牺牲阳极性能检测方法及装置与流程
1.本发明涉及腐蚀与防护技术领域，特别是涉及一种牺牲阳极性能检测方法及装置。
背景技术：
2.牺牲阳极的阴极保护作为一种经济有效的金属防腐方法，在海洋及近海钢结构上、埋地管道等得到了广泛的应用。对于牺牲阳极在天然海水、人工配制海水或淡海水等均匀介质中，牺牲阳极的阴极保护性能评价方法已相对成熟并得到广泛应用，如牺牲阳极短期性能测试可参照gb/t17848、nace tm0190及dnv rp b401附录b推荐的方法；对牺牲阳极长期性能测试可参考dnv rp b401附录c(测试周期12个月)。
3.近年来，随着水下沉管隧道工程技术的不断发展，钢壳式沉管隧道在越江、越海工程中获得了大量的应用，如港珠澳大桥的隧道区域、深中通道等。钢壳式沉管隧道设计使用寿命通常为50～100年。沉管隧道钢壳通常采用涂层和牺牲阳极相结合的腐蚀防护方式。由于沉管钢壳隧道会采用回填石埋覆，牺牲阳极的服役环境与海水相比存在显著的差异。在砂石埋覆的环境中，牺牲阳极在服役过程中形成的腐蚀产物只能通过砂石间隙扩散，同时相关离子的传输也受砂石物理隔绝的影响，导致牺牲阳极工作环境的电阻率升高；由于物质传输及交换受限，随着腐蚀产物的累积，阳极周边环境的ph、电阻率、溶氧浓度等参数都与天然海水有着巨大差异；砂石的填埋紧实度，砂石粒径部分的不均匀也会导致阳极表面状态形成差异，可能形成局部的微电池，从而使砂石覆盖环境中的阳极溶解形貌及电容量与天然海水存在差异。
4.对沉管钢壳采用的牺牲阳极建立长期服役性评价方法，可以有效的评估沉管钢壳防腐蚀的耐久性，进一步保障沉管隧道结构获得可靠的防腐保护。目前对海泥、砂石埋覆海水环境中牺牲阳极保护效果的研究较少，特别是长期阴极保护效果评价亟待解决。
技术实现要素：
5.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种牺牲阳极性能检测方法及装置，研究砂石埋覆环境中牺牲阳极在不同服役阶段阴极保护性能的变化，解决砂石埋覆环境中牺牲阳极的阴极保护效果检测的技术问题。
6.本发明提供一种牺牲阳极性能检测方法，包括：制备处于预设服役阶段的牺牲阳极；将处于预设服役阶段的牺牲阳极和阴极桶埋覆在反应容器中的填充料内，将所述牺牲阳极与标准电阻以及所述阴极桶串联在一起；采集所述标准电阻、所述牺牲阳极以及所述阴极桶的检测参数；根据所述检测参数检测牺牲阳极在长期服役过程中的阴极保护性能。
7.进一步地，所述制备处于预设服役阶段的牺牲阳极包括：将牺牲阳极埋覆在反应容器中设置的套筒的填充料内，对所述牺牲阳极进行电解，通过控制电解时间形成处于预设服役阶段的牺牲阳极。
8.进一步地，所述对所述牺牲阳极进行电解在除了所述牺牲阳极和所述辅助阴极之
外，没有其他金属的环境中进行。
9.进一步地，所述对所述牺牲阳极进行电解包括：通过预设在所述牺牲阳极临近区域的测试管实时测试所述牺牲阳极的工作电位，如果所述牺牲阳极的工作电位大于预设的电位阈值，则降低所述电解电流密度，使所述牺牲阳极的工作电位降低到所述电位阈值以下。
10.进一步地，所述采集所述标准电阻、所述牺牲阳极以及所述阴极桶的检测参数包括：采集所述标准电阻两端的电压降，采集所述牺牲阳极在服役过程中的工作电位、ph值及电阻率，和采集被保护的所述阴极桶在服役过程中的工作电位。
11.进一步地，所述采集所述标准电阻两端的电压降包括：通过并联在所述标准电阻两端的数据采集器，按照设定的周期进行采集，并根据所述电压降计算出牺牲阳极的发生电流。
12.进一步地，所述采集所述牺牲阳极在服役过程中的工作电位、ph值及电阻率包括：通过预设于所述牺牲阳极临近区域的测试管采集所述牺牲阳极在服役过程中的工作电位、ph值及电阻率。
13.进一步地，所述采集所述阴极桶在服役过程中的工作电位包括：通过预设于所述阴极桶临近区域的盐桥上的参比电极采集所述阴极桶在服役过程中的工作电位。
