本發(fā)明涉及一種電化學測試裝置，尤其是一種兩側(cè)開口的電化學反應釜及其使用方法。

背景技術：

金屬的腐蝕是指在自然環(huán)境中或者在工況條件下，由于與其所處環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學或者電化學作用而引起的變質(zhì)和破壞。隨著工業(yè)的逐漸發(fā)展，金屬所處與的各種工業(yè)環(huán)境也趨于復雜，例如石油運輸管線的水-硫化氫腐蝕環(huán)境，深海管道的高壓氯離子環(huán)境，鍋爐管道的高溫高壓環(huán)境等。

現(xiàn)今，對腐蝕的研究主要集中于常溫常壓下，對高溫高壓的腐蝕環(huán)境的研究較少。尤其是高溫、高壓、強腐蝕介質(zhì)的環(huán)境下，由于其腐蝕環(huán)境對金屬材料的苛刻條件，對高溫高壓密閉反應釜內(nèi)壁的材料提出了更高的要求。目前，高溫高壓反應釜通常使用316l不銹鋼作為容器內(nèi)壁。然而，該材料在高溫高壓環(huán)境下，對侵蝕性離子(氯離子)的耐蝕性能很差，高壓釜內(nèi)壁容易產(chǎn)生孔蝕，從而造成很大的安全隱患。因此，對于傳統(tǒng)的高溫高壓反應釜來說，是無法勝任對現(xiàn)今的復雜苛刻的工業(yè)環(huán)境的模擬的。

聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，簡寫為PTFE)材料具有抗酸抗堿、抗各種有機溶劑腐蝕的特點，幾乎不溶于所有的溶劑。同時，聚四氟乙烯耐高溫性能良好，可以在250℃的環(huán)境下穩(wěn)定工作而保持優(yōu)良的理化性能。與此同時。聚四氟乙烯還具有良好的密封性能，聚四氟乙烯墊片現(xiàn)已應用于各個工業(yè)設備的部件密封。例如法蘭盤的密封等。因此，使用聚四氟乙烯替代高溫高壓反應釜的內(nèi)壁材料可以使高溫高壓反應釜良好的耐受各種酸，堿，鹵素，硫化氫劑等腐蝕介質(zhì)對反應釜內(nèi)壁的腐蝕，避免反應釜內(nèi)壁由于腐蝕造成經(jīng)濟損失和安全隱患。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術中的缺點，提供了一種用于高溫密閉環(huán)境的電化學測試裝置。

為了解決上述技術問題，本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的：

一種兩側(cè)開口的電化學反應釜，包括第一底蓋、第一壓板、第一聚四氟內(nèi)膽上蓋、罐體、聚四氟內(nèi)膽、第二聚四氟內(nèi)膽上蓋、第二壓板、第二底蓋、電子導通裝置和四點彎曲夾具，罐體呈桶狀，在罐體兩側(cè)設置有外沿，在兩側(cè)外沿上均布有用于連接第一底蓋和第二底蓋的螺栓擰緊螺紋孔，在罐體內(nèi)設置有聚四氟內(nèi)膽，在聚四氟內(nèi)膽兩側(cè)設置有第一聚四氟內(nèi)膽上蓋和第二聚四氟內(nèi)膽上蓋，在兩個聚四氟內(nèi)膽上蓋的中部各設置有三個螺紋孔，在第一聚四氟內(nèi)膽上蓋的三個螺紋孔內(nèi)設置有入水口、出水口和壓力表，在第二聚四氟內(nèi)膽上蓋的三個螺紋孔內(nèi)設置有三個電子導通裝置，分別用于連接三種電極，所述電子導通裝置由下蓋、金屬內(nèi)芯和連接柱構成，在第一聚四氟內(nèi)膽上蓋上設置有第一壓板，在第一壓板上設置有第一底蓋，在第二聚四氟內(nèi)膽上蓋上設置有第二壓板，在第二壓板上設置有第二底蓋，在第一底蓋和第二底蓋的外緣設置有與罐體外沿上螺栓擰緊螺紋孔位置相對應的螺栓孔，在第一壓板上設置有壓板孔，在第一底蓋上設置有底蓋孔，所述壓板孔和底蓋孔用于連接進水口、出水口的管路和壓力表從中穿過，第二壓板上設置有用于穿過銅線的壓板銅線孔，在第二底蓋上設置有同樣用于穿過銅線與壓板銅線孔位置相對應的底蓋銅線孔，所述四點彎曲夾具設置于聚四氟內(nèi)膽中用于固定工作試樣。

