CN102175595B - 一种模拟海洋环境中材料加速腐蚀的无损监检测试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模拟海洋环境中材料加速腐蚀的无损监检测试验方法。包括模拟海洋环境的腐蚀加速试验和材料腐蚀电位的无损监、检测。模拟海洋环境腐蚀加速试验在腐蚀加速试验模块上进行，可完成海洋或工业大气腐蚀、浪花飞溅腐蚀、潮差腐蚀、全浸腐蚀及海泥微生物腐蚀试验。材料腐蚀电位的无损监、检测试验通过腐蚀电位无损监、检测模块完成。本发明的效果和益处是提供了模拟海洋各腐蚀区域的环境，通过加速腐蚀试验缩短试验周期，全过程监、检测材料的腐蚀程度。为评价材料在海洋环境中的耐蚀性提供技术支撑，从而缩短材料的研究和试验周期。

Description

一种模拟海洋环境中材料加速腐蚀的无损监检测试验方法

技术领域

本发明属于材料腐蚀技术领域，具体的说，是一种在模拟海洋环境中加速材料腐蚀并实施无损监、检测的试验方法。

背景技术

海水是一种含有多种盐类的强电解质溶液，钢结构设施在这种条件下极易腐蚀。因此人们致力于研究各种防腐材料，希望减轻因腐蚀带来的损失。目前对材料性能的考核一般有自然环境的腐蚀试验和试验室腐蚀试验。自然环境的腐蚀试验能够真实的反应材料的腐蚀状况和规律。但是试验周期一般较长，成本相对较高，难以实时监测腐蚀状态。在新材料研发日新月异的今天，自然环境的腐蚀试验难以满足快速准确评价材料耐蚀性的需要，故一般情况下该试验只针对一些常规材料进行试验，为理论研究提供必要的基础腐蚀数据。试验室腐蚀试验一般针对材料特定的使用条件进行加速模拟腐蚀试验，例如浸泡试验用来模拟海水全浸腐蚀，连续盐雾试验模拟海边飞溅区的条件，少量盐雾加上循环干燥用来模拟大气环境。这些试验的特点是大幅缩短了试验周期，有利于及早发现问题和重新设计材料的成分。但是实际环境下材料的腐蚀失效是由多种因素所引起，是一个复杂的腐蚀过程，如何在试验室将多种因素整合到一起，更接近材料实际的使用条件，获得更为可靠的试验数据并能无损监检测出材料的腐蚀状态，已成为材料研制和使用双方急需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种科学合理、方便快捷的可模拟海洋多种腐蚀环境并无损监检测材料腐蚀状态的加速腐蚀试验方法，获得与自然条件下的腐蚀试验相类似的结果，为评价材料在海洋环境中的耐蚀性提供技术支撑，缩短新材料的研制周期。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种模拟海洋环境中材料加速腐蚀的无损监检测试验方法，其特征在于：模拟海洋环境的腐蚀加速试验模块提供了接近实海环境的腐蚀氛围并对试验材料起到加速腐蚀的效果；腐蚀电位无损监、检测模块无损监、检测材料的腐蚀电位，提供判断材料腐蚀状态的依据；

(1)模拟海洋环境的腐蚀加速试验模块包括试验箱、腐蚀氛围制造系统、辅助系统和控制系统组成；试验箱内部设置试样架用以固定试样和参比电极；腐蚀氛围制造系统包括安装于试验箱中部且可固定试样的螺旋桨，通过旋转制造浪花飞溅的氛围，并模拟不同级别海浪对试样的冲击效果；安装于试验箱顶部的氙灯、红外加热灯、进排气孔和排气扇，用于模拟日照氛围、通入不同腐蚀性的气体和调节试验箱湿度；安装于试验箱侧壁的喷射装置，用于实现冲蚀的氛围；安装于试验箱底部的水浴加热系统和供排水系统，用于调整试验环境的温度和控制试验箱内液面的高度；辅助系统包括动力装置、温度传感装置、湿度传感装置、液位传感装置和储水箱；控制系统实现总电源开关、螺旋桨转速控制、光照时间控制、冲蚀强度控制、环境温度控制和液面高度控制；

