一種用于高溫高壓水環(huán)境中電化學(xué)測量的電極系統(tǒng)及其應(yīng)用
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于高溫高壓水環(huán)境中電化學(xué)測量的電極系統(tǒng)及其應(yīng)用，包括工作電極裝置和參比?對(duì)電極裝置；工作電極裝置的上端設(shè)置上螺扣結(jié)構(gòu)，下端設(shè)置下螺扣結(jié)構(gòu)，在鋼管的內(nèi)部設(shè)置有接線桿，在鋼管上一次設(shè)置有第一螺帽，第二螺帽和第三螺帽，在接線桿下端連接工作電極試樣，參比?對(duì)電極裝置內(nèi)部設(shè)置參比電極和對(duì)電極，在鋼管內(nèi)部從上至下依次設(shè)置上絕緣層，上密封層，雙孔陶瓷片，下密封層和下絕緣層，在鋼管上端設(shè)置上緊固螺母，在鋼管下端設(shè)置下緊固螺母；本裝置有較好的密封性，能滿足絕緣要求，并且制備簡單、穩(wěn)定性好、使用便捷。
【專利說明】
一種用于高溫高壓水環(huán)境中電化學(xué)測量的電極系統(tǒng)及其應(yīng)用
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電化學(xué)電極材料技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種用于高溫高壓水環(huán)境中電化學(xué)測量的電極系統(tǒng)及其應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]能夠耐高溫高壓、耐腐蝕的特種傳感器，是一種包括先進(jìn)的高溫材料學(xué)、精密機(jī)械加工、電子學(xué)、精細(xì)化學(xué)等多種尚新科學(xué)技術(shù)的尚技術(shù)廣品。這種能在尚溫尚壓和強(qiáng)腐蝕的嚴(yán)酷環(huán)境中工作的傳感器，生產(chǎn)難度極大。由于國內(nèi)在研制此類傳感器關(guān)鍵的技術(shù)方面一直沒有進(jìn)展，因此多年來幾乎全部依賴進(jìn)口。而在石油、化工、核能等領(lǐng)域中，有很多重要的工藝必須在高溫高壓和強(qiáng)腐蝕環(huán)境中實(shí)施。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)中的缺點(diǎn)，提供了一種用于高溫高壓水環(huán)境中電化學(xué)測量的電極系統(tǒng)及其應(yīng)用。
[0004]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0005]—種用于高溫高壓水環(huán)境中電化學(xué)測量的電極系統(tǒng)及其應(yīng)用，包括工作電極裝置和參比-對(duì)電極裝置；
[0006]工作電極裝置的主體為一鋼管，鋼管的上端設(shè)置上螺扣結(jié)構(gòu)，下端設(shè)置下螺扣結(jié)構(gòu)，用于與螺帽配合固定接線桿，鋼管內(nèi)部中空，在鋼管的內(nèi)部設(shè)置有接線桿，接線桿的兩端伸出鋼管，在接線桿的上方伸出鋼管的位置設(shè)置上套管，在接線桿的下方伸出鋼管的位置設(shè)置下套管，上套管和下套管均卡在接線桿與鋼管之間，用于固定和密封，接線桿位于鋼管內(nèi)的整個(gè)部分包裹一層絕緣布，在鋼管的上螺扣結(jié)構(gòu)的上端設(shè)置有第一螺帽，第一螺帽套在接線桿上，與上螺扣結(jié)構(gòu)通過螺紋連接，下螺扣結(jié)構(gòu)與鋼管連接處設(shè)置有卡箍和第二螺帽，卡箍墊在下螺扣結(jié)構(gòu)與鋼管之間，第二螺帽與下螺扣結(jié)構(gòu)通過螺紋連接，下螺扣結(jié)構(gòu)的下端設(shè)置有第三螺帽，第三螺帽的下端設(shè)置有錐形凹槽，接線桿伸出第三螺帽的部分上連接工作電極試樣，在工作電極試樣與第三螺帽連接處設(shè)置有錐形套管；
[0007]在上述技術(shù)方案中，工作電極裝置的鋼管為316L不銹鋼，鋼管的內(nèi)徑為2.5-
3.5mm，外徑為 6_8_，長度為 150_250mm。
[0008]在上述技術(shù)方案中，接線桿為316L不銹鋼，直徑為2-5mm，長度為250-350mm。
