採用交流電阻探針的金屬腐蝕速率測量儀及其測量方法

2023-10-20 00:20:17 2

專利名稱：採用交流電阻探針的金屬腐蝕速率測量儀及其測量方法
技術領域：
本發明涉及一種測量金屬腐蝕速率的裝置及方法，具體地說是一種採 用交流電阻探針的金屬腐蝕速率測量儀及其測量方法。
技術背景近年來國內化工企業大量煉製高硫、高酸原油，使設備腐蝕加劇，所 帶來的問題也愈加嚴重，腐蝕正在不斷的給企業帶來經濟損失並威脅著人 的生命，腐蝕的發生對腐蝕實時檢測提出更高的要求。石油化工腐蝕可分 為低溫腐蝕和高溫腐蝕，低溫腐蝕主要有工業冷卻水的電化學腐蝕、原油 介質的水和硫化氫、鹽酸的電化學腐蝕等，高溫腐蝕主要有硫化物高溫化 學腐蝕。低溫部位腐蝕檢測常用的方法是電化學線性極化和低溫電阻探針 測量技術，高溫部位的腐蝕檢測採用高溫電阻探針技術。電化學測量採用 線性極化測量方法，其測量結果反映的是介質對金屬的瞬時腐蝕，只適用 於有電解質的介質條件，因此應用受到限制，且測量結果受體系的影響會產生最大200%的誤差。普通電阻探針測量方法是以金屬損失為基礎的方 法，其測量結果反映的是介質對金屬的均勻腐蝕，且能在所有的介質中應 用，但其測量的靈敏度太低，因而在短時間內無法測出低腐蝕速率的數值, 同時絲狀腐蝕試件截面積小，強度低，壽命短，且局部腐蝕對絲狀腐蝕試 件來說會對測量結果產生較大的誤差，溫度補償方法上的缺陷，也會對測 量結果產生較大的誤差，因而很難保證測量的準確性。 發明內容針對上述不足，本發明的目的在於提供一種靈敏度高、強度大、壽命 長的採用交流電阻探針的金屬腐蝕速率測量儀及其測量方法。 為實現上述目的，本發明釆用的技術方案是本發明釆用交流電阻探針的金屬腐蝕速率測量儀具有電阻探針及採集 器，電阻探針包括腐蝕試片，為中空管狀，用於測試金屬的腐蝕速率； 補償試片，設於腐蝕試片中空管內， 一端與腐蝕試片的一端部密閉連接， 用於腐蝕試片的溫度補償；探針杆，為中空管狀， 一端頭與腐蝕試片的另 一端部固連，另一端頭具有探針輸出埠；所述釆集器包括殼體，具有 一開口；底臺，在殼體開口處與殼體密封配合；檢測電路，設於殼體與底 臺形成的密閉空間內；探針接口，設於底臺上，與檢測電路相連；通訊接 口，設於底臺上，與上位機進行通訊連接。所述腐蝕試片及探針杆內部具有填充物；所述填充物為膠質狀或砂粒 狀耐腐蝕性物質；所述腐蝕試片及補償試片的導線穿過探針杆與探針輸出 埠相連；所述檢測電路包括腐蝕試片電阻及補償試片電阻，二者串聯後與交流恆流源相連，在腐蝕試片電阻及補償試片電阻上產生的電壓信號 採用差分輸入的方式分別送至第1放大器及第2放大器的輸入端，第1放大器及第2放大器的輸出信號經再次放大、調製及A/D轉換後與中央處理器的信號輸入端相連，中央處理器根據輸入信號的大小控制交流恆流源的輸出，通過通訊單元與上位計算機進行通訊連接；所述腐蝕試片外部設有 保護帽；所述保護帽上設有多個孔；所述腐蝕試片及補償試片為同種金屬 材質。