電化學腐蝕監檢測在特種設備領域的研究進展

摘 要：特種設備在各行業生產中具有不可替代的重要作用，例如在化工、石油和電力等領域，涉及到的許多設備都屬于特種設備范疇。然而，由于嚴苛工況等因素的影響，這些設備經常面臨電化學腐蝕的問題，不僅會嚴重影響設備的壽命和性能，導致設備過早低效失效，還可能對生產安全構成潛在威脅。聚焦特種設備電化學腐蝕監檢測需求，重點綜述了電化學腐蝕監檢測技術的原理和方法，并對基于物聯網的電化學腐蝕監檢測裝置的重要部件進行了總結，同時展望了電化學腐蝕監檢測的未來發展方向，包括結合物聯網的智能化監檢測方式、電化學腐蝕監檢測的規范化和標準化。通過結合實際應用場景，合理選擇電化學腐蝕監檢測技術和物聯網檢測裝置，能夠更好地預防和治理電化學腐蝕現象，從而保障特種設備安全可靠運行。

關鍵詞：特種設備；電化學腐蝕；物聯網；監檢測方法；檢測裝置；智能化

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）09-00-04

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.09.008

0 引 言

特種設備是指在惡劣工況下工作的八大類機械設備和設施，具有較高的安全風險，一旦發生損壞或失效，可能導致嚴重事故，對人身、財產和環境造成重大損害，因此，需要對這些設備進行檢驗和檢測，以確保其安全、可靠運行。隨著特種設備在工業生產中的廣泛應用，人們越來越關注其安全性和可靠性。其中電化學腐蝕[1-2]是特種設備中最常見的一種腐蝕形式，會對設備的壽命和性能產生嚴重影響，同時也可能對生產安全造成潛在威脅。因此，對電化學腐蝕現象進行深入研究，并探索有效的預防和治理方法，已經成為當前特種設備領域的重要研究方向。電化學腐蝕監檢測技術是在金屬結構腐蝕過程中產生的電化學反應基礎上進行腐蝕檢測的一種方法，具有高精度、高魯棒性、快捷、靈敏等優點，成為目前腐蝕監檢測領域中不可或缺的一種技術

手段。

1 電化學腐蝕監檢測方法

電化學腐蝕監檢測方法通過腐蝕電位和電流來判斷金屬腐蝕的程度和發展趨勢。常用的電化學腐蝕監檢測方法包括極化曲線掃描法、電化學阻抗譜分析和電化學噪聲法。這些方法能夠有效地監測腐蝕狀態，為腐蝕控制和預防提供了可靠的技術手段，由此可以及早發現并定量評估腐蝕的嚴重程度，實現對腐蝕的實時監測和預測，以保證特種設備運行的安全性和可靠性。

1.1 極化曲線掃描

極化曲線掃描方法采用三電極系統，在電化學測試系統中對被檢測物質進行測試，并記錄參比電極和計時電極的數據。在測試過程中，通過施加一個小的電流擾動來引發工作電極表面的氧化還原反應，從而記錄對應的電壓響應值；重復以上操作并記錄一系列電流擾動下的電壓響應值。基于工作電極表面的氧化還原反應和電流響應的關系，最終得到構成極化曲線圖的一組數據集。通過極化曲線掃描方法能夠實現對微小變化和弱信號的檢驗，適用于大多數金屬和合金材料的電化學腐蝕監測，但是該方法只能得到靜態電化學參數，無法獲取動態參數信息。該方法僅適用于對被檢測物體表面腐蝕程度的監測，相對較難監測其內部腐蝕

