CN117214076A - 一种海洋结构物腐蚀状态综合分析装置及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海洋结构物腐蚀状态综合分析装置及监测方法，通过海洋结构物腐蚀状态综合分析装置，可以实现对待监测结构涂层剥离程度和牺牲阳极性能的实时监测，获取涂层剥离后在牺牲阳极保护下金属结构的实际腐蚀速率。本发明公开的海洋结构物腐蚀状态综合分析装置及监测方法，能够同时实现涂层和牺牲阳极两种常用的腐蚀防护手段状态监测；同时实现监测装备与海洋中待监测结构物之间的紧密联系，解决了传统的监测装备由于独立于待监测结构，无法受到待监测结构实际阴极保护作用而导致的监测数据缺乏可靠性的问题；进而确保监测数据的可靠，对海洋工程装备的腐蚀与防护有重要的价值。
Description
技术领域
本发明涉及海洋工程关键配套设备技术领域，尤其涉及一种海洋结构物腐蚀状态综合分析装置及监测方法。
背景技术
腐蚀是造成海洋金属结构损失的重要因素。在海洋工程上，通常使用涂层和牺牲阳极作为腐蚀防护的手段。然而，由于涂层和牺牲阳极大多数处于水下区域，对涂层状态和牺牲阳极的工作性能难以实现有效的监测，因此，需要开发可靠的监测装备。
现有的海洋工程腐蚀防护监测装备通常只是单一的对涂层和牺牲阳极性能进行监测。然而在实际工程上，二者往往是联合使用，存在相互影响的干涉效应。此外，现有的监测装备通常都独立于待监测结构之外，没有和结构建立起耦合关系，监测数据缺乏可靠性。
发明内容
本发明提供一种海洋结构物腐蚀状态综合分析装置及监测方法，以克服上述技术问题。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种海洋结构物腐蚀状态综合分析装置，装置壳体、阵列电极探头组件、装置底板、焊接固定板以及分析终端；所述焊接固定板与待监测结构的待测位置固定连接，所述装置底板与焊接固定板固定安装；
所述装置壳体为一端开口的腔体结构，且所述装置壳体的开口端与装置底板固定连接形成密封腔体结构；
所述密封腔体结构的顶端开设有组件安装孔结构，且所述阵列电极探头组件通过组件安装孔结构与密封腔体结构固定连接；
所述阵列电极探头组件的顶端部分设有防腐涂层，所述阵列电极探头组件用于监测待监测结构的涂层状态；
所述密封腔体结构内部设有安装电路板，所述阵列电极探头组件通过导线与所述安装电路板连接，且所述密封腔体结构的侧壁留有水下线缆接头，所述水下线缆接头的一端与安装电路板连接，且所述水下线缆接头的另一端通过水下线缆与所述分析终端连接；
所述分析终端用于根据阵列电极探头组件监测的破损点，评估防腐涂层的破损等级。
进一步的，所述阵列电极探头组件包括探头外壳、第一环氧树脂填充层、防腐涂层、涂层状态监测电极装置以及多个电极；所述多个电极包括牺牲阳极性能监测电极、工作电极、参比电极以及对电极；
所述涂层状态监测电极装置设置在所述探头外壳的中心位置；且所述涂层状态监测电极装置的顶端设有防腐涂层；
所述牺牲阳极性能监测电极与工作电极设置在所述探头外壳的内部，且相对设置在所述涂层状态监测电极装置的两端；
所述参比电极与对电极设置在所述工作电极的两侧；
所述探头外壳、涂层状态监测电极装置以及多个电极之间形成第一环氧树脂填充层，通过在所述第一环氧树脂填充层内填充环氧树脂将涂层状态监测电极装置与多个电极固定设置于探头外壳的内部。
进一步的，所述涂层状态监测电极装置包括若干涂层状态监测电极、固定模具以及第二环氧树脂填充层；
所述涂层状态监测电极为由第一结构件与第二结构件连接形成的一体结构；所述固定模具均布设有若干固定孔结构，所述涂层状态监测电极通过第二结构件与固定模具固定连接；且所述第二结构件的底端通过导线与安装电路板连接；
所述各涂层状态监测电极之间形成第二环氧树脂填充层，且相邻所述涂层状态监测电极之间的距离不超过预设阈值。
进一步的，还包括用于固定安装装置底板的焊接固定板；
所述焊接固定板与待监测结构固定连接，所述焊接固定板与装置底板通过螺栓连接，且所述装置底板与螺栓之间设有绝缘垫片。
进一步的，所述安装电路板上设有多路转换器、第一零电阻电流计a、第二零电阻电流计b、第三零电阻电流计c、信号发生器以及电压表；
