CN108931474A - 一种涂层寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种涂层寿命预测方法，属于涂层检测领域。该方法包括：获取涂层上具有缺陷孔的多组试件；对试件提供阴极保护电流，进行阴极剥离性能测试，多组试件采用不同的电流密度进行测试，每组试件进行不同的测试周期；完成阴极剥离性能测试后，取出试件，测量试件的涂层的平均剥离距离；针对每一个试件，获取在试件对应的电流密度下，试件的涂层的平均剥离距离与测试周期的关系，实现对涂层的寿命预测。本发明能够对处于阴极保护电流影响下的涂层进行寿命预测，对管道建设具有重要意义。

Description

一种涂层寿命预测方法

技术领域

本发明涉及涂层检测领域，特别涉及一种涂层寿命预测方法。

背景技术

在油气管道的防护过程中，将防腐涂层，特别是三层聚乙烯涂层(以下简称3LPE涂层)涂覆到金属管体表面来对其形成第一道防护。管道防腐的第二道防护就是阴极保护，其基于电化学腐蚀原理，给管道加载一定负电位的阴极保护电流，使金属管体本身有电子来抵制电化学腐蚀失去的电子，从而使作为阳极的金属管体的腐蚀速度显著降低。然而，在上述阴极保护电流影响下，对于具有破损的防腐涂层，如若防腐涂层的抗阴极剥离能力低，将会发生从金属管体上剥离等问题，严重影响其使用寿命。

对油气管道防腐涂层的寿命进行预测是管道建设的基本和关键，现有技术多通过观察涂层在辐照下的老化情况来对其寿命进行预测，举例来说，根据理想的降解机理推得涂层使用寿命对辐照剂量率的动力学关系曲线，并将该曲线划分为三个区域，即热氧老化主导区、辐照氧化主导区和辐照-氧化主导区。随后，观察辐照下涂层的老化情况，判断出该涂层是在上述哪个区域内发生老化的，此时，观察上述动力学关系曲线，以获得与老化区域对应的涂层使用寿命。

发明人发现现有技术至少存在以下问题：

对于阴极保护电流影响下的防腐涂层，现有技术无法对其寿命进行预测。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供了一种能够对处于阴极保护电流影响下的涂层进行寿命预测的涂层寿命预测方法。具体技术方案如下：

