電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展

胡杰珍， 曾俊昊， 鄧培昌， 吳敬權(quán)， 藍(lán)文杰， 林國(guó)棟

(廣東海洋大學(xué)湛江市海洋工程及裝備腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣東 湛江 524088)

0 前 言

金屬材料的腐蝕過(guò)程是金屬與周圍介質(zhì)作用發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使金屬被退化最終導(dǎo)致材料發(fā)生破壞或失效。 當(dāng)前大量金屬材料被應(yīng)用于日常生活以及生產(chǎn)中的多個(gè)領(lǐng)域，這些金屬材料都會(huì)與周圍環(huán)境介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)從而造成金屬的腐蝕。 因此，實(shí)現(xiàn)金屬材料的腐蝕監(jiān)測(cè)，對(duì)預(yù)防和防止腐蝕事故的發(fā)生具有重要意義。

電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)作為眾多腐蝕監(jiān)測(cè)方法的一種，是通過(guò)測(cè)量金屬腐蝕前后的電阻變化來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 1954 年，Dravnieks 等[1]首次提出基于電阻探針的腐蝕研究，電阻探針開(kāi)始被應(yīng)用于腐蝕監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)具有適用范圍廣、原理簡(jiǎn)單，并且能對(duì)金屬的腐蝕進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等眾多優(yōu)點(diǎn)，在日常的腐蝕監(jiān)測(cè)中逐步得到了廣泛的使用。

1 電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)

1.1 電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

一般來(lái)說(shuō)，在實(shí)際運(yùn)用中的電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由電阻探針、電阻采集器、通訊轉(zhuǎn)換器和工作站等部分組成[2]，如圖1 所示。 其中的電阻探針部分作為腐蝕傳感器的敏感元件，將其置于腐蝕介質(zhì)中。 當(dāng)探針發(fā)生腐蝕時(shí)，會(huì)在其表面產(chǎn)生不導(dǎo)電的腐蝕產(chǎn)物，且探針的有效導(dǎo)電橫截面積也會(huì)隨著腐蝕的進(jìn)行而減少，使得探針的電阻值增大。 電阻采集器主要是負(fù)責(zé)向探針提供一個(gè)恒電流源，然后通過(guò)采集器的運(yùn)算測(cè)量得出探針的電阻值。 測(cè)量得出的數(shù)據(jù)再通過(guò)通訊轉(zhuǎn)換器的處理并且傳輸?shù)焦ぷ髡局?，工作站接收到?shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行運(yùn)算處理，最終將監(jiān)測(cè)到的金屬損耗率以及腐蝕速率等數(shù)據(jù)呈現(xiàn)給使用者完成人機(jī)交互。

1.2 電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)原理

金屬在未發(fā)生腐蝕的情況下是正常導(dǎo)電的，當(dāng)金屬與周圍環(huán)境介質(zhì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)后會(huì)在金屬表面生成氧化物，并且絕大多數(shù)為不導(dǎo)電物質(zhì)。 將金屬試片通電后持續(xù)暴露在周圍環(huán)境介質(zhì)中，一段時(shí)間后金屬試片腐蝕加劇，并且在其腐蝕表面上生成大量不導(dǎo)電的腐蝕產(chǎn)物，通電金屬試片的有效導(dǎo)電橫截面積減少，其電阻值相應(yīng)增大。 因此可以通過(guò)連續(xù)測(cè)量金屬試片在腐蝕過(guò)程中的電阻值變化情況來(lái)獲得金屬的腐蝕速率、腐蝕深度以及其他腐蝕數(shù)據(jù)，從而完成對(duì)金屬的實(shí)時(shí)腐蝕監(jiān)測(cè)功能。 以上為電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本原理，如圖2 所示。

圖2 電阻探針原理示意Fig.2 Schematic diagram of resistance probe principle

但是由于金屬電阻受溫度變化影響較大，僅測(cè)量電阻探針的電阻值變化難以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)出金屬的腐蝕情況。 因此需要引入一個(gè)溫度補(bǔ)償元件，其形狀、制作材料和電阻探針一致，并且需要與電阻探針處于同一位置、同一溫度下，保證溫度補(bǔ)償元件完全不受腐蝕影響，其電阻值變化僅受溫差影響。 同時(shí)測(cè)量電阻探針的電阻Rx 和溫度補(bǔ)償元件的電阻Rc，取兩者電阻值比，以此消除溫差所帶來(lái)的影響。 柏任流[3]基于溫度補(bǔ)償?shù)脑?，研究和分析了溫差?duì)電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)的影響，通過(guò)電路設(shè)計(jì)極大地降低了溫差對(duì)電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)的影響。