所述多路转换器的一端分别与各涂层状态监测电极连接，且所述多路转换器的另一端与所述第一零电阻电流计a的一端连接，所述第一零电阻电流计a的另一端与装置壳体连接；
所述第二零电阻电流计b的一端与牺牲阳极性能监测电极连接，所述第二零电阻电流计b的另一端与装置壳体连接；
所述电压表的一端与参比电极连接，所述第三零电阻电流计c的一端与对电极连接，且所述电压表的另一端、第三零电阻电流计c的另一端以及工作电极与所述信号发生器的一端连接；
所述参比电极、对电极以及工作电极构成三电极体系，所述信号发生器的另一端接地。
一种海洋结构物腐蚀状态综合分析装置的监测方法，包括以下步骤：
步骤S1：基于多路转换器通过第一零电阻电流计a采集流经各涂层状态监测电极的电偶电流i1-i25；
通过第二零电阻电流计b采集流经牺牲阳极性能监测电极的阴极保护电流iprotect；
步骤S2：基于三电极体系，利用信号发生器施加动电位扫描信号，并通过第三零电阻电流计c与电压表，采用线性极化法测量工作电极的自腐蚀电流icorr；
步骤S3：将获取的流经各涂层状态监测电极的电偶电流i1-i25、牺牲阳极性能监测电极的阴极保护电流iprotect以及工作电极的自腐蚀电流icorr，通过水下线缆传输至分析终端；
步骤S4：根据所述工作电极的自腐蚀电流icorr计算工作电极自腐蚀速率CR，计算公式为
式中：M为待测金属的摩尔质量，F为法拉第常数，ρm为待测金属的密度；
根据Bulter-Volmer方程确定牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect与牺牲阳极性能监测电极的阴极电流icprotect；计算公式为
icprotect＝iprotect+iaprotect (2)
式中：ΔE表示电极在涂层、牺牲阳极保护作用下与其自腐蚀电位的电位差；ba和bc分别表示金属结构材料在工作环境中的阳极和阴极Tafel斜率；
且由公式(2)至(4)化简可得公式(5)
baln(iaprotect)+bcln(iprotect+iaprotect)＝(ba+bc)ln(icorr) (5)
步骤S5：将公式(4)化简为关于牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect的函数，计算公式为
对公式(5)进行一阶泰勒展开，并忽略无穷小项可得公式(7)：
(ba+bc)iprotect+bc(iprotect+iaprotect)＝(ba+bc)icorr (7)
由公式(7)可得牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect的近似值iaprotect *为
步骤S6：以近似值baprotect *为初始值，并根据流经牺牲阳极性能监测电极的阴极保护电流iprotect的量级×10-3设置迭代次数，根据公式(6)进行迭代计算；
若当前牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect与上次迭代获取的牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect°差值小于等于预设阈值，则当前牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect即为目标电流；
若当前牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect与上次迭代获取的牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect°差值大于预设阈值，则继续进行迭代；
步骤S7：根据获取的牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect，计算得到牺牲阳极性能监测电极的实际腐蚀速率；
步骤S8：根据牺牲阳极性能监测电极的阴极保护电流iprotect设定涂层剥离的临界电流；
且所述涂层剥离的临界电流＝1/10*iprotect
基于分析终端统计流经各涂层状态监测电极的电偶电流i1-i25，并记录超过涂层剥离的临界电流的电流数量n；
