CN108037062A - 一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法 - Google Patents

一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，所述方法通过耐候钢锈层的吸醇、脱醇测试，得到所述耐候钢锈层的增失重并用来判定锈层吸脱醇速率；并由所述耐候钢锈层的吸醇、脱醇测试得到所述耐候钢锈层的残余吸醇量m残以计算锈层颗粒的比表面积大小，评价所述耐候钢锈层的保护能力大小。本发明的方法操作过程更加简便，测试效率更高，测试结果更加准确可信，更真实地反映耐候钢锈层的保护能力的大小；属于借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料领域。

Description

一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法
技术领域
本发明属于借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料领域，具体涉及一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法。
背景技术
耐候钢在海洋大气环境下具有优异的抗腐蚀性能，主要是依靠其表面形成的稳定致密的具有保护性的腐蚀锈层来延缓进一步的腐蚀，从而降低腐蚀速率。
目前，人们对腐蚀锈层这种保护能力/阻碍作用的评价主要有失重法、腐蚀产物分析、电化学阻抗谱法、氮吸附法以及吸水-脱水测试方法。
其中，失重法、腐蚀产物分析和电化学阻抗谱法的评价方法均为现有技术并均已普遍应用，且已有相关的标准或成熟的案例，在此不再赘述。
氮吸附法是用于测定比表面和孔径分布的最常用、最可靠的方法。用氮吸附考察腐蚀产物颗粒大小来间接反映锈层的致密性，故已将气体吸附法列为比表面积测试标准，如美国ASTM的D3037，国际ISO标准组织的ISO-9277。我国比表面积测试有许多行业标准，其中最具代表性的是国标GB/T19587-2004《气体吸附BET法测定固体物质比表面积》。但是，氮吸附法是在对腐蚀产物干燥或真空除水后进行的，目的是排除水分的干扰，而且其测试需要有专门的测试仪器，测试过程长而复杂。
吸水-脱水测试方法主要考虑到了水分在腐蚀产物抗腐蚀能力中的作用，提出采用失重与增重相结合的方法判定腐蚀产物中水分的得失情况，来反映耐候钢锈层的保护能力的大小。吸水-脱水测试采用去离子水进行实验至少具有以下两点不足：(1)水分会与钢基体及其锈层发生进一步的腐蚀反应，影响测量结果的准确性；(2)会溶解锈层中残留的盐分，影响称重结果等。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，该方法在对耐候钢锈层测试过程中无附加反应发生，避免耐候钢锈层发生进一步的腐蚀反应，影响测试结果的准确性，是一种无损测试方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，所述方法通过耐候钢锈层的吸醇、脱醇测试，得到所述耐候钢锈层的增失重并用来判定锈层吸脱醇速率；由所述耐候钢锈层的吸脱醇速率可知在耐候钢锈层的吸醇、脱醇测试过程中并无附加反应发生，即所述耐候钢的吸醇、脱醇测试能避免所述耐候钢锈层发生进一步的腐蚀反应，影响测试结果的准确性，为无损测试方法；并由所述耐候钢锈层的吸醇、脱醇测试得到所述耐候钢锈层的残余吸醇量m残，将m残带入钢样锈层颗粒表面积假设模型中计算锈层颗粒的比表面积大小，根据所述比表面积的大小来判断所述耐候钢锈层的致密性，从而评价所述耐候钢锈层的保护能力大小；所述比表面积越大，所述耐候钢锈层的保护能力越大；
所述钢样锈层颗粒表面积假设模型的建立方法为：假设脱醇过程完全时，所述耐候钢锈层颗粒表面只吸附一层乙醇分子，已知参数：所述耐候钢锈层的残余吸醇量m残，乙醇的单分子层厚度为h，无水乙醇密度为ρ，所述耐候钢锈层质量为M，那么锈层颗粒的比表面积
进一步地，所述耐候钢锈层的吸醇、脱醇测试包括以下步骤：
步骤(1).吸醇过程：将耐候钢钢样的锈层清洗并干燥，称量所述钢样的质量为n0；将所述锈层完全浸没在无水乙醇中，浸没t吸时间；在所述t吸时间内，当所述锈层浸没tj时间时取出所述钢样并称量，称量的质量记为nj，其中，j为第j次取样，j≥1；当nj+1≈nj时，锈层吸醇过程结束，得到具有饱和吸醇量的吸醇钢样，称量并记为m0，则m0-n0为所述耐候钢锈层的饱和吸醇量；