在上述技術方案中，所述的螺栓擰緊螺紋孔數(shù)量為6-10個。

在上述技術方案中，所述的壓板銅線孔數(shù)量為3個。

在上述技術方案中，所述的底蓋銅線孔數(shù)量為3個。

在上述技術方案中，所述的電子導通裝置由下蓋、金屬內(nèi)芯和連接柱構成，下蓋底部設置有貫通的小孔供導線通過，下蓋內(nèi)部設置有凹槽，連接柱的下端固定于凹槽內(nèi)，在連接柱內(nèi)部設置有金屬內(nèi)芯用于與導線連接，金屬內(nèi)芯貫穿連接柱內(nèi)部，在金屬內(nèi)芯的底部設置有螺栓用于固定導線，在連接柱外側(cè)設置有螺紋用于通過電極固定螺紋孔與內(nèi)膽上蓋連接。

在上述技術方案中，所述的第一壓板和第二壓板在第一底蓋和第二底蓋的作用力下使聚四氟上蓋與聚四氟內(nèi)膽之間壓緊，第一壓板、第一聚四氟內(nèi)膽上蓋、聚四氟內(nèi)膽、第二聚四氟內(nèi)膽上蓋、第二壓板的軸向長度之和大于罐體的軸向長度以確保兩側(cè)壓板在壓緊的過程中其應力施加在聚四氟內(nèi)膽上蓋及聚四氟內(nèi)膽上，防止漏壓。

在上述技術方案中，所述的四點彎曲夾具表面涂覆有防腐氟碳漆，以防止在實驗中發(fā)生腐蝕。

一種兩側(cè)開口的電化學反應釜的使用方法：按照下列步驟進行：

步驟一、將待測試樣固定于四點彎曲夾具上，對試樣施加螺紋載荷，并將試樣與導線連接作為工作電極，將三電極分別與三個電子導通裝置連接，連接方式為：將三電極的導線穿過下蓋的小孔安裝于金屬內(nèi)芯上，使用螺栓將導線固定，對下蓋的小孔處進行密封處理，密封后將三個電子導通裝置通過螺紋分別固定于第二聚四氟內(nèi)膽上蓋的三個螺紋孔內(nèi)；

步驟二、在聚四氟內(nèi)膽的一側(cè)蓋上第一聚四氟內(nèi)膽上蓋，第一壓板、第一底蓋，將入水口，出水口與進出水管路連接，通過螺紋安裝好壓力表，在聚四氟內(nèi)膽的另一側(cè)蓋上連接有三電極的第二聚四氟內(nèi)膽上蓋、第二壓板和第二底蓋，使三電極的導線分別從壓板銅線孔和底蓋銅線孔內(nèi)穿過，使用螺栓分別將第一底蓋、第二底蓋與罐體的外沿之間密封固定；

步驟三、對裝置通過入水口進行加水，加入的溶液為環(huán)境模擬液，保證溶液與三電極的工作端均接觸良好以得到良好的離子導通通道，加入溶液后，保持出水口關閉，使用外部加壓裝置通過入水口進行加壓，觀察壓力表，當壓力達到所需數(shù)值時，去掉外部加壓裝置，并關閉入水口，觀察一段時間，若其內(nèi)部壓力不下降，則加壓步驟完成；

步驟四、將反應釜裝置放入控溫箱內(nèi)并將電化學測量裝置的工作端、參比端和對電極端分別與三電極的導線連接，進行電化學測試；

步驟五、將測試所得數(shù)據(jù)使用相符的處理手段進行分析，研究其腐蝕行為，從而判斷材料在該環(huán)境下的腐蝕類型、速率和臨界氯離子濃度等指標。

本裝置可進行無損電化學測試以及外加電位(電流)的電化學測試。以下以極化曲線為例對其進行示例性說明。

對金屬在腐蝕介質(zhì)中腐蝕速度判斷最為正確的辦法是極化曲線研究。極化曲線研究原理如下：

在自腐蝕電位下，電極表面的陽極電流與陰極電流相等。此時外界電流密度為：

I＝I_{corr，a}+I_{corr，c}＝0

極化時，

I_corr＝I_0，aexp((E_corr-E_e，a)/β_a)＝I_0，c((-E_corr+E_e，c)/β_a)