2 電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究

2.1 電阻探針

電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)起源于20 世紀(jì)20 年代，自該技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用以來(lái)國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)電阻探針的缺陷進(jìn)行了相應(yīng)地研究。 為了解決管道焊件局部腐蝕行為的監(jiān)測(cè)問(wèn)題，Zhu 等[4]設(shè)計(jì)并制備了一種新型電阻探針，該電阻探針被定義為耦合多環(huán)形傳感器陣列，如圖3 所示。 其之所以能監(jiān)測(cè)局部腐蝕是因?yàn)橥ㄟ^(guò)電路設(shè)計(jì)將環(huán)形傳感器分成了6 個(gè)單元，通過(guò)控制電流的流入端口和流出端口可以定向地監(jiān)測(cè)環(huán)形傳感器的某一個(gè)單元的電阻值變化情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)管道焊件的局部腐蝕監(jiān)測(cè)。 試驗(yàn)結(jié)果表明采用耦合多環(huán)形電阻傳感器陣列可以探測(cè)和識(shí)別出管道不同焊接區(qū)域的微池腐蝕和宏觀電池腐蝕，并且監(jiān)測(cè)時(shí)不會(huì)破壞其化學(xué)和電化學(xué)完整性，同時(shí)可以定量分析不同焊接區(qū)域之間的電偶效應(yīng)和不同焊接區(qū)域管圈之間的局部腐蝕。李海鳳[5]針對(duì)高含硫氣田用電阻探針的失效原因進(jìn)行研究，對(duì)電阻探針部分進(jìn)行相應(yīng)地改進(jìn)，如加強(qiáng)探針部分的抗壓能力，選取具有耐H2S 性的材料作為探針部分的密封填料，以防止填料被H2S 腐蝕老化造成失效。結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)適應(yīng)性改進(jìn)的電阻探針其平均工作壽命達(dá)到6 個(gè)月以上，大大提高了探針的工作可靠性。

為了解決電阻探針因?yàn)槭芷鋬?nèi)部的溫差等因素影響而引起的腐蝕監(jiān)測(cè)誤差的問(wèn)題，柏任流等[6]針對(duì)電阻探針進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究和分析，發(fā)現(xiàn)溫度漂移主要是由不同金屬接觸的接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)差造成的。 為了解決溫漂效應(yīng)，對(duì)電阻探針內(nèi)部進(jìn)行針對(duì)性地電路設(shè)計(jì)，主要是通過(guò)改進(jìn)探針內(nèi)部的恒流源電路設(shè)計(jì)，利用交變激勵(lì)源來(lái)補(bǔ)償溫漂效應(yīng)所造成的影響。 結(jié)果表明，通過(guò)針對(duì)性地改進(jìn)可以減少接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)差所引起的測(cè)量誤差，提高了電阻探針的測(cè)量精度和可靠性。 王志彬等[7]通過(guò)選用耐高溫高壓密封膠作為電阻探針的密封填料，對(duì)探針表面進(jìn)行強(qiáng)化處理的同時(shí)采用氬弧氣體對(duì)焊接部位進(jìn)行保護(hù)，以此來(lái)提高電阻探針在實(shí)際運(yùn)用中的工作性能。 結(jié)果表明經(jīng)過(guò)針對(duì)性地改進(jìn)后，電阻探針能夠較為準(zhǔn)確地反映監(jiān)測(cè)部位的實(shí)際腐蝕情況，很好地完成了腐蝕監(jiān)測(cè)的功能。