一种涂层寿命预测方法，所述方法包括：

获取涂层上具有缺陷孔的多组试件；

对所述试件提供阴极保护电流，进行阴极剥离性能测试，多组所述试件采用不同的电流密度进行测试，每组所述试件进行不同的测试周期；

完成所述阴极剥离性能测试后，取出所述试件，测量所述试件的涂层的平均剥离距离；

针对每一个所述试件，获取在所述试件对应的所述电流密度下，所述试件的涂层的平均剥离距离与所述测试周期的关系，实现对所述涂层的寿命预测。

具体地，作为优选，所述获取涂层上具有缺陷孔的多组试件，包括：

获取多组金属基体；

在每个所述金属基体的一面涂覆涂层；

在所述涂层上设置所述缺陷孔，并露出所述金属基体，获取所述试件。

具体地，作为优选，采用阴极保护模拟装置对所述试件提供阴极保护电流，所述阴极保护模拟装置包括：

盛有模拟溶液的实验筒，设置在所述涂层上，所述模拟溶液与所述涂层和所述缺陷孔接触；

电源、通过第一导线与所述电源的正极顺次串联的电感器、电阻和辅助电极；

所述辅助电极插入所述模拟溶液内，所述电源的负极通过所述第一导线与所述试件的金属面电连接；

通过第二导线顺次串联的参比电极、电压表；

所述参比电极插入所述模拟溶液内，所述电压表的另一端通过所述第二导线与所述试件的金属面电连接。

具体地，作为优选，所述测量所述试件的涂层的平均剥离距离，包括：

以所述缺陷孔为中心，向多个方向切割所述涂层；

自所述缺陷孔挑起切割后的所述涂层，获取所述涂层在多个方向上的剥离距离；

将所述涂层在多个方向上的所述剥离距离进行平均，获取所述试件上所述涂层的平均剥离距离。

具体地，作为优选，在所述多组所述试件采用不同的电流密度进行测试中，采用5-9个不同的电流密度值进行测试。

具体地，作为优选，在所述多组所述试件采用不同的电流密度进行测试中，所述电流密度的范围为0-2000mA/cm²。

具体地，作为优选，每个所述电流密度值下的所述测试周期为3-90天。

具体地，作为优选，所述针对每一个所述试件，获取在所述试件对应的所述电流密度下，所述试件的所述涂层的平均剥离距离与所述测试周期的关系，包括：

针对不同的所述电流密度进行测试，获取在同一所述电流密度下，所述试件的涂层在不同所述测试周期下的所述剥离距离；

针对同一所述电流密度，对所述测试周期和所述剥离距离进行拟合，获取在同一所述电流密度下，所述剥离距离和所述测试周期的关系式；

预设所述涂层失效时的所述剥离距离；

将所述涂层失效时的所述剥离距离代入所述剥离距离和所述测试周期的关系式，获取所述涂层失效所需要的时间。

具体地，作为优选，所述方法还包括：

根据不同所述电流密度下的所述剥离距离和所述测试周期的关系式，利用阿伦尼斯模型和逆幂律模型进行拟合，获取所述涂层的寿命预测模型；

所述寿命预测模型用于表征所述涂层在不同所述电流密度下的预期寿命。本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例提供的涂层寿命预测方法，基于获取涂层上具有缺陷孔的多组试件，在阴极保护电流条件下，对多组试件在不同电流密度下，进行不同测试周期的阴极剥离性能测试。并在测试后测量出试件的涂层的平均剥离距离，并针对每一个试件，获取在试件对应的电流密度下，试件的涂层的平均剥离距离与测试周期的关系，即可实现对涂层的寿命预测。可见，该方法能够对处于阴极保护电流影响下的涂层进行寿命预测，对管道建设具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的阴极保护模拟装置的结构示意图。

附图标记分别表示：

1 实验筒，

2 涂层，

201 缺陷孔，

3 辅助电极，

4 电阻，

5 电感器，

6 电源，

7 参比电极，

8 电压表。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

本发明实施例提供了一种涂层寿命预测方法，该方法包括：

获取涂层上具有缺陷孔的多组试件；

对试件提供阴极保护电流，进行阴极剥离性能测试，多组试件采用不同的电流密度进行测试，每组试件进行不同的测试周期；

完成阴极剥离性能测试后，取出试件，测量试件的涂层的平均剥离距离；

针对每一个试件，获取在试件对应的电流密度下，试件的涂层的平均剥离距离与测试周期的关系，实现对涂层的寿命预测。

本发明实施例提供的涂层寿命预测方法，基于获取涂层上具有缺陷孔的多组试件，在阴极保护电流条件下，对多组试件在不同电流密度下，进行不同测试周期的阴极剥离性能测试。并在测试后测量出试件的涂层的平均剥离距离，并针对每一个试件，获取在试件对应的电流密度下，试件的涂层的平均剥离距离与测试周期的关系，即可实现对涂层的寿命预测。可见，该方法能够对处于阴极保护电流影响下的涂层进行寿命预测，对管道建设具有重要意义。

具体地，本发明实施例中的“电流密度”可以通过对试件进行阴极保护时的电流强度与缺陷孔的面积相除得到，举例来说，当试件在100mA的电流强度下进行阴极保护，且其上缺陷孔的面积为5cm²时，其所对应的电流密度为20mA/cm²。

“剥离距离”指的是试件的涂层以缺陷孔为中心，在外力作用下向外剥离的距离。

为了提高测量精确度，每一组试件包括多个试件，举例来说，一组试件中，试件的数量可以为3个、4个、5个等。

对于缺陷孔的大小，举例来说，当试件的规格为150mm×150mm时，在其中部设置直径为6.4mm的缺陷孔。

在本发明实施例中，获取涂层上具有缺陷孔的多组试件包括：获取多组金属基体；在每个金属基体的一面涂覆涂层；在涂层上设置缺陷孔，并露出金属基体，获取试件。

通过获取多组金属基体，并在每个金属基体的一面涂覆涂层，保证了多组金属基片在涂覆有涂层的情况下进行后续的阴极剥离实验，为实现涂层在阴极保护电流影响下的寿命预测奠定了基础。并且，通过在涂层上设置缺陷孔，并露出金属基体，使试件具备了进行阴极剥离性能测试所需的条件。