腐蚀电位无损监、检测模块硬件系统包括：显示器、实时监控模块、数据采集模块、通讯模块、电源模块、可充电电池及充电模块、外部设备以及人机接口；

通过螺旋桨机械转动拍打海水产生水花飞溅达到模拟效果，并通过红外加热和氙灯辐照对试样进行烘干和辐照处理，以此模拟浪花飞溅区干湿交替的实际状况；根据“国际波级表”选择需要波浪的范围，通过公式1、公式2和公式3计算出螺旋桨的具体转速，即通过固定在螺旋桨上试样与海水的相对线速度值，根据圆周运动公式将其转化为螺旋桨的具体转速；

P＝0.55×H²×T    (1)

式1：P为波浪的功率，H为波高(米)，T为波浪周期(秒)；

E＝0.5×ρ_海水×g×H²(2)

式2：H为波高(米)，ρ海水为海水密度，取1025kg/m3，g为重力加速度；

$P=\frac{W}{t}=\frac{S}{t}\×F=F\×v=m\×{(2\mathrm{\π}\·n)}^2\×r---\left(3\right)$

式3：P为波浪的功率，m为一个桨叶与一个试样的质量和，n为转速，r为桨叶半径；

根据材料使用的海洋环境，将试样和参比电极固定于试样架上相应位置并通过导线与腐蚀监、检测模块相连接，根据模拟的海域特征确定腐蚀加速试验模块的螺旋桨转速、水浴温度、光照时间、环境湿度、液面的涨落周期和冲蚀的强度与时间，并通过控制模块定时自动开启或关闭不同的功能部件模拟出海洋环境；进行试样在模拟海洋环境中的加速腐蚀试验。

本发明使用的系统包括模拟海洋环境的腐蚀加速试验模块和腐蚀电位无损监、检测模块。模拟海洋环境的腐蚀加速试验模块提供了接近实海环境的腐蚀氛围并对试验材料起到加速腐蚀的效果；腐蚀电位无损监、检测模块可以无损监、检测材料的腐蚀电位，提供判断材料腐蚀状态的依据。

(1)模拟海洋环境的腐蚀加速试验模块包括试验箱、腐蚀氛围制造系统、辅助系统和控制系统。其主要特征是：试验箱是用有机玻璃制成的立方体空间，内部设置试样架用以固定试样和参比电极。腐蚀氛围制造系统包括安装于试验箱中部且可固定试样的螺旋桨，通过旋转制造浪花飞溅的氛围，并模拟不同级别海浪对试样的冲击效果；安装于试验箱顶部的氙灯、红外加热灯、进排气孔和排气扇，用于模拟日照氛围、通入不同腐蚀性的气体(如SO₂、NO_X、CO₂等)和调节试验箱湿度；安装于试验箱侧壁的喷射装置，用于实现冲蚀的氛围；安装于试验箱底部的水浴加热系统和供排水系统，用于调整试验环境的温度和控制试验箱内液面的高度。辅助系统包括动力装置、温度传感装置、湿度传感装置、液位传感装置和储水箱。控制系统实现总电源开关、螺旋桨转速控制、光照时间控制、冲蚀强度控制、环境温度控制和液面高度控制。

(2)腐蚀加速试验模块中的动力装置可以为螺旋桨提供0-3000转/分钟的转速，通过螺旋桨的转动带动海水运动，实现人工制造海浪的目的。根据“国际波级表”选择需要波浪的范围，通过公式1、公式2和公式3计算出螺旋桨的具体转速，既通过固定在螺旋桨上试样与海水的相对线速度值，根据圆周运动公式将其转化为螺旋桨的具体转速。经计算得到的波浪功率和能量如表1所示。文献中提到海浪的平均功率约为20-50千瓦/米，与计算值吻合。

