CN105987872A - 一种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置和方法，属于金属材料的大气腐蚀模拟加速测试技术领域。利用气溶胶模拟试验装置进行室内加速腐蚀实验。配制3.5％NaCl溶液，用38％的浓盐酸调节溶液的pH值至3.5，作为发生酸性海洋气溶胶的原溶液。通过调节装置中的溶液流量控制系统及气体压缩系统的参数将溶液雾化成气溶胶液滴来模拟酸性气溶胶环境，以湿沉降的方式沉积到样品表面。实验以6h为一周期，湿沉降10min，自然干燥350min，在4-32个周期完成。本发明以模拟加速腐蚀手段研究钢大气腐蚀的方法，可方便快捷的获取腐蚀过程中的钢腐蚀数据，了解酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀的影响。

Description

一种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置和方法

技术领域

本发明涉及金属材料的大气腐蚀模拟加速测试技术领域，具体涉及一种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置和方法。

背景技术

钢铁具有成本低廉、机械强度良好等优异性能，广泛应用于各个领域。多数情况下，钢铁都是直接与大气环境相接触，因此，钢铁不可避免的会发生不同程度的大气腐蚀，造成了资源和能源的极大浪费。影响钢铁大气腐蚀的外界因素有湿度、温度、润湿时间、液膜厚度及大气中的污染物等，其中大气污染物对钢铁的腐蚀作用最为突出。

气溶胶是大气中污染物的主要存在形式，而且气溶胶中的污染物自身对金属具有很强的腐蚀性。当污染物以气溶胶的形式沉积到裸露的金属表面时，随着污染物在金属表面的不断累积，金属的初期腐蚀速率得以提高。因此，由大气气溶胶引发的金属腐蚀不容忽视。

一直以来，海洋大气腐蚀中对金属腐蚀行为影响最严重的当属海盐粒子，而海洋大气环境下金属的高腐蚀速率主要归因于海洋气溶胶的沉积。海洋气溶胶在传输的过程中可以被SO₂、HCl、H₂SO₄等物质酸化，从而使海洋气溶胶的组分发生改变，pH值降低。不论是海盐粒子还是其他大气污染物，主要是以气溶胶形式存在，其粒径范围从10^-3μm-100μm，通过重力沉降或其他方式以气溶胶形式沉积到金属表面进而影响其腐蚀行为。海盐气溶胶的粒径一般在一微米到数十微米左右分布，吸湿后粒径可达原来的1～2倍。因其粒径及成分特点，气溶胶具有很多不同于大量溶液或大颗粒粒子的特性。如在气溶胶粒径范围内，气体(如氧气)在液滴中的扩散非常迅速，不会出现明显的浓度梯度；另外，其吸湿或结晶行为也明显不同于大颗粒或大量溶液，以海盐气溶胶为例，在其吸湿或结晶过程中，液滴内会形成极高的离子浓度，如Cl^-，进而会加速金属的腐蚀。再者，因为气溶胶特殊的吸湿或结晶行为，会明显延长气溶胶液体状态存在的时间，然后会增加金属表面的润湿时间，使金属的有效腐蚀时间加长。

但到目前为止，气溶胶的特殊理化性质对腐蚀的影响还没有引起腐蚀界学者的足够关注，只有少数学者从粒径角度进行了研究。其主要原因是缺乏气溶胶制备及检测手段，受到气溶胶研究方法的限制。因此，设计并建立一种研究酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置和方法，具有重要的理论价值和实际意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置和方法，通过采用特定装置以模拟加速腐蚀手段研究钢大气腐蚀，可方便快捷的获取腐蚀过程中的钢腐蚀数据，了解酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀的影响。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置，该装置即指气溶胶模拟实验装置，包括气溶胶模拟试验箱、喷淋控制系统和调速电机、可移动喷头、溶液流量控制系统和气体压缩系统；其中：

所述可移动喷头设于所述气溶胶模拟试验箱之内的顶部位置，通过喷淋控制系统和调速电机控制可移动喷头的走行速度。

所述气体压缩系统包括空气压缩机和气体净化装置，空气压缩机通过管道连接气体净化装置，气体净化装置再通过管道连接可移动喷头，所述气体净化装置的两端用于连接空气压缩机和可移动喷头的管道上，分别设置气压表；所述气体净化装置为四个不锈钢滤筒串联结构。