步骤(2).脱醇过程：将经步骤(1)得到的所述吸醇钢样置于恒温干燥箱中，干燥t脱时间；在所述t脱时间内，当所述吸醇钢样干燥ti时间时取出所述吸醇钢样并称量，称量的质量记为mi，其中，i为第i次取样，i≥1；当mi+1≈mi时，钢样脱醇过程结束，得到脱醇后的脱醇钢样，称量并记为m脱，则m0-m脱为所述耐候钢锈层的最大脱醇量；
步骤(3).吸醇过程数据和脱醇过程数据处理：
1)吸醇过程数据处理：a.利用下列公式计算步骤(1)中所述钢样的锈层的单位面积吸醇量Nj：
其中，S0为所述钢样的表面积；
b.根据计算得到的Nj以及步骤(1)中的tj，建立单位面积的吸醇量与时间的曲线图，通过曲线的斜率判定所述钢样的吸醇速率；
2)脱醇过程数据处理：a.利用下列公式计算步骤(2)中所述吸醇钢样的锈层的单位面积脱醇量Mi：
其中，S0为所述钢样的表面积；
b.根据计算得到的Mi以及步骤(2)中的ti，建立单位面积的脱醇量与时间的曲线图，通过曲线的斜率判定所述吸醇钢样的脱醇速率；
步骤(4).重复步骤(1)～(3)两次或三次以上，直至所述钢样的吸醇速率以及所述吸醇钢样的脱醇速率不再变化；
所述耐候钢锈层的残余吸醇量m残由步骤(1)和(2)中所述饱和吸醇量m0-n0与所述的最大脱醇量m0-m脱之差得到。
进一步地，所述耐候钢锈层的质量M从耐候钢腐蚀增重称量得到；或者，所述耐候钢锈层经过所述方法中的步骤完成后，将所述锈层刮下后称量得到。
进一步地，所述无水乙醇替换为丙酮或异丙醇。
进一步地，所述耐候钢锈层为实验室加速腐蚀或经大气曝晒形成的耐候钢锈层、经冷冻-解冻处理的耐候钢锈层、耐候钢的内锈层与外锈层或经不同预氧化工艺处理后腐蚀形成的耐候钢锈层。
进一步地，评价所述实验室加速腐蚀或经大气曝晒形成的耐候钢锈层保护能力的大小，有利于研究大气真实环境与加速腐蚀实验作用的异同。
进一步地，评价所述经冷冻-解冻处理的耐候钢锈层保护能力的大小，有利于研究损伤处裂纹的扩展。
进一步地，评价所述耐候钢的内锈层与外锈层保护能力的大小，有利于研究耐候钢内外锈层的异同。
进一步地，评价所述经不同预氧化工艺处理后腐蚀形成的耐候钢锈层的保护能力的大小，有利于研究耐候钢氧化皮在大气腐蚀中的作用。
进一步地，步骤(1)中所述t吸时间为0.5～120h。
进一步地，步骤(2)中所述t脱时间为0.5～120h。
进一步地，步骤(1)中所述tj时间为0.5h、1h、2h、3h、6h、12、24h、36h、48h和60h中的一个或两个或两个以上。
进一步地，步骤(1)中所述钢样吸醇后称重时，首先将锈层倒置3～10min或快速甩干，从而确保称重结果准确，降低称量误差对结果的影响程度。
进一步地，步骤(2)中所述ti时间为为0.5h、1h、2h、3h、6h、12、24h、36h、48h或和60h中的一个或两个或两个以上。
进一步地，步骤(2)中所述恒温干燥箱的温度为30℃～60℃。
进一步地，步骤(2)中所述恒温干燥箱的温度为40℃。
进一步地，步骤(2)中所述恒温干燥箱的温度为60℃。
进一步地，步骤(2)中所述恒温干燥箱替换为装有新干燥剂的干燥皿。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，在对耐候钢锈层测试过程中无附加反应发生，避免耐候钢锈层发生进一步的腐蚀反应，影响测试结果的准确性，是一种无损测试方法。
(2)本发明的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，不仅更真实地反映耐候钢锈层的保护能力的大小，提高判定结果的真实性与可信度，而且操作过程更简便易行。
(3)本发明的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，简便易操作，无需大型仪器设备辅助。
附图说明
图1为本发明实施例中1#实验组的脱醇曲线与1’#对照组的脱水曲线。
图2为本发明实施例中2#实验组的脱醇曲线与2’#对照组的脱水曲线。
图3为本发明实施例中3#实验组的脱醇曲线与3’#对照组的脱水曲线。
图4为本发明实施例中1#实验组的吸醇曲线与1’#对照组的吸水曲线。
图5为本发明实施例中2#实验组的吸醇曲线与2’#对照组的吸水曲线。
图6为本发明实施例中3#实验组的吸醇曲线与3’#对照组的吸水曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
