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壓力容器腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)簡介
原理
腐蝕監(jiān)測(cè)電阻法是測(cè)定壓力容器殼體及受壓元件金屬的電阻變化，如果腐蝕大體是均勻的，則電阻的變化與腐蝕的增量成比例。從每次的讀數(shù)可以計(jì)算出經(jīng)過一段時(shí)間之后的總腐蝕，因而也可以計(jì)算出腐蝕速度。如果選擇足夠靈敏度的元件，就允許腐蝕速度變化較快。如腐蝕速度變化參數(shù)很重要時(shí)，也可以選用更為合適的其他方法。
電阻法在實(shí)際應(yīng)用中已得到很好驗(yàn)證，其使用和對(duì)結(jié)果的解釋通常都很簡單。商品儀器可以用一個(gè)或多個(gè)探頭作周期性測(cè)量或連續(xù)測(cè)量。因此，可以將腐蝕與工藝參數(shù)聯(lián)系起來。這種方法是壓力容器運(yùn)行期間進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)的基本手段之一，常用于腐蝕控制。它也可作為一種診斷手段，估計(jì)工藝變化對(duì)腐蝕的影響，如評(píng)選緩蝕劑的效果，圖1。
圖1腐蝕探頭測(cè)量結(jié)果（輕石腦油冷凝器）
這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于它能夠測(cè)定液相或氣相的腐蝕。而且，它不像使用極化阻力法那樣，液相必須是電解液。其缺點(diǎn)是除非腐蝕是均勻的，否則不容易解釋測(cè)量結(jié)果。因此，這種方法不適合于點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕破裂或其他局部性腐蝕破壞。此外，它也和那些測(cè)試元件通常都要插入生產(chǎn)裝置內(nèi)部作為探頭的技術(shù)一樣，具有共同的弱點(diǎn)，探頭行為不可能與生產(chǎn)裝置本身的行為完全相同。
儀器裝置
大多數(shù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)都是用Corrosometer儀和探頭取得的，市場(chǎng)上可買得到的其他規(guī)格的儀器也基于相同的原理，具有相似的或等效的特性。測(cè)量儀器通常以凱爾文或惠斯登電橋?yàn)榛A(chǔ)，處于腐蝕狀態(tài)下的元件作為電橋電路的一個(gè)臂。采用交流電橋（凱爾文電橋）比較好，因?yàn)樗苊饬藴y(cè)試元件上任何電極電位變化而產(chǎn)生的影響，并使儀器設(shè)計(jì)簡化。該儀器的設(shè)計(jì)原則是，對(duì)于元件的有效壽命來說，平衡電位器的阻抗與元件厚度成比例。元件的有效壽命一般取為元件厚度減少到原始厚度的一半所需要的時(shí)間，以最大限度地減小由于腐蝕不完全均勻而產(chǎn)生的測(cè)試誤差，這一點(diǎn)，隨著元件的逐漸變薄而愈來愈重要。
平衡電位器是這樣選擇的，其刻度范圍為0~1000，此范圍與探頭元件的有效金屬損失相對(duì)應(yīng)。例如，一個(gè)絲狀探頭元件，厚2.0mm，此探頭的有效厚度損失為1.0mm，這相當(dāng)于在元件周圍0.5mm的穿透深度。因而，將0.5mm的金屬損失與平衡電位器上刻度的變化相對(duì)應(yīng)，經(jīng)過一段時(shí)間之后的穿透深度（總腐蝕）或者平均腐蝕速度可由下述關(guān)系確定：
在Corrosometer儀里，這種關(guān)系可以寫成：