步骤S9：将超过所述涂层剥离的临界电流的n个电流值相加，获得加权电流id，并根据所述加权电流id估算涂层剥离比例α；
所述涂层剥离比例α的估算公式为
基于所述涂层剥离比例α评估涂层剥落等级。
进一步的，步骤S7还包括根据待监测结构给定的腐蚀余量与服役年限获得待监测结构允许的最大腐蚀速率，并将所述待监测结构允许的最大腐蚀速率与所述牺牲阳极性能监测电极的实际腐蚀速率进行判定；
若所述待监测结构允许的最大腐蚀速率大于牺牲阳极性能监测电极的实际腐蚀速率，则判定待监测结构的牺牲阳极具有保护作用；
若所述待监测结构允许的最大腐蚀速率小于牺牲阳极性能监测电极的实际腐蚀速率，则判定待监测结构的牺牲阳极保护作用不足。
进一步的，步骤S7中所述计算得到牺牲阳极性能监测电极的实际腐蚀速率，计算公式为
式中：M表示待测金属的摩尔质量；F表示法拉第常数；ρm表示待测金属的密度；iaprotect表示迭代后的牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect。
有益效果：本发明公开了一种海洋结构物腐蚀状态综合分析装置及监测方法，通过海洋结构物腐蚀状态综合分析装置，可以实现对待监测结构进行涂层剥离程度和牺牲阳极性能监测两种腐蚀防护手段的监测方法，获取涂层剥离失效后在牺牲阳极保护下金属结构的实际腐蚀速率，同时实现监测装备与海洋中待监测结构物之间的紧密联系，解决了传统的监测装备由于独立于待监测结构，无法受到待监测结构实际阴极保护作用而导致的监测数据缺乏可靠性的问题；进而确保监测数据的可靠，对海洋工程装备的腐蚀与防护有重要的价值。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明海洋结构物腐蚀状态综合分析装置示意图；
图2为本发明海洋结构物腐蚀状态综合分析装置的阵列电极探头示意图；
图3为本发明海洋结构物腐蚀状态综合分析装置的涂层状态电极结构图；
图4为本发明海洋结构物腐蚀状态综合分析装置的监测电路原理图；
图5为本发明海洋结构物腐蚀状态综合分析装置的监测方法的流程图。
图中：1、装置壳体；2、阵列电极探头组件；21、探头外壳；22、第一环氧树脂填充层；23、防腐涂层；24、涂层状态监测电极装置；241、涂层状态监测电极；2411、第一结构件；2412、第二结构件；242、固定模具；2421、固定孔结构；243、第二环氧树脂填充层；25、牺牲阳极性能监测电极；26、工作电极；27、参比电极；28、对电极；3、装置底板；4、密封腔体结构；41、组件安装孔结构；5、水下线缆接头；6、焊接固定板；7、螺栓；8、绝缘垫片；9、多路转换器；10、第一零电阻电流计a；11、第二零电阻电流计b；12、第三零电阻电流计c；13、信号发生器；14、电压表。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本实施例提供了一种海洋结构物腐蚀状态综合分析装置，如图1所示，包括装置壳体1、阵列电极探头组件2、装置底板3、焊接固定板6以及分析终端；所述焊接固定板6与待监测结构的待测位置固定连接，所述装置底板3与焊接固定板6固定安装；且所述装置底板3、焊接固定板6以及待监测结构所用材质完全相同；所述焊接固定板6与待监测结构焊接固定，所述焊接固定板6上局部设有若干连接孔，所述装置底板3上相对于焊接固定板6的连接孔开设有螺栓穿过孔，所述焊接固定板6与装置底板3通过螺栓7连接，且所述装置底板3与螺栓7之间设有绝缘垫片8，使得所述螺栓7与焊接固定板6之间做电绝缘处理。
所述装置壳体1为一端开口的腔体结构，且所述装置壳体1的开口端与装置底板3固定连接形成密封腔体结构4；
所述密封腔体结构4的顶端开设有组件安装孔结构41，且所述阵列电极探头组件2通过组件安装孔结构41与密封腔体结构4固定连接；
所述阵列电极探头组件2的顶端部分设有防腐涂层23，所述阵列电极探头组件2用于检测待监测结构的待测位置的破损点；
所述密封腔体结构4内部设有安装电路板，所述阵列电极探头组件2通过导线与所述安装电路板连接，且所述密封腔体结构4的侧壁留有水下线缆接头5，所述水下线缆接头5的一端与安装电路板连接，且所述水下线缆接头5的另一端通过水下线缆与所述分析终端连接；