當電極的電位偏離自腐蝕電位較遠時(通常大于100mV)，以陽極極化為例，此時，陰極過程所導致的電流可被忽略，因此：

I₊＝I_correxp(ΔE/β_a)(1-exp(-(β_a+β_c)/β_aβ_c)ΔE)

可被簡化為：

I₊＝I_correxp(ΔE/β_a)

其中：

ΔE＝E-E_corr

式中，E為極化電位

同理，當陰極極化時，

I_-＝-I_correxp(-ΔE/β_a)(1-exp((β_a+β_c)/β_aβ_c)ΔE)

可被簡化為：

I_-＝-I_correxp(-ΔE/β_a)

以上二式在對數(shù)坐標系下電流與電位均呈現(xiàn)直線關系，因此，對于偏離直線關系的靠近自腐蝕電位的部分，可以使用直線外推法得到I_corr的真實數(shù)值。因此，使用極化曲線使用塔菲爾外推法可以計算得到金屬的腐蝕速度。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：本裝置采用聚四氟內(nèi)膽，具有抗酸抗堿、抗各種有機溶劑腐蝕的性質(zhì)，為模擬各種條件下的電化學腐蝕行為提供了條件，罐體兩端開口，一側(cè)的聚四氟內(nèi)膽上蓋上設置有用于連接三電極的電極固定螺紋孔，可用于電化學測試，另一側(cè)聚四氟內(nèi)膽上蓋上設置有入水口、出水口和壓力表，可用于注入反應溶液和加壓處理，本裝置兼顧了電化學測試以及掛片腐蝕實驗，將二者有效的結(jié)合，可以用于研究高溫高壓環(huán)境下金屬的腐蝕行為。

附圖說明

圖1為本發(fā)明整體結(jié)構示意圖，其中下一行為裝置的側(cè)視結(jié)構圖，上一行為裝置的俯視結(jié)構圖。

圖2為本發(fā)明中電子導通裝置結(jié)構示意圖，其中下一行為裝置的側(cè)視結(jié)構圖，上一行為裝置的俯視結(jié)構圖。

圖3為四點彎曲夾具加載試樣結(jié)構示意圖。

圖4為四點彎曲試樣受力示意圖(A、B為外支點，C、D為內(nèi)支點，E、F為預留工作面點)。

圖5為。

其中，1為第一底蓋，1-1為螺栓孔，1-2為底蓋孔，2為第一壓板，2-1為壓板孔，3為第一聚四氟內(nèi)膽上蓋，3-1為螺紋孔，4為罐體，4-1為外沿，4-2為螺栓擰緊螺紋孔，5為聚四氟內(nèi)膽，6為第二聚四氟內(nèi)膽上蓋，7為第二壓板，7-1為壓板銅線孔，8為第二底蓋，8-1為底蓋銅線孔，9-1為下蓋，9-2為螺栓，9-3為內(nèi)芯，9-4為連接柱。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖與具體的實施方式對本發(fā)明作進一步詳細描述：

如圖中所示，一種兩側(cè)開口的電化學反應釜，包括第一底蓋、第一壓板、第一聚四氟內(nèi)膽上蓋、罐體、聚四氟內(nèi)膽、第二聚四氟內(nèi)膽上蓋、第二壓板、第二底蓋、電子導通裝置和四點彎曲夾具，罐體呈桶狀，在罐體兩側(cè)設置有外沿，在兩側(cè)外沿上均布有用于連接第一底蓋和第二底蓋的螺栓擰緊螺紋孔，在罐體內(nèi)設置有聚四氟內(nèi)膽，在聚四氟內(nèi)膽兩側(cè)設置有第一聚四氟內(nèi)膽上蓋和第二聚四氟內(nèi)膽上蓋，在兩個聚四氟內(nèi)膽上蓋的中部各設置有三個螺紋孔，在第一聚四氟內(nèi)膽上蓋的三個螺紋孔內(nèi)設置有入水口、出水口和壓力表，在第二聚四氟內(nèi)膽上蓋的三個螺紋孔內(nèi)設置有三個電子導通裝置，分別用于連接三種電極，所述電子導通裝置由下蓋、金屬內(nèi)芯和連接柱構成，在第一聚四氟內(nèi)膽上蓋上設置有第一壓板，在第一壓板上設置有第一底蓋，在第二聚四氟內(nèi)膽上蓋上設置有第二壓板，在第二壓板上設置有第二底蓋，在第一底蓋和第二底蓋的外緣設置有與罐體外沿上螺栓擰緊螺紋孔位置相對應的螺栓孔，在第一壓板上設置有壓板孔，在第一底蓋上設置有底蓋孔，所述壓板孔和底蓋孔用于連接進水口、出水口的管路和壓力表從中穿過，第二壓板上設置有用于穿過銅線的壓板銅線孔，在第二底蓋上設置有同樣用于穿過銅線與壓板銅線孔位置相對應的底蓋銅線孔，所述四點彎曲夾具設置于聚四氟內(nèi)膽中用于固定工作試樣。