表1波级表

P＝0.55×H²×T            (1)

式1：P为波浪的功率，H为波高(米)，T为波浪周期(秒)。

E＝0.5×ρ_海水×g×H²     (2)

式2：H为波高(米)，ρ海水为海水密度，取1025kg/m3，g为重力加速度。

$P=\frac{W}{t}=\frac{S}{t}\×F=F\×v=m\×{(2\mathrm{\π}\·n)}^2\×r---\left(3\right)$

式3：P为波浪的功率，m为一个桨叶与一个试样的质量和，n为转速，r为桨叶半径

(3)腐蚀电位无损监、检测模块由硬件系统和软件系统两部分组成。硬件系统主要包括：液晶触摸屏、实时监控模块、数据采集模块、通讯模块、电源模块、可充电电池及充电模块、外部设备(外部存储器、打印机等)以及人机接口(键盘、鼠标等)。软件系统选用WI NDOWS98操作系统为支持环境，因为该系统稳定，适合长时间开机作业。采用Visual Basic语言开发上位机软件，编制用户操作界面和远程控制界面。实现下拉式中文菜单、弹出式输入输出窗口，支持鼠标、键盘和触摸屏操作，系统稳定，操作简单方便。

(4)腐蚀电位无损监、检测模块选用灵敏度高、造价便宜、使用方便的电化学传感器，参比电极选用Ag/AgCl电极。该模块选用了测量范围是-2.5V～+2.5V的A/D、D/A转换卡，最大通道数为8，精度为18位，转换速率为8次/秒，既可以对8组试样同时进行腐蚀电位的无损监、检测。腐蚀电位无损监、检测模块采用外部220V电源供电，另配有高效锂电池防止突然断电造成监测中断及数据丢失的问题，触摸式液晶屏实时显示腐蚀监、检测信息，并能接受指令实现人机交互。该模块实现了监、检测数据的自动存储并拥有远程通讯模块，可以通过RJ45端口及电缆与电脑连接，实现远程控制和数据的读取。

(5)根据材料所处的海洋环境，将试样和参比电极固定于试样架上相应位置并通过导线与腐蚀监、检测模块相连接，根据模拟的海域特征确定腐蚀加速试验模块的螺旋桨转速、水浴温度、光照时间、环境湿度、液面的涨落周期和冲蚀的强度与时间，并通过控制模块定时自动开启或关闭不同的功能部件模拟出海洋环境。进行试样在模拟海洋环境中的加速腐蚀试验。

(6)需要模拟海洋工业大气腐蚀时，可从试验箱进排气孔通入腐蚀气体(如SO₂、NO_X、CO₂等)。

(7)需要模拟长尺试样的腐蚀行为时，可将每种小试样采用导线通过电连接的方式固定，可起到与长尺试样相同的试验效果。

(8)开启腐蚀电位无损监、检测模块并通过液晶触摸屏设置监、检测参数既腐蚀数据采集和存储的时间间隔。设置预警值，当达到设定的预警值时，系统会自动报警，预示材料接近失效，提醒用户采取相应的措施。设置密码避免误操作影响正常作业。点击“开始测试”实现试验腐蚀电位的无损监、检测。

(9)需要进行其他电化学试验时，可将电化学设备与从试样引出的导线相连接，完成测试。

采用如上所述的技术方法，本发明具有以下优越性：

一.本发明的试验方法集成了海洋腐蚀环境中的多种因素，包含光照、温度、湿度、浪花飞溅、海浪冲击和工业大气。能够模拟海洋大气区、飞溅区、潮差区、全浸区和海泥区的不同腐蚀氛围。该发明有利于考核材料在接近真实海洋环境中的腐蚀状况，起到了良好的模拟和加速材料腐蚀的效果。

二.本发明的试验方法采用腐蚀电位无损监检测可以实时无损的获得材料的腐蚀信息，掌握腐蚀趋势，判断材料的耐蚀性能。

三.应用本发明能够减少自然环境下的腐蚀试验次数，节约时间、降低成本，真实提供材料的腐蚀信息，预测材料在海洋环境中的使用性能，提出改进方案，缩短材料的研制周期，降低研制成本。

