表面腐蚀监测系统

技术领域

本公开涉及表面腐蚀监测系统以及对结构表面上的局部腐蚀进行识别和量化的方法。有利地，所述系统和方法还可以用作减少或停止对结构表面的腐蚀。

背景技术

对本公开背景的讨论意在促进对本公开的理解。然而，应该理解的是，该讨论并不承认或认可所提及的材料中的任何材料在截至本申请的优先权日都是已发表的、已知的或者是公共常识的一部分。

许多提取矿物过程、比如浸出和吸附均在大容积钢罐体中进行。罐体的内部表面会受到由化学过程、机械过程、侵蚀过程、磨损过程、生物过程和电化过程产生的大量腐蚀机制的影响。已经观察到腐蚀率高达每年12mm，从而导致罐体穿孔并且在极端情况下导致灾难性故障。

虽然在高碱性状态下(pH≥9)不利于腐蚀，但是对罐体的内部表面涂覆保护涂层仍然是行业最佳实践，罐体的内部表面包括相关的内部结构，比如挡板、降液管、洗涤槽、搅拌器和喷洒器。当在罐体的内部表面上涂覆保护涂层不可行的情况下，罐体内的其他结构、比如筛网由抗腐蚀材料、比如不锈钢制成，尽管这些材料也可能随着时间的推移受到腐蚀和磨损。对涂层表面的涂层涂覆不良、机械损坏和腐蚀可能是在高导电性和腐蚀性环境中保护涂层中的缺陷和/或对保护涂层的损坏的结果。由于浆体的磨损性质，在涂层缺陷、损坏和/或降解导致涂层屏障失效的任何地方都会导致涂层迅速劣化、腐蚀和罐体穿孔。

检查通常包括经由视觉手段、采样和数据收集、破坏性和非破坏性测试、然后必要时进行分析测试来识别涂层和钢缺陷(即机械损伤、起泡、裂纹、局部金属损失等)。通常，目前的维护过程是每两至三年清空每个罐体，持续2个月，以进行维护检查和涂层维修，从而确保钢罐体的持续可靠性。

具有与这种罐体相关联的监测系统以识别运行期间腐蚀的实例并且随着时间的推移监测腐蚀进展的范围将是有利的。此外，具有与这种罐体相关联的调节系统以及与这种罐体相关联的同样易受腐蚀的其他结构或部件将是有利的，从而即使在发生腐蚀事件时也持续地在电化学方面影响或调节这种罐体的内部表面，从而减轻腐蚀损坏。

本公开试图克服上述缺点中的至少一些缺点。

发明内容

本公开提供了一种表面腐蚀监测系统以及一种对结构表面上的局部腐蚀进行识别和量化的方法。

本公开的一个方面提供了表面腐蚀监测系统，包括：

电极装置，该电极装置用于对容纳结构或与容纳结构相关联的部件进行电解保护，该电极装置包括电极和DC电源，电极与所述结构或部件电联接，DC电源布置成在使用时向电极输送预定电压，从而分别使电极表现为阳极或阴极并且所述结构表现为另一阴极或阳极，预定电压足以使所述结构或部件的内部表面钝化和/或极化或免疫；

电极阵列，该电极阵列包括安装在框架上的多个间隔开的参考电极，其中，框架构造成将每个参考电极设置成靠近所述结构或部件的局部内部表面，并且所述阵列中的每个参考电极布置成对指示电流需求量的局部电势进行测量，以维持容纳结构或部件的局部内部表面的钝化和/或极化或免疫；以及，

监测单元，该监测单元操作成监测由各个参考电极测量的局部电势。

在一个实施方式中，容纳结构可以是罐体，特别地是用于容纳处理液的罐体。通常，处理液具有较高的总溶解固体(total dissolved solids，TOS)含量，并且因此，它们表现为电解质并且传导电流。