情況。

Ren等人[3]通過掃描電子顯微鏡和電化學測試，研究了電力設備的金屬材料在高溫、高濕、高氯和工業污染環境中的腐蝕特性和機理，根據極化電流和交流阻抗的特性探究了碳鋼和鍍鋅鋼在不同階段的腐蝕規律。唐娟[4]通過向接地網注入大電流獲得電壓衰減曲線，并通過分析實驗數據得到衰減時間常數與接地網腐蝕程度的關系，克服了常規極化曲線法抗干擾能力弱的缺陷，提高了數據的可靠性；Hong[5]通過極化曲線測量、電化學阻抗譜和中性鹽霧試驗研究了鍍鋅鋼板上黑綠色鈍化膜的耐腐蝕性。Wang等人[6]用三電極系統測量了不同直流電流密度下工作電極在不同NaCl溶液中的開路電位（OCP）、電化學阻抗譜（EIS）和極化曲線，并通過掃描電子顯微鏡（SEM）和激光掃描共聚焦顯微鏡（LSCM）觀察了腐蝕形態；針對研究結果進行優化，提高了鍍鋅鋼板的耐腐蝕性。Lall等人[7]通過Butler Volmer方程和Nernst Planck方程的組合對Cu-Al-WB系統的腐蝕動力學行為進行了建模，用以捕捉擴散機制和腐蝕動力學行為；通過固定溫度和溶液濃度的三電極電化學實驗測量極化曲線，獲得Tafel參數，建立了一個新的高加速應力試驗條件下Cu-Al線鍵腐蝕的多物理模型。Baradel等人[8]使用線性極化和電化學阻抗譜技術方法，對50D碳鋼和316L耐腐蝕鋼在一定環境溫度和壓力下進行了腐蝕速率評估。

1.2 電化學阻抗譜分析

電化學阻抗譜（EIS）是一種非破壞性監測方法，通過基于交流電場干擾下金屬電極表面電化學反應所形成的電荷傳遞和質量傳遞現象來評估金屬腐蝕狀態，能夠對金屬表面腐蝕過程進行實時、在線監測和分析。電化學阻抗譜方法的基本原理是在電極電勢的波動下利用正弦電位幅度測量電極上的響應電流，得到電化學系統在給定頻率段的阻抗譜曲線。譜曲線的特征參數可以反映電化學反應和腐蝕過程的動力學特性、膜層的物理化學性質以及其與待測物質間的相互作用情況。通過對這些參數的分析和比較，可以對金屬表面的腐蝕類型、腐蝕物的成分、腐蝕速率和腐蝕機理等進行準確的評估和判斷。電化學阻抗譜方法具有快速、無損、可靠、可原位實時監測等優點，能夠對各種金屬、合金、涂層和液體等樣品進行高精度、高靈敏度的腐蝕狀態監測和評估。同時，該方法的儀器設備易于操作，適用于實時監測和在線控制等任務。電化學阻抗譜方法的儀器設備如圖1所示。

Aubakirova等人[9]通過在電化學阻抗譜的基礎上建立一個等效電路并對電路參數進行分析，發現樣品的耐腐蝕性最初隨著涂層的生長而增加，然后由于孔隙率和涂層缺陷的發展而降低。Pérez-Navarrete[10]利用電化學阻抗譜技術，研究了在開路電位（OCP）下鋼在不同緩蝕劑中的緩蝕過程。Liao等人[11]測量了接地網金屬在開路電位和不同陰極極化電位下的陰極極化曲線和電化學阻抗譜，建立了高電阻率土壤中接地網最佳陰極保護電位的確定方法。郝永順等人[12]利用成套的EIS快速腐蝕檢測設備，驗證了電化學阻抗譜技術在原油緩蝕劑效果評價、注入濃度篩選和藥劑型號篩選工作中的應用效果，并分析了該技術在藥劑驗收和在線腐蝕檢測工作中的應用。潘巍等人[13]綜述了EIS的等效電路原理及其在金屬腐蝕、涂層防腐、建筑腐蝕和微生物腐蝕等領域的應用現狀。鐘顯康等人[14]基于均勻傳輸線理論，結合電化學阻抗譜等效電路圖，在圓孔裂紋模型的基礎上建立了腐蝕疲勞裂紋模型，得到了電化學阻抗譜參數相位角和腐蝕疲勞裂紋之間的關系模型，并通過預制裂紋實驗對腐蝕疲勞裂紋模型進行了驗證。

