耦合多電極矩陣傳感器在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的應(yīng)用

鄭立彬，蘭云峰，周 偉，張居生

(四川仁智石化科技有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621000)

材料腐蝕是全面腐蝕和局部腐蝕共同作用的結(jié)果.金屬材料的損壞82%都是由局部腐蝕引起的［1，2］.為了減少腐蝕損失、延長設(shè)備使用壽命、阻止各種不必要的安全事故和環(huán)境污染的發(fā)生，需要一種在線連機(jī)實(shí)時監(jiān)測設(shè)備和腐蝕監(jiān)測傳感器，但是目前國內(nèi)對此報導(dǎo)很少.為此設(shè)計(jì)了一種耦合多電極矩陣傳感器以滿足實(shí)際需要.本文闡述了耦合多電極矩陣傳感器的設(shè)計(jì)原理和具體應(yīng)用，并通過其在循環(huán)水系統(tǒng)裝置化學(xué)清洗時的實(shí)際應(yīng)用，對其使用效果做出評價.

在成都某公司的資助下，在新建一座天然氣增壓站的設(shè)備上采用該耦合多電極矩陣傳感器腐蝕監(jiān)測技術(shù)，對其化學(xué)清洗過程進(jìn)行全程監(jiān)測［3，4］.監(jiān)測結(jié)果表明:耦合多電極矩陣傳感器技術(shù)比傳統(tǒng)的掛片腐蝕監(jiān)測技術(shù)更具優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)時直觀地反應(yīng)清洗過程中各種工藝操作對金屬材料腐蝕狀況的影響.

1 耦合多電極矩陣傳感器的工作原理及傳感器探頭的構(gòu)造

1.1 工作原理

眾所周知，金屬材料之所以發(fā)生局部腐蝕，是由于其表面組織的不均勻引起的.這種組織的不均勻在電介質(zhì)中金屬表面形成局部的電位差，即在金屬表面形成微小的電化學(xué)腐蝕陽極區(qū)和陰極區(qū).電子從陽極區(qū)流向陰極區(qū)，電流從陰極區(qū)流向陽極區(qū)，金屬不斷腐蝕破壞［5，6］.如果將金屬表面分割成足夠微小的部分，各部分彼此獨(dú)立，并通過外電路用導(dǎo)線將這些分開的部分耦合起來組成一個通路，這樣金屬腐蝕反應(yīng)的陽極區(qū)和陰極區(qū)便得到模擬，腐蝕產(chǎn)生的電子將通過耦合的外電路從陽極流向陰極，那么金屬局部腐蝕速率就可以通過測定這個外電流得到(各微小部分橫截面積已知)［7］，與絲束電極相似，如圖1所示.每個電極與公共耦合結(jié)點(diǎn)之間通過電阻相連，從腐蝕電極流出的電流在通過電阻時產(chǎn)生一個小的壓降(μV級)，各電阻壓降通過高靈敏度多通道電壓表測得電壓與電阻之比即為電流［8，9］.

圖1 耦合多電極矩陣傳感器原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of principle of the coupled multielectrode array sensors(CMAS)

1.2 耦合多電極矩陣傳感器探頭的構(gòu)造

圖2為一個4×4的耦合多電極矩陣傳感器探頭，各電極所用材質(zhì)與待測金屬相同，電極橫截面積為1～115 mm2，表面用環(huán)氧樹脂封裝，然后通過彼此獨(dú)立的電阻連接到一個公共的結(jié)點(diǎn)上，每個電極模擬腐蝕金屬的一個區(qū)域［10～13］.

2 耦合多電極矩陣傳感器對化學(xué)清洗效果的評價

成都某公司新建的一座天然氣增壓站二號機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)清洗，采用不停車化學(xué)清洗預(yù)膜方案，為了監(jiān)測化學(xué)清洗腐蝕率是否達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，清洗前在循環(huán)水系統(tǒng)給水總管入口和回水總管出口分別安裝了一套耦合多電極矩陣傳感器(CMAS)，并在循環(huán)水池安裝了6組腐蝕掛片(所有試片經(jīng)200#至600#水砂紙?zhí)幚恚瑹o水乙醇洗凈)進(jìn)行腐蝕監(jiān)測的對比試驗(yàn).于2012年11月14日上午9點(diǎn)開始對循環(huán)水系統(tǒng)裝置進(jìn)行化學(xué)清洗預(yù)膜，直到2012年11月14日19點(diǎn)清洗結(jié)束進(jìn)入系統(tǒng)置換預(yù)膜.

圖2 4×4耦合多電極矩陣傳感器探頭構(gòu)造Fig.2 Structure of the probe of CMAS

監(jiān)測結(jié)果如表1和表2所示.圖3和圖4為化學(xué)清洗前后的碳鋼掛片;圖5和圖6為化學(xué)清洗前后的不銹鋼掛片.碳鋼及不銹鋼掛片表面平整，無明顯銹蝕且不銹鋼表面依舊光澤整潔.由表1可見，3塊碳鋼掛片在清洗過程中的腐蝕速率遠(yuǎn)小于《工業(yè)設(shè)備化學(xué)清洗質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(HG/T2387－2007)≤6.6955 mm/a的規(guī)定［14］;3 塊不銹鋼掛片在清洗過程中的腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于《工業(yè)設(shè)備化學(xué)清洗質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(HG/T2387－2007)≤2.1954 mm/a的規(guī)定.耦合多電極矩陣傳感器監(jiān)測結(jié)果如表2所示，無論使用碳鋼還是不銹鋼，經(jīng)耦合多電極矩陣傳感器測得的腐蝕速率(mm/a)分別為2.8701和0.0241，同樣在標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi).耦合多電極矩陣傳感器所測電極的腐蝕速率(見表2)與現(xiàn)場人工測得掛片的腐蝕速率(見表1)非常相近.這表明耦合多電極矩陣傳感器能有效地模擬冷卻水系統(tǒng)中管道的腐蝕狀況，能有效地評價化學(xué)清洗效果，其電流信號能較準(zhǔn)確地表征金屬表面腐蝕陽極區(qū)和陰極區(qū)的腐蝕速率，即不停車進(jìn)行化學(xué)清洗完全達(dá)到方案設(shè)計(jì)要求，具備在線實(shí)時聯(lián)機(jī)監(jiān)測的目的.監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果可存微機(jī)隨時調(diào)用，供檢查復(fù)核.