在替代性的实施方式中，容纳结构可以是一个或更多个彼此流体连通的管道，特别地是一个或更多个用于传送处理液的管道。

在替代性的实施方式中，容纳结构可以是洗涤槽。

在一个实施方式中，部件可以是下述各项中的一者或更多者：筛网、挡板、挡板支承件、搅拌器等。

在一个实施方式中，框架从顶部结构悬挂在容纳结构中，该顶部结构能够支承所述框架和安装在所述框架上的参考电极。替代性地，该框架可以从一个或更多个固定点悬挂在容纳结构中，所述固定点能够支承所述框架和安装在所述框架上的参考电极。在一个实施方式中，多个参考电极可以彼此有规则地间隔开。

在一个实施方式中，框架包括筒状格栅。框架可以设置成靠近容纳结构的内部表面。在一些实施方式中，框架可以设置在距容纳结构的内部表面大约50cm至大约200cm的距离处。

在一些实施方式中，多个参考电极可以在横向平面内以径向模式布置在筒状框架上并且在纵向平面内以规则的间隔布置。

在一个实施方式中，参考电极包括Ag/AgCl电极。参考电极可以设置有保护罩。

在一个实施方式中，监测单元可选地经由在线数据存储与图形用户界面进行操作通信，以提供容纳结构的内部表面的各个经测量的局部电势的图形表示。图形表示可以图示各个经测量的局部电势相对于施加的预定电压和施加至容纳结构或部件的电流的变化，并且由此识别在容纳结构或部件的局部内部表面处可能存在或正在发生腐蚀的位置。

本公开的另一方面提供了一种对容纳结构或与容纳结构相关联的部件中的局部腐蚀进行识别和量化的方法，该方法包括：

提供用于对容纳结构进行电解保护的电极装置，该电极装置包括电极和DC电源，电极与所述结构或部件电联接，DC电源布置成在使用时向电极输送预定电压，从而分别使电极表现为阳极或阴极并且所述结构表现为另一阴极或阳极；

向电极输送足以使所述结构或部件的表面钝化和/或极化或免疫的预定电压；

将电极阵列设置在由所述结构限定的内部空间中，其中，电极阵列包括安装在框架上的多个间隔开的参考电极，其中，框架构造成将每个参考电极设置成靠近所述结构的局部内部表面；

通过各个参考电极对容纳结构或部件的局部表面处的局部电势进行测量，其中，局部电势指示维持钝化的和/或极化的表面的电流需求量；以及

对在容纳结构或部件的各个局部表面处测量的局部电势进行监测，以对局部电势相对于预定电压的变化进行识别。

在一个实施方式中，使所述结构的表面钝化或免疫的预定电压可以在(-)800mV至(-)1000mV的范围内，特别地在(-)850mV至(-)950mV vAg/AgCl参考电极的范围内。将理解的是，相对于电势(mV)的参考(-)指代下述事实：电势可以是正的或负的，这分别取决于电极是否表现为阴极或阳极。上述限定的预定电压可以特别地与如本文中描述的金氰化处理相关。将理解的是，预定电压的范围可以根据容纳结构中的具体工艺条件(例如pH、溶液中的金属离子等)而变化。

在一个实施方式中，局部电势相对于预定电压的变化可能指示了在罐体的或在部件上的局部内部表面附近的腐蚀。

在一个实施方式中，在一段时间内连续地或间歇地执行测量局部电势的步骤。例如，可以以5min、30min、1h、24h或甚至48h的规则的间隔间歇性地执行测量步骤。

本公开的另一方面提供了一种包括上述限定的表面腐蚀监测系统的容纳结构。

附图说明

尽管任何其他形式可能落入在发明内容中阐述的处理的范围内，但现在将参照以下附图描述具体的实施方式：

图1是部署在处理罐体中的表面腐蚀监测系统的一个实施方式的示意图；

图2是图1中示出的表面腐蚀监测系统的示意图；以及

图3是在根据本文中公开的方法的一个实施方式的处理罐体的内部表面上发生的局部腐蚀的图形描绘的示例。

具体实施方式

本公开涉及表面腐蚀监测系统以及对结构表面上的局部腐蚀进行识别和量化的方法。

通用术语

贯穿该说明书，除非另有明确说明或上下文另有要求，否则对单个步骤、物质的成分、一组步骤或一组物质的成分的引用应该被考虑为涵盖那些步骤、物质的成分、一组步骤或一组物质的成分中的一者和多者(即一者或更多者)。因此，如本文中使用的，单数形式“一(a)”、“一种(an)”和“该(the)”包括复数方面，除非上下文另有清楚地规定。例如，对“一”的引用包括单个以及两个或更多个；对“一种”的引用包括单个以及两个或更多个；对“该”的引用包括单个以及两个或更多个等。