所述分析终端用于根据阵列电极探头组件2检测的破损点，评估防腐涂层23的破损等级，并基于所述电极探头组件2检测对应所述破损等级条件下牺牲阳极的腐蚀速率。
由于实际检测过程中，海洋结构物表面的防腐涂层的破损情况，能够影响海洋结构物牺牲阳极的腐蚀速率，传统的海洋工程腐蚀防护监测装备通常只是单一的对涂层和牺牲阳极性能进行监测，使得检测耗时时间长，且检测结果不精确；通过海洋结构物腐蚀状态综合分析装置，可以实现对待监测结构进行涂层剥离程度和牺牲阳极性能监测两种腐蚀防护手段的监测方法，获取涂层剥离失效后在牺牲阳极保护下金属结构的实际腐蚀速率，同时实现监测装备与海洋中待监测结构物之间的紧密联系，解决了传统的监测装备由于独立于待监测结构，无法受到待监测结构实际阴极保护作用而导致的监测数据缺乏可靠性的问题；进而确保监测数据的可靠，对海洋工程装备的腐蚀与防护有重要的价值。
在具体实施例中，如图2所示，所述阵列电极探头组件2包括探头外壳21、第一环氧树脂填充层22、防腐涂层23、涂层状态监测电极装置24以及多个电极；所述多个电极包括牺牲阳极性能监测电极25、工作电极26、参比电极27以及对电极28；所述探头外壳21、牺牲阳极性能监测电极25以及工作电极26所用材质与待监测结构所用材质完全相同；所述防腐涂层23与和待监测结构所用涂层完全一致；
所述第一环氧树脂填充层22用于填充环氧树脂在探头外壳21、涂层状态监测电极装置24以及多个电极之间，起到绝缘、固定的作用；
所述涂层状态监测电极装置24设置在所述探头外壳21的中心位置，所述涂层状态监测电极装置24的顶端所在平面与探头外壳21的顶端所在平面重合；且所述涂层状态监测电极装置24的顶端设有防腐涂层29；
所述牺牲阳极性能监测电极25与工作电极26设置在所述探头外壳21的内部，且相对设置在所述涂层状态监测电极装置24的两端；
所述参比电极27与对电极28设置在所述工作电极26的两侧，且所述工作电极26、参比电极27以及对电极28所在中心位于同一平面；
所述探头外壳21、涂层状态监测电极装置24以及多个电极之间形成第一环氧树脂填充层22，通过在所述第一环氧树脂填充层22内填充环氧树脂将涂层状态监测电极装置24与多个电极固定设置于探头外壳21的内部。
在具体实施例中，如图3所示，所述涂层状态监测电极装置24包括若干涂层状态监测电极241、固定模具242以及第二环氧树脂填充层243；
所述涂层状态监测电极241为由第一结构件2411与第二结构件2412连接形成的一体结构；所述固定模具242均布设有若干固定孔结构2421，所述涂层状态监测电极241通过第二结构件2412与固定模具242固定连接；且所述第二结构件2412的底端通过导线与安装电路板连接；
所述各涂层状态监测电极241之间形成第二环氧树脂填充层243，且相邻所述涂层状态监测电极241之间的距离不超过预设阈值0.2mm。
其中各涂层状态监测电极241的结构为：第一结构件2411为截面积2mm×2mm，长为20mm的长方形结构，第二结构件2412为直径0.9mm，高度4mm的圆柱形结构。且涂层状态监测电极241的顶部为工作表面，涂覆涂层；涂层状态监测电极241的第二结构件2412插入固定模具242中，通过固定模具242固定，确保相邻电极工作表面间隔不超过0.2mm，尽可能避免由于环氧树脂和涂层状态监测电极241表面性质不同导致的涂层粘合强度差异带来的监测误差。
在具体实施例中，如图4所示，所述安装电路板上设有多路转换器9、第一零电阻电流计a10、第二零电阻电流计b11、第三零电阻电流计c12、信号发生器13以及电压表14；
所述多路转换器9的一端分别与各涂层状态监测电极241连接，且所述多路转换器9的另一端与所述第一零电阻电流计a10的一端连接，所述第一零电阻电流计a10的另一端与装置壳体1连接；
具体为所述涂层监测电极241共有25根丝(即电极)，多路转换器9的作用是一个多路开关，通过依次控制每一根丝和第一零电阻电流计a10的一端相连，将第一零电阻电流计a10的另一端再和其余24根丝偶接，然后将与24根丝偶接的第一零电阻电流计a10的另一端与装置壳体1连接，进而通过多路转换器可以实现对流经每一根丝的电流的测量；