本实施例提出一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，所述方法通过耐候钢锈层的吸醇、脱醇测试，得到所述耐候钢锈层的增失重并用来判定锈层吸脱醇速率；由所述耐候钢锈层的吸脱醇速率可知在耐候钢锈层的吸醇、脱醇测试过程中并无附加反应发生，即所述耐候钢的吸醇、脱醇测试能避免所述耐候钢锈层发生进一步的腐蚀反应，影响测试结果的准确性，为无损测试方法；并由所述耐候钢锈层的吸醇、脱醇测试得到所述耐候钢锈层的残余吸醇量m残，将m残带入钢样锈层颗粒表面积假设模型中计算锈层颗粒的比表面积大小，根据所述比表面积的大小来判断所述耐候钢锈层的致密性，从而评价所述耐候钢锈层的保护能力大小；所述比表面积越大，所述耐候钢锈层的保护能力越大。
所述耐候钢锈层的吸醇、脱醇测试包括以下步骤：
步骤(1).吸醇过程：将耐候钢钢样的锈层清洗并干燥，称量所述钢样的质量为n0；将所述锈层完全浸没在无水乙醇中，浸没t吸时间；在所述t吸时间内，当所述锈层浸没tj时间时取出所述钢样并称量，称量的质量记为nj，其中，j为第j次取样，j≥1；当nj+1≈nj时，锈层吸醇过程结束，得到具有饱和吸醇量的吸醇钢样，称量并记为m0，则m0-n0为所述耐候钢锈层的饱和吸醇量；
步骤(2).脱醇过程：将经步骤(1)得到的所述吸醇钢样置于恒温干燥箱中，干燥t脱时间；在所述t脱时间内，当所述吸醇钢样干燥ti时间时取出所述吸醇钢样并称量，称量的质量记为mi，其中，i为第i次取样，i≥1；当mi+1≈mi时，钢样脱醇过程结束，得到脱醇后的脱醇钢样，称量并记为m脱，则m0-m脱为所述耐候钢锈层的最大脱醇量；
步骤(3).吸醇过程数据和脱醇过程数据处理：
1)吸醇过程数据处理：a.利用下列公式计算步骤(1)中所述钢样的锈层的单位面积吸醇量Nj：
其中，S0为所述钢样的表面积；
b.根据计算得到的Nj以及步骤(1)中的tj，建立单位面积的吸醇量与时间的曲线图，通过曲线的斜率判定所述钢样的吸醇速率；
2)脱醇过程数据处理：a.利用下列公式计算步骤(2)中所述吸醇钢样的锈层的单位面积脱醇量Mi：
其中，S0为所述钢样的表面积；
b.根据计算得到的Mi以及步骤(2)中的ti，建立单位面积的脱醇量与时间的曲线图，通过曲线的斜率判定所述吸醇钢样的脱醇速率；
步骤(4).重复步骤(1)～(3)两次或三次以上，直至所述钢样的吸醇速率以及所述吸醇钢样的脱醇速率不再变化。
步骤(1)中所述tj时间为0.5h、1h、2h、3h、6h、12、24h和36h。
步骤(2)中所述ti时间为0.5h、1h、2h、3h、6h、12、24h、36h、48h和60h。
步骤(2)中所述恒温干燥箱的温度为40℃。
根据本发明实施例的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法进行试验，以水代替乙醇作为对照实验。
实验对象为：室内模拟海洋大气环境腐蚀4个月的耐候钢钢样(即所述实验室加速腐蚀或经大气曝晒形成的耐候钢锈层)，腐蚀前，清洗去油，测量试样的长、宽、高并记录，而后用水晶滴胶将试样除工作面以外的五个面进行封镶，工作面表面用砂纸打磨到1000号。
取样方法：乙醇实验组和水对照组每组试样各取3份，即每组均有三个试样，分别为乙醇实验组1#、2#、3#，以及水对照组1’#、2’#、3’#。按照本发明实施例的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，得到如图1～图6所示的的乙醇实验组的吸醇和水对照组的吸水曲线、乙醇实验组的脱醇和水对照组的脱水曲线。由图1～图6可以得到如下结论：
比较图1、图2、图3可以得出，实验组脱醇与对照组脱水二者的实验结果在趋势上是一致的，说明脱醇测试的方法是正确的，而在测试结束后，实验组进行脱醇实验的耐候钢钢样基本恢复到实验前的原始重量，虽然需要的时间较长，其差值记为残余吸醇量；而对照组进行脱水实验的耐候钢钢样的重量普遍高于实验前的原始重量，这是由于锈层发生了新的腐蚀反应，有新锈的生成。由此可说明乙醇实验组在对耐候钢锈层测试过程中无附加反应发生，可避免耐候钢锈层发生进一步的腐蚀反应，影响测试结果的准确性。
比较图4、图5、图6可以得出，同一钢样的单位面积饱和吸水量要大于饱和吸醇量，数量差大概在1.8倍左右。假设锈层孔隙体积一定的情况下，根据已知的参考数据(水的密度1g/cm3，无水乙醇的密度0.791g/cm3)，钢样的吸水量与吸醇量的理论上的重量比为1.25倍左右，而从实验结果可以看出钢样的吸水量与吸醇量的实际重量比在1.8倍左右，与理论的重量比差距较大，这是因为在进行对照组进行吸水步骤中，耐候钢钢样和耐候钢钢样锈层会与水分发生腐蚀反应，生成新锈，导致称重结果变大。