本發明採用交流電阻探針的金屬腐蝕速率測量方法包括以下步驟 將腐蝕試片及補償試片同時置於溫度相同的檢測介質中；在腐蝕試片 及補償試片組成的串聯迴路中施加同一交流激勵信號；通過腐蝕試片電阻 及補償試片電阻獲取腐蝕試片及補償試片兩端的響應電壓，以差分輸入的 方式送至檢測電路；通過公式 Hf= S 計算腐燭試片的減薄量，其中"、LB為腐蝕試片3和補償試片2的長度，SB、 Sp為腐蝕 試片和補償試片的截面積，Hp為腐蝕試片的管壁厚度，Wp為腐蝕試片展開 後截面的寬度；根據上述減薄量求出金屬的腐蝕速率。還具有以下步驟根據上述響應電壓信號的大小調整交流恆流源的輸 出幅度。本i:明具有以下有益效果及優點1. 測量誤差小。由於本發明裝置的電阻探針採用管狀結構的腐蝕試片， 相對於現有技術中使用絲狀探針受到的腐蝕來說，管狀結構的腐蝕試片在 其測量的腐蝕環境中受到的腐蝕可視為均勻減薄，局部腐蝕對腐蝕試片的 電阻影響小，由於探針的結構改進，管狀電阻探針溫度補償試片與腐蝕試 片溫度基本相同，同時檢測電路將腐蝕試片和補償試片釆用差分輸入的方式接入輸入端，進行溫度補償，因此有效減小了測量誤差；2. 靈敏度高，抗幹擾能力強，工作效率高。本發明以交流恆流源做為 激勵信號，可以通過頻段濾波提取有效信號以抑制噪聲信號，與現有技術 中採用直流恆流源相比，增強了抗幹擾能力，提高了靈敏度，由此縮短了 測量時間，提高了工作效率，避免了人工搡作所帶來的人為因素的影響；3. 適用範圍廣。和現有技術中的電化學測量方法相比，本發明不止限 於在電解質腐蝕介質中應用，還可在非電解質腐蝕介質中應用。4. 實現遠程在線測量。本發明裝置與上位計算機進行通訊連接，實現 測量結果的遠程通訊，由上位計算機處理並顯示測量結果和腐蝕曲線，可 以實時在線監測金屬的腐蝕狀況。


圖l為本發明電阻探針結構示意圖；圖2A為本發明採集器外部結構示意圖；圖2B為圖2A的仰視圖；圖3為本發明電阻探針測量原理圖；圖4為應用本發明的測量數據曲線圖。
具體實施方式
如圖l、圖2A、 2B所示，本發明裝置包括電阻探針及釆集器兩部分， 其中電阻探針由腐蝕試片3、補償試片2及探針杆4組成，本實施例中腐蝕 試片3為厚度0.5mm、直徑8mm、有效長度100mm的中空管狀結構，本 實施例採用與監測設備相同的材質，如碳鋼等，用於測試金屬的腐蝕速率； 補償試片2與腐蝕試片3為同種金屬材質，展開平面為片狀(7mm x 65mm), 彎成弧形面後可置入腐蝕試片3中空管內， 一端通過封堵與腐蝕試片的前 端密閉連接(本實施例採用焊接)，用於腐蝕試片的溫度補償；探針杆4為 中空管狀，管內用於容納連接腐蝕試片3及補償試片2的導線5，探針杆4 的一端頭與腐蝕試片3的後端固連(本實施例採用氬弧焊與腐蝕試片3焊 接)，另一端頭具有探針輸出埠 6,導線5穿過探針杆4與探針插座焊接。 所述腐蝕試片及探針杆4中空管內具有膠質狀或砂粒狀耐腐蝕性填充物11， 以防止探針洩露，保護內部引線。本發明裝置在電阻探針前端部加設一保護帽1,在運輸過程中可以保護 電阻探針前端不會被刮壞；保護帽上還可設有多個孔12,即在運輸時起到 保護作用，又可在測試過程中，減緩腐蝕介質對電阻探針的衝擊。所述釆集器包括具有一開口的殼體7，在殼體7開口處與殼體7進行 密封連接的底臺8，設於殼體7與底臺8形成的密閉空間內的檢測電路，設 於底臺8上的探針接口 9，其與採集器內部的檢測電路相連，形狀與探針輸 出埠 6匹配(或者通過適配器連接)，設於底臺8上的通訊接口 10，其與 上位計算機進行通訊連接。