所述溶液流量控制系统包括溶液箱和离心泵，所述溶液箱用于储备实验用原溶液，溶液箱连接离心泵，离心泵再通过管道连接可移动喷头，离心泵与可移动喷头相连接的管道上设有用于控制流量的转子流量计。

所述可移动喷头包括喷水管和喷气管，喷水管和喷气管上分别设置多个均朝下的水孔和气孔，其中：喷水管和喷气管为上下设置，气孔数量为水孔数量的1.5～4倍，气孔孔径为30-35μm，水孔孔径为75-80μm。

所述气溶胶模拟试验箱内还设有试样架，用于放置实验试样，设于所述可移动喷头下方。

本发明还提供一种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验方法，该方法是通过调节气溶胶模拟试验装置中的溶液流量控制系统及气体压缩系统的参数，将腐蚀介质雾化成气溶胶液滴来模拟气溶胶环境，以湿沉降的方式沉积到待腐蚀钢样品表面；实验在室温下进行，以6h为一个周期，每周期中首先湿沉降10min，然后自然干燥350min，连续进行4-32个周期(24-192h)完成实验。

所述腐蚀介质是指发生酸性海洋气溶胶的原溶液，具体是指pH值为3.5浓度为3.5wt.％的NaCl溶液，通过38wt.％的浓盐酸将3.5wt.％NaCl溶液的pH值调节至3.5。通过调节所述溶液流量控制系统将进入可移动喷头的溶液流量控制为3L/h，通过调节所述气体压缩系统将进入可移动喷头的气压控制为0.1MPa。经可移动喷头输出并雾化成的气溶胶液滴的粒径尺寸小于100微米。

本发明的优点及有益效果是：

(1)本发明提供了一种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置和方法。该方法利用气溶胶模拟试验装置进行室内加速腐蚀实验，通过调节气溶胶模拟腐蚀试验装置中的溶液流量控制系统和气体压缩系统的参数将腐蚀溶液雾化成气溶胶液滴来模拟大气气溶胶环境。该方法比以往的加速腐蚀实验方法，更接近大气污染物实际存在状态。同时解决传统的大气暴露试验存在的实验周期长、费用高、环境因素不易控制等问题。

(2)通过该方法形成的气溶胶，可使气溶胶粒径尺寸分布在几微米到几十微米之间，以湿沉降的方式沉积到样品表面。与实际海洋粒子气溶胶相一致，且呈均匀连续分布，避免了以往的盐沉积方式所造成的盐粒子颗粒较大或成片分布的问题(通过液体流量参数、气压参数和喷淋头特定结构(孔径等)共同控制实现)。

(3)考虑到海洋气溶胶在传输的过程中可能被SO₂、HCl、H₂SO₄等物质酸化，从而使海洋气溶胶的组分发生改变，pH值降低。所述气溶胶环境采取由38％的浓盐酸调节pH值至3.5的3.5％NaCl溶液，通过调节气溶胶模拟腐蚀试验装置中附带的溶液流量控制系统及气体压缩系统的参数将其雾化成气溶胶液滴来模拟酸性气溶胶环境。

(4)实验在室温下进行，以6h为一周期，湿沉降10min，自然干燥350min，在24h至192h完成实验。可方便快捷的获取钢腐蚀数据，了解酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀的影响。

附图说明

图1为气溶胶模拟试验装置示意图。

图1中：1-气溶胶模拟试验箱；2-喷淋控制系统和调速电机；3-气体净化装置；4-空气压缩机；5-溶液箱；6-离心泵；7-转子流量计；8-气压表；9-废液出口；10-可移动喷头。

