研究铁质管道电化学腐蚀和管网水质变化的试验模拟平台制造技术

研究铁质管道电化学腐蚀和管网水质变化的试验模拟平台，属于金属管道电化学腐蚀模拟试验技术领域。其特征在于，内置有阴离子交换膜、用作阳极的铁管基材、用作阴极的管垢成分压片、用作放置研究对象和电解液的反应容器以及与反应容器串联的电压或电流采集测量数字电路。阴离子交换膜用于把阴阳两极隔开形成阴极腔和阳极腔。通过采集电极间的电压和电流数据来研究阴极管垢的电化学腐蚀过程，研究管道水质变化的动力学过程。该平台有助于更全面、客观地解决管道腐蚀的防护问题，弥补了目前仅考虑阳极金属电化学腐蚀之不足，为今后研究包括中水、海水、各种污水在内的管网的电化学腐蚀、防护问题提供了一个非常有实用价值的试验模拟平台。

【技术实现步骤摘要】
研究铁质管道电化学腐蚀和管网水质变化的试验模拟平台
本专利技术涉及一种研究铁管及其管垢发生电化学腐蚀和管网水水质变化的试验模拟平台，属于金属管道电化学腐蚀研究领域。
技术介绍
使用铁质管网输送自来水、污水、海水、油气、工业原料等流体时会发生腐蚀，其类型主要分为电化学腐蚀、化学腐蚀和微生物腐蚀，其中绝大部分发生的腐蚀是局部腐蚀，占主导作用的腐蚀是电化学腐蚀。电化学腐蚀是金属在导电的溶液介质中发生电化学反应而发生的腐蚀，在此过程中有腐蚀电流产生。金属电化学腐蚀是金属作为阳极，失电子发生溶解；而金属电化学腐蚀之所以能进行的根本原因在于腐蚀介质中去极化剂的存在，它和金属构成了不稳定的腐蚀原电池体系。去极化剂的阴极还原反应过程接受阳极金属产生的电子，由此使金属不断消耗而遭受腐蚀。阴极反应过程包括：氢离子还原过程、溶解氧的还原过程、不溶性高价金属产物(如铁锈蚀产物)的还原、重金属离子沉积(如二价铜还原为金属铜)、溶液中阴离子(如硝酸根)还原、溶液中某些有机化合物的阴极还原反应等。已有研究表明，发育完全的铁质管网管垢从内到外分为管道基材、多孔疏松内核层、相对致密的硬壳层和表面层。其中管道基材的成分主要是单质铁，内核层的成分主要是亚铁化合物，硬壳层的成分主要是四氧化三铁和羟基氧化铁，表面层则以水中的沉积物为主。当外部相对致密的硬壳层被破坏，就会使多孔疏松内核层的铁释放出来，导致管网水质变化，会发生“黄水”、“红水”现象。导致管垢硬壳层受到破坏的机理主要是电化学反应。铁质管网电化学腐蚀的阴极去极化剂主要是溶解氧和管垢成分。输送的水等流体介质一般是中性或偏碱性环境，在溶解氧、氯等存在的情况下这些强氧化剂得电子被还原；在溶解氧、氯缺乏时管垢硬壳层成分四氧化三铁和羟基氧化铁等高价铁化合物得电子被还原，导致管垢被破坏出现缝隙，可能造成内部亚铁化合物的大量释放。在这个过程中，腐蚀性阴离子硫酸根和氯离子也是影响铁管及管垢电化学腐蚀的重要因素。目前与金属管道电化学腐蚀相关的研究方法主要集中在阳极金属一侧，且大都基于双电极或三电极系统，几乎没有研究铁质管垢(阴极一侧)电化学腐蚀的报道，相关的专利申请包括：(1)一种低速管道内腐蚀和电化学测试的简易模拟装置(申请号：201410071582.2)，该专利技术公开了一种低速管道内腐蚀和电化学测试的简易模拟装置，可实现低于75℃密闭不同腐蚀介质环境中小于1m/s流速管道内电化学测试及小于3m/s流速的管道内腐蚀模拟加速腐蚀试验。装置包括腐蚀溶液储循容器、溶液循环计量系统，模拟管道内腐蚀样品室以及电化学测试装置。该专利技术大大减少硫化氢及其溶液的泄露，提高试验人员和环境的安全性,可方便准确模拟实际工况下管道内腐蚀及电化学参数测定。该申请对真实管道利用电化学方法测试腐蚀情况，与本申请“研究铁质管道电化学腐蚀和管网水质变化的试验模拟平台”在结构特征、系统构成、处理对象、技术手段等方面都不相同。(2)流动腐蚀介质中的金属腐蚀电化学实验装置(申请号：201510018238.1)，该专利技术涉及一种流动腐蚀介质中的金属腐蚀电化学实验装置，主体为一圆柱玻璃空腔，空腔两端为聚四氟乙烯堵头，一端堵头上设有工作电极触孔，另一端接有辅助电极及其导线，空腔上方分布有进出口、参比电极测孔及参比电极、腐蚀介质理化性质监测孔。