耦合多电极矩阵传感器在循环冷却水系统的应用

郑立彬，兰云峰，周 伟，张居生

(四川仁智石化科技有限责任公司，四川 绵阳 621000)

材料腐蚀是全面腐蚀和局部腐蚀共同作用的结果.金属材料的损坏82%都是由局部腐蚀引起的［1，2］.为了减少腐蚀损失、延长设备使用寿命、阻止各种不必要的安全事故和环境污染的发生，需要一种在线连机实时监测设备和腐蚀监测传感器，但是目前国内对此报导很少.为此设计了一种耦合多电极矩阵传感器以满足实际需要.本文阐述了耦合多电极矩阵传感器的设计原理和具体应用，并通过其在循环水系统装置化学清洗时的实际应用，对其使用效果做出评价.

在成都某公司的资助下，在新建一座天然气增压站的设备上采用该耦合多电极矩阵传感器腐蚀监测技术，对其化学清洗过程进行全程监测［3，4］.监测结果表明:耦合多电极矩阵传感器技术比传统的挂片腐蚀监测技术更具优点，可以实时直观地反应清洗过程中各种工艺操作对金属材料腐蚀状况的影响.

1 耦合多电极矩阵传感器的工作原理及传感器探头的构造

1.1 工作原理

众所周知，金属材料之所以发生局部腐蚀，是由于其表面组织的不均匀引起的.这种组织的不均匀在电介质中金属表面形成局部的电位差，即在金属表面形成微小的电化学腐蚀阳极区和阴极区.电子从阳极区流向阴极区，电流从阴极区流向阳极区，金属不断腐蚀破坏［5，6］.如果将金属表面分割成足够微小的部分，各部分彼此独立，并通过外电路用导线将这些分开的部分耦合起来组成一个通路，这样金属腐蚀反应的阳极区和阴极区便得到模拟，腐蚀产生的电子将通过耦合的外电路从阳极流向阴极，那么金属局部腐蚀速率就可以通过测定这个外电流得到(各微小部分横截面积已知)［7］，与丝束电极相似，如图1所示.每个电极与公共耦合结点之间通过电阻相连，从腐蚀电极流出的电流在通过电阻时产生一个小的压降(μV级)，各电阻压降通过高灵敏度多通道电压表测得电压与电阻之比即为电流［8，9］.

图1 耦合多电极矩阵传感器原理示意图Fig.1 Schematic diagram of principle of the coupled multielectrode array sensors(CMAS)

1.2 耦合多电极矩阵传感器探头的构造

图2为一个4×4的耦合多电极矩阵传感器探头，各电极所用材质与待测金属相同，电极横截面积为1～115 mm2，表面用环氧树脂封装，然后通过彼此独立的电阻连接到一个公共的结点上，每个电极模拟腐蚀金属的一个区域［10～13］.

2 耦合多电极矩阵传感器对化学清洗效果的评价

成都某公司新建的一座天然气增压站二号机组循环水系统清洗，采用不停车化学清洗预膜方案，为了监测化学清洗腐蚀率是否达到国家标准，清洗前在循环水系统给水总管入口和回水总管出口分别安装了一套耦合多电极矩阵传感器(CMAS)，并在循环水池安装了6组腐蚀挂片(所有试片经200#至600#水砂纸处理，无水乙醇洗净)进行腐蚀监测的对比试验.于2012年11月14日上午9点开始对循环水系统装置进行化学清洗预膜，直到2012年11月14日19点清洗结束进入系统置换预膜.

图2 4×4耦合多电极矩阵传感器探头构造Fig.2 Structure of the probe of CMAS

监测结果如表1和表2所示.图3和图4为化学清洗前后的碳钢挂片;图5和图6为化学清洗前后的不锈钢挂片.碳钢及不锈钢挂片表面平整，无明显锈蚀且不锈钢表面依旧光泽整洁.由表1可见，3块碳钢挂片在清洗过程中的腐蚀速率远小于《工业设备化学清洗质量标准》(HG/T2387－2007)≤6.6955 mm/a的规定［14］;3 块不锈钢挂片在清洗过程中的腐蚀速率远远小于《工业设备化学清洗质量标准》(HG/T2387－2007)≤2.1954 mm/a的规定.耦合多电极矩阵传感器监测结果如表2所示，无论使用碳钢还是不锈钢，经耦合多电极矩阵传感器测得的腐蚀速率(mm/a)分别为2.8701和0.0241，同样在标准之内.耦合多电极矩阵传感器所测电极的腐蚀速率(见表2)与现场人工测得挂片的腐蚀速率(见表1)非常相近.这表明耦合多电极矩阵传感器能有效地模拟冷却水系统中管道的腐蚀状况，能有效地评价化学清洗效果，其电流信号能较准确地表征金属表面腐蚀阳极区和阴极区的腐蚀速率，即不停车进行化学清洗完全达到方案设计要求，具备在线实时联机监测的目的.监测数据结果可存微机随时调用，供检查复核.

图3 化学清洗前碳钢表面状态Fig.3 Morphology of the carbon steel before chemical cleaning

图4 化学清洗后碳钢表面状态Fig.4 Morphology of the carbon steel after chemical cleaning

图5 化学清洗前不锈钢表面状态Fig.5 Morphology of the stainless steel before chemical cleaning

图6 化学清洗后不锈钢表面状态Fig.6 Morphology of the stainless steel after chemical cleaning

表1 腐蚀挂片失重效果评定Table 1 Coupons weightloss effect assessment

续表1

表2 耦合多电极矩阵传感器(CMAS)监测结果Table 2 Monitoring results of the coupled multielectrode array sensors

3 结语

(1)耦合多电极矩阵传感器技术对循环水系统化学清洗过程进行评价，其监测结果与挂片监测方法相当，其清洗腐蚀速率均在国家标准范围内;

(2)具有监测速度快(短于15 s)、灵敏度高(20 um/a)、寿命长、使用环境广泛等优点;

(3)对化学清洗过程中的各种工艺参数变化能及时准确的响应，定量测量局部腐蚀速率，是一种有效的局部腐蚀监测方法;

(4)耦合多电极矩阵传感器技术可实时在线监测化学清洗过程中腐蚀速率的变化，为化学清洗中的工艺参数调整提供技术依据.

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