通过嵌入锌参比电极的电位探针监测埋地管道的阴极保护外文翻译资料

材料与设计114（2017）194-201

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材料和设计

j o u r n a l h o m e p a g e : w w w . e l s e v i e r . c o m / l o c a t e / m a t d e s

通过嵌入锌参比电极的电位探针监测埋地管道的阴极保护

Andrea Brenna, Luciano Lazzari, MariaPia Pedeferri, Marco Ormellese

Politecnico di Milano, Dipartimento di Chimica, Materiali e Ingegneria Chimica “G. Natta”, Via Mancinelli, 7, Milano 20131, Italy

重点 图形 摘要

bull;建议将埋入适当回填的Zn参比电极的潜

在探针用于监测阴极保护

bull;根据国际标准的要求，探头允许测量电

位消除欧姆降的影响

bull;回填材料是基于总和，膨润土和纤维素

的混合物，以保持水分并减少质量损失

bull;回填避免收缩，并保证锌电极和碳钢板

之间有良好的电解接触

文章 信息

文章历史：

2016年9月13日收到

以修订形式于2016年11月11日收到

2016年11月23日接收

2016年11月27日在线提供

关键词：阴极保护、潜在、探测、欧姆降、监控、锌

摘要

根据国际标准，阴极保护效率通过监测无IR电位来控制。如今，商用探头可用于执行正确的电位读数，从而消除欧姆降分布。在本文中，提出了一种将锌参比电极嵌入适当回填的新探头。由于活性条件下的低过压和高交换电流密度，锌是有前景的材料。进行了实验室测试以选择稳定的回填，以避免任何收缩和质量损失的风险。考虑了十六种基于石膏，粘土和其他添加剂的混合物。使用石膏，特别是硫酸根离子来维持锌处于活性状态;膨润土，吸收周围土壤的湿度，保证水分含量不变。添加四种添加剂，纯纤维素，引气剂，膨胀玻璃颗粒和二氧化硅基砂，以研究对吸水率，质量损失和电导率的影响。其中两个被选中来制备两个带有锌电极的探针原型，以便在连续阴极保护监测期间验证回填和锌的稳定性。

copy;2016 Elsevier Ltd.保留所有权利。

1. 介绍

阴极保护（CP）是一种用于防止和控制埋地碳钢管道腐蚀的电化学技术[1,2].根据过去的经验，在过去的几十年里，这些

作者联系方式：Via L. Mancinelli 7,20131米兰，意大利。 电子邮件地址：marco.ormellese@polimi.it（M. Ormellese）。

http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2016.11.089 0264-1275 /copy;2016 Elsevier Ltd.保留所有权利。

设备根据ISO 15589-1 [3]和EN 12954标准[4]进行设计，并且使用有限元方法模拟电场[5,6]，尤其是 复杂结构的情况下浸在土壤中遭受高水平的杂散电流。 根据国际标准提供的保护标准，用于评估CP条件的标准基于无IR电位测量。 正如ISO 15589 [3]和EN 12954 [4]所报告的，无红外电位被定义为在没有由于电流在土壤中循环而导致电解液中欧姆降下降引起的电压误差的情况下测量的结构 - 电解质电位。

根据图1中的方案，通过将参比电极与结构周围的土壤接触并使用高阻抗电压计进行结构 - 土壤电势测量。 负极连接到参考电极，而正极连接到金属结构。 大多数用作土壤应用的参比电极的金属是铜，锌，不锈钢和混合金属氧化物活化钛。

如果使用稳定的参比电极，潜在的读数是可靠的。稳定性依赖于用作电极的金属的电化学性质[7-8]：具有高交换电流密度和低过电压（例如铜或锌）的活性金属比活性金属如不锈钢或活化的钛，它具有非常高的阳极过电压。这种活性金属在阅读过程中的偏振性也较差。实际上，在电位测量期间，由于它们之间的驱动电压（即，电位差），电流在被监测结构和参考电极之间流动。如果电极表面的电流密度分别超过交换电流密度或无源电流密度（对于有源和无源金属），则该电流会增加电压表阻抗并降低参考电极的极化。为了减少电极极化，建议使用高内阻的电压表[3,4]：建议活性金属的电阻值为1MOmega;，被动电极的电阻值大于1GOmega;。

测量值，即所谓的“接通电位”Eon，是三个贡献的总和（图1）：

Eon= Eeq eta; IR (1)

其中Eeq是金属平衡电位，eta;是相对于平衡电位的过电压，IR是土壤中的欧姆降，其取决于参考电极位置，土壤电阻率和环流。

总和（Eeq eta;）定义为“不含EIR的电位”，无EIR：

EIRminus;free = Eeq eta; = Eon–IR (2)

第二欧姆定律将欧姆压降贡献IR定义为：

IR = rho; i d (3)

其中rho;为土壤电阻率（假定土壤均质），i为在土壤中流动的平均电流密度，d为参考电极和管道之间的距离。

结合等式 （2）和（3），获得无IR的无IR电位：

EIRminus;free = Eon– = rho; i d (4)