除非另有明确说明，否则本文中描述的本公开的每个示例加以必要的变更以应用于每一个其他的示例。本公开的范围不受本文中描述的具体示例的限制，本文中描述的具体示例只意在示例性的目的。功能上等同的产品、成分和方法清楚地在本文中描述的公开的范围内。

除非明确认定为执行顺序，否则本文中描述的方法步骤、过程和操作不被解释为必须要求它们以讨论或说明的特定顺序执行。还要理解的是，可以采用另外的或替代性的步骤。

当元件或层被称为“在另一元件或层上”、“接合至”、“连接至”或“联接至”另一元件或层时，该元件或层可能直接在另一元件或层上、接合至、连接至或联接至另一元件或层，或者可能存在介于中间的元件或层。相比之下，元件或层被称为“直接在另一元件或层上”、“直接接合至”、“直接连接至”或“直接联接至”另一元件或层时，可能不存在介于中间的元件或层。用来描述元件之间的关系的其他词语应该以同样的方式解释(例如，“在…之间”与“直接在…之间”、“与…相邻”与“与…直接相邻”等)。

虽然术语第一、第二、第三等在本文中可以用于描述各种元件、部件、区域、层和/或部段，但这些元件、部件、区域、层和/或部段不应受这些术语的限制。这些术语仅可以用于区分一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段。除非上下文清楚地指示，否则术语比如“第一”、“第二”和其他数字术语当在本文中使用时不暗示次序或顺序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教示的情况下可以被称为第二元件、部件、区域、层或部段。

对位置描述、比如下部和上部的引用在附图中描述的实施方式的上下文中被考虑，并且不被考虑为将本发明限制成术语的字面解释，而是考虑为将由本领域技术人员理解的解释。

为便于描述，空间相对术语、比如“内部”、“外部”、“下面”、“下方”、“下部”、“上方”、“上部”等在本文中可以用于描述附图中图示的一个元件或特征与另一元件或特征的关系。空间相对术语可能旨在涵盖装置在使用中或操作中的除了在附图中描述的定向之外的不同定向。例如，如果将附图中的装置翻转，那么被描述为“在其他元件或特征下方”或“在其他元件或特征下面”的元件将接着被定向成“在其他元件或特征上方”。因此，示例术语“下方”可以涵盖上方和下方两者的定向。可以以其他方式对装置进行定向(旋转90度或以其他定向)并且相应地解释本文中使用的空间相对描述符。

术语“和/或”，例如“X和/或Y”应被理解为意味着“X和Y”或者“X或Y”，并且应该被考虑成提供对两种含义或对两种含义之一的明确支持。

贯穿本说明书，词语“包括(comprise)”，或者比如“包括(comprises)”或“含有(comprising)”的变型将被理解为暗示包括指定的元件、整体或步骤、或一组元件、整体或步骤，但不排除任何其他元件、整体或步骤、或一组元件、整体或步骤。

除非另有限定，否则本文中使用的所有技术术语和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。虽然与本文中描述的那些方法或材料相似或等同的方法或材料可以在本发明的实践或测试中使用，但是以下描述了合适的方法和材料。在冲突的情况下，将以本说明书、包括定义为准。此外，材料、方法和示例仅是说明性的并且不旨在进行限制。

本文中使用的术语“大约”指的是在给定值或范围的5％以内，并且更优选地在给定值或范围的1％以内。例如，“大约3.7％”指的是从3.5％至3.9％、优选地从3.66％至3.74％。当术语“大约”与一系列值相关联时，例如“大约X％至Y％”，术语“大约”意在修改列举范围的下限值(X)和上限值(Y)两者。例如，“大约20％至40％”等同于“大约20％至大约40％”。