[0009]在上述技術(shù)方案中，絕緣布為玻璃纖維絕緣布。
[0010]參比-對(duì)電極裝置的外層為鋼管，鋼管內(nèi)部中空，在鋼管內(nèi)部設(shè)置參比電極和對(duì)電極，參比電極與參比電極連接導(dǎo)線相連，參比電極上端伸出鋼管上沿，參比電極連接導(dǎo)線下端伸出鋼管下沿，對(duì)電極與對(duì)電極連接導(dǎo)線相連，對(duì)電極上端伸出鋼管上沿，對(duì)電極連接導(dǎo)線下端伸出鋼管下沿，參比電極及其連接導(dǎo)線、對(duì)電極及其連接導(dǎo)線與鋼管外壁平行設(shè)置，互相不接觸，在鋼管內(nèi)部從上至下依次設(shè)置上絕緣層，上密封層，雙孔陶瓷片，下密封層和下絕緣層，在鋼管上端設(shè)置上緊固螺母，在鋼管下端設(shè)置下緊固螺母；
[0011]在上述技術(shù)方案中，所述的參比-對(duì)電極裝置的鋼管為316L不銹鋼管，鋼管的內(nèi)徑為 8_10111111，外徑為12-14111111，長度為350-4501111]1。
[0012]在上述技術(shù)方案中，所述的雙孔陶瓷片的數(shù)量為8-15片，雙孔陶瓷片的厚度為1-2cm0
[0013]在上述技術(shù)方案中，所述的參比電極為氯化銀絲，對(duì)電極為鉑片。
[0014]在上述技術(shù)方案中，所述的上絕緣層為聚四氟乙烯層，所述的下絕緣層為聚四氟乙如層。
[0015]在上述技術(shù)方案中，所述的上密封層為陶瓷粉膠體層，所述的下密封層為陶瓷粉膠體層。
[0016]一種用于高溫高壓水環(huán)境中電化學(xué)測量的電極系統(tǒng)的制備方法，按照下列步驟進(jìn)行:
[0017]步驟1:按照工作電極裝置的結(jié)構(gòu)組裝工作電極；
[0018]步驟2:將參比電極及其連接導(dǎo)線和對(duì)電極及其連接導(dǎo)線，放入鋼管內(nèi)部，保持彼此不接觸；
[0019]步驟3:將8-15片雙孔陶瓷片套在參比電極和對(duì)電極上，卡在鋼管內(nèi)壁上，使雙孔陶瓷片位于鋼管管體的中部位置；
[0020]步驟4:將陶瓷粉與水按照質(zhì)量比(3-5):1的比例混勻攪拌，從鋼管的上方與下方倒入鋼管中，形成一定厚度的陶瓷粉膠體層；
[0021]步驟5:將聚四氟柱體從鋼管上方和下方塞入?yún)⒈入姌O、對(duì)電極與鋼管內(nèi)壁的空隙中，壓住陶瓷粉膠體層，保持密封；
[0022]步驟6:在鋼管的上端擰緊上緊固螺母，在鋼管的下端擰緊下緊固螺母，將整個(gè)裝置在室溫(20-25攝氏度)下靜置20-30小時(shí)，使陶瓷粉膠體凝固。
[0023]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明適合實(shí)驗(yàn)室使用，能夠模擬核電站高溫高壓條件下電化學(xué)測量的環(huán)境，工作環(huán)境最高溫度范圍約為160°C?250°C，最高壓力范圍約為6MPa?1MPa，本裝置有較好的密封性，能滿足絕緣要求，并且制備簡單、穩(wěn)定性好、使用便捷。
【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明中工作電極裝置結(jié)構(gòu)示意圖(圖示左側(cè)為上方)。
[0025]圖2為本發(fā)明中參比-對(duì)電極裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖3為實(shí)施例示圖1。
[0027]圖4為實(shí)施例示圖2。
[0028]圖5為實(shí)施例示圖3。
[0029]其中，I為上套管，2為第一螺帽，3為上螺扣結(jié)構(gòu)，4為鋼管，5為接線桿，6為第二螺帽，7為卡箍，8為下螺扣結(jié)構(gòu)，9為下套管，10為第三螺帽，11為錐形套管，12為工作電極試樣，13為參比電極，14為對(duì)電極，15為上緊固螺母，16為上絕緣層，17為上密封層，18為參比電極連接導(dǎo)線，19為對(duì)電極連接導(dǎo)線，20為雙孔陶瓷片，21為下密封層，22為下絕緣層，23為下緊固螺母。
【具體實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖與具體的實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:
[0031]—種用于高溫高壓水環(huán)境中電化學(xué)測量的電極系統(tǒng)及其應(yīng)用，包括工作電極裝置和參比-對(duì)電極裝置；
[0032]工作電極裝置的主體為一鋼管，鋼管的上端設(shè)置上螺扣結(jié)構(gòu)，下端設(shè)置下螺扣結(jié)構(gòu)，用于與螺帽配合固定接線桿，鋼管內(nèi)部中空，在鋼管的內(nèi)部設(shè)置有接線桿，接線桿的兩端伸出鋼管，在接線桿的上方伸出鋼管的位置設(shè)置上套管，在接線桿的下方伸出鋼管的位置設(shè)置下套管，上套管和下套管均卡在接線桿與鋼管之間，用于固定和密封，接線桿位于鋼管內(nèi)的整個(gè)部分包裹一層絕緣布，在鋼管的上螺扣結(jié)構(gòu)的上端設(shè)置有第一螺帽，第一螺帽套在接線桿上，與上螺扣結(jié)構(gòu)通過螺紋連接，下螺扣結(jié)構(gòu)與鋼管連接處設(shè)置有卡箍和第二螺帽，卡箍墊在下螺扣結(jié)構(gòu)與鋼管之間，第二螺帽與下螺扣結(jié)構(gòu)通過螺紋連接，下螺扣結(jié)構(gòu)的下端設(shè)置有第三螺帽，第三螺帽的下端設(shè)置有錐形凹槽，接線桿伸出第三螺帽的部分上連接工作電極試樣，在工作電極試樣與第三螺帽連接處設(shè)置有錐形套管；
[0033]在上述技術(shù)方案中，工作電極裝置的鋼管為316L不銹鋼，鋼管的內(nèi)徑為2.5-3.5mm，外徑為 6_8_，長度為 150_250mm。
[0034]在上述技術(shù)方案中，接線桿為316L不銹鋼，直徑為2-5mm，長度為250-350mm。
[0035]在上述技術(shù)方案中，絕緣布為玻璃纖維絕緣布。
[0036]參比-對(duì)電極裝置的外層為鋼管，鋼管內(nèi)部中空，在鋼管內(nèi)部設(shè)置參比電極和對(duì)電極，參比電極與參比電極連接導(dǎo)線相連，參比電極上端伸出鋼管上沿，參比電極連接導(dǎo)線下端伸出鋼管下沿，對(duì)電極與對(duì)電極連接導(dǎo)線相連，對(duì)電極上端伸出鋼管上沿，對(duì)電極連接導(dǎo)線下端伸出鋼管下沿，參比電極及其連接導(dǎo)線、對(duì)電極及其連接導(dǎo)線與鋼管外壁平行設(shè)置，互相不接觸，在鋼管內(nèi)部從上至下依次設(shè)置上絕緣層，上密封層，雙孔陶瓷片，下密封層和下絕緣層，在鋼管上端設(shè)置上緊固螺母，在鋼管下端設(shè)置下緊固螺母；
[0037]在上述技術(shù)方案中，所述的參比-對(duì)電極裝置的鋼管為316L不銹鋼管，鋼管的內(nèi)徑為 8_10111111，外徑為12-14111111，長度為350-4501111]1。
[0038]在上述技術(shù)方案中，所述的雙孔陶瓷片的數(shù)量為8-15片，雙孔陶瓷片的厚度為1-2cm0
[0039]在上述技術(shù)方案中，所述的參比電極為氯化銀絲，對(duì)電極為鉑片。
[0040]在上述技術(shù)方案中，所述的上絕緣層為聚四氟乙烯層，所述的下絕緣層為聚四氟乙如層。
[0041]在上述技術(shù)方案中，所述的上密封層內(nèi)設(shè)置陶瓷粉膠體層，所述的下密封層內(nèi)設(shè)置陶瓷粉膠體層。
[0042]參比-對(duì)電極裝置的制備方法，制備時(shí)，陶瓷粉選用美國Cotronics公司研制的Duropot809系列，氯化銀絲和鉑片選用天津艾達(dá)恒晟科技發(fā)展有限公司的產(chǎn)品，按照下列步驟進(jìn)行:
[0043]步驟I:按照工作電極裝置的結(jié)構(gòu)組裝工作電極；
[0044]步驟2:將參比電極及其連接導(dǎo)線和對(duì)電極及其連接導(dǎo)線，放入鋼管內(nèi)部，保持彼此不接觸；
[0045]步驟3:將8-15片雙孔陶瓷片套在參比電極和對(duì)電極上，卡在鋼管內(nèi)壁上，使雙孔陶瓷片位于鋼管管體的中部位置；
[0046]步驟4:將陶瓷粉與水按照質(zhì)量比(3-5):1的比例混勻攪拌，從鋼管的上方與下方倒入鋼管中，形成一定厚度的陶瓷粉膠體層；
[0047]步驟5:將聚四氟柱體從鋼管上方和下方塞入?yún)⒈入姌O、對(duì)電極與鋼管內(nèi)壁的空隙中，壓住陶瓷粉膠體層，保持密封；