對(duì)于直徑2.0mm的絲狀元件，式中探頭系數(shù)為0.5。探頭系數(shù)是所用元件類型和尺寸的表征。對(duì)于原始厚度為0.25mm的管狀元件，如果只從一側(cè)腐蝕，那么，探頭系數(shù)就是0.125。如果采用單一類型的元件，顯然可以標(biāo)定這個(gè)儀器，以直接讀取累積的金屬損失。這種基本儀器可以很容易組配起來進(jìn)行連續(xù)記錄，或利用傳統(tǒng)的儀表工程技術(shù)自動(dòng)地掃描大量的探頭。另外，還可以配合使用差動(dòng)分析器直接得到腐蝕速度讀數(shù)。
探頭設(shè)計(jì)
測(cè)試元件通常采用絲狀、管狀或片狀，這樣，可以預(yù)期這種元件的電阻與溫度之間密切的依賴關(guān)系。所以設(shè)置一個(gè)“比較”元件，可將溫度補(bǔ)償置入Corrosometer儀探頭內(nèi)。此比較元件必須防腐，并靠近受腐蝕的元件放置，因而經(jīng)受相同的溫度條件。該比較元件裝到探頭體內(nèi)，可以采用填充在探頭內(nèi)的環(huán)氧樹脂或陶瓷保護(hù)。進(jìn)行測(cè)量時(shí)，它作為電橋的第二臂。第二個(gè) “比較電極”通常放置在探頭體內(nèi)，使用時(shí)用來對(duì)填充系統(tǒng)和探頭內(nèi)部回路的完整性作 “檢查”測(cè)量。為了通向腐蝕性介質(zhì)，暴露的測(cè)試元件通常采用通道狹窄或類似結(jié)構(gòu)的套筒做機(jī)械性防護(hù)。如圖2所示。
圖2 可伸縮型電阻探頭示意
購買市售探頭可根據(jù)合金和各種元件的類型和厚度的范圍來考慮。選擇一種元件時(shí)，需要在工作壽命和靈敏度之間權(quán)衡。對(duì)于那些厚度變化微小的測(cè)量，使用管狀或片狀薄元件的探頭可獲得最大靈敏度。但薄元件的有效壽命比那些較厚的絲狀元件短得多，絲狀元件的靈敏度則較低。大多數(shù)靈敏的探頭都采用薄的金屬箔作元件，這種元件可用于大氣腐蝕實(shí)驗(yàn)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用來說，管狀元件常常具有最好的綜合性能，這種元件將適當(dāng)?shù)撵`敏度與強(qiáng)度結(jié)合起來，可以防止機(jī)械損壞，避免流速影響。這種元件還有另外一些優(yōu)點(diǎn)，它比片狀或絲狀元件往往更能代表壓力容器的冶金條件（出現(xiàn)蝕坑時(shí)，對(duì)橫截面積的影響相對(duì)減?。?，比絲狀元件有更長的壽命。
所制成的Corrosometer探頭可用于加壓系統(tǒng)，壓力達(dá)到3.5MPa以上。最高使用溫度取決于聚四氟乙烯或者取決于陶瓷、玻璃端面絕緣塊（用來將探頭元件與探頭體絕緣的材料）。聚四氟乙烯和玻璃塊的使用溫度 260 ℃以下，陶瓷塊可達(dá)540 ℃。但是，如果密封墊或填充材料在使用環(huán)境中發(fā)生化學(xué)破壞，則實(shí)際限度要比這些數(shù)值低。這種探頭可以制成固定式，在停車期間插入和從系統(tǒng)中取出；或者，制成伸縮式的探頭，可通過一個(gè)填料密封裝置和法蘭或閘閥在壓力容器運(yùn)行期間插入和取出。其他探頭許多設(shè)計(jì)大體類似。有時(shí)，可以將一種來源的探頭與另一種來源的儀器組合。但是各種探頭在總設(shè)計(jì)上是采用某特殊儀器來操作的，因此，并不是所有的探頭與儀器都能組合起來使用。
特殊的探頭已經(jīng)用于各種目的。之所以設(shè)計(jì)一種特殊探頭，是因?yàn)橐獙?duì)一種特殊合金進(jìn)行試驗(yàn)；或者，是因?yàn)槭褂铆h(huán)境使得通常的探頭腔或密封材料不合適；或因需要采用一種特殊要求的幾何形狀。還設(shè)計(jì)了各種探頭對(duì)特殊問題進(jìn)行研究。例如，在一種適當(dāng)?shù)幕铣练e一層薄的金屬膜所制成的腐蝕顯示器已經(jīng)用于包裝和貯藏方面的研究；通過印刷電路技術(shù)將接線引入包裝內(nèi)，并采用特別的測(cè)量儀器，可以測(cè)定出小至3×10-5 mm的金屬損失量；在其他極個(gè)別情況下，測(cè)試元件可從板材或管材加工而成，并用塑料澆鑄，使組合件成為設(shè)備壁的一部分。其他特殊的探頭設(shè)計(jì)曾用來模擬如換熱器的列管入口端的幾何條件，還可以設(shè)想各種特殊設(shè)計(jì)及其多種變化。