特定术语

术语“腐蚀”指的是降解过程，其中金属或合金通过化学和/或电化学反应转化至在化学上更稳定的氧化物、氢氧化物或硫化物化合物。金属表面腐蚀的示例包括但不限于锈蚀、金属溶解或侵蚀、点蚀、剥落、起泡、铜锈形成、裂纹、脆化及其任何组合。

术语“电解保护”可以指阴极保护或阳极保护。阴极保护指通过将金属结构连接至阳极和直流(DC)电源来控制金属结构的腐蚀的装置，从而使金属结构成为电化学电池的阴极。为实现阴极保护，DC电源在预定的负电势下向金属结构供应足以防止腐蚀的电流。阳极保护指通过将金属结构连接至阴极和DC电源来控制金属结构的腐蚀的装置，从而使金属结构成为电化学电池的阳极并且在金属结构无源的区域中控制电极电势。

本文中使用的术语“钝化”指在金属的表面上形成被称为钝化膜的腐蚀产物的膜，用作进一步氧化的屏障。本文中使用的术语“使钝化”指在金属的表面上形成腐蚀产物的膜的过程。通常，腐蚀产物为对进一步氧化呈惰性的一种或更多种金属氧化物。

本文中使用的术语“极化”指由于电流的通过，被保护的结构从稳定状态(开路电势或自由腐蚀电势)的电势变化至大于或小于稳定状态的电势。在电解质与电极之间的界面处可能产生由电化学过程引起的一些影响，导致该电极相对于参考电极的还原电势发生负偏移。这种影响的示例包括但不限于在电解质与电极之间的界面处气体的积累以及电解质中试剂的不均匀损耗，使得在界面的边界层中出现浓度梯度。总的来说，这种极化效应的结果是将电极与电解质隔离，从而阻碍了电极与电解质之间的反应和电荷转移。本文中使用的术语“使极化”指使这种效应发生的电化学过程。

本文中使用的术语“免疫”、“使免疫”或其变型指在预定电压下供应电流，以实现对金属结构的阴极电势偏移，使得金属结构在其环境中保持热力学稳定。

表面腐蚀监测系统

本文中描述的实施方式通常涉及表面腐蚀监测系统。虽然本公开是在对在金氰化中使用的浸出槽的表面腐蚀进行检测的背景中进行的，但是将理解的是，本公开在监测和减少不期望发生腐蚀的浸出罐体、吸附罐体和处理罐体的腐蚀的影响方面具有一般应用。本文中描述的系统的其他示例可以具有应用的一般原则，包括但不限于一个或更多个彼此流体连通的管道，用于传送处理液、洗涤槽、筛网、反应器、柱、单元、浸出回路、吸附回路、炭浆法等。

参照图1和图2，示出了与金氰化中使用的处理罐体12相关联的表面腐蚀监测系统10。处理罐体12的高度和容积可以变化，并且高度通常在5m至14m之间，容积在100m

处理罐体12、特别地是其内部表面14可能会受到磨损和腐蚀环境的影响。在金氰化中，例如，金在水溶液中的溶解涉及将金氧化成与氰化物的络合过程耦接的离子物质，以稳定溶液中的金离子，如等式(1)：

4Au+8CN

处理罐体12的内容物13包含金矿浆、氰化钠、以及维持碱性条件(pH>9)的缓冲液、以及可选地诸如硝酸铅的溶解促进剂的混合物。该混合物通过使用氧气或空气进行喷射而充气并且通过搅拌器16、比如叶轮进行混合。可以将活性炭添加至处理罐体12并且通过处理回路或一系列处理罐体将反向电流泵送至浆体。氰化金络合物被吸附至活性炭的大量表面积上并且“载金碳(loaded carbon)”被收集在筛网17中，并且被移除以用于提取金的进一步处理。将理解的是，金氰化设备可以采用不同的设备构型，要么在一系列处理罐体中处理浸出和吸附过程，要么在单独的处理罐体组中处理。