为了保证给试件提供良好的阴极保护电流，同时使试件进行阴极剥离实验时产生的实验数据更加准确，在获取涂层上具有缺陷孔的多组试件后，采用阴极保护模拟装置对试件提供阴极保护电流。如附图1所示，该阴极保护模拟装置包括：盛有模拟溶液的实验筒1，设置在涂层2上，模拟溶液与涂层2和缺陷孔201接触；电源6、通过第一导线与电源6的正极顺次串联的电感器5、电阻4和辅助电极3；辅助电极3插入模拟溶液内，电源的负极通过第一导线与试件的金属面电连接；通过第二导线顺次串联的参比电极7、电压表8；参比电极7插入模拟溶液内，电压表8的另一端通过第二导线与试件的金属面电连接。

通过将参比电极7插入模拟溶液内，并将电压表8的另一端通过第二导线与试件的金属面电连接，构成了一个回路，以测得试件的电位值，并将该电位值作为一个标准值。使用第一导线将辅助电极3、电阻4、电感器5、电源6顺次串联，并将辅助电极3插入模拟溶液内，电源6的另一端通过第一导线与试件的金属面电连接。在进行阴极剥离实验时，通过电源6向试件的金属面施加一个外加电流，此时，试件的金属面作为阴极，辅助电极3作为阳极，使金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，从而避免了腐蚀现象的发生。基于第一导线通过辅助电极3、电阻4、电感器5、电源6、模拟溶液构成的一个回路，测得通过电源6施加外加电流后试件的电位值，并将该电位值与上述标准值比较，以调整对试件进行阴极保护时的电位值。

其中，模拟溶液的成分可以根据所要测试涂层所处的服役环境确定，举例来说，其可以为氯化钠溶液等。

辅助电极3可以为MMO(Mixed Metal Oxide，混合金属氧化物)阳极片，参比电极7可以为饱和甘汞电极。

基于有机玻璃具有良好的透明性、化学稳定性等特点，因此，为了保证该实验筒在阴极剥离实验过程中的稳定性，同时便于观察实验筒1内模拟溶液的变化，实验筒1可以设置为有机玻璃筒。而该有机玻璃筒的结构可以为多种，例如，其结构可以为上下均开口的圆柱形筒体、矩形筒体等，只要能够保证阴极剥离实验的顺利进行即可。为了保证有机玻璃筒在涂层2上的稳定性，将有机玻璃筒通过胶体粘在该涂层2上。

为了更好地反应出电流密度对阴极剥离性能测试的影响，使测试结果更加准确。在多组试件采用不同的电流密度进行测试中，采用5-9个不同的电流密度值进行测试，举例来说，电流密度值可以为6个、7个等。

电流密度的范围为0-2000mA/cm²，举例来说，该电流密度可以为13mA/cm²、50mA/cm²等。

进一步地，为了更加准确地获得试件在不同电流密度下，涂层的剥离距离随时间的变化规律，将每个电流密度值下的测试周期设置为3-90天，举例来说，该测试周期可以为3天、9天、16天等。其中，在同一电流密度下进行测试时，可以进行多个不同的测试周期，例如，在同一电流密度下对试件进行测试时，测试周期可以设定为：3天、10天、30天等。

在本发明实施例中，测量试件的涂层的平均剥离距离包括：以缺陷孔为中心，向多个方向切割涂层；自缺陷孔挑起切割后的涂层，获取涂层在多个方向上的剥离距离；将涂层在多个方向上的剥离距离进行平均，获取试件的涂层的平均剥离距离。