14.本发明还提供一种牺牲阳极性能检测装置，所述装置包括反应容器、填充料、标准电阻、数据采集器、测试管、盐桥和参比电极；所述反应容器内设置有填充料，用于模拟所述被保护的阴极桶和所述牺牲阳极所处的环境；所述标准电阻的第一端与所述牺牲阳极电性连接，所述标准电阻的第二端与所述阴极桶电性连接；所述数据采集器并连在所述标准电阻的第一端和第二端之间，用于按照设定的周期采集所述标准电阻两端的电压降；所述测试管设置于所述牺牲阳极临近区域，用于测试所述牺牲阳极在服役过程中的工作电位、ph值及电阻率；所述盐桥设置于所述阴极桶临近区域；所述参比电极设置于所述盐桥上并且与所述填充料隔离，用于测试被保护的所述阴极桶在服役过程中的工作电位。
15.进一步地，牺牲阳极性能检测装置在制备不同服役阶段的牺牲阳极过程中还包括：直流电源、辅助阴极和套管；所述直流电源的正极与所述牺牲阳极电性连接，用于对所述牺牲阳极进行电解；所述辅助阴极在对所述牺牲阳极进行电解的过程中与所述直流电源的负极电性连接；所述套管用于在对所述牺牲阳极进行电解的过程中套设于所述牺牲阳极的周围，用于使所述牺牲阳极的电解产物在所述牺牲阳极周围聚集。
16.本发明提供的牺牲阳极性能检测方法及装置，通过反应容器内的填充料模拟牺牲阳极的实际服役环境，采用强制电解的方法制备不同服役阶段的牺牲阳极。将电解后的牺牲阳极与阴极桶串联，并测试其发生电流、工作电位、ph及电阻率等参数，从而判断牺牲阳极在长期服役过程中，不同阶段的牺牲阳极的阴极保护性能，更科学合理的评价砂石埋覆环境中牺牲阳极的长期保护效果，为砂石埋覆环境下钢结构阴极保护设计提供依据。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这
些附图获得其他相关的附图。
18.图1为本发明实施例中牺牲阳极性能检测装置的结构示意图；
19.图2为本发明实施例中牺牲阳极性能检测装置在制备不同服役阶段的牺牲阳极过程中的结构示意图。
具体实施方式
20.有关本发明的前述及其他技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的较佳实施例的详细说明中将可清楚的呈现。通过具体实施方式的说明，当可对本发明为达成预期目的所采取的技术手段及功效得以更加深入且具体的了解，然而所附图式仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明加以限制，可能未示出某些公知的部分。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
21.本发明实施例提供一种牺牲阳极性能检测方法，具体包括：制备处于不同预设服役阶段的牺牲阳极；将处于预设服役阶段的牺牲阳极和阴极桶埋覆在反应容器中的填充料内，将牺牲阳极与标准电阻以及阴极桶串联在一起；采集标准电阻、牺牲阳极以及被保护的阴极桶在服役过程中的检测参数；根据检测参数检测牺牲阳极在长期服役过程中的阴极保护性能。
22.具体地，本实施例采用等比例缩放的方法，根据实际工程阴极保护电流密度、阴阳极面积比、砂石粒径及工程水域的溶液电阻率，通过反应容器内的填充料模拟牺牲阳极的实际服役环境，并制备不同消耗率的牺牲阳极，用于模拟不同服役阶段的牺牲阳极。同时在制备不同服役周期的牺牲阳极的过程中完成腐蚀产物的累积及环境参数的测试。将不同服役周期的牺牲阳极通过与不同面积的被保护的阴极桶以及标准电阻串联，其中标准电阻的阻值范围为0.1～1.0ω，测试不同服役周期牺牲阳极、被保护的阴极桶的各项参数，从而实现牺牲阳极的长期服役过程中的阴极保护性能检测。
23.进一步地，制备处于预设服役阶段的牺牲阳极包括：将牺牲阳极完全埋覆在反应容器中设置的套筒的填充料内，通过直流电源对所述牺牲阳极进行电解，通过控制电解时间形成处于预设服役阶段的牺牲阳极。
