CN105300871A - 基于灰色关联分析的大气腐蚀因子评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于灰色关联分析的大气腐蚀因子评价方法，属于材料大气腐蚀技术领域，该方法首先确定所选取大气环境中实验材料腐蚀的影响因子，监测并获取所述影响因子的实测数据；同时确定实验材料在设定周期内的腐蚀速率；然后引用灰色关联分析方法，按各影响因子关联度大小进行排序，确定影响材料大气腐蚀的主要因子。本发明可以有效地确定影响材料大气腐蚀的主要因子，便于后续进行有针对性的防护。

Description

基于灰色关联分析的大气腐蚀因子评价方法

技术领域

本发明涉及材料大气腐蚀的技术领域，具体涉及一种基于灰色关联分析的大气腐蚀因子评价方法。

背景技术

大气腐蚀是金属与其周围大气环境相互作用的结果，是腐蚀中最普遍的一种。据报道，因大气腐蚀失效所造成的损失比在其他任何环境中都严重。每年因大气腐蚀而损失的金属约占总损失量的50％以上。在发达国家中，大气腐蚀占国民经济GNP的2-4％[文献1：S.L.Pohlman.AtmosphericCorrosionMetalsHandbook.9th.ASMInternational:MetalsPark,1987(13).11-15；文献2：张九渊,俞东升,张殷.金属腐蚀学导论.新加坡:国际翻译出版社,1992.221-224；文献3：中国腐蚀与防护协会《金属腐蚀手册》编辑委员会.金属腐蚀手册.上海:上海科学技术出版社,1987.102-106]。金属材料从原材料库存、零部件加工、装配和储存过程中都会遭到不同程度的大气腐蚀，自然界中大约80％的金属构件都是处在大气条件下工作的。大气腐蚀引起各种基础设施的性能退化，包括桥梁、高速公路、铁路等破坏，另外由于大气腐蚀对计算机、电子仪器及周边元器件中各种电子材料造成破坏而引起短路、断路等故障所造成的损失更难估计[文献4：C.Leygraf,T.Graedel.AtmosphericCorrosion.NewYork:JohnWiley&SonsPress,2000.7-20]，此外大气腐蚀对文物古迹所造成的破坏更是无法衡量。

大气腐蚀是金属在大气中发生的一种特殊的电化学腐蚀过程，当大气的湿度达到金属的临界湿度后，表面形成一层薄液膜，大气条件的变化导致液膜厚度与成分不断变化，大气腐蚀最重要特征就是金属腐蚀发生在湿润-干燥相互交替的作用下，大气环境的温度与相对湿度决定了金属表面干湿循环的周期和频次。Graedel根据大气腐蚀的多层区域的特点，提出了GILDES模型，将大气腐蚀分为六大区域，分别为G(气体区)，I(界面区)，L(液层区)，D(沉淀区)，E(电极区)，S(固体区)。在这些区域里，既要考虑到区域内相关的物理、化学反应及相应的产物，还要考虑到不同区域间物质的传输[文献5：T.E.Graedel,R.P.Frankenthal.Corrosionmechanismsforironandlowalloysteelsexposedtotheatmosphere.JournalofelectrochemicalSociety.1990,137(8):2385-2394]。

影响大气腐蚀因素比较复杂，不同材料在大气中腐蚀行为与其相关因素的有着密切的关系[文献6：S.Bhattacharjee,N.Roy,A.K.DEY.StatisticalAppraisaloftheAtmosphericCorrosionofMildSteel.CorrosionScience.1993,34(4):573-581；文献7：曹楚南.中国材料的自然环境腐蚀.北京:化学工业出版社,2005.70-73.；文献8：S.Feliu,M.Moreillo,S.J.Feliu.Thepredictionofatmosphericcorrosionparameters-I.CorrosionScience.1993,34(3):403-414；文献9：L.B.Rosales,M.C.Leiro.Statisticaltreatmentofatmosphericcorrosiondataofsteels,zinc,copperandaluminuminArgentinaPro.13thICC.Melbourne,1996:36；文献10：A.R.Mendoza,F.Corvo.Outdoorandindooratmosphericcorrosionofcarbonsteel.CorrosionScience.1999,41(2):75-86]，其中相关因素分为材料自身成分、物理和化学性质，表面状态等内部因素和气象因子、污染物因子等外部因素。大气腐蚀的外部因素主要包括气象因子和污染物因子两大类，外部因素通常随着区域和气候的不同，湿度、温度以及污染物浓度都有很大差异。影响大气腐蚀的因素太多，因此人们总是设法想评估每个变量所起的作用并确定主要因子。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于灰色关联分析的大气腐蚀因子评价方法，该方法具有建模简单、所需样本数少的特点，能够在置信水平不是很高的条件下，有效地确定影响材料大气腐蚀的主要因子，便于后续进行有针对性的防护，具有良好的应用前景。

