作者：武漢科思特儀器股份有限公司 文章來源：武漢科思特儀器股份有限公司
地球上海洋表面積占比70%，其中富含豐富的各種資源，它是人類生存必不可少的空間環(huán)境，也是應(yīng)對環(huán)境惡化、資源貧乏以及人口劇增的希望。我國坐擁300萬平方公里的海域，是海洋大國，因此我國海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有極其廣闊的前景和優(yōu)勢。伴隨著我國綜合實(shí)力的增長以及國際形勢的驟變，進(jìn)行海洋資源的開發(fā)及海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對我國社會發(fā)展和經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要價值。
海洋資源的不斷開發(fā)及利用，使得海上基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，如跨海大橋、石油開采平臺、燈標(biāo)、海港碼頭等，被大量興建，海量的金屬也被投入使用之中。因?yàn)楹Ｑ蟾g環(huán)境比較復(fù)雜，處于海洋環(huán)境之中的鋼材很容易與環(huán)境中的介質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使得鋼材腐蝕，與此同時，海洋環(huán)境中的潮汐、水流、浪花以及風(fēng)等流體運(yùn)動也導(dǎo)致鋼材還要承受交變載荷的作用。復(fù)雜的海洋環(huán)境，使得金屬材料遭受的腐蝕也形式多樣，電化學(xué)作用、機(jī)械作用和電化學(xué)協(xié)調(diào)作用、生物作用與電化學(xué)協(xié)調(diào)作用產(chǎn)生的腐蝕。
圖1.浪花飛濺區(qū)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕情況外貌
海洋環(huán)境腐蝕區(qū)域一般可分為大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海泥區(qū)五個區(qū)域。其中，浪花飛濺區(qū)是海洋環(huán)境下一般金屬構(gòu)筑物遭受腐蝕最嚴(yán)重的區(qū)域。在浪花飛濺區(qū)，金屬材料表面不但會受到海水的周期性潤濕，常常處于干濕交替的狀態(tài)，而且再浪花飛濺區(qū)，其供氧充足，加之陽光、海風(fēng)和溫度等因素的共同作用，導(dǎo)致了金屬表面遭受嚴(yán)重的腐蝕破壞。同一種金屬材料，在浪花飛濺區(qū)的腐蝕程度要比海水全浸區(qū)高出3-10倍。為了保證海上作業(yè)的安全，需要對處于浪花飛濺區(qū)的金屬結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕監(jiān)檢測，進(jìn)而為金屬構(gòu)件的壽命評估提供科學(xué)依據(jù)。
1.浪花飛濺區(qū)腐蝕在線監(jiān)測技術(shù)
腐蝕監(jiān)測就是測量各種腐蝕環(huán)境中金屬設(shè)備或者相同材質(zhì)探頭的腐蝕情況的一種測試工作。對于在浪花飛濺區(qū)的腐蝕監(jiān)測，就是監(jiān)測氣及水混合狀態(tài)下介質(zhì)的腐蝕性測試，這種測試主要就是將相同材質(zhì)的試件插入到腐蝕環(huán)境之中，并始終與腐蝕借助保持接觸，再定期測量腐蝕電流密度等，從而實(shí)現(xiàn)對腐蝕環(huán)境中的待測設(shè)備的連續(xù)監(jiān)測，為緩蝕劑加注或者其它腐蝕控制方案提供反饋。理想的監(jiān)測方法是在不影響生產(chǎn)情況下，對設(shè)備腐蝕狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)對設(shè)備的保護(hù)狀態(tài)進(jìn)行在線評價和安全預(yù)警。
遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，通過光纖收發(fā)器完成，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，其數(shù)據(jù)傳輸超低時延，通過專用的ASIC芯片完成數(shù)據(jù)線速轉(zhuǎn)發(fā)。管理員借助電腦可以實(shí)時采集實(shí)際測試數(shù)據(jù)，無需人員現(xiàn)場值守，也能掌握設(shè)備的運(yùn)行情況，有利于更好的調(diào)度和管理，這樣一方面節(jié)約了運(yùn)行成本，另一方面也可以大大降低安全事故發(fā)送概率。
電化學(xué)阻抗譜(Electrochemical impedance spectroscopy，EIS)是將一個小幅正弦波疊加在一個直流電位上，通過恒電位電路施加到工作電極，同步測量極化電位以及響應(yīng)電流的波形，通過相關(guān)積分算法即可計(jì)算出被測電極的阻抗譜Z。由于施加的擾動信號小，信號頻率穩(wěn)定，加上相關(guān)積分算法具有極高的抗諧波干擾和脈沖干擾能力，因而EIS的抗干擾能力和測量穩(wěn)定性要遠(yuǎn)高于LPR，且測量過程中陰陽極化交替進(jìn)行不易在金屬界面造成明顯的擴(kuò)散控制，因而能更真實(shí)地反映實(shí)腐蝕狀態(tài)。