利用工作电极触孔和工作电极触点固定研究金属材料试片，实验中通过进出口的导引使流经研究金属材料试片的液体成为流动腐蚀介质，参比电极接入圆柱玻璃空腔内部，可对金属材料进行极化扫描、交流阻抗谱等电化学测试，准确获取动态腐蚀过程中的金属腐蚀特性，获得动态腐蚀过程中的腐蚀数据，有利于更好地分析金属材料在流动腐蚀环境中的腐蚀机理。该申请对金属材料试片利用电化学方法测试腐蚀情况，与本申请“研究铁质管道电化学腐蚀和管网水质变化的试验模拟平台”在结构特征、系统构成、处理对象、技术手段等方面都不相同。(3)一种输水管道腐蚀监测电化学传感器(申请号：201420147679.2)，该技术公开了一种输水管道腐蚀监测电化学传感器，包括工作电极、Ag/AgCl参比电极、铂丝电极、外壳、吸水海绵和不锈钢辅助电极。铂丝电极上串联有电容后和参比电极并联形成双参比电极；参比电极和铂丝电极上端固定焊接设置有用于连接二者传输电信号的参比电极屏蔽引线；工作电极设置于外壳内最底部，不锈钢辅助电极平行于工作电极，上端固定焊接连接辅助电极屏蔽引线。该技术以铂丝电极与参比电极并联制成双参比电极，有效避免数据采集时的高频漂移，结构简单，成本低廉，测量精度高。该申请对金属管利用电化学方法测试腐蚀情况，与本申请“研究铁质管道电化学腐蚀和管网水质变化的试验模拟平台”在结构特征、系统构成、处理对象、技术手段等方面都不相同。(4)一种用于研究给水管网内壁管垢铁稳定性的方法(申请号：201110258380.5)，该专利技术公开了一种给水管网水质化学稳定性研究用的管段模拟反应器和方法，其特征在于截取具有一定使用年限的腐蚀管段，与有机玻璃盖板连接成“管段模拟反应器”，以搅拌产生的横向环流来模拟实际管道中的纵向水流条件，研究水与管段内壁管垢长时间接触产生的水质变化。反应器上设备有探头插口，可外接pH、溶解氧等在线监测系统和药剂自动投加设备，将试验水质参数稳定运行在一定范围。运行期间试验水体与腐蚀管垢经过一段时间接触后，水中的化学离子组分与管垢发生反应，从而模拟研究管垢金属离子释放。该申请对实际金属管利用化学方法研究腐蚀情况，与本申请“研究铁质管道电化学腐蚀和管网水质变化的试验模拟平台”在处理对象、技术手段等方面都不相同。综上所述，前人的研究和专利申请都是关注金属管道或金属试片的腐蚀。本申请关注金属基材和管垢两个对象，开发了一种将复杂的管道及管垢成分进行概化的试验模拟平台，可以为管垢破坏导致的铁释放提供研究方法和手段，与前人的研究和专利申请存在很大差别，具有很好的创新性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种测试铁管腐蚀、管垢破坏和管网水质变化的电化学方法，可通过测试阳极铁片和阴极管垢之间的电势差(电压)推测电化学腐蚀反应式，通过测试阴阳极间的电流判断腐蚀反应的强弱，解决了现有技术中只有金属电化学腐蚀测试缺少管垢破坏的电化学反应测试的问题。该装置的阴极管垢可换为不同成分的压片，电解质溶液可根据需要调节，适用性强。本专利技术的特征在于：1.研究铁质管道电化学腐蚀和管网水质变化的试验模拟平台，其特征在于，是一种同时测试金属阳极和管垢阴极之间的电化学腐蚀特性的实验设备，包括：阴离子交换膜、用作阳极的铁质管材、用作阴极的管垢材料压片、放置研究对象和电解液的密封反应容器，以及在容器外与电极连接的电化学信号采集测量系统，其中：反应容器，由有机玻璃制成，阴极侧和阳极侧分别为两块相同的中空组件，容器长度方向侧面两端为两片实心有机玻璃板。并且在沿长度方向的上下四角用螺栓-螺母组件固定，其中：阳极铁质管材，上面打孔，用于和铜导线连接并用铜箔导电胶固定；阴极管垢成分压片，由四氧化三铁或羟基氧化铁的高纯度粉末压制而成，来模拟管垢成分，所述管垢压片通过铜箔导电胶与铜导线连接固定；阴离子交换膜，在反应容器即将密封组装时插入容器中间，形成体积相等的阳极腔和阴极腔，用以分别检测各腔内的水质和电极的变化本文档来自技高网...

