作者：武汉科思特仪器股份有限公司   文章来源：武汉科思特仪器股份有限公司

地球上海洋表面积占比70%，其中富含丰富的各种资源，它是人类生存必不可少的空间环境，也是应对环境恶化、资源贫乏以及人口剧增的希望。我国坐拥300万平方公里的海域，是海洋大国，因此我国海洋经济的发展具有极其广阔的前景和优势。伴随着我国综合实力的增长以及国际形势的骤变，进行海洋资源的开发及海洋经济的发展，对我国社会发展和经济建设具有重要价值。

       海洋资源的不断开发及利用，使得海上基础设施建设，如跨海大桥、石油开采平台、灯标、海港码头等，被大量兴建，海量的金属也被投入使用之中。因为海洋腐蚀环境比较复杂，处于海洋环境之中的钢材很容易与环境中的介质发生电化学反应，使得钢材腐蚀，与此同时，海洋环境中的潮汐、水流、浪花以及风等流体运动也导致钢材还要承受交变载荷的作用。复杂的海洋环境，使得金属材料遭受的腐蚀也形式多样，电化学作用、机械作用和电化学协调作用、生物作用与电化学协调作用产生的腐蚀。

图1.浪花飞溅区钢结构腐蚀情况外貌

       海洋环境腐蚀区域一般可分为大气区、浪花飞溅区、潮差区、海水全浸区和海泥区五个区域。其中，浪花飞溅区是海洋环境下一般金属构筑物遭受腐蚀最严重的区域。在浪花飞溅区，金属材料表面不但会受到海水的周期性润湿，常常处于干湿交替的状态，而且再浪花飞溅区，其供氧充足，加之阳光、海风和温度等因素的共同作用，导致了金属表面遭受严重的腐蚀破坏。同一种金属材料，在浪花飞溅区的腐蚀程度要比海水全浸区高出3-10倍。为了保证海上作业的安全，需要对处于浪花飞溅区的金属结构进行腐蚀监检测，进而为金属构件的寿命评估提供科学依据。

1.浪花飞溅区腐蚀在线监测技术

       腐蚀监测就是测量各种腐蚀环境中金属设备或者相同材质探头的腐蚀情况的一种测试工作。对于在浪花飞溅区的腐蚀监测，就是监测气及水混合状态下介质的腐蚀性测试，这种测试主要就是将相同材质的试件插入到腐蚀环境之中，并始终与腐蚀借助保持接触，再定期测量腐蚀电流密度等，从而实现对腐蚀环境中的待测设备的连续监测，为缓蚀剂加注或者其它腐蚀控制方案提供反馈。理想的监测方法是在不影响生产情况下，对设备腐蚀状态进行连续监测，通过监测数据对设备的保护状态进行在线评价和安全预警。

       远程监测系统，通过光纤收发器完成，可以实现远距离传输，其数据传输超低时延，通过专用的ASIC芯片完成数据线速转发。管理员借助电脑可以实时采集实际测试数据，无需人员现场值守，也能掌握设备的运行情况，有利于更好的调度和管理，这样一方面节约了运行成本，另一方面也可以大大降低安全事故发送概率。

       电化学阻抗谱(Electrochemical impedance spectroscopy，EIS)是将一个小幅正弦波叠加在一个直流电位上，通过恒电位电路施加到工作电极，同步测量极化电位以及响应电流的波形，通过相关积分算法即可计算出被测电极的阻抗谱Z。由于施加的扰动信号小，信号频率稳定，加上相关积分算法具有极高的抗谐波干扰和脉冲干扰能力，因而EIS的抗干扰能力和测量稳定性要远高于LPR，且测量过程中阴阳极化交替进行不易在金属界面造成明显的扩散控制，因而能更真实地反映实腐蚀状态。

       武汉科思特仪器股份有限公司的CST728多通道钢筋锈蚀监测仪采用交流阻抗和高输入阻抗放大器技术，实现了多路高阻信号的同步精密测量；配合多功能混凝土监测探头，可以监测混凝土电阻率、Cl-浓度、pH值、半电池电位和钢筋锈蚀速率等参数。仪器通过DC12V电源适配器实现交流供电。

       采用小幅度正弦波对埋入混凝土内的探头的三个电极进行激励，同时监测工作电极（WE）的响应电流信号。由内置软件可计算出电极的极化电阻Rp和电极的腐蚀速率。采用高频率小幅正弦波对埋设于钢筋中的两只相对安装的不锈钢电极进行极化，测量两电极间的混凝土电阻率。

图2. CST728钢筋混凝土锈蚀测试仪以及腐蚀监测复合探头

       CST606阴极保护监测器可以直接监测被保护对象与参比电极之间的电位差，并采用精密的霍尔传感器来测量牺牲阳极或者整流器的输出电流（即阴极保护电流），最终通过保护电位和输出电流来评价阴极保护的效果。适用于石油、天然气输气管线，埋地设备，港口码头设施、风电平台、跨海大桥钢桩和混凝土内钢结构、大型储罐、城市埋地管线，船舶等的阴极保护监测。