一般來(lái)說(shuō)，電阻探針可以通過(guò)加設(shè)補(bǔ)償元件來(lái)消除溫度對(duì)探針測(cè)量準(zhǔn)確性的影響，但在高溫高壓的環(huán)境下由于敏感元件與補(bǔ)償元件的位置不完全相同，兩者所處的溫度不一致就會(huì)影響探針的測(cè)量準(zhǔn)確性。 Xu等[8]為了解決這一問(wèn)題開(kāi)發(fā)了一種新型環(huán)形對(duì)電阻傳感器，如圖4 所示。 這種電阻傳感器由多組敏感元件和補(bǔ)償元件緊貼而成，組成一個(gè)由多組電阻探針(ER)單元組合而成的電阻傳感器。 結(jié)果表明，此種新型環(huán)形對(duì)電阻傳感器相比傳統(tǒng)的電阻探針具有更好的溫度和壓力補(bǔ)償效果，且該電阻傳感器還能監(jiān)測(cè)管線底部腐蝕(BLC)和管線頂部腐蝕(TLC)這2 種局部腐蝕類型。 為了得到逐步升高溶液溫度下管道焊縫的局部腐蝕數(shù)據(jù)，Xu 等[9]開(kāi)發(fā)了一種環(huán)形電子電阻傳感器系統(tǒng)，用于研究管道條件下礦物沉積物引起的沉積物下腐蝕。 試驗(yàn)結(jié)果表明，利用該款電阻探針能夠監(jiān)測(cè)到沉積物下的嚴(yán)重局部腐蝕，配合電化學(xué)噪聲技術(shù)共同分析可以進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。 Xu 等[10]將電阻探針(ER)技術(shù)與零點(diǎn)阻安培(ZAR)技術(shù)結(jié)合使用設(shè)計(jì)出一款新型電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。 結(jié)果表明，新設(shè)計(jì)的電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠很好地監(jiān)測(cè)出碳鋼和不銹鋼的腐蝕深度以及腐蝕速率，該系統(tǒng)結(jié)合線性極化電阻技術(shù)使用還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)局部腐蝕的監(jiān)測(cè)。 現(xiàn)在的電阻探針局部腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)主要是對(duì)探針進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，將電阻探針?lè)只啥鄠€(gè)探針單元，每個(gè)探針單元負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)其所處部位的腐蝕監(jiān)測(cè)，通過(guò)定向監(jiān)測(cè)某一個(gè)探針單元的電阻變化從而實(shí)現(xiàn)局部腐蝕監(jiān)測(cè)，并且結(jié)合其他電化學(xué)測(cè)量技術(shù)提高其局部腐蝕監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖4 環(huán)形對(duì)電阻傳感器示意[8]Fig.4 Schematic diagram of ring resistance sensor[8]

冒家友等[11]開(kāi)發(fā)了一種新型電阻-電化學(xué)探針，在電阻探針的基礎(chǔ)上結(jié)合了電化學(xué)的特點(diǎn)使得探針能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)出磨損速率以及腐蝕速率。 余曉毅等[12]將電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)與耦合陣列多電極技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出一種新型電阻-多電極探針。 利用此款新型探針研究水線腐蝕行為，結(jié)果表明，此款電阻-多電極探針可以監(jiān)測(cè)靜止和流動(dòng)環(huán)境下的水線腐蝕行為，并且在2 種工作環(huán)境下都具有較高的監(jiān)測(cè)可靠性。 經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的不斷探索，愈來(lái)愈多的新式電阻探針被應(yīng)用于實(shí)際工作中。 這些新式探針都在原有的基礎(chǔ)上與其他腐蝕監(jiān)測(cè)方法結(jié)合使用，一定程度上拓展了電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的適用范圍。