所述第二零电阻电流计b11的一端与牺牲阳极性能监测电极25连接，所述第二零电阻电流计b11的另一端与装置壳体1连接；所述电压表14的一端与参比电极27连接，所述第三零电阻电流计c12的一端与对电极28连接，且所述电压表14的另一端、第三零电阻电流计c12的另一端以及工作电极26与所述信号发生器13的一端连接；
所述参比电极27、对电极28以及工作电极26构成三电极体系，参比电极27和对电极28的作用是为了和工作电极26构成电化学测试的三电极体系，且所述三电极体系为标准的腐蚀速率测量方法，所述信号发生器13的另一端接地。
一种海洋结构物腐蚀状态综合分析装置的监测方法，如图5所示，且所述监测方法具体包括评估涂层状态与牺牲阳极性能的监测方法；包括以下步骤：
步骤S1：基于多路转换器通过第一零电阻电流计a采集流经各涂层状态监测电极的电偶电流i1-i25；
通过第二零电阻电流计b采集流经牺牲阳极性能监测电极的阴极保护电流iprotect；
步骤S2：基于三电极体系，利用信号发生器施加动电位扫描信号，并通过第三零电阻电流计c与电压表，采用线性极化法测量工作电极的自腐蚀电流icorr；
步骤S3：将获取的流经各涂层状态监测电极的电偶电流i1-i25、牺牲阳极性能监测电极的阴极保护电流iprotect以及工作电极的自腐蚀电流icorr，通过水下线缆传输至分析终端；
步骤S4：根据所述工作电极的自腐蚀电流icorr计算工作电极自腐蚀速率CR，计算公式为
式中：M为待测金属的摩尔质量，F为法拉第常数，ρm为待测金属的密度；
根据Bulter-Volmer方程确定牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect与牺牲阳极性能监测电极的阴极电流icprotect；计算公式为
icprotect＝iprotect+iaprotect (2)
式中：ΔE表示电极在涂层、牺牲阳极保护作用下与其自腐蚀电位的电位差；ba和bc分别表示金属结构材料在工作环境中的阳极和阴极Tafel斜率；iprotect与iaprotect是两个不同的含义，其中iprotect是通过第二零电阻电流计b测量得到流经牺牲阳极性能监测电极25的电流值，通常我们称为电偶电流。而电偶电流值实际上是金属阳极(anode)电流和阴极(cathode)电流的差值，在这里面我定义牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流为iaprotect，定义牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流为icprotect；金属腐蚀实际上是电化学腐蚀，包括阳极反应和阴极反应，且阳极反应和阴极反应所对应的电流分别称为阳极电流和阴极电流；
且由公式(2)至(4)化简可得公式(5)
ba ln(iaprotect)+bcln(iprotect+iaprotect)＝(ba+bc)ln(icorr) (5)
步骤S5：将公式(4)化简为关于牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect的函数，计算公式为
对公式(5)进行一阶泰勒展开，并忽略无穷小项可得公式(7)：
(ba+bc)iaprotect+bc(iprotect+iaprotect)＝(ba+bc)icorr (7)
由公式(7)可得牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect的近似值iaprotect *为
步骤S6：以近似值iaprotect *为初始值，并根据流经牺牲阳极性能监测电极的阴极保护电流iprotect的量级×10-3设置迭代次数，根据公式(6)进行迭代计算；
若当前牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect与上次迭代获取的牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect°差值小于等于预设阈值，则当前牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect即为目标电流；