圖3 化學(xué)清洗前碳鋼表面狀態(tài)Fig.3 Morphology of the carbon steel before chemical cleaning

圖4 化學(xué)清洗后碳鋼表面狀態(tài)Fig.4 Morphology of the carbon steel after chemical cleaning

圖5 化學(xué)清洗前不銹鋼表面狀態(tài)Fig.5 Morphology of the stainless steel before chemical cleaning

圖6 化學(xué)清洗后不銹鋼表面狀態(tài)Fig.6 Morphology of the stainless steel after chemical cleaning

表1 腐蝕掛片失重效果評定Table 1 Coupons weightloss effect assessment

續(xù)表1

表2 耦合多電極矩陣傳感器(CMAS)監(jiān)測結(jié)果Table 2 Monitoring results of the coupled multielectrode array sensors

3 結(jié)語

(1)耦合多電極矩陣傳感器技術(shù)對循環(huán)水系統(tǒng)化學(xué)清洗過程進(jìn)行評價，其監(jiān)測結(jié)果與掛片監(jiān)測方法相當(dāng)，其清洗腐蝕速率均在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi);

(2)具有監(jiān)測速度快(短于15 s)、靈敏度高(20 um/a)、壽命長、使用環(huán)境廣泛等優(yōu)點(diǎn);

(3)對化學(xué)清洗過程中的各種工藝參數(shù)變化能及時準(zhǔn)確的響應(yīng)，定量測量局部腐蝕速率，是一種有效的局部腐蝕監(jiān)測方法;

(4)耦合多電極矩陣傳感器技術(shù)可實(shí)時在線監(jiān)測化學(xué)清洗過程中腐蝕速率的變化，為化學(xué)清洗中的工藝參數(shù)調(diào)整提供技術(shù)依據(jù).

［1］白新德.材料腐蝕與控制［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

(Bai Xinde.Corrosion and control of materials［M］.Beijing:Tsinghua University Press，2005.)

［2］朱相榮，王相潤.金屬材料的海洋腐蝕與防護(hù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1999.

(Zhu Xiangrong，Wang Xiangrun.Corrosion and protection of metals in marine environment［M］.Beijing:National Defence Industry Press，1999.)

［3］張居生，杜月俠，蘭云峰，等.腐蝕監(jiān)測技術(shù)及其適用性選擇［J］.腐蝕與防護(hù)，2012，22(3):31.

(Zhang Jusheng，Du Yuexia，Lan Yunfeng，et al.Corrosion monitoringtechnology and its applicability choose［J］.Corrosion and Protection，2012，22(3):31.)

［4］何橋，張居生，蘭云峰，等.水處理劑用量對緩蝕阻垢性能的影響［J］.工業(yè)水處理，2010，30(1):57－59.

(He Qiao，Zhang Jusheng，Lan Yunfeng，et al.Effects of water treatment agent dosage on the capabilities of corrosion and scale inhibition［J］.Industrial water treatment，2010，30(1):57 －59.)

［5］Sun X D，Yang L T.Real－time monitoring of crevice corrosion propagation rates in simulated seawater using coupled multielectrode array sensors［C］//Corrosion.Houston，TX:NACE International，2006.

［6］ Sun X D，Yang L T.Real－time monitoring of localized and general corrosion rates in drinking water systems utilizing coupled multielectrode array sensors ［C］//Corrosion.Houston，TX:NACE International，2006.

［7］ Sun X D.Real－time monitoring of corrosion in soil utilizing coupled multielectrode array sensors［C］//Corrosion.Houston，TX:NACE International，2005.

［8］ Yang L T，Dunn D S，Cragnolino G A.An improved method for real－time and online corrosion monitoring using coupled multielectrode array sensors［C］//Corrosion.Houston，TX:NACE International，2005.

［9］Yang L T，Sridhar N.Coupled multielectrode array systems and sensors for real－time corrosion monitoring A review［C］//Corrosion.Houst on，TX:NACE International，2006.

［10］ Yang L T，Sridhar N，Brossia C S，et al.Evaluation of the coupled multielectrode array sensor as a real－time corrosion monitor［J］.Corrosion Science，2005(47):1794 － 1809.

［11］ Chiang K，Yang L T.Monitoring corrosion behavior of a Cu－Cr－ Nb alloy by multielectrode sensors［C］//Corrosion.Houston，TX:NACE International，2006.

［12］ Yang L T，Sridhar N，Cragnolino G A.Comparison of localized corrosion of Fe－Ni－Cr－Mo alloys in chloride solutions using a coupled multielectrode array sensor［C］//Corrosion .Houston，TX:NACE International，2002.

［13］ Yang L T，Cragnolino G A.Studies on the corrosion behavior of stainless steels in chloride solutions in the presence of sulfate reducing bacteria［C］//Corrosion.Houston，TX:NACE International，2004.

［14］HG/T2387－2007，工業(yè)設(shè)備化學(xué)清洗質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)［S］.(HG/T2387－2007，Chemical cleaning quality code for industrial facility［S］.)