2.2 數(shù)據(jù)處理

當(dāng)電阻探針部分發(fā)生腐蝕時(shí)，電阻采集器就會(huì)監(jiān)測(cè)到腐蝕的發(fā)生并且把腐蝕數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，但是未經(jīng)過(guò)處理的原始數(shù)據(jù)中存在眾多隨機(jī)誤差以及系統(tǒng)誤差，這些誤差會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而導(dǎo)致電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)失真。 為了解決數(shù)據(jù)誤差因素的影響，鄭麗群[13]建立了電阻探針數(shù)據(jù)最小二乘法擬合處理模型。試驗(yàn)結(jié)果表明應(yīng)用該處理模型能夠有效地消除隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差，提高電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。張慧杰等[14]提出了一種基于經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解和小波閾值去噪相結(jié)合的自適應(yīng)去噪算法，經(jīng)過(guò)該算法處理去噪后的電阻腐蝕數(shù)據(jù)更接近真實(shí)的腐蝕速率，保留了有效的腐蝕信息。 Li 等[15]通過(guò)數(shù)學(xué)的方法，對(duì)電阻探針?biāo)O(jiān)測(cè)到的Q235 鋼腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及建模，建立了不同大氣環(huán)境元素和材料腐蝕速率的分類模型。 試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)數(shù)學(xué)方法可以計(jì)算出Q235 鋼的腐蝕動(dòng)力學(xué)模型，并且這些模型都符合腐蝕加速階段。 這些由實(shí)時(shí)腐蝕數(shù)據(jù)所建立起的數(shù)學(xué)模型能夠很好地應(yīng)用于Q235 鋼的腐蝕研究應(yīng)用中，一定程度上拓寬了電阻探針的監(jiān)測(cè)功能。 在后續(xù)的研究中，數(shù)據(jù)處理部分應(yīng)該得到更多地關(guān)注，盡可能減少因?yàn)閿?shù)據(jù)誤差而引起的監(jiān)測(cè)結(jié)果失真。

2.3 信息傳輸

當(dāng)電阻采集器將腐蝕數(shù)據(jù)采集并處理完成后，數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)通訊轉(zhuǎn)換器進(jìn)行傳輸，工作站接收數(shù)據(jù)后將腐蝕數(shù)據(jù)完整地呈現(xiàn)出來(lái)。 蔡小亮等[16]、田雨等[17]分別利用Modbus 協(xié)議(Modbus Serial Communication Protocol)和NET 技術(shù)(Network Equipment Technologies)實(shí)現(xiàn)了腐蝕數(shù)據(jù)在線傳輸。 文獻(xiàn)[18-21]利用GPRS 技術(shù)(General Packet Radio Service)實(shí)現(xiàn)了電阻探針腐蝕在線監(jiān)測(cè)。 不僅實(shí)現(xiàn)了腐蝕數(shù)據(jù)的在線傳輸，當(dāng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)還可以通過(guò)在線傳輸將故障信息發(fā)送到上位機(jī)；同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程在線控制，使用者可通過(guò)操控上位機(jī)發(fā)送操控命令來(lái)控制下位機(jī)完成所有的監(jiān)測(cè)工作，無(wú)需到暴露現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行任何操作，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的在線監(jiān)測(cè)功能。

3 不同環(huán)境下電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用研究

電阻探針的適用性強(qiáng)，可適用于多種環(huán)境下的腐蝕監(jiān)測(cè)，還能夠用來(lái)監(jiān)測(cè)流體對(duì)金屬的侵蝕；并且因?yàn)殡娮杼结樀墓ぷ髟砗?jiǎn)單、監(jiān)測(cè)成本低廉，所以電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)在眾多領(lǐng)域中得到廣泛地應(yīng)用。

3.1 大氣環(huán)境

現(xiàn)在大量計(jì)算中心和云服務(wù)系統(tǒng)機(jī)房等信息樞紐中心里有大量精密電子設(shè)備，大氣腐蝕會(huì)嚴(yán)重影響這些精密電子設(shè)備的正常使用，田云航[22]、Wan 等[23]針對(duì)電腦、PCB 電路板以及其他精密電子設(shè)備的腐蝕問(wèn)題研制出用于大氣腐蝕監(jiān)測(cè)的薄膜電阻探針，如圖5所示。 主要是通過(guò)在電子設(shè)備表面鍍上一層銅或鐵的薄膜，然后當(dāng)發(fā)生大氣腐蝕時(shí)消耗表面的銅、鐵薄膜，從而引起薄膜電阻的變化，以此來(lái)進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)。 經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，利用薄膜式電阻探針可以監(jiān)測(cè)到電子設(shè)備的腐蝕損耗量并且評(píng)估出平均腐蝕速率。 馬小澤等[24]為了獲得實(shí)時(shí)腐蝕數(shù)據(jù)研究了大氣污染物硫酸銨和氯化鈉混合鹽粒沉降對(duì)電路板銅的腐蝕機(jī)制，制作銅箔薄電阻探針，將探針置于模擬污染大氣環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)。 為了實(shí)現(xiàn)對(duì)檔案館中的精密金屬進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)，Kouril 等[25]設(shè)計(jì)了一款薄金屬軌道電阻探針，如圖6 所示。 由于室內(nèi)大氣腐蝕監(jiān)測(cè)需要極高的靈敏度，所以該款薄金屬軌道電阻探針的監(jiān)測(cè)靈敏度需要達(dá)到原子尺度。 為了研究航空電連接器在某島礁大氣環(huán)境下的腐蝕情況，許振曉等[26]通過(guò)設(shè)計(jì)電路，測(cè)量電連接器的接觸電阻從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電連接器的腐蝕監(jiān)測(cè)。 試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著腐蝕循環(huán)周期數(shù)的遞增，電連接器的表面微孔數(shù)和坑蝕深度也會(huì)隨之增大，并且其接觸電阻也同步遞增。