在上述技術方案中，所述的螺栓擰緊螺紋孔數(shù)量為8個。

在上述技術方案中，所述的壓板銅線孔數(shù)量為3個。

在上述技術方案中，所述的底蓋銅線孔數(shù)量為3個。

在上述技術方案中，所述的電子導通裝置由下蓋、金屬內(nèi)芯和連接柱構成，下蓋底部設置有貫通的小孔供導線通過，下蓋內(nèi)部設置有凹槽，連接柱的下端固定于凹槽內(nèi)，在連接柱內(nèi)部設置有金屬內(nèi)芯用于與導線連接，金屬內(nèi)芯貫穿連接柱內(nèi)部，在金屬內(nèi)芯的底部設置有螺栓用于固定導線，在連接柱外側(cè)設置有螺紋用于通過電極固定螺紋孔與內(nèi)膽上蓋連接。

在上述技術方案中，所述的第一壓板和第二壓板在第一底蓋和第二底蓋的作用力下使聚四氟上蓋與聚四氟內(nèi)膽之間壓緊，第一壓板、第一聚四氟內(nèi)膽上蓋、聚四氟內(nèi)膽、第二聚四氟內(nèi)膽上蓋、第二壓板的軸向長度之和大于罐體的軸向長度以確保兩側(cè)壓板在壓緊的過程中其應力施加在聚四氟內(nèi)膽上蓋及聚四氟內(nèi)膽上，防止漏壓。

在上述技術方案中，所述的四點彎曲夾具表面涂覆有防腐氟碳漆，以防止在實驗中發(fā)生腐蝕。

以下通過高壓環(huán)境下對材料不同應力下腐蝕速度的研究對本裝置的使用做進一步說明，所選用研究方法為極化曲線方法。

本研究步驟如下：

1.將長片工作電極焊接于導線上，并使用絕緣物涂抹使其只露出長方形工作表面，其余部分均不導電。

2.將處理好的工作電極裝配于四點彎曲夾具上，并按照所需應力值施加螺紋載荷，如圖3、圖4所示。

四點彎曲(FPB)法是目前腐蝕科研工作者在開展腐蝕試驗時廣泛采用的方法之一，加載時試樣受力的區(qū)域是一個受力均勻區(qū)域范圍，根據(jù)ISO標準實驗施加應力裝置采用四點彎曲裝置，而四點彎曲法夾具的設計參考國際標準ISO7539-2:1995金屬和合金的腐蝕-應力腐蝕試驗-第2部分：彎梁試樣的制備和應用以及GBT15970.2-2000金屬和合金的腐蝕-應力腐蝕試驗-第2部分：彎梁試樣的制備和應用，設計四點彎曲條狀試樣尺寸為：110×15×2mm，夾具尺寸136×35×20mm，為了防止夾具在實驗過程中發(fā)生腐蝕，實驗前用防腐氟碳漆涂敷夾具表面，而且夾具在施加應力時條狀試樣與夾具接觸處采用聚四氟棒進行隔離以避免發(fā)生接觸腐蝕。

根據(jù)應力-應變曲線，在施加應力后X65管線鋼可分為彈性應變區(qū)和塑性應變區(qū)。X65管線鋼處于彈性應變區(qū)時應力-應變曲線大致呈一條直線，而當其在塑性應變區(qū)時X65管線鋼的應力-應變曲線則會趨于平緩，應力變化將變小。根據(jù)GBT標準15970.2-2000，我們可用如下公式計算X65管線鋼處于彈性應變區(qū)時的應力大?。?/p>