步骤(1)和(2)中所述饱和吸醇量m0-n0与所述的最大脱醇量m0-m脱之差为所述耐候钢锈层的残余吸醇量m残，将m残带入钢样锈层颗粒表面积假设模型中计算锈层颗粒的比表面积大小，根据所述比表面积的大小来判断所述耐候钢锈层的致密性，从而评价所述耐候钢锈层的保护能力大小；所述比表面积越大，所述耐候钢锈层的保护能力越大；相反地，所述比表面积越小，所述耐候钢锈层的保护能力也越小。
所述钢样锈层颗粒表面积假设模型的建立方法为：假设脱醇过程完全时，所述耐候钢锈层颗粒表面只吸附一层乙醇分子，已知参数：所述耐候钢锈层的残余吸醇量m残，乙醇的单分子层厚度为h，无水乙醇密度为ρ，所述耐候钢锈层质量为M，那么锈层颗粒的比表面积
综上所述，本发明的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，在对耐候钢锈层测试过程中无附加反应发生，避免耐候钢锈层发生进一步的腐蚀反应，影响测试结果的准确性，是一种无损测试方法。此外，该不仅更真实地反映耐候钢锈层的保护能力的大小，提高判定结果的真实性与可信度，而且操作过程更简便易行。
实施例2
本实施例提出的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法与实施例1基本相同，唯不同的是：
步骤(2)中所述恒温干燥箱替换为装有新干燥剂的干燥皿。
所述耐候钢锈层为经冷冻-解冻处理的耐候钢锈层。
实施例3
本实施例提出的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法与实施例1基本相同，唯不同的是：
步骤(2)中所述恒温干燥箱的温度为30℃。
所述耐候钢锈层为耐候钢的内锈层与外锈层。
实施例4
本实施例提出的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法与实施例1基本相同，唯不同的是：
步骤(2)中所述恒温干燥箱的温度为50℃。
所述无水乙醇替换为异丙醇。
所述耐候钢锈层为经不同预氧化工艺处理后腐蚀形成的耐候钢锈层。
实施例5
本实施例提出的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法与实施例1基本相同，唯不同的是：
步骤(2)中所述恒温干燥箱的温度为30℃。
所述无水乙醇替换为异丙醇。
实施例6
本实施例提出的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法与实施例1基本相同，唯不同的是：
步骤(2)中所述恒温干燥箱的温度为30℃。
所述无水乙醇替换为丙酮。

Claims (10)

1.一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，其特征在于，所述方法通过耐候钢锈层的吸醇、脱醇测试，得到所述耐候钢锈层的增失重并用来判定锈层吸脱醇速率；由所述耐候钢锈层的吸脱醇速率可知在耐候钢锈层的吸醇、脱醇测试过程中并无附加反应发生，即所述耐候钢的吸醇、脱醇测试能避免所述耐候钢锈层发生进一步的腐蚀反应，影响测试结果的准确性，为无损测试方法；并由所述耐候钢锈层的吸醇、脱醇测试得到所述耐候钢锈层的残余吸醇量m残，将m残带入钢样锈层颗粒表面积假设模型中计算锈层颗粒的比表面积大小，根据所述比表面积的大小来判断所述耐候钢锈层的致密性，从而评价所述耐候钢锈层的保护能力大小；所述比表面积越大，所述耐候钢锈层的保护能力越大。
2.根据权利要求1所述的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，其特征在于，所述钢样锈层颗粒表面积假设模型的建立方法为：假设脱醇过程完全时，所述耐候钢锈层颗粒表面只吸附一层乙醇分子，已知参数：所述耐候钢锈层的残余吸醇量m残，乙醇的单分子层厚度为h，无水乙醇密度为ρ，所述耐候钢锈层质量为M，那么锈层颗粒的比表面积
3.根据权利要求1所述的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，其特征在于，所述耐候钢锈层的吸醇、脱醇测试包括以下步骤：
步骤(1).吸醇过程：将耐候钢钢样的锈层清洗并干燥，称量所述钢样的质量为n0；将所述锈层完全浸没在无水乙醇中，浸没t吸时间；在所述t吸时间内，当所述锈层浸没tj时间时取出所述钢样并称量，称量的质量记为nj，其中，j为第j次取样，j≥1；当nj+1≈nj时，锈层吸醇过程结束，得到具有饱和吸醇量的吸醇钢样，称量并记为m0，则m0-n0为所述耐候钢锈层的饱和吸醇量；