1.3 電化學噪聲

電化學噪聲方法利用電化學反應中產生的隨機電位和電流變化噪聲來判斷金屬或合金的腐蝕狀態，適用于不同工作狀態下金屬或合金的腐蝕監測。監測因發生腐蝕而引起的電位或電偶電流微幅波動，通過分析噪聲信號的特征參數，可以推斷出電化學反應中的腐蝕動力學參數和物理化學特性，從而判斷腐蝕狀態。電化學噪聲分析主要包括頻域分析和時域分析，在數據分析過程中可以依據掃描的噪聲譜曲線，對金屬的局部腐蝕過程進行分段，判斷局部腐蝕何時產生，通過噪聲電阻數值的變化，判斷局部腐蝕的嚴重程度，而且可以根據腐蝕指數的大小，判斷金屬表面發生的是局部腐蝕還是均勻腐蝕。電化學噪聲方法是一種原位實時監測的非破壞性方法，不需要對被測電極施加可能改變腐蝕電極腐蝕過程的外界擾動，且無須提前構建待測體系的電極過程模型。但是該方法的信號處理過程較復雜，需要對隨機噪聲信號進行有效的處理和分析，而且該方法的精度會受到工作環境和實驗條件等因素的限制。

Smulko[15]提出了一種分析在點蝕過程中觀察到的電化學噪聲的新方法，通過使用一組不對稱金屬電極和三階統計量來分析短路電極之間的電流噪聲。Menezes等人[16]提出了一種基于電化學噪聲的被動技術腐蝕監測系統，使用零電阻電流表（ZRA）可以將兩個類似的工作電極電耦合，并同時測量電流，在沒有任何外部人工刺激的情況下測量腐蝕過程信號（電流或電壓）的自然水平。尹焱靈等人[17]利用工作站的電化學噪聲譜實驗模擬局部腐蝕行為以及垢層的離子選擇性對腐蝕的影響，模擬腐蝕環境中介質的變化，通過實驗證明腐蝕介質中高含量氯離子是引發金屬局部腐蝕的主要因素和誘導條件。盧玉琢[18]對電化學噪聲方法的實驗技術和數據解析技術進行了初步探討，結合具體的實驗體系研究了一些可用于判斷金屬腐蝕速度和腐蝕類型的特征參數，并在多種合金材料中進行了驗證，取得了不錯的效果。上述改進和優化的方法為電化學噪聲方法提供了更多的分析工具和技術手段，有助于提高該方法的準確性，擴大應用范圍。然而，仍需注意到該方法信號處理的復雜性，對工作環境和實驗條件等因素有一定的限制。因此，在實際應用中仍需要綜合考慮各種因素，進一步完善方法的技術和標準化程度，以確保準確可靠地采用電化學噪聲方法進行腐蝕監

檢測。

2 電化學腐蝕監檢測裝置

電化學腐蝕監檢測裝置是一種用來監檢測材料腐蝕程度和腐蝕形式的設備，它可以由多個不同的部件組成，其中包括耦合電極矩陣傳感器、電化學噪聲傳感器、腐蝕探針等。這些不同的部件可以協同工作，從而更加準確地監測和檢測材料的腐蝕情況。

2.1 耦合電極矩陣傳感器

耦合電極矩陣傳感器[19]由多個電極陣列組成，在材料表面的不同位置布置電極，根據電化學原理，當材料表面發生腐蝕作用時，會釋放出電子，導致電極電位的變化，通過在不同時間進行測量，可以得到不同位置的電位變化情況，提供多個電位和電流數據，用于分析和判斷材料的腐蝕狀態，它的靈敏度非常高且穩定可靠。碳耦合多電極腐蝕監測工作原理如圖2所示。