若当前牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect与上次迭代获取的牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect°差值大于预设阈值，则继续进行迭代；
步骤S7：根据获取的牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect，计算得到牺牲阳极性能监测电极的实际腐蚀速率；
具体地，步骤S7还包括根据待监测结构给定的腐蚀余量与服役年限获得待监测结构允许的最大腐蚀速率，其中，待监测结构给定的腐蚀余量与服役年限为在待测金属结构物设计过程中的给定的腐蚀余量以及金属结构物设计的服役年限，为现有公知技术手段，并非本申请的发明点，在此不再赘述；并将所述待监测结构允许的最大腐蚀速率与所述牺牲阳极性能监测电极的实际腐蚀速率进行判定；
若所述待监测结构允许的最大腐蚀速率大于牺牲阳极性能监测电极的实际腐蚀速率，则判定待监测结构的牺牲阳极的性能具有保护作用；
若所述待监测结构允许的最大腐蚀速率小于牺牲阳极性能监测电极的实际腐蚀速率，则判定待监测结构的牺牲阳极的性能保护作用不足，需及时进行处理，且对应处理的手段与方式并非本申请的发明点，在此不再赘述；
所述计算得到牺牲阳极性能监测电极的实际腐蚀速率，计算公式为
式中：M表示待测金属的摩尔质量；F表示法拉第常数；ρm表示待测金属的密度；iaprotect表示迭代后的牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect。
步骤S8：根据牺牲阳极性能监测电极的阴极保护电流iprotect设定涂层剥离的临界电流；
且所述涂层剥离的临界电流＝1/10*iprotect
基于分析终端统计流经各涂层状态监测电极的电偶电流i1-i25，并记录超过涂层剥离的临界电流的电流数量n；
步骤S9：将超过所述涂层剥离的临界电流的n个电流值相加，获得加权电流id，并根据所述加权电流id估算涂层剥离比例α；
所述涂层剥离比例α的估算公式为
基于规范GB/T 30789.5-2015/ISO 4628-5:2003，色漆和清漆涂层老化的评价的剥落等级的评定，结合所述涂层剥离比例α评估涂层剥落等级。其中，所述色漆和清漆涂层老化的评价的剥落等级的评定为现有公知技术，并非本申请的发明点，在此不再赘述。
综上可知，本发明集成了涂层剥离情况、牺牲阳极消耗情况以及裸露情况下腐蚀速率的监测方法，可有效实现海洋结构物腐蚀状态的综合分析。同时通过改进的阵列电极加工工艺，极大程度的缩短了阵列电极间距，降低由于环氧树脂和金属表面性能差役而导致的采用阵列电极监测涂层状态的误差。并通过涂层状态监测电机经由装置外壳与实际海洋结构物偶接的形式，实现了在实际海洋工程环境中外加阴极(牺牲阳极)保护状态下的涂层状态的监测，更符合实际工程情况。提出牺牲阳极消耗状态的监测方法，通过计算牺牲阳极保护状态下的腐蚀速率，可准确的判断牺牲阳极的性能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种海洋结构物腐蚀状态综合分析装置，其特征在于，包括装置壳体(1)、阵列电极探头组件(2)、装置底板(3)、焊接固定板(6)以及分析终端；所述焊接固定板(6)与待监测结构的待测位置固定连接，所述装置底板(3)与焊接固定板(6)固定安装；
所述装置壳体(1)为一端开口的腔体结构，且所述装置壳体(1)的开口端与装置底板(3)固定连接形成密封腔体结构(4)；
所述密封腔体结构(4)的顶端开设有组件安装孔结构(41)，且所述阵列电极探头组件(2)通过组件安装孔结构(41)与密封腔体结构(4)固定连接；
所述阵列电极探头组件(2)的顶端部分设有防腐涂层(23)，所述阵列电极探头组件(2)用于监测待测结构的待测位置的涂层状态；
所述密封腔体结构(4)内部设有安装电路板，所述阵列电极探头组件(2)通过导线与所述安装电路板连接，且所述密封腔体结构(4)的侧壁留有水下线缆接头(5)，所述水下线缆接头(5)的一端与安装电路板连接，且所述水下线缆接头(5)的另一端通过水下线缆与所述分析终端连接；
