CN113686764B - 一种模拟南海环境钢腐蚀的腐蚀液及模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种模拟南海环境钢腐蚀的腐蚀液及模拟方法，属于钢腐蚀技术领域，解决了现有技术中模拟腐蚀液无法通过简单组分有效在实验室内加速模拟南海海水环境对船体钢的腐蚀、现有的模拟方法无法有效的模拟海水对船舶钢的冲刷腐蚀作用以及直接利用海水进行测试时间过长，无法实现加速模拟的效果的问题。本发明的模拟南海环境下钢腐蚀的腐蚀液，各组分及其质量分数为：Na2SO4 0.05～0.1％、CaCl20.05～0.1％、NaCl 3～5％，余量为去离子水，腐蚀溶液的pH值为4～7。实现了在实验室内加速模拟南海环境下船体钢的腐蚀。
Description
技术领域
本发明涉及钢腐蚀技术领域，尤其涉及一种模拟南海环境钢腐蚀的腐蚀液及模拟方法。
背景技术
21世纪是属于海洋的世纪，海洋环境下使用的工程材料是合理有效利用海洋资源的关键。海洋环境下，以低合金钢为主的海洋工程用材料的腐蚀和生物污损问题每年给国家造成近万亿元的经济损失和30％以上海中航行体的能源浪费，已成为严重制约重大海洋工程技术和装备发展的技术瓶颈之一。南海的气候特征是典型的高湿热、高盐雾、强辐照，这样的环境特征会显著加速材料在南海环境下的腐蚀行为，给南海装备设施的安全运行埋下极大的安全隐患，研究低合金钢在南海环境下的腐蚀行为及机理对于设计控制海洋腐蚀技术具有重要的意义。
针对南海环境下低合金钢的腐蚀行为及机理研究，传统的实海挂片试验周期太长，无法作为新研材料耐蚀性快速评价方法，目前主要采用实海挂片试验与室内加速模拟试验相结合的方法对材料的失效过程及机理进行研究。而当前基于南海复杂环境条件下的室内加速模拟试验方法尚为少见，这不仅会影响新材料耐蚀性评价的客观性，还直接制约了新材料的研发周期，因此需要制定符合低合金钢在特定南海环境下的模拟加速试验方法及所需的腐蚀溶液，从而通过短期的加速腐蚀试验结果(包括腐蚀方式、锈层类型等)预测低合金钢在南海环境下的长期腐蚀行为与耐蚀能力。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种模拟南海环境钢腐蚀的腐蚀液及模拟方法，至少解决下列技术问题之一：(1)现有的模拟腐蚀液无法通过简单组分有效在实验室内加速模拟南海海水环境对船体钢的腐蚀；(2)现有的模拟方法无法有效的模拟海水对船舶钢的冲刷腐蚀作用； (3)直接利用海水进行测试时间过长，无法实现加速模拟的效果。
本发明提供一种模拟南海环境下钢腐蚀的腐蚀液，各组分及其质量分数为：Na2SO40.05～0.1％、CaCl2 0.05～0.1％、NaCl 3～5％，余量为去离子水，腐蚀溶液的pH值为4～7。
进一步地，所述钢为低合金钢，所述低合金钢为合金元素总量小于 5％的合金钢。
本发明还提供一种模拟南海环境钢腐蚀的模拟方法，利用上述模拟南海环境下钢腐蚀的腐蚀液模拟南海海水。
进一步地，模拟南海环境钢腐蚀的模拟方法包括：
步骤1.制备钢试样；
步骤2.对钢试样进行潮湿试验；
步骤3.对钢试样进行干燥试验；
步骤4.循环交替重复步骤2与步骤3的试验。
进一步地，所述步骤2中，模拟南海环境钢腐蚀的腐蚀液以 0.01～0.15m/s的流速滴至钢试样试验平面。
进一步地，所述步骤1中，制备钢试样具体包括：用环氧树脂包裹钢试样，树脂与试样边界刷漆，留出25mm×25mm试验平面。
进一步地，所述步骤2中，对钢试样进行潮湿试验的环境参数为温度30～40℃，相对湿度90～95％。
进一步地，所述步骤3中，对钢试样进行干燥试验的环境参数为温度30～40℃，相对湿度90～95％。
进一步地，所述步骤4中，循环交替重复步骤2与步骤3的试验，每个循环时长为30min，其中步骤2潮湿试验时长为23min，步骤3干燥试验时长为7min。
