CN101634623B - 一种在役涂层耐蚀性能快速评价的方法及系统 - Google Patents

一种在役涂层耐蚀性能快速评价的方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明根据涂层/金属体系在特定频率下的相位角随服役时间的变化能反映出涂层服役过程中的阻抗的变化规律，建立一种快速评价在役涂层性能的电化学方法，并在此基础上设计和开发了适用于工业现场的在役涂层性能快速评测与管理软件系统，并配有测试探头、便携式阻抗测试仪、笔记本电脑。用于快速评价在役涂层的耐蚀性能和寿命预测，侧重应用于工业现场，测量快捷、方便，数据可靠，仪器简单，无需解析阻抗数据。

Description

一种在役涂层耐蚀性能快速评价的方法及系统
技术领域
本发明涉及一种在役涂层耐蚀性能评价方法和系统，特别涉及一种能快速对结构和设备用在役涂层耐蚀性能进行评价的电化学方法及系统。
背景技术
当前，涂层保护由于具有经济实用等诸多特点，在很多工程结构和设备上得到广泛应用。但在腐蚀性服役环境的作用下，其表面的防腐蚀涂层会受到侵蚀而逐渐失效，最终导致金属基体材料的腐蚀破坏。因此，随时掌握工程结构不同部位的涂层服役状况，对其进行快速有效地评价，有利于进行及时的维护、修补等操作，对工程结构和设备的安全、可靠运行具有重要意义。
电化学阻抗谱(EIS)方法对被测体系的扰动小，能获得的信息丰富，因而得到广泛的应用，目前，已成为研究和评价涂层性能和破坏过程的主要技术。常用的方法是：在105Hz～10-3Hz的频率范围内，测试不同服役时间下的涂层体系的阻抗谱，然后建立等效电路模型分析EIS数据，评估涂层的性能。其数据处理方法目前主要有两类：一类是利用专业软件对EIS数据进行精确的解析，得出各等效元件的参数。这种方法通常很费时，且需要合适的解析软件及一定的分析经验，同时由于涂层属于高阻抗体系，在EIS测试过程中，低频区的数据往往容易出现较大的误差。另一类是根据某些特征值来评价涂层的性能，如：特征频率法fb、最大相角处频率fθmax、最小相位角θmin及其对应的频率fθmin。这些方法皆无需对EIS数据进行精确的解析，且特征值皆能在较高频率下测定，能较快速地评价涂层的性能。但它们都有较大局限性，都必须在一定频率范围内进行EIS测试，给现场快速评测带来了很大的不方便。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种不仅能对在役涂层耐蚀性能进行快速评价而且操作简单，使用方便的系统及方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：在役涂层耐蚀性能快速评价系统，包括测试探头、阻抗测试仪、电脑，所述电脑装设有涂层性能快速评测与管理系统。
作为进一步的优选方案，所述涂层性能快速评测与管理系统由基础数据模块和评测模块组成。
作为进一步的优选方案，所述基础数据模块能实现对涂层体系在实验室条件下所测数据的存储功能和对电化学数据的分析功能。
作为进一步的优选方案，所述评测模块能实现在役涂层的性能快速评测和整个结构涂层的运行状况的全面管理。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种在役涂层耐蚀性能快速评价的方法：
首先，通过实验室加速模拟腐蚀试验预先获得不同的涂层体系的特定频率和特定频率下的相位角变化数据，并存储于基础数据模块中的标准数据库；
根据现场具体涂层，查询基础数据模块中的标准数据库，选择参考涂层体系，获取该具体涂层的特定频率；
选择现场涂层的测试部位，利用便携式阻抗测试仪现场测试该涂层体系特定频率下的相位角数据，录入在役涂层耐蚀性能快速评测与管理系统；