如圖3所示，所述檢測電路包括腐蝕試片電阻Rp及補償試片電阻RB， 二者串聯後與交流恆流源A7相連，在腐蝕試片電阻Rp及補償試片電阻RB 上產生的響應電壓Up、 UB採用差分輸入的方式分別送至第1放大器A1及 第2放大器A2的輸入端，第1放大器Al及第2放大器A2的輸出信號分 別經第3放大器A3及第4放大器A4再次放大、第1調製器A5及第2調 制器A6調製成直流信號後，再經A/D轉換器轉換成數位訊號後與中央處 理器的信號輸入端相連，中央處理器根據該輸入信號的大小控制交流恆流 源A7的輸出幅度，以控制各級放大器輸出不能飽和、A/D輸入不能超過輸 入範圍。通過通訊單元與上位計算機進行通訊連接。本發明裝置的工作過程如下電阻探針腐蝕監測技術是以測量金屬腐蝕損失為基礎，通過測量金屬 的腐蝕損耗減薄而得出金屬腐蝕速率的變化。腐蝕試片電阻Rp隨著金屬腐 蝕損失而增大，其隨時間變化的函數曲線即可得到金屬損失量隨時間的函數曲線，也就是腐蝕速率；另一方面，腐蝕試片電阻rf隨溫度的變化會增大或減小，為了消除由於溫度變化帶來的測量誤差，通過溫度補償電路即以差分輸入方式測量與腐蝕試片3在同一溫度條件的補償試片2來消除溫 度對測量結果的影響，減小信號幹擾。檢測電路中第l、 2放大器A1、 A2 採用高輸入阻抗、高精度儀表放大器，其輸入端接收腐蝕試片電阻Rp、補 償試片電阻RB兩端的響應電壓Up、 UB,第l、 2放大器A1、 A2的輸出信 號分別經過第3、 4放大器A3、 A4 (本實施例採用高精度運算放大器的進 一步放大後，由第l、 2調製器A5、 A6進行信號調製，將交流信號調製成 直流信號輸入A/D轉換器進行模數轉換，中央處理器根據A/D轉換器輸出 的數位訊號大小控制交流恆流源A7的輸出幅度，形成閉環控制，以保證接 收到的信號不會產生線性失真，減小測量誤差，同時中央處理器通過通訊 單元與上位計算機進行通訊連接，由上位計算機對檢測數據進行計算處理， 並顯示測量結果和和腐蝕曲線，通過顯示實現檢測系統的在線測量。 本發明方法具體步驟如下將腐蝕試片3及補償試片2同時置於溫度相同的檢測介質中； 在腐蝕試片3及補償試片2組成的串聯迴路中施加同一交流激勵信號； 通過腐蝕試片電阻Rp及補償試片電阻RB獲取兩電阻兩端的響應電壓 UF、 UB,以差分輸入的方式送至檢測電路； 通過腐蝕試片厚度公式formula see original document page 7 (3) 計算腐蝕試片的減薄量，其中Uf、 UB,分別為腐蝕試片電阻rf和補償試片電阻Re兩端的電壓，LF、 U為腐蝕試片3和補償試片2的長度，SB、 SF 為腐蝕試片3和補償試片2的截面積，Hp為腐蝕試片管壁厚度，Wp為腐蝕 試片展開後截面的寬度。根據上述減薄量求出金屬的腐蝕速率。上述計算公式(3)的推導過程如下
腐蝕試片電阻Rp隨著腐蝕試片3在腐蝕介質中的腐蝕增大而增加，同 時腐蝕試片電阻Rp及補償試片電阻RB隨溫度的變化而增加或減小。通過 對腐蝕試片電阻Rp及補償試片電阻RB施加交流恆定電流激勵信號，測量腐蝕試片電阻RF及補償試片電阻RB兩端的激勵響應電壓Up、 UB,計算RF、Re的變化formula see original document page 7