四.该方法操作简单、使用方便、易于推广应用。

附图说明：

图1材料在模拟海洋环境中的加速腐蚀试验方法流程图

图2腐蚀加速试验模块示意图

图3腐蚀电位无损监、检测模块示意图

图4腐蚀电位无损监、检测模块硬件原理图

图5腐蚀电位无损监、检测模块程序设计流程图

图6Q235钢和Zn-Al涂层试样腐蚀试验测试结果

具体实施方式：

一种模拟海洋环境中材料加速腐蚀的无损监检测试验方法其流程图如图1所示。该方法的实现需要模拟海洋环境的腐蚀加速试验模块和腐蚀电位无损监、检测模块的协同作用。

腐蚀加速试验模块通过控制螺旋桨转速、温度、湿度、pH值、光照、降水等因素模拟不同海域的海洋大气区，飞溅区，潮差区，全浸区和海泥区。根据需要模拟的海域环境，通过“国际波级表”公式计算所需的电机转速。当试验材料工作的环境处于微浪或小浪时，此时电机的转速不高，可将试样安装在三叶螺旋桨上。当试验材料的工作环境处于中浪以上时，此时电机的转速较高，由于高转速下试样的运动轨迹几乎成一连续圆形，海水不能及时回流影响了试验的进行，应将三叶螺旋桨取下换为双叶螺旋桨，重新安装试样。腐蚀电位无损监、检测模块提供了8个通道，即最多可连接8组试样和参比电极，不用的通道将导线短接即可。

本实例选取Q235钢和Zn-Al涂层两种材料制备试样，因为这两种材料具有海洋用材料的典型意义，且这两种材料在浪花飞溅区均有实海挂片腐蚀数据可供参考。采用高速电弧喷涂技术制备Zn-Al涂层，厚度为100μm。两种材料的试样尺寸均为50mm×20mm×5mm，将试样与全固态Ag/AgCl参比电极两两为一组固定于试验箱侧壁的浪花飞溅区位置，并通过导线与腐蚀电位无损监、检测模块相连接。

1、向试验箱内加入人工海水(推荐使用天然海水)，主要成分为3.5％NaCl溶液。

2、接通总电源，此时腐蚀加速试验模块电源指示灯亮起，温度、湿度表显示当前温度值和湿度值，转速表显示为“0”，控制器等待约1min进入系统；腐蚀电位无损监、检测模块等待约1min进入系统，8个通道的指示灯全部亮起。

3、根据模拟的海洋区域确定试验箱的温度、湿度、pH值以及光照和降水的时间，通过控制器设置螺旋桨的转速，为300转/分钟；旋转时间，为4小时；等待间隔时间，为8小时。设置试验箱温度，为50℃；试验箱湿度，为60％；pH值，为8.1；光照时间，为12小时。

4、根据试验的需要在腐蚀电位无损监、检测模块的触摸屏上(也可以使用鼠标、键盘)设定监测参数即数据采集和存储时间间隔，设置数据采集时间间隔为10分钟，数据存储时间间隔为30分钟。数据存储间隔时间必须是数据采集间隔时间的整数倍，不符合要求的设置将不被接受。设置加锁密码，为123456。避免误操作影响正常作业。

5、点击系统“开始”开关，此时腐蚀加速试验模块和腐蚀电位无损监、检测模块进入工作状态。

此时试验箱内的人工海水被加热到设定的50℃，超过时将自动停止加热保持恒温；试验箱被加湿到设定60％，超过时将自动开启过滤装置降低湿度；试验箱内部的螺旋桨开始按照设定旋转卷浪，以300转/分钟的转速旋转4小时而后停止8小时为一个周期持续工作；氙灯开启，按照设定开启12小时。

