一种工作电极的密封泄漏监测与故障诊断系统及方法与流程

本发明属于海洋腐蚀电化学测试及高压试验装备的，具体涉及一种工作电极的密封泄漏监测与故障诊断系统及方法。

背景技术：

1、深海装备及海洋工程结构在服役过程中长期与海水接触，金属材料同时受氯离子、溶解氧、温度、海水流动等环境因素作用，以及随水深增加而升高的静水压力作用。材料在高静水压力海水环境中的腐蚀反应机制、钝化膜稳定性、局部腐蚀发展规律及腐蚀产物形成过程，与常压海水环境存在显著差异。因此，在实验室条件下构建可控的高压海水环境，开展材料腐蚀电化学性能测试，是海洋工程材料选型、防护结构设计与服役寿命评估的核心试验手段。

2、现有实验室高压腐蚀测试通常采用密闭高压反应釜盛装天然海水、人工海水或含氯盐溶液，通过液压或气液增压方式模拟不同水深的静水压力环境；反应釜内部设置由工作电极、参比电极、辅助电极组成的三电极测试体系，与釜外电化学工作站连接，开展开路电位、线性极化、电化学阻抗谱、动电位极化等测试，分析材料的腐蚀特性、界面反应阻力与局部腐蚀敏感性。

3、在上述测试体系中，工作电极由待测材料制成，其规定测试表面暴露于高压海水，背面、边缘及导电连接区域通过绝缘套筒与密封件与腐蚀介质隔离。工作电极的密封状态直接决定了实际暴露面积与电化学测试边界的准确性。当靠近海水侧的密封结构发生泄漏时，高压海水会侵入待测电极背面、螺纹连接区域或导电杆附近，导致非规定暴露区域参与腐蚀反应，甚至引发附加电偶效应，严重影响测试结果的准确性。

4、目前，现有高压腐蚀工作电极通常采用多道密封圈、绝缘封装结构实现介质隔离，仅能被动提升初始密封可靠性，无法对密封失效过程进行在线监测。由于高压反应釜在试验过程中处于封闭状态，操作人员无法直接观察工作电极内部的进水情况；即使密封已经发生泄漏，电化学工作站仍会输出连续的测试数据，且曲线通常无明显中断，导致受泄漏影响的失真数据被误用于材料腐蚀性能评价。待试验结束拆解电极后发现进水时，已无法追溯泄漏发生的时间、对应压力与测试阶段，也无法对数据有效性进行区分。

5、此外，现有电极故障检测方案多针对传感器本身电极故障、等离子体电极失效或微流控驱动电极故障，应用场景与检测对象均与高压腐蚀工作电极的密封泄漏不匹配，无法直接适配高压海水环境下的工作电极密封状态监测，也无法区分密封泄漏与检测线路自身故障，难以形成与试验流程、数据管理相匹配的诊断与提示机制。

6、综上，现有高压海水腐蚀测试领域缺少一套集双重密封缓冲结构、独立泄漏检测回路、多状态故障诊断与数据有效性标记于一体的密封泄漏监测方案，无法在密封泄漏影响测试结果前实现提前识别与预警。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种工作电极的密封泄漏监测与故障诊断系统及方法，通过 “主密封-中间检测腔-次密封” 的层级结构设计，结合独立双探针交流阻抗检测与多维度故障诊断算法，在海水侵入导电连接区域前识别密封泄漏，同时区分检测回路自身故障，实现试验操作提示与测试数据的有效性标记，提升高压海水腐蚀测试的可靠性与数据可追溯性。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种工作电极的密封泄漏监测与故障诊断系统，包括高压反应釜、三电极测试单元和电化学工作站，所述三电极测试单元包括工作电极、参比电极和辅助电极，三者的检测端置于高压反应釜内的测试介质中，且分别与电化学工作站电连接以构成三电极电化学测试回路，其特征在于，还包括泄漏信号检测单元、检测回路自检单元、故障诊断单元以及诊断结果输出与记录单元，所述工作电极为密封泄漏监测工作电极组件；