[0048]步驟6:在鋼管的上端擰緊上緊固螺母，在鋼管的下端擰緊下緊固螺母，將整個(gè)裝置在室溫(20-25攝氏度)下靜置20-30小時(shí)，使陶瓷粉膠體凝固。
[0049]以下通過具體測試實(shí)施例進(jìn)行說明:
[0050]將研制出的電極測量系統(tǒng)安裝于高溫高壓反應(yīng)釜(設(shè)計(jì)溫度350°C、設(shè)計(jì)壓力25MPa)中，利用Autolab302N電化學(xué)工作站測定了不同溫度、浸泡時(shí)間下304不銹鋼在1500ppmH3B03+2.3ppmLi0H的水溶液中的電化學(xué)噪聲譜。圖3是304不銹鋼在1500ppmH3B03+2.3ppmLi0H的水溶液常溫浸泡實(shí)驗(yàn)中噪聲電阻隨時(shí)間的變化，可以看出隨著浸泡時(shí)間的延長噪聲電阻值趨于下降；第二天后噪聲電阻又有增大的趨勢，是由于浸泡初期發(fā)生均勻腐蝕，隨著浸泡時(shí)間的延長表面生成了氧化膜導(dǎo)致噪聲電阻又逐漸增大。圖4是不同溫度下304不銹鋼在1500ppmH3B03+2.3ppmLi OH的水溶液的噪聲電阻隨時(shí)間的變化關(guān)系，可以看出隨著溫度從25-250°C的升高304不銹鋼的耐腐蝕性不斷降低。
[0051]如圖5所示，將研制出的電極測量系統(tǒng)安裝于高溫高壓反應(yīng)釜(設(shè)計(jì)溫度350°C、設(shè)計(jì)壓力2510^)中，利用4的013匕3021^電化學(xué)工作站測定了不同壓力下乂65管線鋼在3.5%wt.NaCl的水溶液中的極化曲線。經(jīng)計(jì)算可得在壓力分別為5MPa、1MPa和17MPa時(shí)，腐蝕電流密度分別為2.323 X 10—5A.cm—2、3.407 X 10—5A.cm—2和8.723 X 10—5A.cm—2。腐蝕電流密度隨壓力增大而增大，說明X65管線鋼隨壓力的增高腐蝕速率加快。
[0052]根據(jù)以上實(shí)施例說明本發(fā)明的電極系統(tǒng)真實(shí)反映出了電化學(xué)的性能變化，說明本裝置在高溫(針對(duì)304不銹鋼，溫度為25—250攝氏度)高壓(針對(duì)X65管線鋼，壓力為5 —20MPa)環(huán)境下具有應(yīng)用前景。
[0053]以上對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡依本發(fā)明申請范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于高溫高壓水環(huán)境中電化學(xué)測量的電極系統(tǒng)，其特征在于:包括工作電極裝置和參比-對(duì)電極裝置； 工作電極裝置的主體為一鋼管，鋼管的上端設(shè)置上螺扣結(jié)構(gòu)，下端設(shè)置下螺扣結(jié)構(gòu)，用于與螺帽配合固定接線桿，鋼管內(nèi)部中空，在鋼管的內(nèi)部設(shè)置有接線桿，接線桿的兩端伸出鋼管，在接線桿的上方伸出鋼管的位置設(shè)置上套管，在接線桿的下方伸出鋼管的位置設(shè)置下套管，上套管和下套管均卡在接線桿與鋼管之間，用于固定和密封，接線桿位于鋼管內(nèi)的整個(gè)部分包裹一層絕緣布，在鋼管的上螺扣結(jié)構(gòu)的上端設(shè)置有第一螺帽，第一螺帽套在接線桿上，與上螺扣結(jié)構(gòu)通過螺紋連接，下螺扣結(jié)構(gòu)與鋼管連接處設(shè)置有卡箍和第二螺帽，卡箍墊在下螺扣結(jié)構(gòu)與鋼管之間，第二螺帽與下螺扣結(jié)構(gòu)通過螺紋連接，下螺扣結(jié)構(gòu)的下端設(shè)置有第三螺帽，第三螺帽的下端設(shè)置有錐形凹槽，接線桿伸出第三螺帽的部分上連接工作電極試樣，在工作電極試樣與第三螺帽連接處設(shè)置有錐形套管； 參比-對(duì)電極裝置的外層為鋼管，鋼管內(nèi)部中空，在鋼管內(nèi)部設(shè)置參比電極和對(duì)電極，參比電極與參比電極連接導(dǎo)線相連，參比電極上端伸出鋼管上沿，參比電極連接導(dǎo)線下端伸出鋼管下沿，對(duì)電極與對(duì)電極連接導(dǎo)線相連，對(duì)電極上端伸出鋼管上沿，對(duì)電極連接導(dǎo)線下端伸出鋼管下沿，參比電極及其連接導(dǎo)線、對(duì)電極及其連接導(dǎo)線與鋼管外壁平行設(shè)置，互相不接觸，在鋼管內(nèi)部從上至下依次設(shè)置上絕緣層，上密封層，雙孔陶瓷片，下密封層和下絕緣層，在鋼管上端設(shè)置上緊固螺母，在鋼管下端設(shè)置下緊固螺母。