自适应防腐系统使用连续腐蚀测量、参数提取和纠正循环

文摘

一个简单current-sourced适应性腐蚀防护系统(acp)以及技术提取的保护电流塔费尔情节。可靠的保护目标金属的,首先,金属目标的塔菲尔的阴谋。随后,提出了一种新颖的技术是用于提取保护当前的塔菲尔阴谋。这个提取电流保护美联储目标金属保护现有的腐蚀环境。这个由三部分组成的系统自适应用于更新所需的保护电流有效保护目标金属不断。所有这些功能都集成在一个独立的机场核心计划,有效地诊断腐蚀状态和更新保护参数没有任何人工交互或设置的物理改性提供模块化,可靠性和成本节约。验证技术,实验室规模系统实现和测试使用各种金属样品和各种腐蚀性介质。使用实验系统,A36金属优惠券有效保护与保护(抑制)40 - 100的效率在不同腐蚀介质,可以延长寿命的目标金属从~ 2倍到100倍的腐蚀性介质进行测试。

1。介绍

尽管是一个众所周知的问题,腐蚀的结构仍然是一个大的费用在流水线等不同行业,航空,和基本的基础设施。如混凝土桥梁结构的腐蚀1- - - - - -3)、混凝土梁(4),混凝土结构在海洋环境中(5妥协的许多基础设施的安全性和功能,导致昂贵的修理(6]。在其他事情上,环境因素如环境电阻率、湿度、暴露于电解质,pH值都起到关键作用的速率材料等船舶结构(7)、不锈钢(8],镀锌钢[9),和碳钢10)将被腐蚀。

腐蚀是由腐蚀工程师协会(NACE) [11)的天然恶化材料(通常是金属),结果从化学或电化学反应(12)和它的环境。一个简单的腐蚀理论(13和腐蚀的物理模型14)也发表之前。尽管热力学趋势进行氧化反应,下面就是一些久经考验的预防和控制腐蚀的方法,可以减少或消除其对公共安全的影响,经济和环境(15,16]。许多技术已经开发多年来为了保护目标金属。一些流行的防腐蚀技术包括使用有机金属(17),一个机械技术(18),阴极保护(19),和一个光电化学方法(20.]。此外,使用不同的涂料(21,22)和电化学保护已经证明了扩展的生命周期目标金属在腐蚀环境。

流行的方法包括使用阴极保护系统(19,23),其中一个使用目标金属作为阴极保护的使用牺牲金属作为阳极(电)。外加电流阴极保护系统(组成)解释说,几十年来研究[23,24]。交流电(AC)的影响组成系统(25)和使用防护系统保护肋桥梁结构的组成(26)也被描述的先前的研究。尽管组成的一个初始安装系统[23)是更昂贵的,它已经被证明是一个有效的保护方法,因为它不需要的系统替换退化阳极。

在一个典型的组成系统,适当的保护电流的控制是非常重要的(27]。过度保护(太多的阴极保护电流)的金属产生潜在不受欢迎的整个结构和导致加速腐蚀过程的(28]。此外,不恰当的组成系统还可以降低混凝土结构的粘结强度(29日)或保护涂层(30.]。因此,腐蚀工程师必须不断地评估和监控现有腐蚀状态。

例如,为了保护钢结构,标准化,−0.85 V(和铜/ CuSO₄参比电极)被应用31日];然而,这可能由instant-off补偿领域潜在的测量环境(32,33]。然而,这样的instant-off潜在测量手动完成在野外环境中,即使在偏远地区需要人工参与。因此,腐蚀防护的有效性很大程度上取决于人类的相互作用,这既不有效也不划算的(34,35]。此外,电容峰值出现在当前中断可以掩盖instant-off势(36,37]。因此,现有电势instant-off潜在的测量和腐蚀保护系统有许多限制,应向实现低成本、可靠和自动化的腐蚀防护系统。因为目标金属的属性和其他环境因素,一些可能发生局部腐蚀的金属结构。这种非均匀腐蚀的影响混凝土结构的开裂和使用寿命进行了调查之前(38]。甚至数学模型评估均匀和非均匀腐蚀诱导损伤钢筋混凝土也发达(39]。因此,非均匀腐蚀分布或保护的金属结构是一个具有挑战性的问题。