在役涂层耐蚀性能快速评价系统根据基础数据模块中的标准曲线与录入的该特定频率下的相位角数据进行对比，从而对涂层服役性能进行快速评价。
作为进一步的优选方案，在对涂层服役性能进行快速评价的基础上可以预测涂层的剩余寿命。
作为进一步的优选方案，所述特定频率是通过对比分析实验室加速模拟腐蚀试验获得不同的涂层体系的阻抗随服役时间的变化曲线和不同频率下相位角随时间的变化曲线的相似性来确定的，其中与阻抗值变化趋势最接近的一条相位角变化曲线所对应的测试频率为该涂层体系的特定频率。
作为进一步的优选方案，所述标准数据库包括涂层体系的基本信息，特定频率，标准曲线。
作为进一步的优选方案，所述标准数据库涂层体系的基本信息包括涂层层数、涂层种类、各层厚度、基体材料、腐蚀环境。
作为进一步的优选方案，所述标准曲线是特定频率下相位角随时间的变化曲线。
作为进一步的优选方案，通过大量现场测试所获得相应的特定频率下的相位角随时间的变化曲线，可以对实验室加速腐蚀试验得到的标准曲线进行修正，进一步提高在役涂层耐蚀性能快速评价的准确性。
本发明的技术效果在于，无须进行电化学阻抗谱EIS全谱测试，无须建立等效电路模型分析EIS数据，技术方案简单，实用，从而达到对在役涂层耐蚀性能快速评价的效果，而且操作简单，使用方便。
本发明的另一技术效果在于，在对涂层服役性能进行快速评价的基础上可以预测涂层的剩余寿命。
附图说明
下面结合附图和较佳实施方式对本发明作进一步详细地说明。
图1是本发明在役涂层耐蚀性能快速评价系统组成图；
图2是本发明在役涂层耐蚀性能快速评价的方法的流程框图；
图3是碳钢/无机富锌底漆/环氧封闭漆/环氧云铁中间漆/丙烯酸聚氨酯面漆体系在3.5％氯化钠溶液浸泡+紫外线照射联合作用下的不同频率下的相位角及0.01Hz频率下阻抗值的变化图；
图4是碳钢/无机富锌底漆/环氧封闭漆/环氧云铁中间漆/脂肪族聚氨酯面漆体系在3.5％氯化钠溶液浸泡+紫外线照射联合作用下的不同频率下的相位角及0.01Hz频率下阻抗值的变化图；
图5是碳钢/环氧富锌+环氧云铁+脂肪族聚氨酯漆体系在3.5％氯化钠和紫外线照射条件下不同频率下相位角及0.01Hz频率下阻抗值的变化图；
图6是碳钢/环氧富锌+环氧云铁+丙烯酸聚氨酯漆体系在3.5％氯化钠和紫外线照射条件下不同频率下相位角及0.01Hz频率下阻抗值的变化图；
图7是铝合金/M626丙烯酸船壳漆体系在3.5％氯化钠浸泡条件下不同频率下相位角及0.01Hz频率下阻抗值的变化图。
具体实施方式
在役的工程结构和设备表面的防腐蚀涂层，无论单涂层体系，还是多涂层体系，在某些较高频率下的相位角随时间的变化趋势与涂层阻抗值随时间的变化趋势具有很好的一致性，可以根据该频率下相位角的变化来对涂层的失效程度进行快速评价，并在此基础上提出了采用特定频率下相位角法评价涂层性能的快速评测方法和系统。
如图1所示，在役涂层耐蚀性能快速评价系统包括测试探头、阻抗测试仪、电脑，及还装设于电脑中的涂层服役性能快速评测与管理系统。系统采用模块化的方法设计和实现，主要包括两大模块：一是基础数据模块，二是评测模块。基础数据模块中设有标准数据库，标准数据库包括涂层体系的基本信息，特定频率，标准曲线；标准数据库涂层体系的基本信息包括涂层层数、涂层种类、各层厚度、基体材料、腐蚀环境；标准数据库涂层体系的特定频率是通过实验室加速模拟腐蚀试验获得不同的涂层体系阻抗随服役时间的变化曲线以及不同频率下相位角随时间的变化曲线，其中与阻抗值变化趋势最接近的一条相位角变化曲线所对应的测试频率为该涂层体系的特定频率；标准数据库涂层体系的标准曲线是特定频率下相位角随时间的变化曲线。基础数据模块所实现的功能包括对涂层体系在实验室加速腐蚀条件下所测多种数据的存储功能，以及对电化学数据的分析功能。评测模块所实现的功能，包括现场在役涂层的服役性能快速评测，及整个结构和设备的运行状况的全面管理。这种涂层性能快速评测与管理系统采用Java语言设计和开发，适用于工业现场的涂层性能快速评测与管理。该系统通过现场快速测试特定频率下的相位角数据，实现对涂层保护性能和失效程度的快速评价，进而对涂层寿命进行预测。同时该系统软件也可对工程结构各部位涂层的相关信息包括涂料信息、涂层的表观状况、涂层的服役性能和历史维护情况等进行全面系统的管理。这对随时掌握涂层服役过程中的状况，及时采取有效维护措施有重要参考作用。