进一步地，所述步骤4中，试验总时长为24-240h，每24h更换腐蚀溶液。
与现有技术相比，本发明至少可实现如下有益效果之一：
1、本发明通过使用Na2SO4 0.05～0.1％、CaCl2 0.05～0.1％、NaCl 3～5％，余量为去离子水，腐蚀溶液的pH值为4～7，利用简单的三组分，有效的实现了对海水环境下船体钢的加速模拟，本发明的腐蚀液的组分少，能通过加速试验有效模拟漫长的海水的作用效果。
2、本发明将模拟南海环境钢腐蚀的腐蚀液以0.01～0.15m/s的流速滴至钢试样试验平面，以此实现对船舶航行于南海水域中，海水对船体钢冲刷和腐蚀的作用，相较于现有技术，本发明除模拟海水的化学静止腐蚀作用，还有效的模拟了海水的物理冲刷作用，更加接近南海实际环境对船体钢的影响。
3、本发明用树脂包裹试样其余部分，只留出25mm×25mm的测试平面，可以对于腐蚀后的腐蚀形貌进行集中观察，现有技术一般是将整个钢板试样暴露在试验环境中，相对于一整个钢板，本发明可以有效排除钢板边缘与平面的不均匀、观察平面过大腐蚀不均匀等干扰。同时又不便于后续取样进行扫描、XRD等试验。
本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为实施例一中921钢的宏观腐蚀形貌；
图2为实施例二中Q345钢的宏观腐蚀形貌；
图3为实施例三中2Ni耐候钢的宏观腐蚀形貌；
图4为实施例四中1Ni耐候钢的宏观腐蚀形貌；
图5为实施例五中Q450QR1钢的宏观腐蚀形貌；
图6为对比例一中921钢的微观腐蚀形貌；
图7为对比例二中921钢实海挂片8年的微观腐蚀形貌；
图8为对比例三种全浸试验中E690钢的微观腐蚀形貌。
具体实施方式
本发明提供一种模拟南海环境下钢腐蚀的腐蚀液，各组分质量分数为：Na2SO40.05～0.1％、CaCl2 0.05～0.1％、NaCl 3～5％，余量为去离子水，腐蚀溶液的pH值为4～7。
在实验室中的模拟南海海洋环境的钢腐蚀的腐蚀液需要有如下特殊要求：(1)通过腐蚀液的主要成分构成，无限接近的模拟南海海水的腐蚀作用；(2)在实验室内通过较短的时间加速模拟的过程，模拟海水对船体钢的长时间腐蚀作用。
现有技术中，大部分测试都在用实海挂片的方法，采用真实的海水挂片浸泡，但实验室腐蚀试验是加速试验，通过特殊的环境参数在短时间内模拟出实海中长期暴露的结果。本发明通过实验确定采用氯化钠、氯化钙和硫酸钠，调节pH为4～7，在此条件下，此三种组分可以很好的代替海水中的各种主要成分，有效的在实验室中模拟海水对船体钢的腐蚀。
具体的，模拟南海环境下钢腐蚀的腐蚀液的钢为低合金钢，低合金钢为合金元素总量小于5％的合金钢。
低合金钢是用于船体建造的主要钢种，现有大部分船体用钢均为低合金钢，对于低合金钢在南海环境下的模拟可以有效指导南海环境下船体钢耐蚀性提升，进而提高船体钢在该环境下的使用寿命。通过大量试验，合金元素总量小于5％的合金钢可以有效的加速模拟南海航行的船体用钢在南海环境下的腐蚀情况。本发明还提供一种模拟南海环境钢腐蚀的模拟方法，利用上述模拟南海环境下钢腐蚀的腐蚀液模拟南海海水。
具体的，模拟南海环境钢腐蚀的模拟方法，包括：
步骤1.制备钢试样；
步骤2.对钢试样进行潮湿试验；
步骤3.对钢试样进行干燥试验；
步骤4.循环交替重复步骤2与步骤3的试验。
具体的，模拟南海环境钢腐蚀的模拟方法步骤2中，模拟南海环境钢腐蚀的腐蚀液以0.04～0.15m/s的流速滴至钢试样试验平面。
现有的加速腐蚀试验方法多为暴露在盐雾或腐蚀溶液中，与现有技术不同，本发明采用添加溶液滴至试验钢的技术，除了模拟海水对船体钢的化学静态腐蚀，加入海水中水流冲击的因素，准确模拟试验用钢在南海环境下的物理动态冲刷腐蚀。
