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壓力容器腐蝕監(jiān)測技術(shù)簡介
原理
腐蝕監(jiān)測電阻法是測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)可以計算出經(jīng)過一段時間之后的總腐蝕，因而也可以計算出腐蝕速度。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，也可以選用更為合適的其他方法。
電阻法在實際應(yīng)用中已得到很好驗證，其使用和對結(jié)果的解釋通常都很簡單。商品儀器可以用一個或多個探頭作周期性測量或連續(xù)測量。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行期間進行腐蝕監(jiān)測的基本手段之一，常用于腐蝕控制。它也可作為一種診斷手段，估計工藝變化對腐蝕的影響，如評選緩蝕劑的效果，圖1。
圖1腐蝕探頭測量結(jié)果（輕石腦油冷凝器）
這種方法的優(yōu)點在于它能夠測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。其缺點是除非腐蝕是均勻的，否則不容易解釋測量結(jié)果。因此，這種方法不適合于點蝕、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，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)場經(jīng)驗都是用Corrosometer儀和探頭取得的，市場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。測量儀器通常以凱爾文或惠斯登電橋為基礎(chǔ)，處于腐蝕狀態(tài)下的元件作為電橋電路的一個臂。采用交流電橋（凱爾文電橋）比較好，因為它避免了測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)計簡化。該儀器的設(shè)計原則是，對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間，以最大限度地減小由于腐蝕不完全均勻而產(chǎn)生的測試誤差，這一點，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應(yīng)。例如，一個絲狀探頭元件，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應(yīng)，經(jīng)過一段時間之后的穿透深度（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，顯然可以標定這個儀器，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行連續(xù)記錄，或利用傳統(tǒng)的儀表工程技術(shù)自動地掃描大量的探頭。另外，還可以配合使用差動分析器直接得到腐蝕速度讀數(shù)。
探頭設(shè)計
測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“比較”元件，可將溫度補償置入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。進行測量時，它作為電橋的第二臂。第二個 “比較電極”通常放置在探頭體內(nèi)，使用時用來對填充系統(tǒng)和探頭內(nèi)部回路的完整性作 “檢查”測量。為了通向腐蝕性介質(zhì)，暴露的測試元件通常采用通道狹窄或類似結(jié)構(gòu)的套筒做機械性防護。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，需要在工作壽命和靈敏度之間權(quán)衡。對于那些厚度變化微小的測量，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驗。對現(xiàn)場應(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?shù)撵`敏度與強度結(jié)合起來，可以防止機械損壞，避免流速影響。這種元件還有另外一些優(yōu)點，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，對橫截面積的影響相對減?。冉z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，可通過一個填料密封裝置和法蘭或閘閥在壓力容器運行期間插入和取出。其他探頭許多設(shè)計大體類似。有時，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)計一種特殊探頭，是因為要對一種特殊合金進行試驗；或者，是因為使用環(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)計了各種探頭對特殊問題進行研究。例如，在一種適當?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)，并采用特別的測量儀器，可以測定出小至3×10-5 mm的金屬損失量；在其他極個別情況下，測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。可以預(yù)料，它將成為一種標準方式并擴大應(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)用時主要的局限性是由探頭設(shè)計和材料所帶來的，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，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。
有實際重要意義的典型腐蝕速度是0.25 mm?a-1。這樣，一個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個月；厚度相同的片狀元件，如果腐蝕從兩側(cè)同時進行，其有效壽命為3個月。所達到的實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個小分度。在上述3種情況下，這大體相當于厚度變化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)計學(xué)上看，要想得到有明顯差別的讀數(shù)，可在下述時間間隔下測讀：約4天、2天、24小時。然而，如果腐蝕速度預(yù)期會變化，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。對于某儀器來說，只要認為讀數(shù)時間間隔不足以精確分辨厚度變化，就不可能從兩個讀數(shù)獲得精確的腐蝕速度。一般說，根據(jù)一系列讀數(shù)來估計腐蝕速度更為可靠。測定結(jié)果表明，經(jīng)過一段時間之后，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間的變化
c.探頭位置。探頭應(yīng)放在能模擬所需試驗條件的位置上。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，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。這種判斷與所進行的監(jiān)測原因有關(guān)?？梢栽O(shè)置多個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，在其整個有效使用期內(nèi)，其有效溫度極限也應(yīng)低于標稱值。
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。當然，這種測量容易產(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不同。實際上，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。在溫度快速波動的物料中，單個測量的精度減小，需要對腐蝕結(jié)果進行平均。由于暴露元件對溫度變化的響應(yīng)往往快于被保護起來的比較元件，所以，這種情況就會發(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量（見圖4）。
圖4在溫度容易發(fā)生快速波動的蒸餾系統(tǒng)中探頭電阻隨時間的變化
d.局部腐蝕。電阻探頭不容易測定局部腐蝕，如點蝕、應(yīng)力腐蝕破裂等，也不能對這些現(xiàn)象作出有意義的測量。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，起初對電阻的影響不是很大，當探頭接近使用壽命極限時，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。電阻法測量通常不會受到元件上沉積物或腐蝕產(chǎn)物的影響，因為金屬導(dǎo)電性一般要比這些物質(zhì)高得多。但當測量是在高溫下進行的時候，對于帶有某種銹皮，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，這是采用探頭進行測定的各種監(jiān)測技術(shù)可能存在的一個難題。最初的腐蝕速度可能與容器表面的腐蝕速度不同，但當形成一層與容器表面膜相類似的膜時，情況就會有所改變了。
f.電解液電阻。在導(dǎo)電性強的電解液中，有可能在電流流過探頭元件的同時，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，但當需要精確測量時，就必須考慮這一點。
電阻法在廣泛的使用條件下已被實踐所證明是種很好的方法。在許多工業(yè)上，可視為一種標準方法，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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