为了解决这些局限性,我们提出一个简单的自适应腐蚀防护系统(acp)可靠地保护目标金属在各种各样的环境中。机场核心计划由测量目标金属的电化学反应获得塔费尔情节,提取准确的保护电流从塔费尔情节和调整所需的电流通过反馈回路。这导致一个诊断以及保护系统,可以准确地监测和保护目标金属。反馈回路自动措施电化学行为(塔费尔情节)分析用户定义的时间间隔和保护目标基于现有的金属腐蚀的条件。提出了闭环防腐系统提供更高的可靠性和精度没有任何前面提到的不利影响。此外,手动交互提出系统的完全消失。该系统还优化了能源需求,减少了能源浪费导致能源节约成本。

2。理论的机场核心计划

在一个典型的腐蚀测量系统、电化学反应的金属在腐蚀环境中使用一个电化学的电池和塔菲尔获得(参见图1)获得的电化学反应。开路电位的值()和腐蚀电流()(见图1)通常从塔费尔情节中提取目标金属的腐蚀速率计算在给定的腐蚀介质40]。此外,塔费尔情节是准确地用来测量不同金属的腐蚀速率(41)和钢筋钢(42]。

重要的是要注意,这个潜力通常是相同或非常接近开路电位(),从塔费尔情节也获得价值自然电流中创建一个给定电化电池在氧化和还原反应处于平衡状态(43]。因此,在当前的()和潜在的(),应该既不underprotected金属(不充分保护现有或潜在)也不过分保护。因此,当前需要的最少自由保护金属免受腐蚀的腐蚀设置。使用最少的电流(),最优保护参数可以由剩余的腐蚀量是可以接受的。该方法打开机会所期望的控制保护电流腐蚀工程师。结合开路电压()可以预测所需的最少的权力保护目标金属。然而,正如我们可以看到的塔菲尔情节,在当前实际的潜力略转向的阴极区域潜力,确保防腐的效果电流。

总之,可以精确地提取最优为目标的环境现状保护参数金属使用上面描述的技术。此外,这些最佳保护参数的值反映了不断变化的环境条件以及金属腐蚀状态如果频繁的测量可以不改变保护设置完成。通过适应这个更新保护参数,可以更科学的保护目标金属没有underprotection的风险和过度保护。

在进一步分析中,在阳极的电化学测试(塔费尔情节)分支(塔费尔情节),目标金属氧化阳极扫略,因此腐蚀。尽管这腐蚀量最小,最优保护参数偏离略完成后的测试。这导致的轻微underprotection最佳保护目标金属。消除这个错误,提出了系统进一步简化减少阳极电化学测量的扫描增加精度,可靠性和性能在一段时间内(见图2)。

如图2阳极的电化学扫描启动分行是略高于开路潜在的改进方法。在这种方法中,的价值是由阴极的推断线性区域分支和开路电位()(见图2)。通过使用这种方法,和值是准确地确定类似于前面的方法和减少少量的金属腐蚀的阳极扫描。这种方法也能减少所需的总时间测量和参数提取完整的行为。

适应(反馈回路)拟议中的current-sourced腐蚀防护系统和提取的腐蚀保护参数(和),目标金属可以准确和精确数量的防腐保护。与古典电势组成系统,该方法避免了过度保护或underprotection目标金属和因此带来的负面影响是一样的。在我们提出的技术,经常测量目标金属的电化学行为和最优保护参数提取。一旦新的最佳保护参数提取,他们在保护系统,直到适应了新的测量和提取。我们也建议使用current-sourced保护系统来有效地保护目标金属与最佳功率要求。

3所示。提出的自适应防腐系统(acp)

机场核心计划提供了一个新颖的方法在古典potential-sourced腐蚀保护系统提出了完整的基于反馈回路的自适应保护系统腐蚀。

如前一节所述,acp由简单基于current-sourced防腐系统,监控腐蚀状态在用户定义的时间间隔和保护目标金属适应保护金属的腐蚀状态的变化。因此,acp控制模块是一个积极的反馈回路系统提取更新保护电流的电化学扫描系统保护。

机场核心计划的流程图如图3描述和具体的执行步骤如下:(1)机场核心计划的实现(图3)开始准备金属保护和控制单元的初始化。在最初的准备完成之后,目标金属和控制单元连接在一起。更新间隔保护参数设置。然而,这个时间间隔可以很容易地在执行更新。(2)一旦测试参数确定、电化学测试执行和目标的塔菲尔情节金属。(3)的价值然后从塔费尔情节和保护电流中提取更新以适应目标金属的腐蚀状态的变化。(4)金属不断保护和保护电流()在步骤(3)中提取,直到时间间隔更新保护参数。(5)当更新的时间间隔保护参数,完成周期开始从步骤(2)。