南海水域平均流速0.01m/s左右，但模拟腐蚀液是在实验室里在较短时间内，模拟船体用钢在海洋环境下长时间受腐蚀的效果，因此不能选用南海水域海水的实际流速。为此经过的多次的探索和大量的试验，水流设置平均流速0.04-0.15m/s既可以模拟南海的水流作用，也可以在一定程度上起到加速模拟的作用。试验表明，若模拟的水流过快，超过0.15m/s则会影响低合金钢的正常腐蚀过程，例如破坏锈层产物，与真实的南海环境中的缓慢过程差距甚远。而模拟的水流过慢，低于0.04m/s，则会造成无法加速模拟南海海水对船体钢的腐蚀，造成模拟结果与真实结果差别巨大，或者会造成在实验室模拟时间大大延长，无法达到实验室内模拟试验的条件。
具体的，模拟南海环境钢腐蚀的模拟方法步骤1中，制备钢试样具体包括：用环氧树脂包裹钢试样，树脂与试样边界刷漆，留出25mm× 25mm试验平面。
现有技术一般是将整个钢板试样暴露在试验环境中，本发明用树脂将试样其他部位全部包裹，只留出25mm×25mm的测试平面，可以对于腐蚀后的腐蚀形貌进行集中观察，相对于一整个钢板可以有效排除钢板边缘与平面的不均匀、观察平面过大腐蚀不均匀等干扰。同时25mm× 25mm的测试平面又不至于过小导致观察不全面以及后续无法取样进行扫描、XRD等试验。
具体的，模拟南海环境钢腐蚀的模拟方法步骤2中，对钢试样进行潮湿试验的环境参数为温度30～40℃，相对湿度90～95％。
具体的，模拟南海环境钢腐蚀的模拟方法步骤3中，对钢试样进行干燥试验的环境参数为温度30～40℃，相对湿度90～95％。
需要说明的是，潮湿试验和干燥试验的温度均为30～40℃，南海的实际环境温度在30～45℃，温度过低会使得模拟方法模拟的效果不具备参考意义。但实验表明，虽然实验室的模拟是加速测试，但温度却不宜过高，试验表明，温度超过40℃会由于温度过高使得模拟腐蚀速度过快，没有按照原有的船体钢的腐蚀过程进行，反而导致模拟效果更不具备参考意义。因此潮湿试验和干燥试验的温度均为30～40℃。
具体的，模拟南海环境钢腐蚀的模拟方法步骤4中，循环交替重复步骤2与步骤3的试验，每个循环时长为30min，其中步骤2潮湿试验时长为23min，步骤3干燥试验时长为7min。
需要说明的是，对于步骤2和步骤3的循环交替试验，试验总时长过短，则容易使腐蚀过程进行的不完全，无法对船体钢在南海环境下的实际应用提供参考。试验时长过长，则失去了加速试验的意义，相对于实海挂片试验并没有有效的节约时间。
具体的，模拟南海环境钢腐蚀的模拟方法步骤4中，试验总时长为 24-240h，每24h更换腐蚀溶液。
每24h更换腐蚀溶液以保证溶液浓度及pH值。
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
实施例一
本发明的一个具体实施例，公开了一种模拟南海环境钢腐蚀的腐蚀液及模拟方法。
本实施例以921钢进行模拟南海环境下腐蚀加速试验，腐蚀溶液中各组分质量分数为：Na2SO4 0.05％、CaCl2 0.05％、NaCl 3％，余量为去离子水，腐蚀溶液的pH值控制在4。
模拟南海环境钢腐蚀的模拟方法，包括以下步骤：
(1)制备低合金钢试样：用环氧树脂包裹低合金钢，树脂与试样边界刷漆，留出25mm×25mm试验平面定期加入腐蚀溶液；
(2)对低合金钢试样进行潮湿试验：环境参数为温度30℃，相对湿度90％，腐蚀溶液以0.01m/s的流速滴至试验平面；
(3)对低合金钢试验进行干燥试验：环境参数为温度30℃，相对湿度90％；
(4)重复潮湿试验与干燥试验，每个干湿循环时长为30min，其中潮湿试验时长为23min，干燥试验时长为7min，试验总时长为24h。
图1为实施例一模拟后921钢的宏观腐蚀形貌。
实施例二：
本发明的一个具体实施例，公开了一种模拟南海环境钢腐蚀的腐蚀液及模拟方法。
本实施例以Q345钢进行模拟南海环境下腐蚀加速试验，腐蚀溶液中各组分质量分数为：Na2SO4 0.1％、CaCl2 0.1％、NaCl 5％，余量为去离子水，腐蚀溶液的pH值控制在7。