如图2所示，在役涂层耐蚀性能快速评价的方法有如下步骤：首先通过实验室加速模拟腐蚀试验获得不同的涂层体系阻抗随服役时间的变化曲线以及不同频率下相位角随时间的变化曲线，其中与阻抗值变化趋势最接近的一条相位角变化曲线即可表征涂层阻抗的变化，该相位角所对应的测试频率为该涂层体系的特定频率，该特定频率及特定频率下不同时间的相位角数据存储于基础数据模块中的标准数据库。标准数据库包括涂层体系的基本信息，特定频率，标准曲线；标准数据库涂层体系的基本信息包括涂层层数、涂层种类、各层厚度、基体材料、腐蚀环境；
查询系统的标准数据库，选择参考涂层体系，选择原则：相同的涂层层数、涂层种类、相近的各层厚度、相同的基体材料及腐蚀环境，获取特定频率；
然后，选择测试部位，利用便携式阻抗测试仪现场测试涂层体系特定频率下的相位角数据，录入软件系统。调用基础数据模块中的标准曲线，系统根据基础数据模块中的标准曲线，与录入的该特定频率下的相位角数据进行对比，从而对涂层服役性能进行快速评价，并在此基础上预测涂层的剩余寿命。
现场采集涂层体系特定频率下的相位角，根据基础数据模块中的标准曲线，实现涂层服役性能的快速评价，掌握涂层性能的失效程度，并在此基础上预测涂层的剩余寿命。用户在使用该系统一段时间后，可通过大量现场测试所获得相应的特定频率下的相位角随时间的变化曲线，对实验室加速试验得到的标准曲线进行修正，进一步提高其预期的准确性。
以下是具体不同涂层/金属体系的涂层外观形貌与阻抗值及特定频率下相位角关系实际运用实例：
实例1：无机富锌底漆/环氧封闭漆/环氧云铁中间漆/丙烯酸聚氨酯面漆
底板材料：Q235碳钢
涂装方式：刷涂
涂层厚度：无机富锌底漆75μm
          环氧封闭漆20μm
          环氧云铁中间漆90μm
            丙烯酸聚氨酯面漆85μm
涂层总厚度：270μm
试样面积：12.5cm2
腐蚀环境：3.5％氯化钠溶液浸泡+紫外线照射联合作用
通过对比图3中0.01Hz频率下阻抗值(|Z|0.01Hz)随浸泡时间的变化曲线和不同频率下相位角随浸泡时间的变化曲线可知，10Hz频率下相位角的变化与阻抗值(|Z|0.01Hz)的变化趋势最为接近。
该体系涂层外观形貌与阻抗值|Z|0.01Hz及特定频率(10Hz)下相位角的关系
  浸泡时间/天   阻抗值/Ω·cm2   相位角/度   涂层形貌观察
  1   1.89×1011   79   肉眼观察涂层完好
  8   4.10×1010   75   肉眼观察涂层完好
  12   4.78×109   73   肉眼观察涂层完好
  20   2.80×108   58   肉眼观察涂层完好
  35   1.88×108   54   肉眼观察涂层完好
  51   4.46×108   48   肉眼观察涂层完好
  65   6.58×107   45   肉眼观察涂层完好
  74   5.22×107   23   肉眼观察涂层完好
  76   6.45×106   15   放大镜下观察涂层表面有少许轻微锈蚀点
  78   1.18×106   5   肉眼观察涂层表面有锈蚀
实例2：无机富锌底漆/环氧封闭漆/环氧云铁中间漆/脂肪族聚氨酯面漆
底板：Q235碳钢
涂装方式：刷涂
涂层厚度：无机富锌底漆70μm
          环氧封闭漆25μm