我们可以看到从流程图(图3)和上面的步骤,提出了控制单元可以实现使用一个独立的嵌入式模块,基于虚拟仪器的虚拟仪器或其他低成本的系统。此外,还可以使用廉价的石墨棒作为电极。因此,提出机场核心计划的全面实施,可以是非常划算的,简单的实现在实验室或现场环境。机场核心计划系统也可以用作诊断工具来确定具体目标金属的腐蚀状态。

4所示。材料和方法

证明acp的功能和能力有效保护金属目标,系统的实验是在实验室环境中进行。每个试验装置下面描述具体细节和适当的框图。

4.1。试验装置的电极配置

确定可用性电化学装置的机场核心计划,建立一套实验使用个人电脑(PC)控制稳压器(ParStat 4000从普林斯顿大学应用研究)(见图4)。

典型的电化学设置(图4)是通过连接目标实现的金属工作电极、对电极的惰性石墨棒,饱和甘汞电极,参比电极的稳压器。试验装置是准备使用0.6 M氯化钠溶液作为腐蚀介质和A36热轧钢样品(2.5厘米×2.5厘米×0.5厘米)作为目标金属。因此,表面积暴露在腐蚀介质中实验是3125毫米²。

塔菲尔情节通过全面的潜在的工作电极对给定三电极参比电极配置。对于实验来说,潜力是被从−0.25 V至0.25 V的扫描速率2 mV /秒。标准的甘汞电极(SCE)用作参比电极的测量。A36钢铁样品清洗每个实验之前实现测量的可重复性。一旦完成,每个实验值提取和分析。

4.2。试验装置的腐蚀保护

经过理解行为的电化学测试和合成塔费尔情节,current-sourced保护系统进行实验验证。提取的值是用作保护当前的这些实验。

验证原则,两种不同的金属样品,一个共同的镀锌硬件垫圈(面积:278.5毫米²)和一个A36钢样品(与以前的实验),。在开始实验之前,金属样品抛光和清洗使用异丙醇(IPA)和去离子的水(DI)和干下的N次方₂流。两个独立样本的垫圈和A36钢铁准备。洗衣机和一个A36钢示例使用该系统保护和第二组剩下的自由腐蚀介质的腐蚀。0.6 M氯化钠溶液作为腐蚀介质。提取目前,塔费尔情节获得使用图中描述的设置4。的值是使用稳压器中提取软件和直接用于饲料当前current-sourced腐蚀防护系统。第一组与金属样品24小时保护的概念验证测试。另一组是同一时间自由腐蚀之前,所有的样品都在异丙醇清洗槽和加权再次决定减肥的样品。

进一步验证提出的防腐体系,相同的实验扩展为两个多星期体重测量,电化学测量,提取和电流源修改每24小时。所有样品的减肥然后分析。保护(抑制)的效率系统然后计算使用以下方程(44]: 在哪里,,代表保护(抑制)效率,减肥的自由腐蚀金属样品,和减肥的保护金属样品,分别。

4.3。自适应回路设置

经过验证的功能的current-sourced防腐系统,实现自动化和简单的系统使用一个简单的直流源表(2400年吉时利模型)由个人计算机独立的机场核心计划,控制使用美国国家仪器(NI)实现基于虚拟仪器的VI(见图5)。

在这个低成本的设置,A36钢样品(2.5厘米×2.5厘米×0.5厘米)用于所有的实验。首先,0.6 M氯化钠溶液作为腐蚀介质。此外,执行这个实验使用一个A36样本保护与自动自适应循环以及其他A36样品自由腐蚀。体重的测量和数据收集方法是相同的在前面的小节。

虚拟仪器VI配置为扫描目标的塔菲尔情节金属在用户定义的时间间隔。在我们的试验装置中,塔费尔情节测量和保护参数提取每24小时完成。的价值从虚拟仪器VI中提取和使用的直流源仪表保护目标金属直到吗提取价值。这个简单的配置和基于便携式适应性循环的系统也不断获得防腐的性能指标。