由于涂层在各个方向上的剥离距离有所不同，因此，通过获取多个方向上的剥离距离，并将多个剥离距离进行平均，以获取试件的涂层的平均剥离距离，保证了测试结果的稳定性。

举例来说，将涂层以缺陷孔为中心切割成“十”字形，并以缺陷孔中心为起点，沿上、下、左、右四个方向分别挑起该涂层。测量并记录该涂层在上述各个方向上的剥离距离，对各个方向上的剥离距离取平均值即可得到该试件的平均剥离距离。

其中，为了保证测试数据的准确性，在进行阴极剥离性能测试后，可以观察涂层表面是否出现新的漏点，如果存在新的漏点，则需要观察该漏点周围涂层的剥离情况。

在本发明实施例中，针对每一个试件，获取在试件对应的电流密度下，试件的涂层的平均剥离距离与测试周期的关系包括：针对不同的电流密度进行测试，获取在同一电流密度下，试件的涂层在不同测试周期下的剥离距离。针对同一电流密度，对测试周期和剥离距离进行拟合，获取在同一电流密度下，剥离距离和测试周期的关系式。预设涂层失效时的剥离距离。将涂层失效时的剥离距离代入剥离距离和测试周期的关系式，获取涂层失效时所需要的时间。

举例来说，针对20mA/cm²、40mA/cm²、60mA/cm²的电流密度进行测试，获取在20mA/cm²下，试件的涂层在测试周期分别为20天、50天、80天时的剥离距离；获取在40mA/cm²下，试件的涂层在测试周期分别为20天、50天、80天时的剥离距离；以及，获取在60mA/cm²下，试件的涂层在测试周期分别为20天、50天、80天时的剥离距离。

针对20mA/cm²，对测试周期(20天、50天、80天)和对应的剥离距离进行拟合，获取在20mA/cm²下，剥离距离和测试周期的关系式。同样地，分别针对40mA/cm²和60mA/cm²，也分别获取得到剥离距离和测试周期的关系式。

将涂层失效时的剥离距离设定为15mm，将15mm代入上述剥离距离和测试周期的关系式，获取涂层失效时所需要的时间。

具体地，通过获取在同一电流密度下，试件的涂层在不同测试周期下的剥离距离，并对测试周期和剥离距离进行拟合，获取在同一电流密度下剥离距离和测试周期的关系式，即：

L＝at^b

其中，L为剥离距离，t为测试周期，a和b均为常数。a和b的值可以通过将两个或两个以上的试件，在同一电流密度下测试得到的剥离距离和测试周期数据代入L＝at^b得到。

这一过程为后续获取涂层失效时所需要的时间奠定了基础。

通过预设涂层失效时的剥离距离，并将该剥离距离代入剥离距离和测试周期的关系式，获取涂层失效时所需要的时间，能够根据涂层的剥离距离有效地判断涂层是否失效，进而实现了在阴极保护电流影响下对涂层的寿命预测。

进一步地，为了保证在阴极保护电流影响下对涂层的寿命预测更加准确，同时通过电流密度能够直接计算出该电流密度下涂层的预期寿命，提高对涂层的寿命预测效率。本发明实施例提供的涂层寿命预测方法还包括：根据不同电流密度下的剥离距离和测试周期的关系式，利用阿伦尼斯模型和逆幂律模型进行拟合，获取涂层的寿命预测模型；该寿命预测模型表征涂层在不同电流密度下的预期寿命。

具体地，对不同电流密度下的剥离距离和测试周期的关系式两边取对数，即：

lnL＝lna+blnt

阿伦尼斯模型为：

ξ＝Aexp(E/KT)

两边取对数后得到：

lnξ＝lnA+E/KT

其中，ξ为寿命特征，如中位寿命、平均寿命等，在本发明实施例中，ξ指的是平均寿命；A为常数，且A＞0；E为激活能，与材料有关，单位为eV；K为玻尔兹曼常数，取值9.617×10^-5eV/℃；T为绝对温度值，即进行实验时的温度加上273℃。