          环氧云铁中间漆105μm
          脂肪族聚氨酯面漆80μm
涂层总厚度：280μm
试样面积：12.5cm2
腐蚀环境：3.5％氯化钠溶液浸泡+紫外线照射联合作用
通过对比图4中0.01Hz频率下阻抗值(|Z|0.01Hz)随浸泡时间的变化曲线和不同频率下相位角随浸泡时间的变化曲线可知，10Hz频率下相位角的变化与阻抗值的变化趋势最为接近。
该体系涂层外观形貌与阻抗值|Z|0.01Hz及特定频率(10Hz)下相位角的关系
  浸泡时间/天   阻抗值/Ω·cm2   相位角/度   涂层形貌观察
  1   7.46×1010   75   肉眼观察涂层完好
  10   6.125×109   70   肉眼观察涂层完好
  15   1.80×109   60   肉眼观察涂层完好
  20   1.26×109   56   肉眼观察涂层完好
  30   7.64×108   52   肉眼观察涂层完好
  40   6.11×108   35   肉眼观察涂层完好
  44   2.14×107   21   肉眼观察涂层完好
  48   1.30×107   10   肉眼观察涂层完好
  51   8.48×106   7   放大镜下观察涂层表面有轻微锈蚀
实例3：801环氧富锌底漆/701-2环氧云铁灰厚浆底漆/652脂肪族聚氨酯面漆
底板：Q235碳钢
涂装方式：刷涂
涂层厚度：801环氧富锌底漆50μm
          701-2环氧云铁灰厚浆底漆45μm
          652脂肪族聚氨酯25μm
涂层总厚度：120μm
试样面积：12.5cm2
腐蚀环境：3.5％氯化钠溶液浸泡+紫外线照射联合作用
通过对比图5中0.01Hz频率下阻抗值(|Z|0.01Hz)随浸泡时间变化曲线和不同频率下相位角随浸泡时间的变化曲线可知，10Hz频率下相位角的变化与阻抗值的变化趋势最为接近。
该体系涂层外观形貌与阻抗值|Z|0.01Hz及特定频率(10Hz)下相位角的关系
  浸泡时间/天   阻抗值/Ω·cm2   相位角/度   涂层形貌观察
  0.125   7.09×109   73   肉眼观察涂层完好
  1   6.67×108   56   肉眼观察涂层完好
  3   8.84×107   42   肉眼观察涂层完好
  15   2.44×106   25   肉眼观察涂层完好，涂层剥离后金属基体有腐蚀斑
  26   8.46×105   10   肉眼观察涂层有明显孔隙
实例4：801环氧富锌底漆/701-2环氧云铁灰厚浆底漆/656聚氨酯防腐面漆
底板：Q235碳钢
涂装方式：刷涂
涂层厚度：801环氧富锌底漆50μm
          701-2环氧云铁灰厚浆底漆45μm
          656脂肪族聚氨酯25μm
涂层总厚度：120μm
试样面积：12.5cm2
腐蚀环境：3.5％氯化钠溶液浸泡+紫外高压汞灯照射
通过对比图6中0.01Hz频率下阻抗值(|Z|0.01Hz)随浸泡时间变化曲线和不同频率下相位角随浸泡时间变化曲线可知，13.7Hz频率下相位角的变化与阻抗值的变化趋势最为接近。
该体系涂层外观形貌与阻抗值|Z|0.01Hz及特定频率(13.7Hz)下相位角的关系
  浸泡时间/天   阻抗值/Ω·cm2   相位角/度   涂层形貌观察
  0.125   5.87×109   73   肉眼观察涂层完好
  2   7.06×108   60   肉眼观察涂层完好
  15   8.70×107   43   肉眼观察涂层完好
  25   9.36×106   25   放大镜下涂层有较大孔隙，剥离涂层后可见基体有腐蚀
  35   1.88×106   14   肉眼可见涂层有孔隙，剥离涂层后可见基体腐蚀较为严重