其中lH為交流恆定電流formula see original document page 7又有 R產p xLF + SF Rb= P x Lb + Sb其中P為金屬電阻率，隨溫度而改變LF 、 Le為腐蝕試片和補償試片的長度，為常數 SF 、 SB為腐蝕試片3和補償試片2的截面積，Sf隨著金屬的腐 蝕厚度減薄而減小，SB為常數(補償試片2不參與腐蝕)UF=RF= P XLF+SF ( i )UB RB P XLB+SB由於 Sf二HfXWf (2)其中Hp是腐蝕試片3管壁厚度，Wp是腐蝕試片3展開截面寬度。 由式(1)、 (2)可得formula see original document page 8由式(3)可見，通過測量試片的激勵響應電壓就可求出試片的減薄量,從而得出金屬的腐蝕速率。如圖4所示，本實施例以某石化廠蒸餾裝置一一常頂空冷器(型號 EC-3001A-H)為例，利用本發明裝置在2006年曆經13天測得的常頂空冷 器出口 (90°C/0.3 Mpa)腐蝕實驗數據曲線為A,常頂空冷器進口 ( 170°C/0.3 Mpa)腐蝕實驗數據曲線為B。根據測試結果可見，本發明裝置的解析度可 達到lnm,當腐蝕率為0.021mm/年時，30分鐘系統就能做出清晰響應， 普通電阻探針解析度為O.l)im(微米)，同樣的腐蝕率情況下大約需要3 天才能做出響應，可見本發明裝置具有更高的靈敏度及更快的響應速度。 曲線A與曲線B的曲線斜率不同，是由於在該蒸餾裝置內加入了緩蝕劑， 按生產工藝要求，常頂空冷器出口管線腐蝕控制小於0.125mm/年。從測試 曲線可見，期間常頂空冷器進口腐蝕損耗9692nm，腐蝕率為0.295mm/年， 常頂空冷器出口腐蝕損耗690nm，腐蝕率為0.021mm/年，表明腐蝕控制穩 定，達到生產工藝要求。由於電阻探針設計的結構改進和採用全新結構的檢測電路，使測量受 溫度影響比普通的電阻探針要小的多，並且可在電解質或非電解質介質條 件下應用，具有廣泛的實用性，主要用於石油化工、油田開發、油氣傳輸、 電力等生產設備的腐蝕在線測量，還可用於實驗室緩蝕劑的評定篩選等。
權利要求
1. 一種採用交流電阻探針的金屬腐蝕速率測量儀，具有電阻探針及採集器，其特徵在於所述電阻探針包括腐蝕試片(3)，為中空管狀，用於測試金屬的腐蝕速率；補償試片(2)，設於腐蝕試片(3)中空管內，一端與腐蝕試片的一端部密閉連接，用於腐蝕試片的溫度補償；探針杆(4)，為中空管狀，一端頭與腐蝕試片(3)的另一端部固連，另一端頭具有探針輸出埠(6)；所述採集器包括殼體(7)，具有一開口；底臺(8)，在殼體(7)開口處與殼體(7)密封配合；檢測電路，設於殼體(7)與底臺(8)形成的密閉空間內；探針接口(9)，設於底臺(8)上，與檢測電路相連；通訊接口(10)，設於底臺(8)上，與上位機進行通訊連接。
2. 按權利要求l所述的採用交流電阻探針的金屬腐蝕速率測量儀，其 特徵在於所述腐蝕試片(3)及補償試片(2)的導線(5)穿過探針杆(4) 與探針輸出埠 (6)相連。