逆幂律模型为：

ξ＝Aν^-c

两边取对数后得到：

lnξ＝lnA+(-C)lnν

其中，ξ为寿命特征，如中位寿命、平均寿命等，在本发明实施例中，ξ指的是平均寿命；A为常数，且A＞0；c为与激活能有关的正常数；ν为加速应力，如电压。

对阿伦尼斯模型和逆幂律模型两边分别取对数，并进行拟合后得到的寿命预测模型为：

Lnξ＝c+dθ(s)

其中，ξ为预期寿命，θ(s)为电流密度的倒数，c和d是为常数。在计算c和d的值时，预设涂层失效时的剥离距离；将涂层失效时的剥离距离代入剥离距离和测试周期的关系式，获取涂层失效所需要的时间。将两个或两个以上不同的电流密度值，及其所对应的涂层失效所需要的时间代入上述寿命预测模型，即可计算出c和d的值。并且，由于在剥离距离为预设值时，涂层失效所需要的时间随电流密度的增大而减小。因此，将寿命预测模型中的θ(s)视为电流密度的倒数，以保证θ(s)随ξ增大时，电流密度是正在减小的。

通过不同电流密度下的剥离距离和测试周期的关系式，结合寿命预测模型即可表征涂层在不同电流密度下的预期寿命。

基于上述，本发明实施例提供的涂层寿命预测方法能够对阴极保护电流影响下的涂层进行寿命预测，对管道建设具有重要意义。

以下将通过具体实施例进一步地描述本发明。

实施例1

本发明的试件为采用GB/T 23257制作的带有三层聚乙烯涂层的方形金属基体，试件的尺寸为150mm×150mm，在涂层的中心预制的缺陷孔，并露出金属基体。

在涂层上方粘结外径为100mm的有机玻璃圆筒，向该有机玻璃圆筒内注入氯化钠溶液。将MMO阳极片的一端放入氯化钠溶液中，另一端通过第一导线与电阻、电感器、电源顺次电连接后与试件的金属面电连接。将饱和甘汞电极的一端放入氯化钠溶液中，另一端通过第二导线与电压表电连接后与试件的金属面电连接，以对试件提供阴极保护电流。

选用7组试件采用7种不同的电流密度进行阴极剥离性能测试(7种电流密度分别是13.3mA/cm²、15.6mA/cm²、50.0mA/cm²、100.0mA/cm²、156.2mA/cm²、312.5mA/cm²以及1562.5mA/cm²)，其中，每组试件进行3-60天不同的测试周期。

当电流密度为13.3mA/cm²、50.0mA/cm²、100.0mA/cm²时，一组试件包括4个试件。当电流密度为15.6mA/cm²时，一组试件包括3个试件。当电流密度为156.2mA/cm²、312.5mA/cm²、1562.5mA/cm²时，一组试件包括2个试件。

测试结束后，拆除电源，观察涂层表面是否出现新的漏点及漏点周围涂层剥离情况，结果表明，无新的漏点出现。用刨刃在涂层表面以缺陷孔为中心做出“米”字型的切口，使涂层被完全切透至金属基体表面。随后，以缺陷孔中心为起点，用尖刀挑起涂层，测量并记录各个方向上的剥离距离，取平均值作为该试件的平均剥离距离。

具体测试结果如下表所示：

表1当电流密度为13.3mA/cm²时，不同测试周期所对应的平均剥离距离

表2当电流密度为15.6mA/cm²时，不同测试周期所对应的平均剥离距离

表3当电流密度为50.0mA/cm²时，不同测试周期所对应的平均剥离距离

表4当电流密度为100.0mA/cm²时，不同测试周期所对应的平均剥离距离

表5当电流密度为156.2mA/cm²时，不同测试周期所对应的平均剥离距离

表6当电流密度为312.5mA/cm²时，不同测试周期所对应的平均剥离距离

表7当电流密度为1562.5mA/cm²时，不同测试周期所对应的平均剥离距离

其中，“#”表示的是试件的编号。

对表1-表7中的数据进行拟合，以获得试件在同一电流密度下，剥离距离和测试周期的关系式，即：

L＝at^b

其中，L为剥离距离，t为测试周期，a和b均为常数。

以GB/T 23257规定的15mm作为涂层失效时的判定距离，结合上述剥离距离和测试周期的关系式，计算出不同电流密度下，涂层失效所需要的时间，如表8所示：

表8

基于表8中的数据，利用阿伦尼斯模型和逆幂律模型进行拟合，拟合后即可得到：

lnξ＝107.41(1/I)-2.09

其中，ξ为预期寿命，年；I为电流密度，mA/cm²。

此时，将任意电流密度带入利用阿伦尼斯模型和逆幂律模型拟合后的公式，即可测出该电流密度下三层聚乙烯涂层的预期寿命。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种涂层寿命预测方法，其特征在于，所述方法包括：