本发明的技术方案如下：

一种基于灰色关联分析的大气腐蚀因子评价方法，该方法包括如下步骤：

(1)确定所选取大气环境中实验材料腐蚀的影响因子，监测并获取所述影响因子的实测数据；所述影响因子包括气象因子和污染物因子，所述气象因子包括温度、相对湿度、日照时数和降雨量等，所述污染物因子包括SO₂、NO_x、Cl^–、NH₃和H₂S等。所述实验材料为金属材料，包括碳钢、锌、铜或铝等。

(2)在步骤(1)所述大气环境中，确定实验材料在设定周期内的腐蚀速率；

(3)引用灰色关联分析方法；在获得全部参数的基础上，得到腐蚀速率和对应周期的环境因子的特征参考向量空间，并根据关联系数计算公式获得各特征参考向量的关联系数；

(4)按各影响因子关联度大小进行排序，确定影响材料大气腐蚀的主要因子。

步骤(3)所述灰色关联度的分析方法，具体计算过程如下：

(a)以多个周期金属在所选取大气环境下的腐蚀率为参考数列(母因素)，以CR(i)表示；并以对应周期内的环境因子为比较数列(子因素)，以X(i)表示；

CR(i)＝CR(1)，CR(2)，...，CR(n)(i＝1,2,...，n)(1)

X(i)＝X(1)，X(2)，...，X(n)(i＝1,2,...，n)(2)

其中：n为周期数量；

(b)对参考数列和比较数列进行无量纲化处理

CR(i)无量纲化处理后表示为CR`(i)，X(i)无量纲化处理后表示为X`(i)，其中：

母因素： $\mathrm{CR}`\left(i\right)=\frac{\mathrm{CR}\left(i\right)}{\mathrm{CR}\left(1\right)},i=\mathrm{1,2},...,n---\left(3\right)$

子因素： $X`\left(i\right)=\frac{X\left(i\right)}{X\left(1\right)},i=\mathrm{1,2},...,n---\left(4\right)$

(c)对无量纲化处理后的序列求出差序列，记作Δ_X(i)，(i＝1，2，...，n)，X代表着不同子因素，具体按式(5)进行计算；

Δ_X(i)＝|CR`(i)-X`(i)|，(i＝1，2，...，n)(5)

(d)在差序列中找出最大值和最小值，最大值记作(i＝1，2，...，n)；最小值记作(i＝1，2，...，n)，X代表着不同子因素；

(e)求子因素与母因素的关联系数，表示为γ(CR(i),X(i))，各子因素与母因素的关联系数按式(6)计算，其中ξ∈(0，1)为分辨系数；

$\mathrm{\γ}(\mathrm{CR}\left(i\right),X\left(i\right))=\frac{m+\mathrm{\ξM}}{{\mathrm{\Δ}}_X\left(i\right)+\mathrm{\ξM}},(i=\mathrm{1,2},...,n)---\left(6\right)$

(f)计算各环境因子对碳钢腐蚀率的关联度，表示为R(CR(i),X(i))，按式(7)进行计算；

$R(\mathrm{CR}\left(i\right),X\left(i\right))=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\γ}(\mathrm{CR}\left(i\right),X\left(i\right)),(i=\mathrm{1,2},...,n)---\left(7\right).$

上述步骤中，所述X(i)为月平均温度T(i)、月平均湿度RH(i)、月日照时数ST(i)、水溶性降尘WD(i)、非水溶性降尘ID(i)、二氧化氮NO₂(i)、海盐粒子Cl^-(i)和硫酸盐化速率SO₂(i)等。