图2为形成气溶胶环境的流程图。

图3为模拟酸性海洋气溶胶环境下Q345钢腐蚀失重与试验时间的关系曲线。

图4为模拟酸性海洋气溶胶环境下Q345钢腐蚀不同时间后腐蚀产物的XRD谱。

图5为模拟酸性海洋气溶胶环境下Q345钢腐蚀不同时间后的表面形貌；图中：(a)24h；(b)48h；(c)96h；(d)192h。

图6为模拟酸性海洋气溶胶环境下Q345钢腐蚀不同时间后的截面形貌；图中：(a)24h；(b)48h；(c)96h；(d)192h。

具体实施方式

以下通过附图及实施例详述本发明。

本发明建立了一种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置和方法。利用自制的气溶胶模拟试验装置进行室内加速腐蚀实验。配制3.5wt.％NaCl溶液，用38wt.％的浓盐酸调节NaCl溶液的pH值至3.5，作为发生酸性海洋气溶胶的原溶液。通过调节气溶胶模拟腐蚀试验装置中的溶液流量控制系统及气体压缩系统的参数将腐蚀介质(原溶液)通过装置中的可调节喷头雾化成气溶胶液滴来模拟气溶胶环境，气溶胶粒径尺寸分布在几微米到几十微米之间，气溶胶液滴以湿沉降的方式沉积到样品表面。实验中原溶液进入可调节喷头的流量设置为3L/h，空气进入可调节喷头的气压为0.1MPa，通入空气的目的在于雾化原溶液和补充试验装置内的O₂供应。实验在室温下进行，以6h为一周期，每周期内首先湿沉降10min，然后自然干燥350min，实验时间控制在24h至192h时完成。

本发明实验用自制的气溶胶模拟试验装置如图1所示，该装置包括气溶胶模拟试验箱1、喷淋控制系统和调速电机2、可移动喷头10、溶液流量控制系统和气体压缩系统；所述可移动喷头10设于气溶胶模拟试验箱1之内的顶部位置，通过喷淋控制系统和调速电机2控制其走行速度，气溶胶模拟试验箱1的底部设置废液出口9；所述可移动喷头10下方设有样品架，用于放置实验样品。

所述气体压缩系统包括空气压缩机4和气体净化装置3，空气压缩机4通过管道连接气体净化装置3，气体净化装置3再通过管道连接可移动喷头10，所述气体净化装置3的两端用于连接空气压缩机4和可移动喷头10的管道上分别设置气压表8；气体净化装置3为四个不锈钢滤筒串联结构。

所述溶液流量控制系统包括溶液箱5和离心泵6，所述溶液箱5用于储备实验用原溶液，溶液箱5连接离心泵6，离心泵6再通过管道连接可移动喷头10，离心泵6与可移动喷头10相连接的管道上设有用于控制流量的转子流量计7。

所述可移动喷头10包括喷水管和喷气管，喷水管和喷气管上分别设置多个均朝下的水孔和气孔，其中：喷水管和喷气管为上下设置(喷水管在喷气管上部)，气孔数量为水孔数量的1.5～4倍，气孔孔径为30～35μm，水孔孔径为75～80μm。

上述装置作业时，空气和原溶液分别通过气路和水路进入可移动喷头10，通过调节溶液流量控制系统和气体压缩系统的参数将腐蚀溶液雾化成气溶胶液滴来模拟大气气溶胶环境。具体形成模拟大气气溶胶环境的流程(见图2)如下：

该装置中气路为：空气经空气压缩机4、由气压表8(图1中A)控制输入气压、经气体净化装置3除去气体中的腐蚀污染物和水分后，由气压表8(图1中B)控制输出气压、气体以所需流量输入可移动喷头10。该装置中水路为：在试验溶液箱5中配置好待试验的原溶液、溶液经离心泵6增压、经由转子流量计7控制液体流量、液体以所需流量输入可移动喷头10。装置中的喷淋控制系统和调速电机2包括由喷淋控制系统和调速电机组成，喷淋控制系统用于控制喷淋时间，调速电机用于控制可移动喷头的走行速度。

实施例1

本实施例为利用本大气气溶胶模拟实验机，研究Q345钢在模拟酸性海洋大气气溶胶环境中的腐蚀规律。过程如下：

(1)试样制备

实验材料为某厂提供的Q345钢，其化学成分见表1。试样尺寸为100mm×50mm×2.4mm，试样表面机械加工至▽₇。利用丙酮和酒精将试样清洗干净后吹干，在干燥器中静置24h后称量，精确度为0.1mg。利用本发明方法试验后的试样，根据国标GB/T 16545-1996，采用500mL盐酸(38％浓盐酸)+500mL蒸馏水+20g六次甲基四胺的混合溶液作为除锈液，除锈过程在室温下进行，经过十多分钟的浸泡，待锈层疏松后，用毛刷去除钢表面残留的腐蚀物质，直到将锈除净为止，同时用未腐蚀的试样校正除锈液对钢基体的腐蚀影响。将除锈后的试样先用蒸馏水清洗，然后用酒精清洗，吹干后放入干燥器中，24h后称重，精确至0.1mg。