4、所述密封泄漏监测工作电极组件安装于高压反应釜的电极安装孔内，包括待测电极、中央导电杆、绝缘套筒、主密封件、中间检测腔、次密封件、第一检测探针、第二检测探针和多芯高压密封引出结构；沿高压海水侵入工作电极内部的方向，所述主密封件、中间检测腔、次密封件和导电连接区域依次排布，所述主密封件设置于待测电极外围靠近测试介质的一侧，所述次密封件设置于中间检测腔靠近导电连接区域的一侧，所述中间检测腔为由待测电极外表面、绝缘套筒内壁、主密封件与次密封件共同围合形成的封闭腔体；所述第一检测探针与第二检测探针相互绝缘地设置于中间检测腔内，并分别经检测导线延伸至多芯高压密封引出结构；所述中央导电杆一端与待测电极电连接，另一端延伸至多芯高压密封引出结构；

5、所述泄漏信号检测单元与第一检测探针、第二检测探针连接，用于检测两根检测探针之间的交流阻抗幅值；所述检测回路自检单元用于检测检测导线的通断状态、两根检测探针之间的短路状态以及检测探针与中央导电杆之间的绝缘状态，生成检测回路自检结果；所述故障诊断单元分别与泄漏信号检测单元、检测回路自检单元信号连接，用于根据交流阻抗幅值与检测回路自检结果分级判断工作电极的密封状态；所述诊断结果输出与记录单元与故障诊断单元连接，用于显示当前诊断状态、输出报警信息与试验操作提示，记录故障发生时刻对应的时间、高压反应釜压力与电化学测试阶段，并对对应时段的电化学测试数据设置有效性状态标记。

6、作为优选的技术方案，所述多芯高压密封引出结构集成有中央导电杆引出端、第一检测导线引出端和第二检测导线引出端，各引出端之间及各引出端与高压反应釜壳体之间均保持电绝缘；由第一检测探针、第二检测探针、对应检测导线及泄漏信号检测单元构成的泄漏监测回路，与所述三电极电化学测试回路相互独立。

7、作为优选的技术方案，所述中间检测腔为环绕待测电极连接区域的环形腔体；所述主密封件和次密封件为 o 形密封圈、唇形密封件或平面密封垫中的任意一种；所述第一检测探针与第二检测探针为针状、柱状、片状或环状结构，采用铂、钛或不锈钢耐海水腐蚀导电材料制成。

8、作为优选的技术方案，所述多芯高压密封引出结构采用陶瓷金属封接或玻璃金属封接结构。

9、作为优选的技术方案，所述检测回路自检单元内置多路切换单元，通过通道切换实现探针间阻抗检测、探针绝缘自检与正式电化学测试三种模式的切换；所述探针绝缘自检的自检内容包括检测导线连续性检测、探针间短路检测以及探针与中央导电杆的绝缘性能检测。

10、第二方面，本发明还提供了一种工作电极的密封泄漏监测与故障诊断方法，应用于所述的工作电极的密封泄漏监测与故障诊断系统，包括：

11、s1、将密封泄漏监测工作电极组件安装至高压反应釜，完成三电极测试回路与泄漏检测回路的接线；通过检测回路自检单元检测检测导线连续性、探针间短路状态及探针与中央导电杆的绝缘状态；自检通过后进入下一步，自检不通过则排查线路与装配异常；

12、s2、在中间检测腔处于干燥状态时，泄漏信号检测单元连续采集 n 次双探针间的交流阻抗幅值，计算初始基准阻抗与初始波动量；波动量在允许范围内时，将初始基准阻抗作为正常状态参照基准；

13、s3、向高压反应釜注入测试介质并按试验规程进行压力调控，电化学工作站同步进行电化学腐蚀测试；试验过程中，泄漏信号检测单元按照设定周期测量双探针间的交流阻抗幅值；