本发明的优点及有益效果如下：

1、本发明利用材料的腐蚀率和环境因子的数据采集周期一致，来确定影响材料大气腐蚀的主要因子。通常数理统计分析方法要求样本量大，至少试验样本数要大于相关因素的数量，否则无法进行统计分析，而利用本方法只需要少量的数据(如12个月)，根据因素间发展态势的相似或是相异程度来衡量因素间接近的程度，来确定主要影响因子。

2、通过本发明，可以有效地确定影响材料大气腐蚀的主要因子，便于后续进行有针对性的防护。可以此来研究各种大气环境下的主要腐蚀因子，快速评价和预测某一大气的腐蚀性，为合理选材和选用合适的防护方法提供依据。

附图说明

图1为本发明基于灰色关联的大气腐蚀因子评价方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例详述本发明。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行修饰。

实施例1

本实施例为对碳钢在工业大气环境中腐蚀的影响因素进行评价。

试验使用的碳钢化学成分见表1，根据标准GB/T6464-1997，进行样品准备。大气暴露试验参照ISO-4542标准在典型工业大气环境(沈阳)进行，现场试验用于失重分析的试样尺寸为100mm(长)×50mm(宽)×3mm(厚)。

确定碳钢大气腐蚀主要影响因子，包括气象因子和污染物因子，所设定周期内(设定周期为1个月)的数据采集从每个月的1日开始，每个月的月末结束，采集时间为一年共计12个月。

去除锈层时采用500ml盐酸(质量浓度为38％的浓盐酸)+500ml蒸馏水+20g六次甲基四胺的除锈液，室温下浸泡、刷洗，将锈除净为止。从腐蚀失重、元素分布、锈层组成等方面对试验结果进行分析。

表1试验材料的化学成分(wt％)

以设定周期内碳钢在工业大气环境中的腐蚀率为母因素(参考序列)，以CR(i)表示，并以对应周期内的环境因子为子因素(比较序列)，以X(i)表示。

CR(i)＝CR(1)，CR(2)，...，CR(n)(i＝1,2,...，n)(1)

X(i)＝X(1)，X(2)，...，X(n)(i＝1,2,...，n)(2)

n为所设定周期的数量，本实施例各式中n＝12。

X(i)包括月平均温度T(i)、月平均湿度RH(i)、月日照时数ST(i)、水溶性降尘WD(i)、非水溶性降尘ID(i)、二氧化氮NO₂(i)、海盐粒子Cl^-(i)和硫酸盐化速率SO₂(i)等。

1.各序列的无量纲化处理。为了消除不同变量在量纲上的影响，使各指标具有可比性，需要对各序列数据进行无量纲化处理。CR(i)无量纲化处理后表示为CR`(i)，X(i)无量纲化处理后表示为X`(i)，各子因素按式(8)进行无量纳处理，式(8)中XX代表不同的各子因素，无量纲化处理后的结果见表2，其中：

母因素： $\mathrm{CR}`\left(i\right)=\frac{\mathrm{CR}\left(i\right)}{\mathrm{CR}\left(1\right)},i=\mathrm{1,2},...,n---\left(3\right)$

子因素： $X`\left(i\right)=\frac{X\left(i\right)}{X\left(1\right)},i=\mathrm{1,2},...,n---\left(4\right)$

各子因素： $\left\{\begin{array}{c}T`\left(i\right)=\frac{T\left(i\right)}{T\left(1\right)},i=\mathrm{1,2},......,n\\ \mathrm{RH}`\left(i\right)=\frac{\mathrm{RH}\left(i\right)}{\mathrm{RH}\left(1\right)},i=\mathrm{1,2},......,n\\ \mathrm{XX}\\ {{\mathrm{SO}}_2}^{`}=\frac{{\mathrm{SO}}_2\left(i\right)}{{\mathrm{SO}}_2\left(1\right)},i=\mathrm{1,2},......,n\end{array}\right.---\left(8\right)$

表2.月腐蚀率与各环境因子的无量纲化处理

2.对无量纲化处理后的各序列求出差序列，记作Δ_X(i)，(i＝1，2，...，n)，X代表着不同子因素，具体按式(5)进行计算，各子因素按式(9)进行处理，式(9)中XX代表不同的各子因素，计算结果参见表3。