图3. CST606阴极保护监测器

2.腐蚀监测网络

       监控系网络是至关重要的一个环节。对于下位机系统，除实现基本功能之外，还要提出更高的要求：稳定性、准确性和实时性。其中稳定性是最重要的，系统要有很强的抗干扰能力以及出错后的自修正或者自复位的能力，另外，系统还要能适应环境参数发生变化时的应用情形。在多数应用中，是要求系统能够及时响应外部事件的，而实时性的要求，在一般的下位机系统中，通过中断操作，是容易得到满足的。

       浪花飞溅区腐蚀监测所测量的腐蚀速率数据必须实时上传到监控中心，监控中心基于B/S模式，操作系统则基于Windows平台，监控系统负责将现场设备的数据通过GPRS/SMS无线通讯方式传送到Internet网上的数据服务器，监控系统负责对数据的存储和分析，同时提供前台应用程序，以便于用户查询集输管线腐蚀速率，腐蚀电位、介质电导率等。用户通过应用程序提供的列表和图形方式，可以直观的观察到高压注水管线腐蚀状态变化情况，极大的方便用户对高压注水管线腐蚀状态的掌握，便于管理人员和领导决策，也便于数据的积累和管理，避免人员的更换导致工作的不延续。

       由于无线腐蚀监测网络无需沿线铺设电缆，相比传统网络在设备添加、升级、扩展上具有更大的开放性和灵活性，可大幅度减少施工费用，降低监测成本。基于无线商用网络（GSM/GPRS或CDMA）建立的远程腐蚀监测系统无需组建专用网络，借助于成熟的商用无线网络，即可实施可靠的数据通讯，因而具有极大的优势，特别适用于作业点分散于野外，环境恶劣，需要无人值守远传控制的地区。

       现场腐蚀监测主要包括现场腐蚀监测仪、无线或有线数据收发器、PLC控制器、变频器组成，数据和控制指令由云服务器后台管理。远程监测网络可将现场腐蚀数据实时上传到监控服务器，用户可实时查看浪花区腐蚀情况。在腐蚀速率出现异常时，服务器可通过短信或Email提醒管理人员，提示业主采取相应的保护措施。该方案的实施将能有效提升腐蚀管理的经济性、有效性和数字化水平。

图4. 基于远程访问的腐蚀监测服务器组件系统框图

3.应用实例

案例1：港珠澳大桥足尺承台腐蚀监测项目

主要监测数据以及功能：

1）监测大桥足尺承台钢管桩混凝土内的腐蚀速率；

2）监测阴极保护系统的输出电流和钢管桩不同深度的保护电位；

3）验证阴极保护效果以及监测系统的可靠性与相关系统的相容性；

4）对现场数据的收集和统计分析，判断钢管桩的腐蚀和防护综合状况，为优化腐蚀监测系统设计提供依据。

图5. 钢管复合桩保护电位监测系统组成及安装示意图

图6. 港珠澳大桥钢管复合桩保护电位/保护电流监测系统

图7. 港珠澳大桥安装现场

图8. 港珠澳大桥腐蚀监测数据分析界面

案例2：华能如东300MW海上风电场钢管桩阴极保护监测

主要监测数据以及功能：

1）监测海上风电场海上升压站的桩身和导管架及各风机基础桩阴极保护电位；

2）监测风机基础桩泥面、极端低潮位、设计低潮位、设计高潮位之间阴极保护电位；

3）自动判断仪器和数据的异常，可对建筑物的安全稳定性进行初步分析判断。

图9. 华能如东300MW海上风电场钢管桩阴极保护监测项目现场

案例3：临港海上风电承台钢管桩腐蚀监测

主要监测数据以及功能：

1）监测海水浸没区、潮差区和飞溅区的混凝土承台内钢筋的腐蚀速率与防护状态，

2）监测钢管桩迎潮面、最高潮位线、平均潮位线、最低潮位线等不同位置的腐蚀情况；

3）监控软件，实现多监测点的动态数据库管理，集成统计分析模块，根据历史数据对未来发展趋势进行预测。

图10. 海洋风电混凝土承台腐蚀监测探头布局示意图

图11.海上风电承台钢管桩腐蚀监测安装现场

4.结论

       本文介绍了浪花区腐蚀在线监测方法，基于电化学阻抗法进行浪花区桥墩以及金属设备腐蚀情况的监测，提高了监测的精度和灵敏度。通过腐蚀监控网络，可以让业主足不出户，就可以完成对测试数据的收集，掌握设备腐蚀情况，有效提升腐蚀管理的经济性、有效性和数字化水平。

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