将理解的是，处理罐体12的内部表面14会受到浆体中细颗粒的流动引起的磨损，其中增加的湍流流动的区域通常与挡板18和挡板支承件20相关联。此外，处理水可以具有20,000ppm至300,000ppm的高TDS含量。

处理罐体12的内部表面14可以涂覆有屏障涂层、比如环氧树脂、聚氨酯、聚脲和橡胶衬里，以使对内部表面14的损害最小化。尽管如此，涂层可能会产生漏涂(即涂层失效)或移除涂层的一部分的机械损伤，从而将内部表面14暴露于处理罐体12的腐蚀性和磨损性内容物。

为了抵消对任何暴露的内部表面14的损伤，表面监测系统10设置了用于处理罐体12的阴极保护的电极装置。电极装置包括一个或更多个阳极22，一个或更多个阳极22经由绝缘传导线23与DC电源24和处理罐体12电联接，并且根据需要经由线25与其他部件、比如筛网17电联接。处理罐体12的内容物13(即金氰化液)表现为电解质，从而完成电化学电池。

阳极22可以是任何合适的非牺牲阳极。非牺牲阳极的合适示例包括但不限于石墨、钛、镀铂钽或混合的金属氧化物。

一个或更多个阳极22可以悬挂在处理罐体12中。在附图中示出的实施方式中，第一阳极22a靠近搅拌器16悬挂，并且第二辅助阳极22b靠近挡板18和挡板支承件20悬挂。该装置用于复杂结构保护，以确保“视线”保护。

DC电源24向阳极22输送预定电压，以使处理罐体12的内部表面14钝化和/或极化或免疫。预定电压的范围可以从(-)800mV至(-)1000mV，特别地从(-)850mV至(-)950mV。在一些实施方式中，DC电源24可以操作性地与变压整流器(未示出)相关联，以将供应的交流电流(AC)转换至直流电流(DC)。

本文中描述的腐蚀监测系统10还包括电极阵列26，该电极阵列26包括安装在框架28上的多个参考电极26a、26b、…26n。参考电极26可以是能够在处理液中保持稳定的任何合适的参考电极、比如Ag/AgCl电极。

参考电极26a、26b、…26n彼此有规则地间隔开。参照附图，参考电极26a、26b、…26n以径向模式布置在框架28上并且相对于处理罐体12的基部在规则的间隔处高度逐渐增加。

虽然将理解的是电极阵列26通常可以在两个维度上延伸，但在一些替代性实施方式中，电极阵列26可以在一个维度上或甚至三个维度上延伸。例如，电极阵列26可以在管道或立管中在一个维度上纵向地延伸。替代性地，电极阵列26可以布置成一系列同心筒状装置。

框架28构造成将每个参考电极26a、26b、…26n布置成靠近处理罐体12的局部内部表面14a、14b、…14n。例如，框架28可以是筒状格栅，该筒状格栅定尺寸成使得参考电极26可以在与内部表面14相距50cm至200cm的距离处径向地间隔开。在使用时，框架28可以从顶部结构30悬挂在处理罐体12中，顶部结构30、比如桶架能够支承所述框架28和安装在框架28上的参考电极26a、26b、……26n。替代性地，框架28可以从固定至处理罐体12的内部表面的锚固点悬挂。

每个参考电极26a、26b、…26n布置成对指示DC电源组电压的局部电势和/或指示处理罐体12的局部内部表面14a、14b、…14n处的电流需求量的局部电势进行测量。施加在阴极与阳极之间的电压使处理罐体12的内部表面14钝化和/或极化或免疫，从而防止或减少腐蚀。在稳定状态的情况下，电流需求量将是恒定的。然而，在一个或更多个局部内部表面14a、14b、…14n处的涂层失效的情况下，由于维持处理罐体12的表面14处于钝化的和/或极化的或免疫的状态所需的电流量，局部电流需求量将增加。靠近局部内部表面14a、14b、…14n的参考电极26a、26b、…26n将测量局部电势，其变化指示了存在或正在发生腐蚀。