Δ_X(i)＝|CR`(i)-X`(i)|，(i＝1，2，...，n)(5)

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Δ}}_T\left(i\right)=|\mathrm{CR}`\left(i\right)-T`\left(i\right)|,i=\mathrm{1,2},......,n\\ {\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{RH}}\left(i\right)=|\mathrm{CR}`\left(i\right)-\mathrm{RH}`\left(i\right)|,i=\mathrm{1,2},......,n\\ \mathrm{XX}\\ {\mathrm{\Δ}}_{{\mathrm{SO}}_2}\left(i\right)=|\mathrm{CR}`\left(i\right)-{{\mathrm{SO}}_2}^{`}\left(i\right)|,i=\mathrm{1,2},......,n\end{array}\right.---\left(9\right)$

3.在差序列中找出最大值和最小值，最大值记作(i＝1，2，...，n)；最小值记作(i＝1，2，...，n)，X代表着不同子因素。根据表3，M＝6.01083，m＝0。

表3.各环境因子与腐蚀率的差序列

4.求子因素与母因素的关联系数，表示为γ(CR(i),X(i))，各子因素与母因素的关联系数按式(6)计算，各子因素按式(10)进行处理，式(10)中XX代表不同的各子因素，其中ξ∈(0，1)为分辨系数，一般按最少信息原理ξ取为0.5，本实施例中各环境因子与碳钢月腐蚀率的关联系数参见表4。

$\mathrm{\γ}(\mathrm{CR}\left(i\right),X\left(i\right))=\frac{m+\mathrm{\ξM}}{{\mathrm{\Δ}}_X\left(i\right)+\mathrm{\ξM}},(i=\mathrm{1,2},...,n)---\left(6\right)$

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\γ}(\mathrm{CR}\left(i\right),T\left(i\right))=\frac{m+\mathrm{\ξM}}{{\mathrm{\Δ}}_T\left(i\right)+\mathrm{\ξM}},i=\mathrm{1,2},......,n\\ \mathrm{\γ}(\mathrm{CR}\left(i\right),\mathrm{RH}\left(i\right))=\frac{m+\mathrm{\ξM}}{{\mathrm{\Δ}}_{\mathrm{RH}}\left(i\right)+\mathrm{\ξM}},i=\mathrm{1,2},......,n\\ \mathrm{XX}\\ \mathrm{\γ}(\mathrm{CR}\left(i\right),{\mathrm{SO}}_2\left(i\right))=\frac{m+\mathrm{\ξM}}{{\mathrm{\Δ}}_{{\mathrm{SO}}_2}\left(i\right)+\mathrm{\ξM}},i=\mathrm{1,2},......,n\end{array}\right.---\left(10\right)$

表4.各环境因子对月腐蚀率的关联系数

5.按式(7)计算各环境因素(因子)对碳钢月腐蚀率的关联度，表示为R(CR(i),X(i))，各子因素按式(11)进行处理，式(11)中XX代表不同的各子因素，结果见表5。

$R(\mathrm{CR}\left(i\right),X\left(i\right))=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\γ}(\mathrm{CR}\left(i\right),X\left(i\right)),(i=\mathrm{1,2},...,n)---\left(7\right)$

$\left\{\begin{array}{c}R(\mathrm{CR}\left(i\right),T\left(i\right))=\frac{1}{n}\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\γ}(\mathrm{CR}\left(i\right),T\left(i\right)),i=\mathrm{1,2},......,n\\ R(\mathrm{CR}\left(i\right),\mathrm{RH}\left(i\right))=\frac{1}{n}\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\γ}(\mathrm{CR}\left(i\right),\mathrm{RH}\left(i\right)),i=\mathrm{1,2},......,n\\ \mathrm{XX}\\ R(\mathrm{CR}\left(i\right),{\mathrm{SO}}_2\left(i\right))=\frac{1}{n}\underset{1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\γ}(\mathrm{CR}\left(i\right),{\mathrm{SO}}_2\left(i\right)),i=\mathrm{1,2},......,n\end{array}\right.---\left(11\right)$