此时腐蚀电位无损监、检测模块的系统会自动检查当前时间的分钟数能否被数据采集的间隔时间数整除，能则执行(1)步，否则等待。

(1)数据采集。各通道指示灯由全亮状态同时熄灭，系统按照通道1至通道8的顺序进行数据采集，依次亮起相应通道指示灯，当该通道数据采集完成后相应指示灯熄灭，在屏幕上显示其自腐蚀电位，出现超出警戒范围的数据后系统自动报警。当8个通道数据全部采集完以后，所有指示灯全部亮起。系统进入等待状态，直到下次测量时间重复执行(6)步。

(2)存储数据。按照预先设定的参数自动保存数据。

(3)调整显示内容。系统可以根据需要单独显示不同通道采集到的所有数据，便于分析监测结果，且不影响其它通道数据的采集和存储。

(4)解锁操作。点击“解锁”按钮，输入密码123456。

(5)导出数据。连接U盘，执行(4)步，点击“导出数据”按钮，弹出数据对话框，选择需要导出文件(可以多选)，点击“确定”即可。

(6)修改试验参数。执行(4)步，在修改设置的参数。除非非常必要，一般不在监测过程中修改试验参数。

(7)结束测试。执行(4)步，点击“结束测试”按钮。

(8)导出数据。停止监测后依然可以进行数据导出，点击“导出数据”按钮，弹出数据对话框，选择需要导出文件(可以多选)，点击“确定”即可。

6、需要模拟涨潮、落潮时，按下“潮汐”开关，此时开关亮红灯，时间显示表显示“0”，通过“up”、“down”按键设置时间参数。此时蠕动泵开始工作，如果液面处于高潮位，将开始抽水模拟落潮，当到最低潮位后会根据时间参数设置的数值进入等待时间，当时间满足设置的参数要求后开始供水模拟涨潮。当需要关闭时再次按下“潮汐”开关，开关红灯灭即可。本实例不按下“潮汐”开关。

7、需要模拟降水时按下“降水”开关，此时开关亮红灯，喷淋装置启动，当需要关闭时再次按下“降水”开关，开关红灯灭即可。本实例不按下“降水”开关。

8、需要加强海水的冲蚀力度时，按下“喷射”开关，此时开关亮红灯，压力显示器上显示此时喷射水流的压力，通过调整旋钮选择需要的压力，当需要关闭时再次按下“喷射”开关，开关红灯灭即可。本实例不按下“喷射”开关。

9、需要测定试样腐蚀电流时，可将试样上的导线连接到外部电化学工作站，方便测定材料的腐蚀电化学信息。

10、试验结束时按下“停止”按钮，试验系统全部停止，取出试样，导出数据。

11、关闭系统电源，将试验箱内的人工海水倒出即可。

Q235钢和Zn-Al涂层两种试样的加速腐蚀试验结果如表1所示。

表1Q235钢和Zn-Al涂层加速腐蚀试验结果

Q235钢和Zn-Al涂层两种试样的腐蚀试验测试结果图6所示。

Q235钢和Zn-Al涂层两种试样在浪花飞溅区实海挂片结果如表2所示。

表2Q235钢和Zn-Al涂层浪花飞溅区实海挂片结果(周期6个月)

由表1、2，图6司知：

一、两种材料在模拟浪花飞溅区中的腐蚀速率均明显大于实海挂片腐蚀速率，具有十分明显的加速作用。

二、两种材料在加速腐蚀过程中的腐蚀电位均能被准确监测，有利于预测腐蚀趋势，判断涂层是否失效。

传统的材料腐蚀试验方法，一方面模拟的腐蚀因子单一不能准确的模拟海洋腐蚀氛围，尤其是进行电化学试验时通常以全浸试验的试样为依托，定时的有损的检测材料腐蚀电位、电流的变化，这些腐蚀试验的加速倍率低，不能复合模拟多种腐蚀因子并且对试样造成损伤；另一方面传统的腐蚀试验只能设计固定的时间间隔定时观察材料的腐蚀变化，忽略了材料在两次观察间隔内的变化情况，不能准确的掌握材料被腐蚀破坏的具体时间，预测材料的腐蚀寿命时传统试验方法的存在明显较大的误差。