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高溫高壓水環(huán)境中電化學(xué)測量的電極系統(tǒng)，其特征在于，工作電極裝置的鋼管為316L不銹鋼，鋼管的內(nèi)徑為2.5-3.5mm，外徑為6_8_，長度為150-250mm，所述的接線桿為316L不銹鋼，直徑為2_5mm，長度為250_350mm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高溫高壓水環(huán)境中電化學(xué)測量的電極系統(tǒng)，其特征在于，所述的絕緣布為玻璃纖維絕緣布。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高溫高壓水環(huán)境中電化學(xué)測量的電極系統(tǒng)，其特征在于，所述的參比-對(duì)電極裝置的鋼管為316L不銹鋼管，鋼管的內(nèi)徑為8-10mm，外徑為12-14mm，長度為350-450mm。所述的雙孔陶瓷片的數(shù)量為8-15片，雙孔陶瓷片的厚度為l-2cm。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高溫高壓水環(huán)境中電化學(xué)測量的電極系統(tǒng)，其特征在于，所述的參比電極為氯化銀絲，對(duì)電極為鉑片。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于高溫高壓水環(huán)境中電化學(xué)測量的電極系統(tǒng)，其特征在于，所述的上絕緣層為聚四氟乙烯層，所述的下絕緣層為聚四氟乙烯層。所述的上密封層為陶瓷粉膠體層，所述的下密封層為陶瓷粉膠體層。7.—種用于高溫高壓水環(huán)境中電化學(xué)測量的電極系統(tǒng)的制備方法，其特征在于，按照下列步驟進(jìn)行: 步驟1:按照工作電極裝置的結(jié)構(gòu)組裝工作電極； 步驟2:將參比電極及其連接導(dǎo)線和對(duì)電極及其連接導(dǎo)線，放入鋼管內(nèi)部，保持彼此不接觸； 步驟3:將雙孔陶瓷片套在參比電極和對(duì)電極上，卡在鋼管內(nèi)壁上，使雙孔陶瓷片位于鋼管管體的中部位置； 步驟4:將陶瓷粉與水混勻攪拌，從鋼管的上方與下方倒入鋼管中，形成一定厚度的陶瓷粉膠體層； 步驟5:將聚四氟柱體從鋼管上方和下方塞入?yún)⒈入姌O、對(duì)電極與鋼管內(nèi)壁的空隙中，壓住陶瓷粉膠體層，保持密封； 步驟6:在鋼管的上端擰緊上緊固螺母，在鋼管的下端擰緊下緊固螺母，將整個(gè)裝置靜置，使陶瓷粉膠體凝固。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種用于高溫高壓水環(huán)境中電化學(xué)測量的電極系統(tǒng)的制備方法，其特征在于，在步驟3中所述的雙孔陶瓷片的數(shù)量為8-15片;在步驟4，中陶瓷粉與水混勻時(shí)按照質(zhì)量比(3-5):1的比例;在步驟6中，整個(gè)裝置靜置在20-25攝氏度下20-30小時(shí)。9.如權(quán)利要求1所述的電極系統(tǒng)在高溫條件下對(duì)于304不銹鋼的耐腐蝕性能檢測中的應(yīng)用，其特征在于:在25-250 °C條件下，溶液是1500ppmH3B03+2.3ppmL1H的水溶液，304不銹鋼的耐腐蝕性能隨溫度升高不斷降低。10.如權(quán)利要求1所述的電極系統(tǒng)在高壓條件下對(duì)于X65管線鋼的耐腐蝕性能檢測中的應(yīng)用，其特征在于，在5-20MPa條件下，溶液為3.5%wt.NaCl的水溶液，X65管線鋼的隨壓力的增高腐蝕速率加快。
【文檔編號(hào)】G01N27/30GK106018520SQ201610599336
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月22日
【發(fā)明人】王吉會(huì), 李秋實(shí)
【申請人】天津大學(xué)