24.具体地，将牺牲阳极完全埋覆在反应容器中设置的套筒的填充料内，有利于牺牲阳极电解产物在阳极周围聚集，防止腐蚀产物随电解副产物h2加速扩散。将牺牲阳极与直流电源的正极电性连接，直流电源的负极连接辅助阴极，通过直流电源对牺牲阳极进行电解，电流密度为0.4～4.0ma/cm2。
25.进一步地，对牺牲阳极进行电解在除了牺牲阳极和辅助阴极之外，没有其他金属的环境中进行。
26.具体地，在电解过程中，反应容器内不能出现如碳钢，铜等其它金属材质，避免杂散电流导致其电解从而污染测试介质，影响牺牲阳极性能。
27.进一步地，对牺牲阳极进行电解包括：通过预设在牺牲阳极临近区域的测试管实时测试牺牲阳极的工作电位，如果牺牲阳极的工作电位大于预设的电位阈值，则降低电解电流密度，使牺牲阳极的工作电位降低到电位阈值以下。
28.具体地，电解过程中，可以通过控制直流电源的电流大小以及牺牲阳极的初始面积，降低电解电流密度，将牺牲阳极的工作电位控制在-0.85v(相对于饱和甘汞电极电位)
以下，避免牺牲阳极的工作电位大于-0.85v，使牺牲阳极的工作状态与实际服役情况不符。
29.进一步地，采集标准电阻、牺牲阳极以及阴极桶的检测参数包括：采集标准电阻两端的电压降，采集牺牲阳极在服役过程中的工作电位、ph及电阻率，和采集被保护的阴极桶在服役过程中的工作电位。
30.具体地，采集标准电阻两端的电压降是通过并联在标准电阻两端的数据采集器，按照设定的周期进行采集，并根据电压降计算出牺牲阳极的发生电流。
31.具体地，采集牺牲阳极在服役过程中的工作电位、ph及电阻率是通过预设于牺牲阳极临近区域的测试管进行采集的。
32.具体地，采集阴极桶在服役过程中的工作电位是通过预设于阴极桶临近区域的盐桥上的参比电极进行采集的。
33.如图1所示，本发明实施例还提供一种牺牲阳极性能检测装置用在以上所述的牺牲阳极性能检测方法中，更具体地运用在检测牺牲阳极在长期服役过程中的阴极保护性能的试验中。该牺牲阳极性能检测装置包括反应容器12、填充料6、标准电阻7、数据采集器8、测试管4、盐桥10和参比电极11；反应容器12内设置有填充料6，用于模拟被保护的阴极桶9和牺牲阳极2所处的环境；标准电阻7的第一端与牺牲阳极2电性连接，标准电阻7的第二端与阴极桶9电性连接；数据采集器8并联在标准电阻7的第一端和第二端之间，用于按照设定的周期采集标准电阻7两端的电压降；测试管4设置于牺牲阳极2的临近区域，用于测试牺牲阳2极在服役过程中的工作电位、ph值及电阻率；盐桥10设置于阴极桶9的临近区域；参比电极11设置于盐桥10上并且与填充料6隔离，用于测试被保护的阴极桶9在服役过程中的工作电位。
34.具体地，本实施例中的填充料6为砂石，砂石粒径、环境电阻率等参数应与牺牲阳极2和被保护的阴极桶3的真实服役环境一致，以上参数是影响牺牲阳极2保护性能的关键参数，控制上述参数可以使评价更接近真实环境。参比电极11包括但不限于饱和甘汞电极、银/氯化银参比电极等。
35.进一步地，本发明实施例提供的牺牲阳极性能检测装置在制备不同服役阶段的牺牲阳极过程中的结构如图2所示，此时该装置还包括：直流电源1、辅助阴极3和套管5；直流电源1的正极与牺牲阳极2电性连接，用于对牺牲阳极2进行电解；辅助阴极3在对牺牲阳极2进行电解的过程中与直流电源1的负极电性连接；套管5用于在对牺牲阳极2进行电解的过程中套设于牺牲阳极2的周围，用于使牺牲阳极2的电解产物在牺牲阳极2的周围聚集。
36.具体地，辅助阴极3采用钝化金属材料制成，材质可采用哈氏合金、钛或其他钝化金属，在对牺牲阳极2进行电解过程中，辅助阴极3分担了回路中的大部分电流，在电解过程中其表面会发生析氢反应，但自身不会发生反应，避免了在反应容器中引入其他反应产物。套管5可采用pvc材质，具有良好的绝缘性能，套设于牺牲阳极2的周围可防止腐蚀产物随电解副产物h2加速扩散。