本发明通过计算并与国际海浪波级表对照可以定量的模拟不同级别的海浪，在其它专利中没有见到；将材料腐蚀电位的无损监检测与模拟海洋环境的材料腐蚀加速试验联合进行的试验方法也没有在其它专利中见到，这样的试验方法可以全过程无损监测材料的腐蚀变化，更为准确实时的掌握材料的腐蚀过程，为预测材料的腐蚀寿命提供准确的信息。

本发明综合了海洋腐蚀环境中的多种腐蚀因子，在模拟海洋环境的腐蚀加速试验氛围中无损监测材料的腐蚀变化，更为贴近材料在实际海洋中的变化情况，获取的数据更为准确可靠，能够更为客观准确的评价材料的耐蚀性能。

Claims (1)

1.一种模拟海洋环境中材料加速腐蚀的无损监检测试验方法，其特征在于：模拟海洋环境的腐蚀加速试验模块提供了接近实海环境的腐蚀氛围并对试验材料起到加速腐蚀的效果；腐蚀电位无损监、检测模块无损监、检测材料的腐蚀电位，提供判断材料腐蚀状态的依据； 

模拟海洋环境的腐蚀加速试验模块包括试验箱、腐蚀氛围制造系统、辅助系统和控制系统；试验箱内部设置试样架用以固定试样和参比电极；腐蚀氛围制造系统包括安装于试验箱中部且固定试样的螺旋桨，通过旋转制造浪花飞溅的氛围，并模拟不同级别海浪对试样的冲击效果；安装于试验箱顶部的氙灯、红外加热灯、进排气孔和排气扇，用于模拟日照氛围、通入不同腐蚀性的气体和调节试验箱湿度；安装于试验箱侧壁的喷射装置，用于实现冲蚀的氛围；安装于试验箱底部的水浴加热系统和供排水系统，用于调整试验环境的温度和控制试验箱内液面的高度；辅助系统包括动力装置、温度传感装置、湿度传感装置、液位传感装置和储水箱；控制系统实现总电源开关、螺旋桨转速控制、光照时间控制、冲蚀强度控制、环境温度控制和液面高度控制； 

腐蚀电位无损监、检测模块硬件系统包括：显示器、实时监控模块、数据采集模块、通讯模块、电源模块、充电电池及充电模块、外部设备以及人机接口； 

通过螺旋桨机械转动拍打海水产生水花飞溅达到模拟效果，并通过红外加热和氙灯辐照对试样进行烘干和辐照处理，以此模拟浪花飞溅区干湿交替的实际状况；根据“国际波级表”选择需要波浪的范围，通过公式1、公式2和公式3计算出螺旋桨的具体转速，即通过固定在螺旋桨上试样与海水的相对线速度值，根据圆周运动公式将其转化为螺旋桨的具体转速； 

P=0.55×H²×T(1) 

式1：P为波浪的功率，H为波高，单位为米，T为波浪周期，单位为秒； 

E=0.5×ρ_海水×g×H²(2) 

式2：H为波高，单位为米，ρ_海水为海水密度，取1025kg/m³,g为重力加速度，E为单位面积一个波的能量，单位为J； 

P=m×(2π·n)²×r(3) 

式3：P为波浪的功率，m为一个桨叶与一个试样的质量和，n为转速，r为桨叶半径； 

根据材料使用的海洋环境，将试样和参比电极固定于试样架上相应位置并通过导线与腐蚀电位无损监、检测模块相连接，根据模拟的海域特征确定腐蚀 加速试验模块的螺旋桨转速、水浴温度、光照时间、环境湿度、液面的涨落周期和冲蚀的强度与时间，并通过控制模块定时自动开启或关闭不同的功能部件模拟出海洋环境，进行试样在模拟海洋环境中的加速腐蚀试验。