14、s4、对实时采集的交流阻抗幅值采用滑动平均算法进行平滑处理，获取平滑阻抗值；计算当前时刻的归一化阻抗比与阻抗下降速率，同时统计阻抗异常的连续出现次数；

15、s5、根据检测回路自检结果判断检测回路是否故障；若检测回路故障，直接判定为检测回路故障状态；若检测回路正常，则结合归一化阻抗比、阻抗下降速率与连续异常次数，分级判定故障状态，所述故障状态包括密封正常状态、疑似泄漏状态和确认泄漏状态；

16、s6、根据当前诊断状态输出对应状态提示、报警信息与试验操作指令；同步记录诊断结果对应的时间、反应釜压力与电化学测试阶段，对对应时段的电化学测试数据设置有效性标记；

17、s7、试验未结束时，返回步骤s3持续周期检测；试验结束后停止监测。

18、作为优选的技术方案，初始自检的判断规则为：

19、检测的等效电阻与自检支路标称电阻的相对偏差，若相对偏差大于设定阈值且连续出现自定义规定次数时，判断存在断路、接触不良等异常状态，否则判断对应检测导线及接线端链接正常；

20、干燥状态下探针间交流阻抗幅值高于设定探针短路判断阈值，判定为正常，否则判断两根检测探针之间存在异常低阻状态；

21、检测探针与中央导电杆之间的绝缘电阻在设定最低绝缘阻抗以上，则判断泄漏监测回路与三电极电化学测试回路之间保持正常绝缘，否则判断为检测探针、检测导线或多芯高压密封引出结构与中央导电杆之间存在绝缘异常；

22、三项均正常时判定自检通过。

23、作为优选的技术方案，初始基准阻抗为n 次初始检测结果的平均值；初始波动量为单次检测值与初始基准阻抗的相对偏差，允许范围为±20%；波动量超出范围时，排查异常后重新建立基准。

24、作为优选的技术方案，故障状态分级判定规则为：

25、检测回路自检结果异常时，判定为检测回路故障状态，输出对应故障类型；

26、检测回路自检正常，且归一化阻抗比处于正常阈值范围内，判定为密封正常状态；

27、检测回路自检正常，且归一化阻抗比低于确认泄漏阈值、且连续异常次数达到设定最小次数，判定为确认泄漏状态；

28、检测回路自检正常，且不满足上述正常与确认泄漏条件，判定为疑似泄漏状态。

29、作为优选的技术方案，判定为疑似泄漏状态时，自动缩短检测周期进行连续复测；若复测结果恢复至正常范围并连续保持设定次数，恢复为密封正常状态；若复测结果满足确认泄漏条件，转为确认泄漏状态；

30、确认泄漏状态一经判定，在当前高压试验过程中保持锁定；仅当高压反应釜卸压、工作电极拆解检修并重新装配、检测回路重新通过自检并建立干燥基准后，解除锁定。

31、本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

32、（1）本发明通过 “主密封件 - 中间检测腔 - 次密封件” 的顺序结构设计，使主密封发生泄漏后的海水首先进入中间检测腔，由次密封件暂时阻挡海水继续侵入导电连接区域，能够在待测电极背面、螺纹连接区与中央导电杆受到海水影响之前，提前识别密封泄漏，为试验干预预留充足时间，避免泄漏直接导致测试数据失真。

33、（2）本发明采用与三电极电化学测试回路完全独立的双探针交流阻抗检测回路，结合检测回路自检机制，能够准确区分密封泄漏与检测线路自身的断路、短路、绝缘异常故障，避免将线路故障误判为密封泄漏，提升诊断结果的准确性。

34、（3）本发明采用 “密封正常 - 疑似泄漏 - 确认泄漏” 的三级分级诊断机制，结合归一化阻抗比、阻抗下降速率与连续异常次数多维度判断，既能够通过疑似泄漏状态实现提前预警，又能够避免瞬时干扰导致的误判，诊断可靠性更高。

35、（4）本发明将泄漏诊断结果与试验参数、测试阶段进行时间戳关联，能够精准追溯泄漏发生的时刻、对应压力与测试阶段，并对测试数据进行有效性标记，有效降低失真数据被误用的风险，提升高压海水腐蚀测试数据的可靠性与可追溯性。