圖5 薄膜電阻探針示意Fig.5 Schematic diagram of thin film resistance probe

圖6 薄金屬軌道電阻探針示意Fig.6 Schematic diagram of thin metal track resistance probe

現(xiàn)代橋梁都是以鋼為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，而這些鋼長(zhǎng)期與大氣中的多種腐蝕介質(zhì)直接接觸，導(dǎo)致鋼發(fā)生不同程度的腐蝕。 文獻(xiàn)[27-30]采用電阻探針對(duì)懸索橋的主纜進(jìn)行實(shí)時(shí)腐蝕監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，通過(guò)電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)以及其他附加傳感器可以監(jiān)測(cè)到主纜鋼絲的腐蝕速率以及主纜內(nèi)部溫度、濕度和壓力，并且電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)具有良好的實(shí)時(shí)性，為大橋的維護(hù)提供了科學(xué)依據(jù)。 石建光等[31]利用電阻探針對(duì)混凝土中的鋼筋進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠精確地監(jiān)測(cè)到鋼筋的累計(jì)腐蝕損傷以及平均腐蝕速率，但是對(duì)于鋼筋腐蝕的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)響應(yīng)較差。

3.2 水環(huán)境

為了解決輸液管道的腐蝕監(jiān)測(cè)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者開(kāi)展了大量相關(guān)的實(shí)驗(yàn)和研究。 Vieira 等[32]利用侵入式的電阻探針來(lái)對(duì)運(yùn)輸流體的管道進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)，試驗(yàn)結(jié)果表明使用侵入式的電阻探針可以監(jiān)測(cè)并分離出管道的侵蝕與腐蝕數(shù)據(jù)。 為了提高電阻探針對(duì)管道內(nèi)壁的腐蝕監(jiān)測(cè)精度，黃一等[33]提出了一種基于雙環(huán)電阻探針的腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖7 所示。 結(jié)果表明采用雙環(huán)電阻探針對(duì)管道內(nèi)壁進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)具有良好的溫度補(bǔ)償效果，并且還可以根據(jù)需求對(duì)管道內(nèi)壁部分區(qū)域進(jìn)行局部監(jiān)測(cè)。 為了解決變流速工況下流動(dòng)加速腐蝕試驗(yàn)的腐蝕監(jiān)測(cè)問(wèn)題，劉偉強(qiáng)等[34]采用雙環(huán)電阻探針監(jiān)測(cè)X65 管道內(nèi)流動(dòng)加速腐蝕的規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果表明利用雙環(huán)電阻探針能夠很好地監(jiān)測(cè)流動(dòng)加速腐蝕試驗(yàn)的腐蝕規(guī)律，并且在變溫環(huán)境下，依然可以保證良好的監(jiān)測(cè)可靠性。 張秀麗等[35]選用片狀電阻探針來(lái)對(duì)電廠鍋爐的給水系統(tǒng)進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)證明了電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有高度可靠性，所監(jiān)測(cè)到的腐蝕數(shù)據(jù)為鍋爐的維護(hù)保養(yǎng)提供了科學(xué)依據(jù)。 Liu 等[36]、劉梁等[37]將電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)與電化學(xué)阻抗譜技術(shù)(EIS)相結(jié)合，對(duì)管道鋼同時(shí)進(jìn)行腐蝕和侵蝕的監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明利用電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合電化學(xué)阻抗譜技術(shù)(EIS)可以在線監(jiān)測(cè)并分離出管道鋼的腐蝕與侵蝕數(shù)據(jù)。