获取涂层上具有缺陷孔的多组试件；

对所述试件提供阴极保护电流，进行阴极剥离性能测试，多组所述试件采用不同的电流密度进行测试，每组所述试件进行不同的测试周期；

完成所述阴极剥离性能测试后，取出所述试件，测量所述试件的涂层的平均剥离距离；

针对每一个所述试件，获取在所述试件对应的所述电流密度下，所述试件的涂层的平均剥离距离与所述测试周期的关系，实现对所述涂层的寿命预测。

2.根据权利要求1所述的涂层寿命预测方法，其特征在于，所述获取涂层上具有缺陷孔的多组试件，包括：

获取多组金属基体；

在每个所述金属基体的一面涂覆涂层；

在所述涂层上设置所述缺陷孔，并露出所述金属基体，获取所述试件。

3.根据权利要求2所述的涂层寿命预测方法，其特征在于，采用阴极保护模拟装置对所述试件提供阴极保护电流，所述阴极保护模拟装置包括：

盛有模拟溶液的实验筒，设置在所述涂层上，所述模拟溶液与所述涂层和所述缺陷孔接触；

电源、通过第一导线与所述电源的正极顺次串联的电感器、电阻和辅助电极；

所述辅助电极插入所述模拟溶液内，所述电源的负极通过所述第一导线与所述试件的金属面电连接；

通过第二导线顺次串联的参比电极、电压表；

所述参比电极插入所述模拟溶液内，所述电压表的另一端通过所述第二导线与所述试件的金属面电连接。

4.根据权利要求1所述的涂层寿命预测方法，其特征在于，所述测量所述试件的涂层的平均剥离距离，包括：

以所述缺陷孔为中心，向多个方向切割所述涂层；

自所述缺陷孔挑起切割后的所述涂层，获取所述涂层在多个方向上的剥离距离；

将所述涂层在多个方向上的所述剥离距离进行平均，获取所述试件上所述涂层的平均剥离距离。

5.根据权利要求1所述的涂层寿命预测方法，其特征在于，在所述多组所述试件采用不同的电流密度进行测试中，采用5-9个不同的电流密度值进行测试。

6.根据权利要求5所述的涂层寿命预测方法，其特征在于，在所述多组所述试件采用不同的电流密度进行测试中，所述电流密度的范围为0-2000mA/cm²。

7.根据权利要求5所述的涂层寿命预测方法，其特征在于，每个所述电流密度值下的所述测试周期为3-90天。

8.根据权利要求1所述的涂层寿命预测方法，其特征在于，所述针对每一个所述试件，获取在所述试件对应的所述电流密度下，所述试件的所述涂层的平均剥离距离与所述测试周期的关系，包括：

针对不同的所述电流密度进行测试，获取在同一所述电流密度下，所述试件的涂层在不同所述测试周期下的所述剥离距离；

针对同一所述电流密度，对所述测试周期和所述剥离距离进行拟合，获取在同一所述电流密度下，所述剥离距离和所述测试周期的关系式；

预设所述涂层失效时的所述剥离距离；

将所述涂层失效时的所述剥离距离代入所述剥离距离和所述测试周期的关系式，获取所述涂层失效所需要的时间。

9.根据权利要求8所述的涂层寿命预测方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据不同所述电流密度下的所述剥离距离和所述测试周期的关系式，利用阿伦尼斯模型和逆幂律模型进行拟合，获取所述涂层的寿命预测模型；

所述寿命预测模型用于表征所述涂层在不同所述电流密度下的预期寿命。