实验室模拟测试技术探究

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：由于填埋失重法过于费时，且只能得到一段时间内的平均腐蚀速度，为了快速及时地得到腐蚀数据，并对接地网的腐蚀状态进行实时评估，实验室的模拟测试就成为一个重要的手段。

由于填埋失重法过于费时，且只能得到一段时间内的平均腐蚀速度，为了快速及时地得到腐蚀数据，并对接地网的腐蚀状态进行实时评估，实验室的模拟测试就成为一个重要的手段。

在不考虑电解腐蚀的条件下，在相关的模拟装置上即可进行电化学方法的测试。根据接地网常用的材料，所评价的三种金属材料为：碳钢、纯铜和镀锌碳钢，所采用的测试方法主要是准稳态极化曲线法。

1.实验室模拟测试系统

实验室模拟测试系统包括模拟测试装置、电化学工作站、恒温恒湿箱等，其示意图如图6-2所示。

图6-2　实验室模拟测试系统示意图

图中CHI660C为国内某公司出品的电化学工作站，除此之外还可以采用瑞士的Autolab系统、荷兰lvium电化学工作站、德国Zahner电化学工作站等。

由于实际土壤情况复杂，同一地点的土壤在不同的环境条件下往往也会有不同的物理化学性质，如不同的含水率、土壤的充气程度等，而这些因素往往会对电化学测试的结果产生重要的影响，使得测试结果的重现性较差。为了对金属材料在同一土壤试样中不同情况下的腐蚀行为进行研究，腐蚀模拟体系的规范化建立十分重要。模拟腐蚀测试装置的示意图如图6-3所示。

图6-3　模拟土壤腐蚀测试装置示意图

1、5—金属导线　2—塑料容器 3—后置式参比电极插入囗（或氧/空气通入口） 4、8—软木塞　6—金属试片（既是工作电极，也是对电极） 7—前置式参比电极插入囗（或氧/空气通入口） 9—多孔板

目标土壤以及测试金属在模拟腐蚀装置中的填埋必须符合以下规范：

1）泥土填埋深度要求大于12cm，一般为16cm左右。

2）两片金属试片平行放置，间距保证在2cm以上。

3）试片在放置之前要记录试片的重量及编号，以便获取后续失重数据。

4）模拟土壤测试装置的建立。首先在腐蚀模拟体系底部填埋约2cm厚度的泥土，夯实之后，再添加2cm厚度的泥土，再夯实，直到达到测试要求的规定为止。

5）金属试片的填放。在填土过程中要完成金属试片的填放工作，当泥土填埋并夯实到一定的深度时，按规定埋入相应的金属试片。在该过程中特别应注意的是与金属试片接触的第一层泥土要夯实，否则腐蚀体系达到稳定状态的时间会延长，影响试验进度。

6）在建好的测试装置中添加适量的蒸馏水并放入恒温恒湿箱内保存，以便用于后续腐蚀电流的测定。

2.实验室模拟测试的电化学基础

金属的土壤腐蚀是电化学腐蚀，电化学腐蚀必须包括阳极极化和阴极极化两个同时发生的电极过程。无论是阳极过程还是阴极过程都会对金属的腐蚀造成影响。从土壤腐蚀的电化学研究可以得出，金属的土壤腐蚀以阴极过程的控制为主，因此根据阴极去极化机理及控制步骤的不同，可以采用三种方式来求得所测体系的腐蚀电流（i_c），这三种极化曲线如图6-4所求。

图6-4　金属腐蚀的三种典型极化曲线

（1）阴极过程受电化学活化控制　大多数金属的腐蚀过程都属于这种类型，金属的腐蚀速度完全由金属本身的属性和金属周围腐蚀介质中阴极去极化剂的电化学属性决定。该极化曲线如图6-4中的“■”“▲”的曲线，并可由以下方程来描述：