4.4。设置acp性能研究在不同腐蚀介质

初步测试来证明这个概念执行使用0.6 M氯化钠溶液作为腐蚀介质。然而,进一步验证该机场核心计划的有效性,以保护金属目标,保护应该验证在不同腐蚀介质,通常使用腐蚀领域的测量和保护(见表1)。

的腐蚀性介质选择本研究是基于不同的腐蚀特性的可用性和易用性。首先,验证我们提出的原则和体系,可用水槽水从厨房水龙头一直使用。其次,50 mg / L腐殖酸检查解决方案。通常,胡敏酸的解决方案是用于研究复制的腐蚀性影响农业土地。实现承诺从上面的实验结果后,机场核心计划进一步扩大测试使用直接可用的花园土壤和粗砂样品。潮湿的土壤是高导电介质,因为大量的矿物质的土壤。正因为如此,潮湿的土壤被认为是一个高度腐蚀性介质。另一方面,干砂不导电,因此它通常被认为是低腐蚀介质。不同的腐蚀介质选择存在不同的电化学条件导致不同的组成要求保护目标金属。

机场核心计划设置(如图5),分析方法,数据收集,这些实验和性能分析方法一节仍然是相同的。

5。结果与讨论

在本节中,主要的实验结果和结果在机场核心计划。正如在前一节中所描述的,提取的有效性保护不同的金属样品检查。准确的证明功能描述的自适应循环随后跟着acp性能评估使用不同的腐蚀性介质。

5.1。验证提取的作为保护电流

经过理解行为的电化学测试和合成塔费尔情节,提取的实验验证current-sourced保护系统。在前一节中所描述的试验装置,金属样本加权前后保护使用current-sourced (的)系统。首先,样品测试(参见图24小时6(一)),这是紧随其后的是一个长期的测试(见图6 (b))。

在第一次实验(图6(一)),基于current-sourced保护系统的行为显示了很好的保护。金属样品显示均超过82%的效率提出了保护后24小时(见表2)。自由腐蚀金属垫圈和A36样本失去0.00252通用/天,体重0.00385通用/天,分别。另一方面,受保护的垫圈和A36钢样品只减少了0.00044通用/天,体重0.00068通用/天,分别。这导致减少83%和82%一天减肥的垫圈和A36钢样品,分别。这些结果清楚地验证防腐原理提出了。减肥的百分比A36样本和垫圈是密切相关的。背后的原因这一相似性与腐蚀介质的类型用于这两种情况下在我们的实验。

长期测试(见图6 (b)),保护金属样品显示,减肥相比显著减少自由腐蚀金属。总重量损失后16天的自由腐蚀洗衣机和A36示例0.04032 0.0616通用汽车和通用汽车,分别。另一方面,总重量损失后16天保护垫圈和A36样品0.00704 0.01088通用汽车和通用汽车,分别。因此,保护样品的减少体重金属样品再次超过82%。在野外环境中,82%的保护效率可能不足以保护目标金属结构在很长一段时间。然而,该方法将在未来提供改进的性能优化和更高的保护效率。此外,减肥为自由腐蚀样品以及保护样品是线性的完整的测试周期。同样重要的是要注意,所有的样本显示可重复的行为即使在周末时在测试期间不加权或纠正。同样重要的是要注意,这些测试是在一个高度腐蚀性介质(0.6 M氯化钠溶液),提取的保护电流的微小偏差可能会导致整个保护系统的失败。然而,拟议的技术迅速适应变化和有效保护样品。

5.2。验证的功能适应性循环

经过验证的原则基于current-sourced防腐系统,随后的方法是实现自动化系统包括正确的反馈循环腐蚀保护电流()。应该注意的是,腐蚀状态测量和保护参数调整完成每24小时间隔。在未来,这种调整间隔可以优化更加一致的和可重复的性能。验证提出的自适应(反馈)循环acp, A36钢铁样品在0.6 M氯化钠溶液进行测试为15天。

自由腐蚀和受保护的减肥样本测量每24小时,商议(见图7)。

类似于前面的实验与金属垫圈和A36钢样品(数字6(一)和6 (b)),基于自适应回路(图腐蚀保护7)成功地工作,保护A36金属样品使用前面描述的自动测量和提取系统实验部分。减肥的保护和自由腐蚀样品15天后0.01 0.0574通用汽车和通用汽车,分别。因此,自适应保护的保护(抑制)效率样本是87%,这比手动试验系统中获得的结果在前一节中。这些结果清楚地表明,提出的自适应反馈回路acp执行有效的腐蚀防护。