表5.碳钢月腐蚀率与环境因子的灰色关联分析结果

根据关联度的顺序，对碳钢月腐蚀率影响最大的环境因子为日照时数、水溶性和非水溶性颗粒物的沉降量及相对湿度。

Claims (5)

1.一种基于灰色关联分析的大气腐蚀因子评价方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)确定所选取大气环境中实验材料腐蚀的影响因子，监测并获取所述影响因子的实测数据；

(2)在步骤(1)所述大气环境中，确定实验材料在设定周期内的腐蚀速率；

(3)引用灰色关联分析方法；在获得全部参数的基础上，得到腐蚀速率和对应周期的环境因子的特征参考向量空间，并根据关联系数计算公式获得各特征参考向量的关联系数；

(4)按各影响因子关联度大小进行排序，确定影响材料大气腐蚀的主要因子。

2.根据权利要求1所述的基于灰色关联分析的大气腐蚀因子评价方法，其特征在于：步骤(1)中，所述影响因子包括气象因子和污染物因子，所述气象因子包括温度、相对湿度、日照时数和降雨量等，所述污染物因子包括SO₂、NO_x、Cl^–、NH₃和H₂S等。

3.根据权利要求1所述的基于灰色关联分析的大气腐蚀因子评价方法，其特征在于：所述实验材料为金属材料，包括碳钢、锌、铜或铝等。

4.根据权利要求1所述的基于灰色关联分析的大气腐蚀因子评价方法，其特征在于：步骤(3)所述灰色关联度的分析方法，具体计算过程如下：

(a)以多个周期金属在所选取大气环境下的腐蚀率为参考数列(母因素)，以CR(i)表示；并以对应周期内的环境因子为比较数列(子因素)，以X(i)表示；

CR(i)＝CR(1)，CR(2)，...，CR(n)(i＝1,2,...，n)(1)

X(i)＝X(1)，X(2)，...，X(n)(i＝1,2,...，n)(2)

其中：n为周期数量；

(b)对参考数列和比较数列进行无量纲化处理

CR(i)无量纲化处理后表示为CR`(i)，X(i)无量纲化处理后表示为X`(i)，其中：

母因素： $\mathrm{CR}`\left(i\right)=\frac{\mathrm{CR}\left(i\right)}{\mathrm{CR}\left(1\right)},i=\mathrm{1,2},...,n---\left(3\right)$

子因素： $X`\left(i\right)=\frac{X\left(i\right)}{X\left(1\right)},i=\mathrm{1,2},...,n---\left(4\right)$

(c)对无量纲化处理后的序列求出差序列，记作Δ_X(i)，(i＝1，2，...，n)，X代表着不同子因素，具体按式(5)进行计算；

Δ_X(i)＝|CR`(i)-X`(i)|，(i＝1，2，...，n)(5)

(d)在差序列中找出最大值和最小值，最大值记作(i＝1，2，...，n)；最小值记作(i＝1，2，...，n)，X代表着不同子因素；

(e)求子因素与母因素的关联系数，表示为γ(CR(i),X(i))，各子因素与母因素的关联系数按式(6)计算，其中ξ∈(0，1)为分辨系数；

$\mathrm{\γ}(\mathrm{CR}\left(i\right),X\left(i\right))=\frac{m+\mathrm{\ξM}}{{\mathrm{\Δ}}_X\left(i\right)+\mathrm{\ξM}},(i=\mathrm{1,2},...,n)---\left(6\right)$

(f)计算各环境因子对碳钢腐蚀率的关联度，表示为R(CR(i),X(i))，按式(7)进行计算；

$R(\mathrm{CR}\left(i\right),X\left(i\right))=\frac{1}{n}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\γ}(\mathrm{CR}\left(i\right),X\left(i\right)),(i=\mathrm{1,2},...,n)---\left(7\right).$

5.根据权利要求4所述的基于灰色关联分析的大气腐蚀因子评价方法，其特征在于：所述X(i)为月平均温度T(i)、月平均湿度RH(i)、月日照时数ST(i)、水溶性降尘WD(i)、非水溶性降尘ID(i)、二氧化氮NO₂(i)、海盐粒子Cl^-(i)和硫酸盐化速率SO₂(i)等。