从上述方程可以看出共有四个参数i_c、φ_c、β_a、β_b，其中i_c即为所要求取的腐蚀电流，φ_c为腐蚀电位，也就是金属在土壤中的平衡电位。从理论上说，只要从极化曲线上取四个点，即可以求出上述四个参数了，这就是简化的四点法。但四点法极化电位值的选取人为性较大，而且取样点数过少，测试的结果可能会有较大的实验误差。根据这种情况也可以重复测试后取平均值。

（2）阴极过程受电化学活化和传质过程混合控制　这种情况表示腐蚀介质中的阴极去极化剂供应并不是很充足，阴极过程除了受到阴极去极化剂本身的电化学极化的影响外，还受到阴极去极化剂的浓差极化的影响，其极化曲线如图6-4中“◆”极化曲线。由于金属腐蚀的阴极过程受到阴极去极化剂供应不足的影响，其腐蚀速度会受到一定的抑制，但极化曲线的描述方程要复杂得多，用下式表示：

该方程与第一种方式的计算式相比，不仅形式复杂，而且还多了一个参数i_L，它表示的是由阴极去极化剂扩散控制引起的极限电流密度，在这种情况下没有简化的求解方法。

（3）阴极过程受阴极去极化剂传质控制　在这种情况下，阴极去极化剂严重供应不足，金属的腐蚀速度完全受制于阴极去极化剂的供应，所以金属的腐蚀速度受到严重抑制，腐蚀速度很小，其极化曲线如图6-4中“◇”极化曲线，其极化方程也可以简化为

在这种情况下，可以根据实际情况采用2点法来简化求解，与第（1）种情况一样，所得到的结果误差会较大。

在（1）和（3）的情况下，一般也可以采用4点法和2点来求得相应体系的腐蚀电流（i_c），由于这些方法取用的点数较少，所得结果的重现性和准确性均不佳。为了提高数据的处理精度，可以利用非线性最小二乘法原理（NLLS）编制相应的拟合软件，对测得的极化曲线进行拟合处理，从而得到更为精确的结果。典型过程如图6-5所示。

图6-5　腐蚀极化曲线的拟合处理过程

a）φ～i极化曲线　b）φ～1gi　c）φ_c、i_c、β_a、β_c初始值获取　d）相应公式拟合得到确切ic

3.金属腐蚀速度的换算

由于电化学测试过程中得到的腐蚀速度是用腐蚀电流来表示的（即测得的是金属的瞬时腐蚀速度），而常用的腐蚀速度都是用失重率或年平均腐蚀厚度来表示的。为了便于对比及与习惯说法相一致，一般要将腐蚀电流换算成年平均失重[单位为g/（cm²·a）或mm/a]。

由于季节的变化，在不同季节测得的腐蚀电流会有很大的差别，这就需要对腐蚀电流的积分进行分段计算，以获得准确的腐蚀速度。以浙江省的嘉兴地区为例，根据建立计算模型的需要，结合查阅到近年来嘉兴地区的气象资料。可以将1年的时间划分3个不同时间段：10℃以下的2个月，10～25℃的6个月，25℃以上的4个月。就结果的准确性来说，时间段划分得越多，试验结果也会越准确，但测试周期也会明显拉长。上述区分后的试验表明，就嘉兴地区的土壤特性和天气条件，将一年划分成三个时间段，可满足一般性的预测腐蚀寿命的目的。

将失重质量m看成是以时间t为变量的函数f（t），再根据划分的时间段对其进行积分。

根据气温的不同可进行分段，将1年时间分成（0，t₁）、（t₁，t₂）和（t₂，t₃）三个时间段。（0，t₁）表示为温度在10℃以下的时间段，（t₁，t₂）表示温度在10～25℃的时间段，（t₂，t₃）为温度在25℃以上的时间段。要求出年平均腐蚀损失质量就是对以时间t为X轴和腐蚀电流i为Y轴的函数进行积分，积分结果再乘以常数即可得到结果，其中M表示金属的摩尔质量，F表示法拉弟常数。