表1 Q345钢的化学成分(质量分数，％)

(2)实验

依据本方法配制3.5％NaCl溶液，用38％的浓盐酸调节溶液的pH值至3.5。利用图1自制的气溶胶模拟腐蚀试验装置，通过调节装置中附带的溶液流量控制系统和气体压缩的参数使腐蚀介质雾化来模拟气溶胶环境，实验中溶液流量设置为3L/h，气压为0.1MPa，实验过程一直通气，通气的作用是为了雾化溶液和补充试验装置内充足的O₂供应。气溶胶粒径尺寸控制在50μm以下。实验在室温下进行，以6h为一周期，湿沉降10min，干燥350min。实验分别进行24、48、96、192h，每个试验点分别取出4个试样。

(3)实验结果

图3为Q345钢腐蚀失重与试验时间的变化关系趋势。由图可以看出，Q345钢的腐蚀失重随着试验时间的延长而逐渐增加。结果表明，试样的腐蚀失重与时间的关系符合经典的幂函数方程：M＝Atⁿ。式中，M表示单位面积质量损失，g/m²；t表示腐蚀时间，h；A和n是与材料和腐蚀环境相关的常数。n值可以反映钢表面锈层的保护性，当n<1时，锈层具有一定的保护性；当n>1时，锈层不仅没有保护性，反而会促进钢腐蚀。利用幂函数方程对本试验的失重数据进行拟合，n＝1.141，说明Q345钢表面的锈层不具有保护性，这与腐蚀产物的成分及锈层结构的演化是密切相关的。R²是相关系数，其值近似于1，说明拟合结果是合理的。

利用X射线衍射分析仪(XRD)对腐蚀产物进行分析。图4为Q345钢腐蚀产物的XRD谱图。由图中可以看出，Q345钢的腐蚀产物由Fe₃O₄、α-FeOOH、γ-FeOOH、β-FeOOH组成。在实验初始阶段，锈层主要成分为Fe₃O₄和还原性的γ-FeOOH、β-FeOOH，其中Fe₃O₄和γ-FeOOH的相对含量较高，β-FeOOH的相对含量较少，β-FeOOH通常在湿度较大且富含Cl^-的环境下才容易形成，这是因为β-FeOOH的形成需要Cl^-为其提供结构支撑，而本试验所采用的腐蚀介质中含有较高浓度的Cl^-，且湿沉降时的相对湿度在90％以上，这都为β-FeOOH的形成提供了有利条件，β-FeOOH的存在将会促进腐蚀的进行。而在腐蚀后期才检测到了少量的α-FeOOH，α-FeOOH是最稳定的羟基氧化铁，作为保护性的锈层成分可以抑制腐蚀的进行。

利用扫描电镜(SEM)对腐蚀试样的表面和截面进行观察和分析。图5为Q345钢腐蚀不同时间的表面特征形貌。腐蚀初期，锈层之间有很多缝隙(图5a)，不能有效地抑制腐蚀介质进入接触基体，腐蚀至48h时锈层出现了分层，外锈层很疏松，且外锈层上有片状结构的腐蚀产物出现，依形貌判断片状产物应为γ-FeOOH，γ-FeOOH具有还原性，对基体无保护作用。随着腐蚀时间的逐渐延长，片状产物逐渐增多，同时内锈层上依然遍布着许多裂纹，没有形成连续的结构，无法阻止基体的进一步腐蚀。腐蚀至192h腐蚀产物的表面形貌有所变化，腐蚀产物表面既有片状物质又有球状物质，依形貌判断球状物质应为α-FeOOH，α-FeOOH是γ-FeOOH经溶解形成非晶态FeOOH再经过固态转化而形成的。根据锈层表面形貌图并结合XRD谱图分析可知腐蚀后期仅有很少量α-FeOOH生成，且锈层中依然有缝隙存在，使得Cl^-可以通过缝隙渗透到基体，促进基体的进一步腐蚀。