武漢科思特儀器股份有限公司的CST728多通道鋼筋銹蝕監(jiān)測儀采用交流阻抗和高輸入阻抗放大器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多路高阻信號的同步精密測量；配合多功能混凝土監(jiān)測探頭，可以監(jiān)測混凝土電阻率、Cl-濃度、pH值、半電池電位和鋼筋銹蝕速率等參數(shù)。儀器通過DC12V電源適配器實(shí)現(xiàn)交流供電。
采用小幅度正弦波對埋入混凝土內(nèi)的探頭的三個電極進(jìn)行激勵，同時監(jiān)測工作電極（WE）的響應(yīng)電流信號。由內(nèi)置軟件可計(jì)算出電極的極化電阻Rp和電極的腐蝕速率。采用高頻率小幅正弦波對埋設(shè)于鋼筋中的兩只相對安裝的不銹鋼電極進(jìn)行極化，測量兩電極間的混凝土電阻率。
圖2. CST728鋼筋混凝土銹蝕測試儀以及腐蝕監(jiān)測復(fù)合探頭
CST606陰極保護(hù)監(jiān)測器可以直接監(jiān)測被保護(hù)對象與參比電極之間的電位差，并采用精密的霍爾傳感器來測量犧牲陽極或者整流器的輸出電流（即陰極保護(hù)電流），最終通過保護(hù)電位和輸出電流來評價陰極保護(hù)的效果。適用于石油、天然氣輸氣管線，埋地設(shè)備，港口碼頭設(shè)施、風(fēng)電平臺、跨海大橋鋼樁和混凝土內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)、大型儲罐、城市埋地管線，船舶等的陰極保護(hù)監(jiān)測。
圖3. CST606陰極保護(hù)監(jiān)測器
2.腐蝕監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)
監(jiān)控系網(wǎng)絡(luò)是至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)。對于下位機(jī)系統(tǒng)，除實(shí)現(xiàn)基本功能之外，還要提出更高的要求：穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和實(shí)時性。其中穩(wěn)定性是最重要的，系統(tǒng)要有很強(qiáng)的抗干擾能力以及出錯后的自修正或者自復(fù)位的能力，另外，系統(tǒng)還要能適應(yīng)環(huán)境參數(shù)發(fā)生變化時的應(yīng)用情形。在多數(shù)應(yīng)用中，是要求系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)外部事件的，而實(shí)時性的要求，在一般的下位機(jī)系統(tǒng)中，通過中斷操作，是容易得到滿足的。
浪花飛濺區(qū)腐蝕監(jiān)測所測量的腐蝕速率數(shù)據(jù)必須實(shí)時上傳到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心基于B/S模式，操作系統(tǒng)則基于Windows平臺，監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)將現(xiàn)場設(shè)備的數(shù)據(jù)通過GPRS/SMS無線通訊方式傳送到Internet網(wǎng)上的數(shù)據(jù)服務(wù)器，監(jiān)控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的存儲和分析，同時提供前臺應(yīng)用程序，以便于用戶查詢集輸管線腐蝕速率，腐蝕電位、介質(zhì)電導(dǎo)率等。用戶通過應(yīng)用程序提供的列表和圖形方式，可以直觀的觀察到高壓注水管線腐蝕狀態(tài)變化情況，極大的方便用戶對高壓注水管線腐蝕狀態(tài)的掌握，便于管理人員和領(lǐng)導(dǎo)決策，也便于數(shù)據(jù)的積累和管理，避免人員的更換導(dǎo)致工作的不延續(xù)。
由于無線腐蝕監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)無需沿線鋪設(shè)電纜，相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在設(shè)備添加、升級、擴(kuò)展上具有更大的開放性和靈活性，可大幅度減少施工費(fèi)用，降低監(jiān)測成本?；跓o線商用網(wǎng)絡(luò)（GSM/GPRS或CDMA）建立的遠(yuǎn)程腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)無需組建專用網(wǎng)絡(luò)，借助于成熟的商用無線網(wǎng)絡(luò)，即可實(shí)施可靠的數(shù)據(jù)通訊，因而具有極大的優(yōu)勢，特別適用于作業(yè)點(diǎn)分散于野外，環(huán)境惡劣，需要無人值守遠(yuǎn)傳控制的地區(qū)。