实例5：M626丙烯酸船壳漆单涂层
底板：铝合金
涂装方式：刷涂
涂层厚度：75μm
试样面积：10.17cm2
腐蚀环境：常温敞开环境下3.5％氯化钠溶液浸泡
对比图7中0.01Hz频率下阻抗值(|Z|0.01Hz)随浸泡时间变化曲线和不同频率下相位角随浸泡时间变化曲线可知，铝合金/M626丙烯酸船壳漆的特定频率为8Hz。
该体系涂层外观形貌与阻抗值|Z|0.01Hz及特定频率(8Hz)下相位角的关系
Figure G2009100896846D00111
以下是用软件系统来评价涂层/金属体系的失效程度及寿命预测的运用实例：
实例6：碳钢/环氧富锌底漆/环氧云母氧化铁中间漆/氯化橡胶面漆体系，在南部某海洋环境中的服役性能评价。该涂层体系初始服役时间为2008年4月15日。已知各层厚度皆在40μm左右。
首先查询标准数据库，选择参考涂层体系。针对实际涂层体系，考虑到实际服役环境存在较强辐照与海水介质的联合作用，选择碳钢/环氧富锌底漆/环氧云母氧化铁中间漆/氯化橡胶面漆(各层厚度与实际涂层体系相近)在紫外照射和3.5％NaCl溶液浸泡介质为参考涂层体系，获取相应的特定频率(10Hz)。然后，测试该涂层体系在10Hz下的相位角数据，2008年6月15日所测相位角为72°，录入软件系统。调用评测系统，进行性能评测与寿命预测，其结果为：涂层性能评价为良好，剩余寿命为8.5个月。2008年8月15日对该涂层体系再次进行评测，测得相位角为57°。评价结果：性良好，剩余寿命为8个月。2009年5月15日对该涂层体系再次进行评测，测得相位角为17°。评价结果：性能差，剩余寿命为1个月。
以上已对本发明的较佳实施例进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (4)

1.一种在役涂层耐蚀性能快速评价的方法，其特征在于：
使用在役涂层耐蚀性能快速评价系统，包括测试探头、阻抗测试仪、电脑，其特征在于：所述电脑装有涂层性能快速评测与管理系统，涂层性能快速评测与管理系统由基础数据模块和评测模块组成，基础数据模块能实现对涂层体系在实验室条件下所测数据的存储功能和对电化学数据的分析功能，评测模块能实现结构涂层的性能快速评测和整个结构涂层的运行状况的全面管理；
首先，通过实验室加速模拟腐蚀试验预先获得不同的涂层体系的阻抗随服役时间的变化曲线和不同频率下相位角随时间的变化曲线，其中与阻抗值变化趋势最接近的一条相位角变化曲线所对应的测试频率即该涂层体系的特定频率，特定频率下相位角随时间的变化曲线即标准曲线，将特定频率和标准曲线存储于基础数据模块中的标准数据库；
根据现场涂层体系种类，查询基础数据模块中的标准数据库，找到同类涂层体系的特定频率；
选择现场涂层的具体测试部位，利用便携式阻抗测试仪测试该部位涂层于该特定频率下的相位角，录入涂层性能快速评测与管理系统，涂层性能快速评测与管理系统根据基础数据模块中该涂层的标准曲线与实测的相位角数据进行对比，从而对涂层服役性能进行快速评价。
2.根据权利要求1所述的在役涂层耐蚀性能快速评价的方法，其特征在于：在对涂层服役性能进行快速评价的基础上可以预测涂层的剩余寿命。
3.根据权利要求1所述的在役涂层耐蚀性能快速评价的方法，其特征在于：所述标准数据库包括基本信息，特定频率，标准曲线，所述基本信息包括涂层层数、涂层种类、各层厚度、基体材料、腐蚀环境。
4.根据权利要求1所述的在役涂层耐蚀性能快速评价的方法，其特征在于：利用现场测试所获得的在役涂层于其特定频率下的相位角随时间的变化曲线，可以对实验室加速腐蚀试验得到的标准曲线进行修正，进一步提高在役涂层耐蚀性能快速评价的准确性。
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