37.本发明提供的牺牲阳极性能检测方法及装置采用等比例缩放的方法通过反应容器内的填充料模拟牺牲阳极的实际服役环境，采用强制电解的方法制备不同服役阶段的牺牲阳极。将电解后的牺牲阳极与阴极桶串联，并测试其发生电流、工作电位、ph值及电阻率等参数，从而判断牺牲阳极在长期服役过程中，不同阶段的牺牲阳极的阴极保护性能，更科学合理的评价砂石埋覆环境中牺牲阳极的长期保护效果，为砂石埋覆环境下钢结构阴极保
护设计提供依据。
38.在一实施例中，被保护的阴极和牺牲阳极均埋覆在砂石覆盖的淡海水中，电阻率为40ω.cm，被保护的阴极阴和牺牲阳极的初始面积比为30:1，牺牲阳极为al-zn-in-si国际铝阳极。
39.在牺牲阳极的服役初期，牺牲阳极从未被电解消耗开始工作，此时牺牲阳极在工作时间为0天、10天、20天、30天、40天情况下，通过数据采集器得到的发生电流，以及各工作阶段的牺牲阳极工作电位、被保护的阴极桶工作电位和牺牲阳极周边的ph值的测试结果分别如表1所示。
40.表1(服役初期：阳极未消耗)
[0041][0042]
在牺牲阳极的服役中期，牺牲阳极从被电解消耗30％开始工作，此时牺牲阳极在工作时间为0天、10天、20天、30天、40天情况下，通过数据采集器得到的发生电流，以及各工作阶段的牺牲阳极工作电位、被保护的阴极桶工作电位和牺牲阳极周边的ph值的测试结果分别如表2所示。
[0043]
表2(服役中期：阳极消耗30％)
[0044][0045]
在牺牲阳极的服役后期，牺牲阳极从被电解消耗60％开始工作，此时牺牲阳极在工作时间为0天、10天、20天、30天、40天情况下，通过数据采集器得到的发生电流，以及各工作阶段的牺牲阳极工作电位、被保护的阴极桶工作电位和牺牲阳极周边的ph值的测试结果分别如表3所示。
[0046]
表3(服役后期：阳极消耗60％)
[0047][0048]
通过测试结果可以看出：在牺牲阳极的不同服役阶段，阴极桶的被保护电位都小于-1.0v，满足dnv rp b401的设计要求；随着服役时间的延长，阳极周围的ph逐渐向弱酸性变化，阴极保护设计时，需要考虑ph对牺牲阳极电化学性能的影响，随着腐蚀产物的累积，牺牲阳极仍有阴极保护电流输出。服役初期牺牲阳极的发生电流从6.1ma下降至4.2ma；服役中期牺牲阳极的发生电流从5.2ma下降至2.5ma；服役后期牺牲阳极发生电流从9.6ma下降至3.9ma，阴极桶所需的阴极保护电流密度在初期和末期较大，中期出现一定程度下降。从上述测试结果来看，所研究的al-zn-in-si牺牲阳极可在砂石埋覆的环境中使用。
[0049]
综上所述，本发明提供的牺牲阳极性能检测方法和装置，可以通过测试出的发生电流、ph值、工作电位等参数，完成对所选用的牺牲阳极在长期服役过程中不同阶段的阴极保护性能的判断，对于预测牺牲阳极在埋覆环境中的防腐耐久性，优化阴极保护设计具有重要的指导意义。
[0050]
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”、等仅仅是为了区别属性类似的元件，而不是指示或暗示相对的重要性或者特定的顺序。术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体，意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
[0051]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。
技术特征：