安裝及使用
電阻法已經(jīng)在許多種化工、石油化工生產(chǎn)裝置和環(huán)境中獲得應(yīng)用?？梢灶A(yù)料，它將成為一種標(biāo)準(zhǔn)方式并擴(kuò)大應(yīng)用到工藝過程和其他工業(yè)上。但這種技術(shù)也有其局限性。要想得到有用的信息，探頭選擇和安放位置都是很關(guān)鍵的。
a.使用環(huán)境的類型?？梢杂糜谝合嗷驓庀嘀袦y(cè)量腐蝕，而且，液相不必是一種良好的電解液。此技術(shù)也已經(jīng)用到 “固相”環(huán)境中，比如在混凝土中模擬鋼筋的腐蝕。這種技術(shù)應(yīng)用時(shí)主要的局限性是由探頭設(shè)計(jì)和材料所帶來的，而且，腐蝕還必須基本上均勻；
b.探頭類型和尺寸的選擇。當(dāng)腐蝕速度低或者腐蝕速度的頻繁變化與其他參數(shù)有關(guān)時(shí)，宜采用采用靈敏的薄元件。如果腐蝕速度高，較厚的元件將有較長的使用壽命。在靈敏度和壽命之間的最佳協(xié)調(diào)取決于環(huán)境。
有實(shí)際重要意義的典型腐蝕速度是0.25 mm?a-1。這樣，一個(gè)2 mm的絲狀元件，其有效壽命為2年；而0.25 mm厚的管狀元件，其有效壽命為6個(gè)月；厚度相同的片狀元件，如果腐蝕從兩側(cè)同時(shí)進(jìn)行，其有效壽命為3個(gè)月。所達(dá)到的實(shí)際靈敏度取決于使用條件下誤差的影響程度，但在典型情況下Corrosometer儀的有效分辨力是電位器上的3個(gè)小分度。在上述3種情況下，這大體相當(dāng)于厚度變化0.0015 mm、0.0004 mm和0.0002 mm。如果腐蝕速度大致不變，那么，從統(tǒng)計(jì)學(xué)上看，要想得到有明顯差別的讀數(shù)，可在下述時(shí)間間隔下測(cè)讀：約4天、2天、24小時(shí)。然而，如果腐蝕速度預(yù)期會(huì)變化，則合理的做法就是較頻繁地讀數(shù)，這也是任何情況下所希望的。對(duì)于某儀器來說，只要認(rèn)為讀數(shù)時(shí)間間隔不足以精確分辨厚度變化，就不可能從兩個(gè)讀數(shù)獲得精確的腐蝕速度。一般說，根據(jù)一系列讀數(shù)來估計(jì)腐蝕速度更為可靠。測(cè)定結(jié)果表明，經(jīng)過一段時(shí)間之后，腐蝕速度大體上是恒定的，見圖3。
圖3 在重現(xiàn)性良好但在測(cè)試期間腐蝕速度已經(jīng)發(fā)生
階段性變化的情況下探頭電阻隨時(shí)間的變化
c.探頭位置。探頭應(yīng)放在能模擬所需試驗(yàn)條件的位置上。重要的參數(shù)是溫度和流速。要避免高速流體直接沖刷探頭，除非磨損腐蝕效應(yīng)是所要研究的目的。假如流體速度可能有重要影響，則可以采用與容器表面貼平安裝的平嵌式探頭來獲得更為精確的結(jié)果。
使用時(shí)，需要判斷一下探頭是否安裝在腐蝕速度可能是最高的地方，是否安裝在能模擬該壓力容器 “平均”腐蝕行為的位置上。這種判斷與所進(jìn)行的監(jiān)測(cè)原因有關(guān)?？梢栽O(shè)置多個(gè)探頭以說明該容器各部位腐蝕的分布；
d.密封墊和填充墊的穩(wěn)定性。對(duì)一給定結(jié)構(gòu)的探頭來說，其有效的工作極限通常受密封墊以及處在監(jiān)測(cè)環(huán)境下填充料的穩(wěn)定性所限制。損壞形式通常都是在金屬-非金屬界面處發(fā)生滲漏而不是整體變質(zhì)。采用環(huán)氧樹脂作填充料的探頭不應(yīng)該在含有氯化烴類、有機(jī)酸或胺類化合物的介質(zhì)中使用。采用陶瓷填充料的探頭不應(yīng)在pH大于9的系統(tǒng)或者存在F-的介質(zhì)中使用。即使此種探頭在某些腐蝕性較低的環(huán)境中使用，在其整個(gè)有效使用期內(nèi)，其有效溫度極限也應(yīng)低于標(biāo)稱值。
