CN108106986A - 一种金属材料腐蚀寿命预测方法 - Google Patents

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庞涛
马颖
彭浩
郎丰军
黄先球
王辉
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明属于金属材料的腐蚀预测技术领域，具体提供一种金属材料腐蚀寿命预测方法，步骤如下：通过进行大气暴露试验，计算暴露不同周期后的试样腐蚀失重量；利用原始数据列建立预测模型；建立的微分方程为：d X1/dt+a X1＝b，并利用最小二乘法线性拟合，确定参数a和b；最终得到方程的解X1(m)＝[X0(1)‑b/a]e‑a(m‑1)+b/a。本发明残差检验和后验差检验方法对预测的精度进行检验，能准确地预测金属材料在实际应用环境下长周期内的腐蚀寿命。

Description

一种金属材料腐蚀寿命预测方法
技术领域
本发明属于金属材料的腐蚀预测技术领域，具体提供一种金属材料腐蚀寿命预测方法。
背景技术
金属材料长期暴露在自然环境中，不同程度的腐蚀会对钢结构件产生不同程度的腐蚀损伤，从而影响其安全可靠性和耐久性。由此，必须下大力气解决钢结构件腐蚀全寿命预测研究。这对保护和合理利用各种资源，建设节约型社会，实现可持续发展，加强材料的腐蚀保护，提高钢结构安全使用寿命，具有十分重要的意义。
腐蚀是材料和环境作用造成的缓慢变化过程，变化速度往往以年甚至更长时间为单位，再加上腐蚀现象随机性，致使基于试验观察的腐蚀研究需要花费很长时间和大量重复劳动。材料腐蚀预测以短期腐蚀数据推测长期腐蚀行为，以局部样本特征推测大样本一般腐蚀规律，以简单条件室内腐蚀数据推测实际环境材料腐蚀行为等，它们和腐蚀试验构成了腐蚀研究两大支柱。此外，金属腐蚀受多种因素影响，如含水量、电阻率、温度、湿度、时间等。这些因素之间相互影响，构成一个异常复杂的腐蚀体系，目前常规的通过实验数据进行线性拟合及外推预测腐蚀速率的方法很难直接建立明确的函数关系式，其预测的准确性和实用性均不理想。
因此，对于具有模糊性和复杂性的腐蚀预测问题，经典的预测方法难以发挥作用，找到一种合适的方法来建立腐蚀速率预测模型，对金属材料的腐蚀寿命进行预测就显得十分重要。
发明内容
为了解决上述问题，本发明目的在于提供一种预测金属材料腐蚀速率寿命的方法，解决现有技术中难以进行的杂乱无章复杂环境下的腐蚀预测研究等问题。
本发明提出了一种金属材料腐蚀寿命预测方法，包括以下步骤：
1)进行大气暴露试验，计算暴露不同周期后的试样腐蚀失重量；
2)将步骤1)中的数据作为原始数据列建立预测模型：
试验测得的腐蚀速率：X0＝{X0(1)，X0(2)，X0(3)，…，X0(n)}，对应不同的时间序列t＝{t1，t2，t3…tn}，
累加后得到新的序列：X1(m)＝{X1(1)，X1(2)，X1(3)，…，X1(n)}，
原始数据列一般不能直接建立模型，因为所得的数据是随机的，有的离散性也很大，通过累加，可以将原始数据的随机性加以弱化。
3)X1(m)建立的微分方程为：d X1/dt+a X1＝b，
其中，a和b为待定的模型参数，对X1(m)建立的微分方程进行
最小二乘法线性拟合，[a,b]T＝(BTB)-1BTY，确定金属材料在试验
环境下的参数a和b。
4)求得上述微分方程的解为：X1(m)＝[X0(1)-b/a]e-a(m-1)+b/a。
具体的，步骤1)中的试验方法依据GB/T14165-《金属和合金大气腐蚀试验现场试验的一般要求》进行。
具体的，步骤1)中的试样正面朝南，与地面成45°进行试验，暴露不同周期后的试样取回后，利用除锈液对其进行除锈，除锈完成后经蒸馏水冲洗并冷风干燥后称重，计算腐蚀失重量。
对本方案中的金属材料腐蚀寿命预测方法进行精度检验，采用残差检验和后验差检验方法。
残差检验为：
设X0(n)为原始数列，为模型预测的数据列，S1，S2分别为其数理统计方差值，后验差为C＝S2/S1，后验差指标小误差指标概率P定义为根据C和P来判定预测模型的精度，预测精度等级越小，说明预测效果越好。
本发明的有益效果在于：
针对钢结构实际使用寿命预估及安全评价的难题，利用现有的腐蚀试验数据，通过合适的数学方法建立腐蚀预测模型预测金属材料的腐蚀寿命，为检修维护提供科学依据。金属材料在实际环境中的腐蚀受到许多复杂因素的影响，其中许多因素的影响是不了解或不甚了解的，利用灰色理论建立模型，可以从杂乱无章的离散现象中找出内在的规律，对材料寿命进行预测。
本发明采用的预测金属材料寿命的方法能准确地预测金属材料在实际应用环境下长周期内的腐蚀寿命，预测效果较好。
具体实施方式
1983～1993年，在武汉地区进行了10年的耐候钢腐蚀试验。试验钢为09CuPTi耐候钢，其化学成分见表1。试验方法依据GB/T14165-《金属和合金大气腐蚀试验现场试验的一般要求》进行，试验材料正面朝南，与地面成45°进行试验。暴露不同周期后的试样取回后，利用除锈液对其进行除锈，除锈完成后经蒸馏水冲洗并冷风干燥后称重，计算腐蚀失重量，见表2。
表1 09CuPTi耐候钢化学成分
表2耐候钢腐蚀试验数据
设X0(t)为耐候钢的腐蚀速率，则原始序列为：
X0(t)＝{52,28.45,16.69,10.67}。
对原始数据进行初值化处理得到X1(t)＝{52,80.45,97.14,107.81}，
代入[a,b]T＝(BTB)-1BTY计算出模型的系数为：
a＝0.4935，b＝60.9641。
则预测方程为：X1(m)＝-71.5259e-0.4935(m-1)+123.5259
进而可以推出不同时间的预测腐蚀速率值，见表3。
表3预测数据参数
对预测结果进行精度分析，X0(m)为原始数列，为模型预测的数据列，ε(m)为残差数列，S1，S2分别为原始数据列和残差数据列的数理统计方差值。计算得：
原始数据平均值标准差S1＝15.81；
残差数据平均值标准差S2＝0.3363；
则指标C＝S2/S1＝0.021＜0.35，可见预测精度为好。按小误差指标概率计算得P远大于0.95，因此预测精度为好。
本实例结果表明，本发明采用的预测金属材料寿命的方法能准确地预测金属材料在实际应用环境下长周期内的腐蚀寿命。