圖7 雙環(huán)電阻探針示意Fig.7 Schematic diagram of double ring resistance probe

Marja-aho[38]針對(duì)銅金屬在具有高放射核廢料處置場(chǎng)富集的硫酸鹽還原菌(SRB)的地下水中的腐蝕情況，利用銅金屬制成的電阻探針對(duì)其進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)。通過(guò)對(duì)平行樣品進(jìn)行電化學(xué)和失重法來(lái)驗(yàn)證電阻探針?biāo)O(jiān)測(cè)到的腐蝕數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。 模擬試驗(yàn)結(jié)果表明電阻探針與失重法和電化學(xué)法所得出的腐蝕速率趨勢(shì)相似，但是電阻探針?biāo)玫母g速率均高于其他方法的，推斷出電阻探針?lè)▽?duì)局部腐蝕侵蝕的敏感性較高。 由于成品油體系中的導(dǎo)電性較差，一般的電化學(xué)腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)難以獲取實(shí)時(shí)的腐蝕數(shù)據(jù)。 為了解決這一難題，張斐[39]采用電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)處于復(fù)雜油氣環(huán)境下的管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)在該環(huán)境下具有較好的監(jiān)測(cè)效果，并且發(fā)現(xiàn)當(dāng)輸油管道內(nèi)部含有SRB 沉積物時(shí)，其腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常情況時(shí)的。 為解決水環(huán)境中鋼筋混凝土的腐蝕監(jiān)測(cè)問(wèn)題，鄒國(guó)軍等[40]設(shè)計(jì)了一款箔柵電阻探針，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，其結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的箔柵電阻探針能夠通過(guò)探針的電阻值變化來(lái)準(zhǔn)確表征混凝土的腐蝕情況。

3.3 土壤環(huán)境

影響土壤腐蝕的因素有土壤的電導(dǎo)率、含鹽量、含氧量、硫酸鹽還原菌以及其他各種微生物等眾多因素。由于影響土壤腐蝕的因素較多，并且金屬材料長(zhǎng)年埋藏于土壤中，一般的監(jiān)測(cè)手段難以準(zhǔn)確地測(cè)量出金屬材料處于土壤環(huán)境下的腐蝕數(shù)據(jù)。 為了解決地下油氣管道腐蝕監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，程明[41]、顧錫奎等[42]、張健等[43]利用電阻探針和腐蝕掛片對(duì)地下輸油管道進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)，同時(shí)在電阻探針中加設(shè)了自動(dòng)溫度補(bǔ)償元器件，消除了因?yàn)楣ぷ鳒囟炔疃鸬臏y(cè)量數(shù)據(jù)誤差，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)輸油管道的腐蝕在線監(jiān)測(cè)。 試驗(yàn)結(jié)果表明電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)可監(jiān)測(cè)設(shè)備處于土壤環(huán)境下的腐蝕情況，為地下油田管道的維護(hù)保養(yǎng)提供了科學(xué)依據(jù)。為了獲得高壓直流接地極和饋電元件在服役過(guò)程中的腐蝕狀況，李偉等[44]采用精密電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)接地極和饋電元件進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)可以準(zhǔn)確地測(cè)量出通電過(guò)程中接地極和饋電元件的實(shí)時(shí)腐蝕數(shù)據(jù)。 Xu 等[10]利用電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)監(jiān)測(cè)管道受礦物沉積的影響下所發(fā)生的電偶腐蝕，結(jié)果表明利用電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)能夠有效地監(jiān)測(cè)地下管道的電偶腐蝕情況，并且可以分辨出不同礦物沉積對(duì)管道腐蝕的影響。