将理解的是，局部内部表面14a、14b、…14n的由参考电极26a、26b、…26n测量的有效面积将取决于若干因素，包括但不限于处理罐体12的总内部表面积、参考电极26a、26b、…26n的数量、相邻的参考电极26n与26(n-1)之间的间距、以及参考电极26a、26b、…26n与内部表面14之间的径向间距。例如，当在系统10中采用更多数量的参考电极26a、26b、…26n时，局部内部表面14a、14b、…14n的有效面积减小，从而提高了监测系统10的分辨率。通常，系统10中使用的参考电极26a、26b、…26n的数量被选定成提供从大约1m

本文中描述的腐蚀监测系统10还包括监测单元31，监测单元31布置成对由各个参考电极26a、26b、…26n测量的局部电势进行监测，该局部电势指示了保持局部内部表面14a、14b、…14n的钝化的电流需求量。监测单元31可以采取配置成用于数据收集、处理和传输的中央处理单元(CPU)的形式。监测单元31和DC电源24经由线27电联接至电极阵列26。

监测单元31可以布置成与记录和存储数据的数据存储单元以及图形用户界面(未示出)进行操作通信，以提供与容纳结构的内部表面对应的各个经测量的局部电势的图形表示。图形表示可以配置成在视觉上图示各个经测量的局部电势相对于预定设置的电势阈值和/或施加至结构的电压的变化，并且由此识别在处理罐体12的局部内部表面处存在或正在发生腐蚀的位置。例如，如图3中示出的，在局部内部表面处各个经测量的局部电势的变化可以以不同的颜色或阴影强度表示，以指示变化的程度，例如阴影强度越深，相对应的经测量的局部电势的变化程度越大。替代性地，如果具有足够的分辨率，则经测量的局部电势的变化可以用与局部电势的增加或减少对应的等高线图形化表示。

对局部腐蚀进行识别和量化的方法

在使用时，处理罐体12设置有如上描述的电极装置，其中，一个或更多个阳极22悬挂在处理罐体12中并且与处理罐体12的壳以及DC电源24电联接。处理罐体12的内容物13(即金氰化液)表现为电解质，从而完成电化学电池。

DC电源24向一个或更多个阳极输送预定电压。通常，预定电压将足以使处理罐体12的壳的表面14钝化和/或极化。例如，预定电压可以从(-)800mV至(-)1000mV，特别地从(-)850mV至(-)950mV(tbc)v Ag/AgCI参考电极。

其上安装有间隔开的参考电极26a、26b、…26n的框架28可以从顶部结构30悬挂并且浸入处理罐体12的内容物中。

通过靠近局部表面14的各个参考电极26a、26b、…26n对处理罐体12的局部表面14处的局部电势进行测量。可以在一段时间内连续地或间歇地测量局部电势。

经测量的局部电势由监测单元31接收，并且所收集的数据被组织和监测，以识别局部电势相对于设置的电势阈与参考电极和/或由DC电源24施加的预定电压的变化。经测量的局部电势相对于施加至处理罐体的壳的预定电压的变化指示了在局部内部表面处存在或正在发生腐蚀。

DC电源可以关闭一段时间以允许参考电极阵列26获得不受来自DC电力系统的电流流动影响的读数。这允许获得局部电势的真实读数。这种读数可以以大约1h、24h或48h的规则的间隔进行。

将理解的是，当DC电源关闭时，系统可能布置成以0.5秒至3秒的间隔进行读数，以测量一段时间内电势衰减的后续速率。通过参考电极阵列26获得的读数可以如上所述图形化表示。在电解保护下，系统倾向于极化和/或实现任何暴露的钢的免疫。暴露更多的钢导致电流消耗增加。尽管如此，所有局部电势应该在(-)850mV与(-)950mV v Ag/AgCl之间。

在不脱离本公开的广泛一般范围的情况下，本领域技术人员将理解的是，可以对以上描述的实施方式进行大量的变型和/或改型。因此，本实施方式在所有方面被认为是指示性的而不是限制性的。

在所附权利要求中和在先前的描述中，除了上下文由于表达语言或必要的含义另有需要之外，词语“包括”或诸如“包括”“含有”的变型以包括性意义使用，即指定所述特征的存在，但不排除在本发明的各种实施方式中存在或添加其他特征。