Claims (3)

1.一种金属材料腐蚀寿命预测方法，包括以下步骤：
1)进行大气暴露试验，计算暴露不同周期后的试样腐蚀失重量；
2)将步骤1)中的数据作为原始数据列建立预测模型：
试验测得的腐蚀速率：X0＝{X0(1)，X0(2)，X0(3)，…，X0(n)}，对应不同的时间序列t＝{t1，t2，t3…tn}，
累加后得到新的序列：X1(m)＝{X1(1)，X1(2)，X1(3)，…，X1(n)}，
3)X1(m)建立的微分方程为：d X1/dt+a X1＝b，
其中，a和b为待定的模型参数，对X1(m)建立的微分方程进行最小二乘法线性拟合，[a,b]T＝(BTB)-1BTY，确定金属材料在试验环境下的参数a和b。
4)求得上述微分方程的解为：X1(m)＝[X0(1)-b/a]e-a(m-1)+b/a。
2.根据权利要求1所述的金属材料腐蚀寿命预测方法，其特征在于：步骤1)中的试验方法依据GB/T14165-《金属和合金大气腐蚀试验现场试验的一般要求》进行。
3.根据权利要求1所述的金属材料腐蚀寿命预测方法，其特征在于：步骤1)中的试样正面朝南，与地面成45°进行试验，暴露不同周期后的试样取回后，利用除锈液对其进行除锈，除锈完成后经蒸馏水冲洗并冷风干燥后称重，计算腐蚀失重量。
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