4 電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和局限性

與其他腐蝕監(jiān)測(cè)方法相比較，電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的可靠性高，數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性強(qiáng)。 陳心欣等[45]利用電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)記錄下整個(gè)鹽霧試驗(yàn)的腐蝕數(shù)據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果表明電阻探針?biāo)O(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)具有一致性高的特點(diǎn)，重復(fù)度高，可以在一定程度上減少不同材料試樣掛片之間的差異性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。 王一品等[46]利用電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)處于武漢大氣環(huán)境下的金屬進(jìn)行實(shí)時(shí)腐蝕速率監(jiān)測(cè)，并且將電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)所監(jiān)測(cè)到的金屬腐蝕速率與用傳統(tǒng)掛片失重法得到的腐蝕速率作比較，結(jié)果發(fā)現(xiàn)腐蝕掛片所得到的腐蝕速率與電阻探針?biāo)O(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)具有高度相關(guān)性。 Wan 等[47]同時(shí)采用電化學(xué)阻抗技術(shù)和電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)處于循環(huán)潤(rùn)濕干燥環(huán)境下的銅金屬進(jìn)行實(shí)時(shí)腐蝕監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境濕度較低的情況下，采用電化學(xué)阻抗技術(shù)所監(jiān)測(cè)到的腐蝕速率發(fā)生明顯的失真，而采用電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)所得出的平均腐蝕速率與失重法的數(shù)據(jù)具有較高的吻合度。 試驗(yàn)結(jié)果表明，電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)受環(huán)境濕度的影響較小，電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)比電化學(xué)阻抗技術(shù)更適合進(jìn)行大氣腐蝕監(jiān)測(cè)。

然而電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)也具有一定的局限性，首先是其監(jiān)測(cè)靈敏度較低。 王選擇等[48]、Legat[49]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)腐蝕對(duì)探針的電阻值變化影響十分微小，即使采用了高分辨力的電阻值監(jiān)測(cè)方法，也難以捕捉到一些輕微腐蝕。 試驗(yàn)結(jié)果表明了電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)的靈敏度較低。 其次是利用電阻探針難以準(zhǔn)確表征材料的局部腐蝕狀況，張文亮等[50]利用有限元方法計(jì)算出電阻探針受腐蝕后的電阻值變化，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)公式換算可得出探針的ER 等效腐蝕深度。 同時(shí)利用失重法得出金屬的失重等效腐蝕深度，通過(guò)將上述2 種等效腐蝕深度數(shù)據(jù)作比較可得出電阻探針的電阻值變化與金屬實(shí)際腐蝕程度的相關(guān)性。 結(jié)果表明，當(dāng)電阻探針由均勻腐蝕向局部腐蝕發(fā)展時(shí)，其監(jiān)測(cè)到的腐蝕數(shù)據(jù)大于金屬的實(shí)際腐蝕程度，并且兩者的偏差會(huì)隨著點(diǎn)蝕程度的增加而增大，因此僅利用電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)難以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到材料的局部腐蝕數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論與展望

國(guó)內(nèi)外的電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)都已發(fā)展得較為成熟，該技術(shù)已被應(yīng)用于許多領(lǐng)域中，并且取得了良好的效果。 經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐結(jié)果表明電阻探針?biāo)鶞y(cè)到的腐蝕數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)腐蝕掛片法的數(shù)據(jù)具有較高的相關(guān)性，證明了電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)具有較高的可靠性，能夠?qū)饘俚木鶆蚋g進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。 總的來(lái)說(shuō)電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)在日常的腐蝕監(jiān)測(cè)中得到了廣泛使用且取得了非常好的成效，是金屬腐蝕防護(hù)技術(shù)中的重要一環(huán)。

當(dāng)前電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)主要被應(yīng)用于監(jiān)測(cè)金屬的均勻腐蝕，但是單靠該技術(shù)難以準(zhǔn)確表征材料的局部腐蝕狀況，因此對(duì)于局部腐蝕的監(jiān)測(cè)仍需要進(jìn)一步地發(fā)展。 可以在電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合其他電化學(xué)腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)提升其監(jiān)測(cè)局部腐蝕的能力，根據(jù)具體的監(jiān)測(cè)要求對(duì)電阻探針部分進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，以此來(lái)提高其監(jiān)測(cè)局部腐蝕的能力。 同時(shí)要著力研究腐蝕數(shù)據(jù)的處理方式，最大程度上減少因?yàn)閿?shù)據(jù)誤差所帶來(lái)的干擾，保證其工作可靠性。