在低电阻率或高电阻率土壤中，欧姆滴的贡献可能分别达到几十毫伏至几伏[9]。 然后，为了评估节拍保护条件，应该消除欧姆降。

有几种方法可以测量无红外电位。它们基于参比电极和结构（局部或固定参比电极，具有内部参比电极的Luggin毛细管和电位探头）或循环电流入侵（在在印制电流CP系统中的关闭技术）。每种技术的描述和一些应用可以在具体的文献中找到[10-22]。应该指出的是，无IR电位无疑是通过减少参考电极到结构的距离来提供的，然后通过使用带有内部参比电极的电位探针或通过放置在Luggin毛细管中的参考电极来提供或埋入塑料导管中，该塑料导管靠近钢制试样。这些技术允许通过放置一个非常接近连接到管道的试样的参比电极来测量无IR电位[10-17]。与其他系统相比，潜在探头的使用可提供更高的耐用性。相反，开关技术是基于以下实验证据：当保护电流中断时，欧姆降在很短的时间内消失（大约10-6s），同时氧还原反应的浓度过电压被消除在较长时间内（从几秒到几天）是扩散控制反应[1-2]。标准ISO 15589 [3]报告说，在保护电流中断后一秒内测量的电位通常足够准确。开关读数的缺点是无法检测过度保护条件，在电流耦合和杂散电流情况下不适用[18-22]。

现有的商用电位探针由与结构连接的圆形碳钢试样组成，其中一个参比电极位于试样附近，如图2所示。钢试样由类似于管线的材料制成; 根据ISO 15589-1 [3]，优惠券被涂覆留下明确的裸露区域。 涂层钢试样用于模拟涂层缺陷。

许多商用电位探针使用浸入饱和硫酸盐溶液中的内部铜参考电极。 虽然电极由于铜的电化学活性低而非常稳定，但这种潜在的探针具有仅持续几年，通常少于5年的缺点，因为硫酸盐溶液变干或由于氯化物的进入而被污染 和土壤中的钙离子。 提出了不同的和更耐用的参比电极，如混合金属氧化物活化钛（Ti-MMO）嵌入固体碱性砂浆中的钢结构[23]。 尽管由于存在避免干燥风险的固体电解质（砂浆）而具有很高的消除欧姆降的贡献和长期持续的能力，这种潜在的探针显示了被动高极化的缺点 Ti-MMO参考电极在远程监测[24]。

图1.电位测量及其电化学解释。

196 A. Brenna等人 /材料与设计114（2017）194-201

图3.测试潜在探头的方案。

图2.带有参比电极的电位探头。

为了克服这些问题，一项研究开始集中于设计一种具有嵌入式参比电极的耐用潜在探头，以监测阴极保护埋地管道的无IR电位。 潜在探针的要求是内部参比电极的稳定性和非极化性，回填料的稳定性和耐久性。 初步工作[25]证实，如果探头内部的环境保持湿润，锌在电位测量过程中具有良好的稳定性。 尽管如此，由于回填收缩，潜在的测量变得不稳定，发生在探头铸造后的头几天，这促进了回填物从电极和钢板的分离，从而消除了可能的读数所需的电解接触。 由于回填干燥而发生收缩。

在本文中，实验室测试评论选择一个稳定的回填，以避免任何收缩，并确保最高的电导率，以减少欧姆降至可忽略的价值。

2. 材料和方法

测试的电位探针由具有暴露表面积80cm 2的圆形碳钢试样（API 5L X52 [26]，根据EN ISO 3183 [27]的L360）和商业纯锌电极构成，暴露表面积为10平方厘米。两者都放置在直径120毫米，高60毫米的圆柱形塑料外壳中。箱子里充满了回填物（图3）。与回填料接触的优惠券表面涂漆。钢试样有三个槽（50mm长，5mm宽），以确保在界面处回填到土壤的电解接触。将纤维素多孔塞放置在钢板和回填土之间以避免离子从回填土扩散到周围土壤。探头装满了特定的覆盖物以避免任何回填溶解。钢试样和参考电极都用双层绝缘双极电缆连接，从而可以读取嵌入锌参比电极的圆形钢试样电位。

用于防止钝化锌和确保电解电导率的回填基于石膏（CaSO4·2H2O），本 - 亚磷酸盐（Al2O3·4SiO2·4H2O）和其他添加剂的混合物。 石膏（G），特别是硫酸根离子减少锌上不溶腐蚀产物的形成并保持稳定的活性状态。 膨润土（B）是一种粘土，吸收周围土壤的湿度，在干燥季节保持恒定的适当含水量以降低探头内部电阻率。

考虑四种添加剂来研究对吸水率，质量损失和电导率的影响：

bull;纯纤维素（C）增加保水性

bull;引气剂（AE），用于混凝土应用，能够形成均匀分布的微尺寸气泡

bull;膨胀玻璃颗粒（GL），粒度范围为1至4毫米，以增加孔隙率

bull;二氧化硅基砂（S），粒度小于3毫米，主要用于控制回填收缩的风险。

考虑两种石膏 - 膨润土比率（G / B）：石膏 - 膨润土比率越低，保留水的能力越高。 为了比较的目的，还在没有Benitonite（100％G）的情况下进行测试，以评估另一种添加对水的保持，质量损失和回填电导率的影响。

采用两种石膏 - 水比（G / W）来评估质量损失的风险，因此可能的回填收缩率：比率越高，孔隙率越低。

表1中报道了16种测试回填混合物的组成。比率和百分比以重量表示。 为每种混合物制备三个立方体样品（侧面50mm）（图4）。

铸造后，试样在室温（20plusmn;1℃）下相对湿度95％的气候室内固化。 定期测量质量7天（第一天为30,60和90分钟，接下来的6天为每天），直到样品被水饱和以评估最大吸水率。 然后将标本在烘箱中于105℃下干燥24小时以测量由于石膏溶解而造成的质量损失。

吸水率（％W）和质量损失（％M）估计如下：

%W = 100 （MW–M0)/M0 （5）

%M = 100 (M0–MD)/M0 （6）

表格1

回填组合物（G =石膏，B =膨润土，W =水，C =纤维素，AE =加气剂，GL =膨胀玻璃，S =砂）。

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