步骤(2).脱醇过程：将经步骤(1)得到的所述吸醇钢样置于恒温干燥箱中，干燥t脱时间；在所述t脱时间内，当所述吸醇钢样干燥ti时间时取出所述吸醇钢样并称量，称量的质量记为mi，其中，i为第i次取样，i≥1；当mi+1≈mi时，钢样脱醇过程结束，得到脱醇后的脱醇钢样，称量并记为m脱，则m0-m脱为所述耐候钢锈层的最大脱醇量；
步骤(3).吸醇过程数据和脱醇过程数据处理：
1)吸醇过程数据处理：a.利用下列公式计算步骤(1)中所述钢样的锈层的单位面积吸醇量Nj：
<mrow> <msub> <mi>N</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>n</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <msub> <mi>S</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
其中，S0为所述钢样的表面积；
b.根据计算得到的Nj以及步骤(1)中的tj，建立单位面积的吸醇量与时间的曲线图，通过曲线的斜率判定所述钢样的吸醇速率；
2)脱醇过程数据处理：a.利用下列公式计算步骤(2)中所述吸醇钢样的锈层的单位面积脱醇量Mi：
<mrow> <msub> <mi>M</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>m</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>n</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <msub> <mi>S</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>;</mo> </mrow>
其中，S0为所述钢样的表面积；
b.根据计算得到的Mi以及步骤(2)中的ti，建立单位面积的脱醇量与时间的曲线图，通过曲线的斜率判定所述吸醇钢样的脱醇速率；
步骤(4).重复步骤(1)～(3)两次或三次以上，直至所述钢样的吸醇速率以及所述吸醇钢样的脱醇速率不再变化；
所述耐候钢锈层的残余吸醇量m残由步骤(1)和(2)中所述饱和吸醇量m0-n0与所述的最大脱醇量m0-m脱之差得到。
4.根据权利要求1所述的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，其特征在于，所述无水乙醇替换为丙酮或异丙醇。
5.根据权利要求1所述的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，其特征在于，所述耐候钢锈层为实验室加速腐蚀或经大气曝晒形成的耐候钢锈层、经冷冻-解冻处理的耐候钢锈层、耐候钢的内锈层与外锈层或经不同预氧化工艺处理后腐蚀形成的耐候钢锈层。
6.根据权利要求1所述的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，其特征在于，步骤(1)中所述t吸时间为0.5～120h，步骤(2)中所述t脱时间为0.5～120h。
7.根据权利要求1所述的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，其特征在于，步骤(1)中所述钢样吸醇后称重时，首先将锈层倒置3～10min或快速甩干，从而确保称重结果准确，降低称量误差对结果的影响程度。
8.根据权利要求1所述的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，其特征在于，步骤(1)中所述tj时间为0.5h、1h、2h、3h、6h、12、24h、36h、48h和60h中的一个或两个或两个以上；
步骤(2)中所述ti时间为为0.5h、1h、2h、3h、6h、12、24h、36h、48h或和60h中的一个或两个或两个以上。
9.根据权利要求1所述的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，其特征在于，步骤(2)中所述恒温干燥箱的温度为30℃～60℃。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种评价耐候钢锈层保护能力大小的方法，其特征在于，步骤(2)中所述恒温干燥箱替换为装有新干燥剂的干燥皿。
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