构

本系统将传统的腐蚀监测技术与无线通信技术结合起来,组成一个分布式数据采集与信息处理系统,整个系统组成由监控中心,无线传输网络和现场腐蚀测量单元三部分构成(见图5)。

在腐蚀监测系统中,监控中心主要由服务器、监控软件和中央数据库组成;无线传输网络主要包括GPRS模块(内嵌TCP/IP协议);现场腐蚀测量硬件单元包括中央处理单元(CPU)、模拟信号放大与调理、恒电量模块和测试探头。图5中的主控单元(CPU),采用C8051F020单片机为核心,它本身包含A/D和D/A模块,使得需要扩展的外围电路及接口电路大大减少,提高系统的可靠性及稳定性;同时也为系统的功能扩展及软硬件升级提供方便。

而嵌入软件[6]则根据监控中心的设置对腐蚀对象进行定时检测,并对采集的数据进行分析,将合理数据通过GPRS Modem(DTU )传输模块传送到监控中心,再由监控中心对采集数据进行时域和频域解析, 计算出腐蚀速率、Tafel 斜率以及极化电阻Rp 和界面电容Cd。

2.3 恒电量腐蚀测试系统监控中心软件设计

监控软件主要包括4个功能模块(见图6)。具有用户界面友好和良好操作性的特点,其中的功能模块采用统一风格的对话框,用户能用较短的时间达到对系统的全面掌握。

恒电量测量获得的实验数据通常是过电位随时间衰减的曲线,这是一种指数或"类似"指数衰减的数据曲线。进行恒电量数据解析时,很难直观地获得有关腐蚀的定量的信息。为此,利用原有的恒电量数据分析软件结合不同的腐蚀体系建立的恒电量激励下瞬态响应的数学模型,利用Visual C++ 6.0 与Matlab6.5 混合编程开发新的恒电量腐蚀数据解析系统。

恒电量腐蚀数据解析系统具有如下功能(见图7):(1)将拟合参数初值设置为可变或固定两种方式。当参数较多时收敛半径很小,容易出现不收敛。先固定其中一个或几个参数,逐渐放开所固定的参数,可以对拟合效果作出调整。因此拟合过程更加灵活方便。(2)系统设置自动拟合与手动拟合两种方式。自动拟合即默认拟合函数的迭代次数、误差控制等参量,可以满足多数情况下的拟合达到较好的效果。拟合结束则立即显示参数结果及拟合图形;手动拟合则便于观察拟合过程,通过设置每次拟合的迭代次数,控制每次拟合的进程。(3)系统设置拟合函数设定功能。在数据分析中,根据不同测试体系,选择不同的拟合函数进行。

3 试验结果

试验选取采用图2的模型采集到的一组数据,利用数据解析系统得到拟合图形及电极动力学参数(见图8)。从图8中可见,测试的数据与理论拟合曲线有较好的一致性。

4 结论

远程腐蚀监测系统将传统的腐蚀监测技术与无线通信技术相结合,组成一个分布式数据采集与信息处理系统,成为环境腐蚀现场试验、数据积累工作与实验室应用基础研究密切结合的有效手段。

该系统主要功能包括:(1)利用GSM模块实现现场腐蚀测量单元与监测中心之间的数据远程传输和自动处理功能,减少测量周期,便于动态、连续地观察腐蚀数据,及时了解腐蚀情况。(2)现场腐蚀测量单元实现自动选择测试条件和数据有效性的判断,大大简化测试操作。(3)监控软件数据解析系统建立包括9个恒电量线性响应模型,并通过混合编程的办法提高程序源代码运行速度和效率,同时增强多参数拟合的过程控制,使之更容易收敛。

参考文献

[1]赵永韬,陈光章.基于远程通讯的恒电量腐蚀监测〔J〕,仪器仪表学报,2004,(4)∶390～391

[2]Richard K.Rapid scanning coulostatic liquid chromatogra-phy/electrochemistry in dual electrode cells,Anal.Chem,1986(58)∶2549～2554

[3]赵常就.恒电量技术及在腐蚀测量中的应用,北京:国防工业出版社,1995

[4]赵永韬,郭兴蓬,董泽华.基于恒电量的便携式腐蚀监测系统的研究,计算机测量与控制,2004,12(10)∶905～907

[5]赵永韬.恒电量脉冲瞬态响应测试技术及解析方法研究,武汉:华中科技大学,2005