图6为Q345钢腐蚀不同时间的截面形貌图。由图可以看出，腐蚀初期锈层薄且疏松，内部充斥着许多裂纹，无法阻止电解质的入侵，随着腐蚀时间的延长，锈层出现了分层，外锈层较疏松，且外锈层表面有片状物质出现，这种物质不利于锈层的保护性，内锈层相对致密一些，同时锈层厚度逐渐增加，192h时锈层厚度达到最大，但由于依然有缝隙存在，无法阻碍电解质进入接触基体，所以基体腐蚀持续进行。

由实施例1可知，本发明方法抓住了大气腐蚀的“干/湿”交替循环特征，重现了钢表面经历的干/湿状态，并且得到的腐蚀形貌、腐蚀产物组分和腐蚀规律与实际酸性海洋大气环境中获得Q235钢的实验结果具有很强的相似性。本发明的模拟加速腐蚀试验方法，有加速性、模拟性和重现性，可方便快捷的获取腐蚀过程中的钢腐蚀数据，了解酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀的影响，为合理选材和选用合适的防护方法提供依据。

Claims (9)

1.一种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置，其特征在于：该装置即指气溶胶模拟实验装置，包括气溶胶模拟试验箱、可移动喷头、溶液流量控制系统和气体压缩系统；其中：所述可移动喷头设于所述气溶胶模拟试验箱之内的顶部位置；所述气体压缩系统包括空气压缩机和气体净化装置，空气压缩机通过管道连接气体净化装置，气体净化装置再通过管道连接可移动喷头，所述气体净化装置的两端用于连接空气压缩机和可移动喷头的管道上分别设置气压表；所述溶液流量控制系统包括溶液箱和离心泵，所述溶液箱用于储备实验用溶液，溶液箱连接离心泵，离心泵再通过管道连接可移动喷头，离心泵与可移动喷头相连接的管道上设有用于控制流量的转子流量计。

2.根据权利要求1所述的酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置，其特征在于：所述气溶胶模拟实验装置还包括喷淋控制系统和调速电机，用于控制所述可移动喷头的走行速度。

3.根据权利要求1所述的酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置，其特征在于：所述可移动喷头包括喷水管和喷气管，喷水管和喷气管上分别设置多个均朝下的水孔和气孔，其中：喷水管和喷气管为上下设置，气孔数量为水孔数量的1.5-4倍，气孔孔径为30-35μm，水孔孔径为75-80μm。

4.根据权利要求1所述的酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置，其特征在于：所述气溶胶模拟试验箱内还设有样品架，用于放置实验样品，设于所述可移动喷头下方。

5.根据权利要求1所述的酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置，其特征在于：所述气体净化装置为四个不锈钢滤筒串联结构。

6.利用权利要求1所述装置进行酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验方法，其特征在于：该方法是通过调节气溶胶模拟试验装置中的溶液流量控制系统及气体压缩系统的参数，将腐蚀介质雾化成气溶胶液滴来模拟气溶胶环境，以湿沉降的方式沉积到待腐蚀钢样品表面；实验在室温下进行，以6h为一个周期，每周期中首先湿沉降10min，然后自然干燥350min，连续进行4-32个周期完成实验。

7.根据权利要求6所述的酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验方法，其特征在于：所述腐蚀介质是指发生酸性海洋气溶胶的原溶液，具体是指pH值为3.5浓度为3.5wt.％的NaCl溶液，通过38wt.％的浓盐酸将3.5wt.％NaCl溶液的pH值调节至3.5。

8.根据权利要求6所述的酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验方法，其特征在于：该方法中，通过调节所述溶液流量控制系统将进入可移动喷头的溶液流量控制为3L/h，通过调节所述气体压缩系统将进入可移动喷头的气压控制为0.1MPa。

9.根据权利要求8所述的酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验方法，其特征在于：经可移动喷头输出并雾化成的气溶胶液滴的粒径尺寸小于100微米。