恒电量法测量金属腐蚀速度的原理方法及其应用

恒电量法测量金属腐蚀速度的原理方法及其应用

金属腐蚀速度是金属在实际生产的应用中最重要的一项参数之一。它直接关系到实际工程中在不同环境中对金属材料的选材和其在实际使用中的寿命以及对材料剩余寿命的预测。目前，快速测定金属腐蚀速度的方法大多为电化学法，主要包括稳态极化曲线法（强极化区法，微极化区法，弱极化区法）、暂态线性极化法、充电曲线法、交流阻抗技术、微分极化电阻法、恒电量法、电位衰减曲线法、恒电流脉冲分析法等电化学方法。本文着重介绍恒电量法测量金属腐蚀速度的原理方法，以及相关的应用等。

恒电量法是在外电路断开情况下电极电化的松弛法，它是把一定量的电荷在极短的时间内注入电解池，对所研究的涂装金属电极进行扰动，记录电位随时间的变化，注入的电量是恒定的，不受电解池阻抗的影响，完全由实验选定。 恒电量注入方式有两种。一是利用已充电的精密电容器向电解池放电，另一种则是使用大功率的恒电流脉冲发生器向电解池输送恒电流脉冲。

与其他外加强制性极化相比较，恒电量法具有特殊的有优点。首先，它不受溶液欧姆压降的影响，特别适合研究像涂装金属体系这样的高阻体系。其次，测量时间短，能测得较多的参数，对电极表面状态干扰很小等，在金属腐蚀的研究测量领域中用途广泛。

1方法原理

（1）极化电阻Rp 和双电层电容Cd 的测定给腐蚀金属加一脉冲电量测金属的电位由Eo 跃到Em 此时试样的过电位值为

ηo=Em-Eo （1）

切断电源后金属的电极电位将由于腐蚀反应而衰减。在0→t 的时间间隔内，腐蚀反应所有消耗的电荷密度Δ

Δq 为 t q =Cd(ηo-ηt) （2） t

ηt ——时间t 时的过电位

假设：

（1）在很小的过电位区间（|η|

（2）最初所施加的电量仅用于腐蚀反应，而忽略弄差扩散。

经过一系列推到可得：

log ηt=logηo -t/（2.3Cd ·Rp ） （3）

可见log ηt 与t 成线性关系。当t=0时，可得ηo

由于Δq 为已知的充电量，根据

Cd=Δq/ηo (4)

可得微分双电层电容Cd, 再由公式（3）可得Rp

（2）阳极塔费尔斜率b 和阴极塔菲尔斜率b 的测定及腐蚀电流密度i 的求取 a c corr

阳极电位的衰减曲线可由下式确定 exp(-2. 3b ηi c 2. 32. 3

t ) =⨯(t -i ) +exp(-ηi ) （5）

a C d b a b a

ηi ——时间为i 时的过电位

从方程（5）可导出

exp ⎛ -2. 3⎫⎛2. 3

1⎪⎪⎭-exp ⎫

⎝-b 2⎪

⎝b a a ⎪⎭=t 1-t 2

exp ⎛ ⎝-2. 3⎫

b 2⎪⎛

⎪⎭-exp ⎝-2. 3⎫

b 3⎪t t

a a ⎪⎭2-3 (6)

在η—t 的衰减曲线上，选取∆η=η1-η2=η2-η3 则方程（6）化简为:

exp ⎛ ⎝-2. 3⎫

b 2⎪⎡⎛

a ⎪⎭-⎢⎢exp

⎣ ⎝-2. 3

b ∆η⎫⎪-1⎤⎥

a ⎪⎭⎥⎦=1

exp ⎡⎢⎛

⎢ -2. 3(η-∆η) ⎫⎪⎤⎡exp ⎛ -2. 3⎫⎪⎤

⎣ ⎝b 2

a ⎪⎭⎥⎥⎦⎢⎢⎣ ⎝b ∆η-1⎥

a ⎪⎭⎥⎦exp ⎛ 2. 3∆η⎫ ⎪

⎝b a ⎪⎭=t 1-t 2

t 2-t 3

(7)

将公式（7）两边取对数可得阳极塔菲尔斜率：

b ∆η

a = lg 32

t 2-t 18） （

可用同样的方式求得阴极塔菲尔斜率b c ，将求得的Rp 、b 、b a c 带入方程。

i corr b a ⨯b c 1=⋅2. 3b a +b c R p

i 可求得自腐蚀电流密度corr 。

由上述讨论可见，由两条或三条电位衰减曲线，就可求得i corr 及其他参数，故此方法方便易行。

2测量装置

装配一台恒电量腐蚀仪所需要的配件分为两大部分：

第一部分：包括高精度稳压电源、快速开关、阻抗变换器、放大器、自然腐蚀电位补偿装置等组成了恒电量扰动仪的主机。主要作用是完成恒电量扰动信号的产生和极化电位随时间衰减信号的输出。

第二部分：主要包括微型计算机、Ａ／Ｄ和Ｄ／Ａ转换器等吗，主要完成恒电量扰动仪主机的控制盒极化电位数据的采集与处理。

测量系统的工作由一个软件系统进行管理。整个测量系统的主程序用Ｂａｓｉｃ语言编写 系统软件主要有以下特点

（１）可以根据不同的研究对象选择适当的采样频率。数据采集总时间可以在３０ｍｓ－３４ｓ之间任意选择；

（２）可以根据实验测得η—t 的衰减曲线选择曲线的理论拟合范围，并能从所显示的图形上直接观察曲线的拟合情况，如拟合不满意可以从新选定拟合范围；

（３）能显示和打印数据及图形；

（４）人机对话功能强，使用方便；

（５）直观、快速、易于操作。

2实际应用

低压锅炉所用的阻垢剂配方，一般在常压环境下筛选。一般所用的有煮水挂片法和电炉丝水中通电法两种，他们都不够理想。前者在实验中的挂片没有热交换面，与实际情况有一定的差异。后者虽然有热交换面，但沉渣容易黏附在电炉上，实验后清洗困难，结果不准。在这种情况下，恒电量法是最好的选择。该方法有速度快，干扰小，获得参数多的优点。对筛选配方非常适合。

运用恒电量法测量锅炉酸洗过程中酸洗阶段测量电极的极化电阻，可以有效控制酸洗过程中金属的腐蚀速率。还可以通过在锅炉酸洗的钝化阶段测量电极的腐蚀电位，来有效控制控制过程中金属的钝化效果等。