3. 按權利要求l所述的釆用交流電阻探針的金屬腐蝕速率測量儀，其 特徵在於所述腐蝕試片及探針杆(4)內具有耐腐蝕性填充物(11)。
4. 按權利要求l所述的釆用交流電阻探針的金屬腐蝕速率測量儀，其 特徵在於所述檢測電路包括腐蝕試片電阻(R"及補償試片電阻(RB)， 二者串聯後與交流恆流源(A7)相連，在腐蝕試片電阻(RF)及補償試片 電阻(RB)上產生的電壓激勵響應信號採用差分輸入的方式分別送至第1 放大器(Al)及第2放大器(A2)的輸入端，第l放大器(Al)及第2放 大器(A2)的輸出信號經再次放大、調製及A/D轉換後與中央處理器的信 號輸入端相連，中央處理器通過通訊單元與上位計算機進行通訊連接。
5. 按權利要求4所述的採用交流電阻探針的金屬腐蝕速率測量儀，其 特徵在於中央處理器根據輸入信號的大小控制交流恆流源(A7)的輸出。
6. 按權利要求l所述的釆用交流電阻探針的金屬腐蝕速率測量儀，其 特徵在於所述腐蝕試片外部設有保護帽(l),。
7. —種釆用交流電阻探針的金屬腐蝕速率測量方法，其特徵在於包括 以下步驟將腐蝕試片(3)及補償試片(2)同時置於溫度相同的檢測介質中； 對腐蝕試片(3)及補償試片(2)施加同一交流激勵信號； 獲取腐蝕試片(3)及補償試片(2)兩端的激勵響應信號，計算腐蝕 試片(3)的減薄量；根據上述減薄量求出金屬的腐蝕速率。
8. 按權利要求7所述的採用交流電阻探針的金屬腐蝕速率測量方法，其特徵在於所述腐蝕試片(3)與補償試片(2)串聯連接，激勵響應信 號為電壓信號(UF、 UB)。
9. 按權利要求7所述的釆用交流電阻探針的金屬腐蝕速率測量方法， 其特徵在於還具有以下步驟-.通過公式 formula see original document page 3計算腐蝕試片(3)的減薄量，其中Lf、 LB為腐蝕試片3和補償試片2 的長度，SB為補償試片的截面積，Hp為腐蝕試片的管壁厚度，Wp為腐蝕試 片展開後截面的寬度。
10. 按權利要求7所述的採用交流電阻探針的金屬腐蝕速率測量方法, 其特徵在於根據上述激勵響應信號的大小調整交流恆流源的輸出幅度。
全文摘要
本發明涉及一種採用交流電阻探針的金屬腐蝕速率測量儀及其測量方法，金屬腐蝕速率測量儀具有電阻探針及採集器，電阻探針包括腐蝕試片；補償試片及探針杆；採集器包括殼體、底臺，二者密封配合；檢測電路，設於殼體與底臺形成的密閉空間內；探針接口，與檢測電路相連；通訊接口，與上位機進行通訊連接。本發明方法包括以下步驟將腐蝕試片及補償試片同時置於溫度相同的檢測介質中；對腐蝕試片與補償試片施加同一交流激勵信號；獲取腐蝕試片及補償試片兩端的激勵響應信號，計算腐蝕試片的減薄量，根據上述減薄量求出金屬的腐蝕速率。本發明測量誤差小、靈敏度高，抗幹擾能力強，適用範圍廣，能夠實現遠程在線測量。
文檔編號G01N17/00GK101246114SQ20071001043
公開日2008年8月20日 申請日期2007年2月14日 優先權日2007年2月14日
發明者楊永寬, 王新凱, 偉 荀, 鄭麗群 申請人:瀋陽中科腐蝕控制工程技術有限公司