現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測主要包括現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測儀、無線或有線數(shù)據(jù)收發(fā)器、PLC控制器、變頻器組成，數(shù)據(jù)和控制指令由云服務(wù)器后臺管理。遠(yuǎn)程監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)可將現(xiàn)場腐蝕數(shù)據(jù)實(shí)時上傳到監(jiān)控服務(wù)器，用戶可實(shí)時查看浪花區(qū)腐蝕情況。在腐蝕速率出現(xiàn)異常時，服務(wù)器可通過短信或Email提醒管理人員，提示業(yè)主采取相應(yīng)的保護(hù)措施。該方案的實(shí)施將能有效提升腐蝕管理的經(jīng)濟(jì)性、有效性和數(shù)字化水平。
圖4. 基于遠(yuǎn)程訪問的腐蝕監(jiān)測服務(wù)器組件系統(tǒng)框圖
3.應(yīng)用實(shí)例
案例1：港珠澳大橋足尺承臺腐蝕監(jiān)測項(xiàng)目
主要監(jiān)測數(shù)據(jù)以及功能：
1）監(jiān)測大橋足尺承臺鋼管樁混凝土內(nèi)的腐蝕速率；
2）監(jiān)測陰極保護(hù)系統(tǒng)的輸出電流和鋼管樁不同深度的保護(hù)電位；
3）驗(yàn)證陰極保護(hù)效果以及監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性與相關(guān)系統(tǒng)的相容性；
4）對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集和統(tǒng)計(jì)分析，判斷鋼管樁的腐蝕和防護(hù)綜合狀況，為優(yōu)化腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。
圖5. 鋼管復(fù)合樁保護(hù)電位監(jiān)測系統(tǒng)組成及安裝示意圖
圖6. 港珠澳大橋鋼管復(fù)合樁保護(hù)電位/保護(hù)電流監(jiān)測系統(tǒng)
圖7. 港珠澳大橋安裝現(xiàn)場
圖8. 港珠澳大橋腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)分析界面
案例2：華能如東300MW海上風(fēng)電場鋼管樁陰極保護(hù)監(jiān)測
主要監(jiān)測數(shù)據(jù)以及功能：
1）監(jiān)測海上風(fēng)電場海上升壓站的樁身和導(dǎo)管架及各風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)樁陰極保護(hù)電位；
2）監(jiān)測風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)樁泥面、極端低潮位、設(shè)計(jì)低潮位、設(shè)計(jì)高潮位之間陰極保護(hù)電位；
3）自動判斷儀器和數(shù)據(jù)的異常，可對建筑物的安全穩(wěn)定性進(jìn)行初步分析判斷。
圖9. 華能如東300MW海上風(fēng)電場鋼管樁陰極保護(hù)監(jiān)測項(xiàng)目現(xiàn)場
案例3：臨港海上風(fēng)電承臺鋼管樁腐蝕監(jiān)測
主要監(jiān)測數(shù)據(jù)以及功能：
1）監(jiān)測海水浸沒區(qū)、潮差區(qū)和飛濺區(qū)的混凝土承臺內(nèi)鋼筋的腐蝕速率與防護(hù)狀態(tài)，
2）監(jiān)測鋼管樁迎潮面、最高潮位線、平均潮位線、最低潮位線等不同位置的腐蝕情況；
3）監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)多監(jiān)測點(diǎn)的動態(tài)數(shù)據(jù)庫管理，集成統(tǒng)計(jì)分析模塊，根據(jù)歷史數(shù)據(jù)對未來發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測。
圖10. 海洋風(fēng)電混凝土承臺腐蝕監(jiān)測探頭布局示意圖
圖11.海上風(fēng)電承臺鋼管樁腐蝕監(jiān)測安裝現(xiàn)場
4.結(jié)論
本文介紹了浪花區(qū)腐蝕在線監(jiān)測方法，基于電化學(xué)阻抗法進(jìn)行浪花區(qū)橋墩以及金屬設(shè)備腐蝕情況的監(jiān)測，提高了監(jiān)測的精度和靈敏度。通過腐蝕監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，可以讓業(yè)主足不出戶，就可以完成對測試數(shù)據(jù)的收集，掌握設(shè)備腐蝕情況，有效提升腐蝕管理的經(jīng)濟(jì)性、有效性和數(shù)字化水平。
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