所述分析终端用于根据阵列电极探头组件(2)监测的破损点，评估防腐涂层(23)的破损等级。
2.根据权利要求1所述的一种海洋结构物腐蚀状态综合分析装置，其特征在于，所述阵列电极探头组件(2)包括探头外壳(21)、第一环氧树脂填充层(22)、防腐涂层(23)、涂层状态监测电极装置(24)以及多个电极；所述多个电极包括牺牲阳极性能监测电极(25)、工作电极(26)、参比电极(27)以及对电极(28)；
所述涂层状态监测电极装置(24)设置在所述探头外壳(21)的中心位置；且所述涂层状态监测电极装置(24)的顶端设有防腐涂层(29)；
所述牺牲阳极性能监测电极(25)与工作电极(26)设置在所述探头外壳(21)的内部，且相对设置在所述涂层状态监测电极装置(24)的两端；
所述参比电极(27)与对电极(28)设置在所述工作电极(26)的两侧；
所述探头外壳(21)、涂层状态监测电极装置(24)以及多个电极之间形成第一环氧树脂填充层(22)，通过在所述第一环氧树脂填充层(22)内填充环氧树脂将涂层状态监测电极装置(24)与多个电极固定设置于探头外壳(21)的内部。
3.根据权利要求1所述的一种海洋结构物腐蚀状态综合分析装置，其特征在于，所述涂层状态监测电极装置(24)包括若干涂层状态监测电极(241)、固定模具(242)以及第二环氧树脂填充层(243)；
所述涂层状态监测电极(241)为由第一结构件(2411)与第二结构件(2412)连接形成的一体结构；所述固定模具(242)均布设有若干固定孔结构(2421)，所述涂层状态监测电极(241)通过第二结构件(2412)与固定模具(242)固定连接；且所述第二结构件(2412)的底端通过导线与安装电路板连接；
所述各涂层状态监测电极(241)之间形成第二环氧树脂填充层(243)，且相邻所述涂层状态监测电极(241)之间的距离不超过预设阈值。
4.根据权利要求3所述的一种海洋结构物腐蚀状态综合分析装置，其特征在于，所述焊接固定板(6)与装置底板(3)通过螺栓(7)连接，且所述装置底板(3)与螺栓(7)之间设有绝缘垫片(8)。
5.根据权利要求3所述的一种海洋结构物腐蚀状态综合分析装置，其特征在于，所述安装电路板上设有多路转换器(9)、第一零电阻电流计a(10)、第二零电阻电流计b(11)、第三零电阻电流计c(12)、信号发生器(13)以及电压表(14)；
所述多路转换器(9)的一端分别与各涂层状态监测电极(241)连接，且所述多路转换器(9)的另一端与所述第一零电阻电流计a(10)的一端连接，所述第一零电阻电流计a(10)的另一端与装置壳体(1)连接；
所述第二零电阻电流计b(11)的一端与牺牲阳极性能监测电极(25)连接，所述第二零电阻电流计b(11)的另一端与装置壳体(1)连接；
所述电压表(14)的一端与参比电极(27)连接，所述第三零电阻电流计c(12)的一端与对电极(28)连接，且所述电压表(14)的另一端、第三零电阻电流计c(12)的另一端以及工作电极(26)与所述信号发生器(13)的一端连接；
所述参比电极(27)、对电极(28)以及工作电极(26)构成三电极体系，所述信号发生器(13)的另一端接地。
6.一种基于权利要求1至5任意一项所述的海洋结构物腐蚀状态综合分析装置的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：基于多路转换器通过第一零电阻电流计a采集流经各涂层状态监测电极的电偶电流i1-i25；
通过第二零电阻电流计b采集流经牺牲阳极性能监测电极的阴极保护电流iprotect；
步骤S2：基于三电极体系，利用信号发生器施加动电位扫描信号，并通过第三零电阻电流计c与电压表，采用线性极化法测量工作电极的自腐蚀电流icorr；
步骤S3：将获取的流经各涂层状态监测电极的电偶电流i1-i25、牺牲阳极性能监测电极的阴极保护电流iprotect以及工作电极的自腐蚀电流icorr，通过水下线缆传输至分析终端；
步骤S4：所述分析终端根据所述工作电极的自腐蚀电流icorr计算工作电极自腐蚀速率CR，计算公式为
式中：M为待测金属的摩尔质量，F为法拉第常数，ρm为待测金属的密度；