σ是試樣表面最大拉應力(N/m²)；

t是試樣厚度(m)，為0.002m；

E是材料的彈性模量(N/m²)；

y是試樣最大彎曲高度(m)；

H是兩外支點之間的距離(m)，為0.10m；

A是內(nèi)外兩支點之間的距離(m)，A＝H/4＝0.025m；

公式是基于小的彈性形變條件下而成立，要求y/H﹤0.1。

根據(jù)以上公式和之前所測實驗用X65鋼的力學性能數(shù)據(jù)，得到了四點彎曲X65管線鋼實驗的基本數(shù)據(jù)，見下表。表中，E是實驗用X65管線鋼的彈性模量，YS表示X65管線鋼發(fā)生0.2％的應變時的應力。t是實驗用X65鋼試樣的厚度，H為四點彎曲夾具兩外支點間的距離，四點彎曲夾具內(nèi)外兩支點間的距離表示為A。根據(jù)標準中四點彎曲公式，我們可以得到實驗用X65管線鋼在四點彎曲加載下處于彈性區(qū)時在不同的應力下的撓度(y)。

表 實驗用X65鋼材的基本數(shù)據(jù)

根據(jù)表1中實驗用X65鋼的基本數(shù)據(jù)和之前應力公式可計算出當實驗用X65管線鋼對應應力下的位移量，50％YS時為1.78mm，75％YS時為2.67mm，100％YS時為3.56mm。

3.將密封電子導通裝置中的金屬內(nèi)芯的上端安裝于聚四氟連接裝置內(nèi)。并將聚四氟連接裝置通過螺紋旋緊于聚四氟內(nèi)膽上蓋。

4.將準備好的工作電極(及四點彎曲夾具)的導線通過聚四氟下蓋的小孔安裝于密封電子導通裝置中的金屬內(nèi)芯上，并使用金屬內(nèi)芯自帶的螺栓固定好三電極的銅線。此后，將聚四氟下蓋旋緊于聚四氟連通裝置上，并對導線穿過小孔處進行密封處理。使用萬用表檢測工作電極與接線柱通斷，若為通，則安裝正常。

5.將鉑電極、氯化銀參比電極、進水口止水閥、出水口止水閥、壓力表通過聚四氟內(nèi)膽蓋的螺紋孔裝配于聚四氟內(nèi)膽蓋上，旋緊聚四氟外六角以密封嚴密，并保證兩個止水閥均打開。至此，三電極系統(tǒng)以及加壓系統(tǒng)安裝完畢。

6.將聚四氟內(nèi)膽放入不銹鋼外殼內(nèi)，放入工作電極(以及四點彎曲裝置)，蓋上上述連接好的兩個聚四氟上蓋。并蓋上兩個聚四氟壓板。

7.蓋上左右兩個不銹鋼壓蓋，確保電子導通裝置的金屬內(nèi)芯的上端與不銹鋼上蓋無接觸。此后將兩個不銹鋼壓蓋的16條密封螺栓按照對角線順序擰緊。

8.裝配好裝置后即可對其裝置通過入水口進行加水。其加入的溶液為本實驗的外界環(huán)境模擬液，并保證溶液與三電極的工作端均接觸良好以得到良好的離子導通通道。加入溶液后，關閉出水口，使用外部加壓裝置對其入水口進行加壓。觀察壓力表，當壓力達到所需數(shù)值時，關閉入水口。去掉外部加壓裝置，觀察一段時間，若其內(nèi)部壓力不下降，則裝置安裝完畢。

9.將裝配好的用于電化學測試的高溫密閉反應釜裝置放入控溫箱內(nèi)并將電化學測量裝置的工作端、參比端和對電極端夾子分別夾在三種電極所連接的金屬內(nèi)芯上端后便可進行電化學測試。

10.使用2273電化學工作站對其進行極化曲線測試，將所得數(shù)據(jù)使用origin繪制，并使用塔菲爾外推法得到其腐蝕電流與塔菲爾斜率，將其寫如下表，可得：

由上表可知，隨著應力的增加，其腐蝕電位逐漸下降，并且腐蝕電流逐漸上升?？梢婋S著應力的增加材料的腐蝕速度也逐漸增加。

由圖5以及上表中陰極塔菲爾斜率可知，應力主要控制其電化學腐蝕的陰極過程，該結(jié)論可對進一步防腐措施提出重要判斷依據(jù)。

對其他的電化學測試，例如電化學噪聲以及電化學阻抗譜測試等，本裝置的使用方法相同，在此不再贅述。

以上對本發(fā)明進行了詳細說明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實施例，不能被認為用于限定本發(fā)明的實施范圍。凡依本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進等，均應仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。