1.一种牺牲阳极性能检测方法，其特征在于，包括：制备处于预设服役阶段的牺牲阳极；将处于预设服役阶段的牺牲阳极和阴极桶埋覆在反应容器中的填充料内，将所述牺牲阳极与标准电阻以及所述阴极桶串联在一起；采集所述标准电阻、所述牺牲阳极以及所述阴极桶的检测参数；根据所述检测参数检测牺牲阳极在长期服役过程中的阴极保护性能。2.根据权利要求1所述的牺牲阳极性能检测方法，其特征在于，所述制备处于预设服役阶段的牺牲阳极包括：将牺牲阳极埋覆在反应容器中设置的套筒的填充料内，对所述牺牲阳极进行电解，通过控制电解时间形成处于预设服役阶段的牺牲阳极。3.根据权利要求2所述的牺牲阳极性能检测方法，其特征在于，所述对所述牺牲阳极进行电解在除了所述牺牲阳极和所述辅助阴极之外，没有其他金属的环境中进行。4.根据权利要求2所述的牺牲阳极性能检测方法，其特征在于，所述对所述牺牲阳极进行电解包括：通过预设在所述牺牲阳极临近区域的测试管实时测试所述牺牲阳极的工作电位，如果所述牺牲阳极的工作电位大于预设的电位阈值，则降低所述电解电流密度，使所述牺牲阳极的工作电位降低到所述电位阈值以下。5.根据权利要求1所述的牺牲阳极性能检测方法，其特征在于，所述采集所述标准电阻、所述牺牲阳极以及所述阴极桶的检测参数包括：采集所述标准电阻两端的电压降，采集所述牺牲阳极在服役过程中的工作电位、ph及电阻率，和采集被保护的所述阴极桶在服役过程中的工作电位。6.根据权利要求5所述的牺牲阳极性能检测方法，其特征在于，所述采集所述标准电阻两端的电压降包括：通过并联在所述标准电阻两端的数据采集器，按照设定的周期进行采集，并根据所述电压降计算出牺牲阳极的发生电流。7.根据权利要求5所述的牺牲阳极性能检测方法，其特征在于，所述采集所述牺牲阳极在服役过程中的工作电位、ph值及电阻率包括：通过预设于所述牺牲阳极临近区域的测试管采集所述牺牲阳极在服役过程中的工作电位、ph值及电阻率。8.根据权利要求5所述的牺牲阳极性能检测方法，其特征在于，所述采集所述阴极桶在服役过程中的工作电位包括：通过预设于所述阴极桶临近区域的盐桥上的参比电极采集所述阴极桶在服役过程中的工作电位。9.一种牺牲阳极性能检测装置，其特征在于，所述装置包括反应容器、填充料、标准电阻、数据采集器、测试管、盐桥和参比电极；所述反应容器内设置有填充料，用于模拟所述被保护的阴极桶和所述牺牲阳极所处的环境；所述标准电阻的第一端与所述牺牲阳极电性连接，所述标准电阻的第二端与所述阴极桶电性连接；所述数据采集器并连在所述标准电阻的第一端和第二端之间，用于按照设定的周期采集所述标准电阻两端的电压降；所述测试管设置于所述牺牲阳极临近区域，用于测试所述牺牲阳极在服役过程中的工作电位、ph值及电阻率；所述盐桥设置于所述阴极桶临近区域；所述参比电极设置于所述盐桥上并且与所述填充料隔离，用于测试被保护的所述阴极桶在服役过程中的工作电位。10.根据权利要求9所述的牺牲阳极性能检测装置，其特征在于，还包括：直流电源、辅助阴极和套管；所述直流电源的正极与所述牺牲阳极电性连接，用于对所述牺牲阳极进行
电解；所述辅助阴极在对所述牺牲阳极进行电解的过程中与所述直流电源的负极电性连接；所述套管用于在对所述牺牲阳极进行电解的过程中套设于所述牺牲阳极的周围，用于使所述牺牲阳极的电解产物在所述牺牲阳极周围聚集。
技术总结
本发明提供一种牺牲阳极性能检测方法及装置，该方法包括：制备处于预设服役阶段的牺牲阳极；将处于预设服役阶段的牺牲阳极和阴极桶埋覆在反应容器中的填充料内，将牺牲阳极与标准电阻以及阴极桶串联在一起；采集标准电阻、牺牲阳极以及阴极桶的检测参数；根据检测参数检测牺牲阳极在长期服役过程中的阴极保护性能。本发明提供的牺牲阳极性能检测方法及装置通过反应容器内的填充料模拟牺牲阳极的实际服役环境并制备不同服役阶段的牺牲阳极，通过检测不同服役阶段中的牺牲阳极和被保护的阴极桶的各项参数，更科学合理的检测砂石埋覆环境中牺牲阳极的长期保护效果，为砂石埋覆环境下钢结构阴极保护设计提供依据。环境下钢结构阴极保护设计提供依据。环境下钢结构阴极保护设计提供依据。