根据Bulter-Volmer方程确定牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect与牺牲阳极性能监测电极的阴极电流icprotect；计算公式为
icprotect＝iprotect+iprotect (2)
式中：ΔE表示电极在涂层、牺牲阳极保护作用下与其自腐蚀电位的电位差；ba和bc分别表示金属结构材料在工作环境中的阳极和阴极Tafel斜率；
且由公式(2)至(4)化简可得公式(5)
baln(iaprotect)+bcln(iprotect+iaprotect)＝(ba+bc)ln(icorr) (5)
步骤S5：将公式(4)化简为关于牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect的函数，计算公式为
对公式(5)进行一阶泰勒展开，并忽略无穷小项可得公式(7)：
(ba+bc)iprotect+bc(iprotect+iaprotect)＝(ba+bc)icorr (7)
由公式(7)可得牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect的近似值iaprotect *为
步骤S6：以近似值iaprotect *为初始值，并根据流经牺牲阳极性能监测电极的阴极保护电流iprotect的量级×10-3设置迭代次数，根据公式(6)进行迭代计算；
若当前牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect与上次迭代获取的牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect o差值小于等于预设阈值，则当前牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect即为目标电流；
若当前牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect与上次迭代获取的牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect o差值大于预设阈值，则继续进行迭代；
步骤S7：根据获取的牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect，计算得到牺牲阳极性能监测电极的实际腐蚀速率；
步骤S8：根据牺牲阳极性能监测电极的阴极保护电流iprotect设定涂层剥离的临界电流；
且所述涂层剥离的临界电流＝1/10*iprotect
基于分析终端统计流经各涂层状态监测电极的电偶电流i1-i25，并记录超过涂层剥离的临界电流的电流数量n；
步骤S9：将超过所述涂层剥离的临界电流的n个电流值相加，获得加权电流id，并根据所述加权电流id估算涂层剥离比例α；
所述涂层剥离比例α的估算公式为
基于所述涂层剥离比例α评估涂层剥落等级。
7.根据权利要求6所述的一种海洋结构物腐蚀状态综合分析装置的监测方法，其特征在于，步骤S7还包括根据待监测结构给定的腐蚀余量与服役年限获得待监测结构允许的最大腐蚀速率，并将所述待监测结构允许的最大腐蚀速率与所述牺牲阳极性能监测电极的实际腐蚀速率进行判定；
若所述待监测结构允许的最大腐蚀速率大于牺牲阳极性能监测电极的实际腐蚀速率，则判定待监测结构的牺牲阳极具有保护作用；
若所述待监测结构允许的最大腐蚀速率小于牺牲阳极性能监测电极的实际腐蚀速率，则判定待监测结构的牺牲阳极保护作用不足。
8.根据权利要求6所述的一种海洋结构物腐蚀状态综合分析装置的监测方法，其特征在于，步骤S7中所述计算得到牺牲阳极性能监测电极的实际腐蚀速率，计算公式为
式中：M表示待测金属的摩尔质量；F表示法拉第常数；ρm表示待测金属的密度；iaprotect表示迭代后的牺牲阳极性能监测电极的阳极溶解电流iaprotect。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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