5.3。机场核心计划的性能与不同的腐蚀性介质

在前面的小节中,自适应反馈回路的功能,积极保护金属免受腐蚀进行了探讨。为了进一步验证提出了原则和acp, A36钢铁样品测试有不同的腐蚀介质如前所述。个人结果不同的腐蚀介质和腐蚀性介质的比较图表在我们实验室测试图所示8。

从图表的不同腐蚀介质大约两周(见图8),这显然是看到自由腐蚀金属的重量是线性递减,清楚地显示了A36钢样品的降解在腐蚀性介质。然而,减肥的退化,因此金属不在场或最小的保护利用提出的机场核心计划的样本。减肥每天自由腐蚀和acp保护金属样品在不同的腐蚀介质也列表(见表3),并绘制在集群列图(见图8 (e))。

的平均体重每天自由腐蚀金属样品在氯化钠溶液中,水池的水解决方案,胡敏酸溶液,潮湿的土壤床,和干砂床是0.00560通用,0.00784通用,0.00752通用,0.00602通用,分别和0.00003通用。另一方面,平均每天减肥acp保护样品的氯化钠溶液,水槽水解决方案,胡敏酸溶液,潮湿的土壤床,和干砂床是0.00071通用,0.00051通用,0.00004通用,−0.00063通用汽车、通用汽车和0.00002,分别。由此产生的保护(抑制)效率和延长寿命的目标金属列在下表中3。

从表中我们可以看出3和图8,acp保护样品在潮湿土壤床实验期间体重增长轻微。这可能是因为存在的粒子或矿藏在花园里土壤是附着在金属样品在测试期间。然而,自由腐蚀样品在相同的环境中(湿土壤)线性减肥实验期间的。从实验数据、干砂床显示最小减肥即使自由腐蚀样品相比其他腐蚀性介质,预计因为干砂是一种腐蚀环境不佳。自由腐蚀样品的总重量损失在沙层约两个数量级低于其他腐蚀性媒介我们测试。此外,这些样本的减肥是在权重比例的分辨率,因此减肥的数据很容易错误和不正确的保护(抑制)效率。然而,拟议中的acp减少金属降解了40%。其他已知的实验室环境中金属降解行为(氯化钠溶液、腐殖酸溶液和沉水解决方案)显示显著改善机场核心计划保护系统,减少金属降解从87%到99%代表一个准确提出了系统的性能。同样重要的是要注意,保护(抑制)效率可以进一步提高使用频繁的修正比24小时在我们的研究中使用。

总之,该机场核心计划工作有效地减少金属在各种腐蚀性环境中降解。该系统也使用不同的金属(图进行了测试6)来验证的功能和可重复性基于current-sourced机场核心计划。在未来,可以获得更好的精度和性能改进激烈的工程实现和软件控制。

6。结论

外加电流阴极保护的方法(组成)使用current-based方法与传统的电势的方法是使用一个电流控制源在一个压控源。

确定和计算最优功率,因此有效的保护电流(),金属目标的塔菲尔情节(如A36金属样品)。保护电流的塔菲尔情节提取和用来保护一个共同的硬件垫圈和A36钢样品。使用保护系统,洗衣机和A36钢铁样品显示83%和82%保护金属(抑制)效率为目标。

进一步优化保护参数提取,实验自动化系统使用虚拟仪器实现六世在个人电脑(PC)。自动适应循环测试使用A36钢样品在0.6 M氯化钠溶液和保护(抑制)效率是87%。

acp也验证了在不同腐蚀介质如沉水解决方案,50 mg / L胡敏酸溶液,湿土壤床和干砂床。acp保护(抑制)效率为目标金属为93%,99%,110%,和40%的沉水、腐殖酸、潮湿的土壤床,分别和干砂床。因此,金属目标的预期寿命增加了7.89倍,15.37倍,188倍,和2.5倍的沉水、腐殖酸、潮湿的土壤床,分别和干砂床。

总之,传统的阴极保护应用固定潜力目标样本。如果样品的环境或保护条件变化,示例将underprotected或过分保护,可以是有害的。新的基于acp的方法调整应用阴极电位定期通过调节恒流(),它可以达到最好的保护样品。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者感谢神达、加拿大研究合作项目,和自然科学和工程研究理事会的金融支持进行这个实验工作在本拿比西蒙弗雷泽大学、英属哥伦比亚。

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