2.2 電化學噪聲傳感器

電化學噪聲傳感器[20]利用電化學腐蝕產生的電流和電勢噪聲進行檢測。當材料發生腐蝕作用時，電子和離子流會產生噪聲信號，通過對這些信號進行數字化處理和分析，可以得出該材料的腐蝕程度和腐蝕形式信息。在實際應用中，電化學噪聲傳感器通常與其他傳感器結合起來，比如與耦合電極矩陣傳感器一起使用，從而可以更加準確地判斷腐蝕情況，幫助快速定位腐蝕損傷區域。電化學噪聲傳感器是一種高靈敏度、高精度、非侵入性檢測工具，能夠在不破壞材料表面的情況下檢測材料的腐蝕情況，具有快速、準確、可靠等優勢。

2.3 掃描Kelvin探針

掃描Kelvin探針[21-23]通過在探針和被測物表面設置一個引線接口，同時將Kelvin連接引線的電阻值設為固定值，根據測量原理推算出測量的電位值。通過控制探針的位置和距離來測量不同區域的電勢差，以此獲得待測表面電勢值，從而得出材料表面腐蝕程度和腐蝕形式的信息。當探針與被測物表面緊密接觸時，可以準確地測量出材料表面的電位變化情況，能夠對材料表面的腐蝕、腐蝕坑、裂縫等進行有效檢測分析。

通過結合耦合電極矩陣傳感器、電化學噪聲傳感器和掃描探針等多種檢測手段，可以顯著提高腐蝕檢測[24]的準確性和靈敏度，從而更好地保障工業領域的安全生產和可持續發展。同時，檢測手段的持續創新和發展還將推動電化學相關技術和裝備的進步，為工業領域的發展提供堅實基礎和可靠支持，不僅對于及時發現和防止腐蝕問題具有重要意義，而且還能提高工業生產設備和結構材料的壽命，降低維護和替換成本。

3 結 語

利用電化學原理來檢測材料腐蝕情況的電化學腐蝕監檢測技術，由于其具有非破壞性、實時監測、精密度高等特點，已經在現代工業生產中得到廣泛應用，特別是在石油、化工等行業中，可用于檢測管道、儲罐、反應器等設備的腐蝕情況，從而及時發現并進行維修，保證設備的安全運轉和生產效率。隨著科技的不斷發展和應用的深入，電化學腐蝕監檢測技術將具有更廣闊的應用前景和發展空間，也將涌現出更多形式的電化學腐蝕監檢測方式，例如基于人工智能的電化學腐蝕監測系統，可以實現更加智能化的腐蝕監測和預測，減少人工干預和提高監測的準確性，為企業節省更多的成本。此外，還需要加大電化學腐蝕檢測技術的標準化和規范化工作力度，加強相關法律法規的制定和修訂。這些措施有助于更好地保護各種重要設備的安全，推進工業領域的可持續發展，并為工業生產的發展提供更可靠高效的技術

手段。

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收稿日期：2023-09-25 修回日期：2023-10-24

基金項目：國家重點研發項目國家質量基礎設施專項（2022YFF 0607400）；中國特種設備檢測研究院青年基金項目（2023youth07）

作者簡介：郭新然（1992—），女，碩士研究生，中國特種設備檢測研究院智能檢測研究所工程師，研究方向為物聯網、人工智能、特種設備智能檢驗檢測。

徐 巍（1981—），男，博士，中國特種設備檢測研究院智能檢測研究所工程師，研究方向為機器人設計與控制、物聯網。

蔡康健（1990—），男，碩士研究生，中國特種設備檢測研究院智能檢測研究所工程師，研究方向為機器人設計與控制、物聯網。

張玉媛（1992—），女，碩士研究生，中國特種設備檢測研究院智能檢測研究所工程師，研究方向為工業大數據平臺建設、信息系統架構設計。

周云奕（1997—），女，碩士研究生，中國特種設備檢測研究院智能檢測研究所工程師，研究方向為人工智能、大數據等。

石 坤（1971—），男，碩士研究生，中國特種設備檢測研究院智能檢測研究所研究員，研究方向為特種設備智能檢驗檢測、人工智能、大數據、物聯網。