誤差來源
采用電阻法所得的原始數(shù)據(jù)是金屬元件的電阻變化。當(dāng)然，這種測(cè)量容易產(chǎn)生誤差。但是，從這些數(shù)據(jù)得到不正確的或無法解釋的結(jié)論，其主要原因是假設(shè)了該元件的電阻變化正比于容器的腐蝕。假定測(cè)量裝置的安裝與操作都正確，考慮到儀器探頭組合的分辨力極限并考慮到這種技術(shù)不能正確地跟隨腐蝕速度的快速變化，那么，可能產(chǎn)生的主要誤差來源如下：
a.探頭元件的冶金條件。在探頭元件和生產(chǎn)裝置之間冶金條件方面的差異通常并不重要，但有時(shí)候還是值得注意的。在高溫下作業(yè)，元件應(yīng)力松弛也能產(chǎn)生誤差。
b.探頭安裝。如果采用常規(guī)結(jié)構(gòu)的探頭，則測(cè)試元件經(jīng)受的流速條件可能明顯不同于壓力容器表面，元件的腐蝕行為與容器表面也會(huì)不同。實(shí)際上，與冶金上的差異相比，這種流速條件的差異更可能是個(gè)重要因素。但在大多數(shù)情況下，這種作用又不是很大的。
c.溫度變化。在溫度快速波動(dòng)的物料中，單個(gè)測(cè)量的精度減小，需要對(duì)腐蝕結(jié)果進(jìn)行平均。由于暴露元件對(duì)溫度變化的響應(yīng)往往快于被保護(hù)起來的比較元件，所以，這種情況就會(huì)發(fā)生。例如，在蒸餾塔頂餾出物管線上，如果遇到蒸汽或液體的“未蒸發(fā)的液滴”，就不可能獲得有意義的測(cè)量（見圖4）。
圖4在溫度容易發(fā)生快速波動(dòng)的蒸餾系統(tǒng)中探頭電阻隨時(shí)間的變化
d.局部腐蝕。電阻探頭不容易測(cè)定局部腐蝕，如點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕破裂等，也不能對(duì)這些現(xiàn)象作出有意義的測(cè)量。然而，局部損壞能引起全面腐蝕速度偏大。如果在暴露元件上發(fā)生了這些類型的腐蝕，起初對(duì)電阻的影響不是很大，當(dāng)探頭接近使用壽命極限時(shí)，這種影響才比較大。因此，如果可能發(fā)生局部破壞現(xiàn)象，則表觀腐蝕速度的明顯增加就要受到懷疑。
e.腐蝕產(chǎn)物。電阻法測(cè)量通常不會(huì)受到元件上沉積物或腐蝕產(chǎn)物的影響，因?yàn)榻饘賹?dǎo)電性一般要比這些物質(zhì)高得多。但當(dāng)測(cè)量是在高溫下進(jìn)行的時(shí)候，對(duì)于帶有某種銹皮，如硫化物的元件，情況可能就不同。
插到已經(jīng)使用過的壓力容器內(nèi)的新探頭，其元件的表面狀況不同于該容器的表面，這是采用探頭進(jìn)行測(cè)定的各種監(jiān)測(cè)技術(shù)可能存在的一個(gè)難題。最初的腐蝕速度可能與容器表面的腐蝕速度不同，但當(dāng)形成一層與容器表面膜相類似的膜時(shí)，情況就會(huì)有所改變了。
f.電解液電阻。在導(dǎo)電性強(qiáng)的電解液中，有可能在電流流過探頭元件的同時(shí)，平行地從電解液流過一定電流。在大多數(shù)情況下，這種誤差并不重要，但當(dāng)需要精確測(cè)量時(shí)，就必須考慮這一點(diǎn)。
電阻法在廣泛的使用條件下已被實(shí)踐所證明是種很好的方法。在許多工業(yè)上，可視為一種標(biāo)準(zhǔn)方法，所討論過的誤差來源通常并不明顯。然而正像許多監(jiān)測(cè)技術(shù)那樣，只有在其使用范圍內(nèi)應(yīng)用，它才可靠。
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