【技术保护点】
研究铁质管道电化学腐蚀和管网水质变化的试验模拟平台，其特征在于，是一种同时测试金属阳极和管垢阴极之间的电化学腐蚀特性的实验设备，包括：阴离子交换膜、用作阳极的铁质管材、用作阴极的管垢材料压片、放置研究对象和电解液的密封反应容器，以及在容器外与电极连接的电化学信号采集测量系统，其中：反应容器，由有机玻璃制成，阴极侧和阳极侧分别为两块相同的中空组件，容器长度方向侧面两端为两片实心有机玻璃板。并且在沿长度方向的上下四角用螺栓‑螺母组件固定，其中：阳极铁质管材，上面打孔，用于和铜导线连接并用铜箔导电胶固定；阴极管垢成分压片，由四氧化三铁或羟基氧化铁的高纯度粉末压制而成，来模拟管垢成分，所述管垢压片通过铜箔导电胶与铜导线连接固定；阴离子交换膜，在反应容器即将密封组装时插入容器中间，形成体积相等的阳极腔和阴极腔，用以分别检测各腔内的水质和电极的变化；电解质溶液，经氮吹排除其中的溶解氧后再加入组装好的反应容器中，加满后对容器进行密封；作为阳极的所述铁质管材和作为阴极的管垢压片分别位于阳极腔和阴极腔内，沿所述反应器的宽度方向相对于所述阴离子交换膜平行布置，各自分别通过裸铜线经开在上侧的两个相互电绝缘的导线孔连接到所述电化学信号采集测量系统的信号输入端，再用铜箔导线胶固定；所述阴离子交换膜嵌入有机玻璃组件放置硅胶垫圈的凹槽内，并对其用硅胶垫圈予以固定，插入位置与螺栓‑螺母组件电绝缘；在所述上侧面上，相对于阳极腔和阴极腔的中心位置处分别垂直地开有阳极电解液取样孔和阴极电解液取样孔，并密封。电化学信号采集测量系统的电压采集测量误差±1mV，采样间隔至少1ms；电流采集测量分辨率为0.1μA，采样间隔至少1s。...

【技术特征摘要】
1.研究铁质管道电化学腐蚀和管网水质变化的试验模拟平台，其特征在于，是一种同时测试金属阳极和管垢阴极之间的电化学腐蚀特性的实验设备，包括：阴离子交换膜、用作阳极的铁质管材、用作阴极的管垢材料压片、放置研究对象和电解液的密封反应容器，以及在容器外与电极连接的电化学信号采集测量系统，其中：反应容器，由有机玻璃制成，阴极侧和阳极侧分别为两块相同的中空组件，容器长度方向侧面两端为两片实心有机玻璃板。并且在沿长度方向的上下四角用螺栓-螺母组件固定，其中：阳极铁质管材，上面打孔，用于和铜导线连接并用铜箔导电胶固定；阴极管垢成分压片，由四氧化三铁或羟基氧化铁的高纯度粉末压制而成，来模拟管垢成分，所述管垢压片通过铜箔导电胶与铜导线连接固定；阴离子交换膜，在反应容器即将密封组装时插入容器中间，形成体积相等的阳极腔和阴极腔，用以分别检测各腔内的水质和电极的变化；电解质溶液，经氮吹排除其中的溶解...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈超，李晓敏，张晓健，汪隽，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11