耦合多電極矩陣傳感器在循環冷卻水系統的應用

鄭立彬，蘭云峰，周 偉，張居生

(四川仁智石化科技有限責任公司，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、延長設備使用壽命、阻止各種不必要的安全事故和環境污染的發生，需要一種在線連機實時監測設備和腐蝕監測傳感器，但是目前國內對此報導很少.為此設計了一種耦合多電極矩陣傳感器以滿足實際需要.本文闡述了耦合多電極矩陣傳感器的設計原理和具體應用，并通過其在循環水系統裝置化學清洗時的實際應用，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備上采用該耦合多電極矩陣傳感器腐蝕監測技術，對其化學清洗過程進行全程監測［3，4］.監測結果表明:耦合多電極矩陣傳感器技術比傳統的掛片腐蝕監測技術更具優點，可以實時直觀地反應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造

1.1 工作原理

眾所周知，金屬材料之所以發生局部腐蝕，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腐蝕陽極區和陰極區.電子從陽極區流向陰極區，電流從陰極區流向陽極區，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，各部分彼此獨立，并通過外電路用導線將這些分開的部分耦合起來組成一個通路，這樣金屬腐蝕反應的陽極區和陰極區便得到模擬，腐蝕產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點之間通過電阻相連，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，各電極所用材質與待測金屬相同，電極橫截面積為1～115 mm2，表面用環氧樹脂封裝，然后通過彼此獨立的電阻連接到一個公共的結點上，每個電極模擬腐蝕金屬的一個區域［10～13］.

2 耦合多電極矩陣傳感器對化學清洗效果的評價

成都某公司新建的一座天然氣增壓站二號機組循環水系統清洗，采用不停車化學清洗預膜方案，為了監測化學清洗腐蝕率是否達到國家標準，清洗前在循環水系統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)，并在循環水池安裝了6組腐蝕掛片(所有試片經200#至600#水砂紙處理，無水乙醇洗凈)進行腐蝕監測的對比試驗.于2012年11月14日上午9點開始對循環水系統裝置進行化學清洗預膜，直到2012年11月14日19點清洗結束進入系統置換預膜.

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

監測結果如表1和表2所示.圖3和圖4為化學清洗前后的碳鋼掛片;圖5和圖6為化學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小于《工業設備化學清洗質量標準》(HG/T2387－2007)≤6.6955 mm/a的規定［14］;3 塊不銹鋼掛片在清洗過程中的腐蝕速率遠遠小于《工業設備化學清洗質量標準》(HG/T2387－2007)≤2.1954 mm/a的規定.耦合多電極矩陣傳感器監測結果如表2所示，無論使用碳鋼還是不銹鋼，經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，同樣在標準之內.耦合多電極矩陣傳感器所測電極的腐蝕速率(見表2)與現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中管道的腐蝕狀況，能有效地評價化學清洗效果，其電流信號能較準確地表征金屬表面腐蝕陽極區和陰極區的腐蝕速率，即不停車進行化學清洗完全達到方案設計要求，具備在線實時聯機監測的目的.監測數據結果可存微機隨時調用，供檢查復核.

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

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

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

圖6 化學清洗后不銹鋼表面狀態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

續表1

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

3 結語

(1)耦合多電極矩陣傳感器技術對循環水系統化學清洗過程進行評價，其監測結果與掛片監測方法相當，其清洗腐蝕速率均在國家標準范圍內;

(2)具有監測速度快(短于15 s)、靈敏度高(20 um/a)、壽命長、使用環境廣泛等優點;

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

(4)耦合多電極矩陣傳感器技術可實時在線監測化學清洗過程中腐蝕速率的變化，為化學清洗中的工藝參數調整提供技術依據.

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