模拟南海环境钢腐蚀的模拟方法，加速腐蚀试验包括以下步骤：
(1)制备低合金钢试样：用环氧树脂包裹低合金钢，树脂与试样边界刷漆，留出25mm×25mm试验平面定期加入腐蚀溶液；
(2)对低合金钢试样进行潮湿试验：环境参数为温度40℃，相对湿度95％，腐蚀溶液以0.15m/s的流速滴至试验平面；
(3)对低合金钢试验进行干燥试验：环境参数为温度40℃，相对湿度95％；
(4)重复潮湿试验与干燥试验，每个干湿循环时长为30min，其中潮湿试验时长为23min，干燥试验时长为7min，试验总时长为240h。每 24h更换腐蚀溶液。
图2为实施例二模拟后Q345钢的宏观腐蚀形貌。
实施例三：
本发明的一个具体实施例，公开了一种模拟南海环境钢腐蚀的腐蚀液及模拟方法。
本实施例以2Ni耐候钢进行模拟南海环境下腐蚀加速试验，腐蚀溶液中各组分质量分数为：Na2SO4 0.06％、CaCl2 0.05％、NaCl 3％，余量为去离子水，腐蚀溶液的pH值控制在6。
模拟南海环境钢腐蚀的模拟方法，加速腐蚀试验包括以下步骤：
(1)制备低合金钢试样：用环氧树脂包裹低合金钢，树脂与试样边界刷漆，留出25mm×25mm试验平面定期加入腐蚀溶液；
(2)对低合金钢试样进行潮湿试验：环境参数为温度30℃，相对湿度95％，腐蚀溶液以0.15m/s的流速滴至试验平面；
(3)对低合金钢试验进行干燥试验：环境参数为温度30℃，相对湿度95％；
(4)重复潮湿试验与干燥试验，每个干湿循环时长为30min，其中潮湿试验时长为23min，干燥试验时长为7min，试验总时长为72h。每 24h更换腐蚀溶液。
图3为实施例三模拟后2Ni耐候钢的宏观腐蚀形貌。
实施例四：
本发明的一个具体实施例，公开了一种模拟南海环境钢腐蚀的腐蚀液及模拟方法。
本实施例以1Ni耐候钢进行模拟南海环境下腐蚀加速试验，腐蚀溶液中各组分质量分数为：Na2SO4 0.06％、CaCl2 0.07％、NaCl 4％，余量为去离子水，腐蚀溶液的pH值控制在6。
模拟南海环境钢腐蚀的模拟方法，加速腐蚀试验包括以下步骤：
(1)制备低合金钢试样：用环氧树脂包裹低合金钢，树脂与试样边界刷漆，留出25mm×25mm试验平面定期加入腐蚀溶液；
(2)对低合金钢试样进行潮湿试验：环境参数为温度35℃，相对湿度90％，腐蚀溶液以0.15m/s的流速滴至试验平面；
(3)对低合金钢试验进行干燥试验：环境参数为温度35℃，相对湿度90％；
(4)重复潮湿试验与干燥试验，每个干湿循环时长为30min，其中潮湿试验时长为23min，干燥试验时长为7min，试验总时长为120h。每 24h更换腐蚀溶液。
图4为实施例四模拟后1Ni耐候钢的宏观腐蚀形貌。
实施例五：
本发明的一个具体实施例，公开了一种模拟南海环境钢腐蚀的腐蚀液及模拟方法。
本实施例以Q450QR1钢进行模拟南海环境下腐蚀加速试验，腐蚀溶液中各组分质量分数为：Na2SO4 0.07％、CaCl2 0.08％、NaCl 5％，余量为去离子水，腐蚀溶液的pH值控制在6。
模拟南海环境钢腐蚀的模拟方法，加速腐蚀试验包括以下步骤：
(1)制备低合金钢试样：用环氧树脂包裹低合金钢，树脂与试样边界刷漆，留出25mm×25mm试验平面定期加入腐蚀溶液；
(2)对低合金钢试样进行潮湿试验：环境参数为温度35℃，相对湿度95％，腐蚀溶液以0.15m/s的流速滴至试验平面；
(3)对低合金钢试验进行干燥试验：环境参数为温度35℃，相对湿度95％；
(4)重复潮湿试验与干燥试验，每个干湿循环时长为30min，其中潮湿试验时长为23min，干燥试验时长为7min，试验总时长为144h。每 24h更换腐蚀溶液。
图5为实施例五模拟后Q450QR1钢的宏观腐蚀形貌。
对比例一
腐蚀溶液：5％NaCl溶液，余量为去离子水，腐蚀溶液的pH值控制在6。
加速腐蚀试验包括以下步骤：
(1)制备低合金钢试样：用环氧树脂包裹低合金钢，树脂与试样边界刷漆，留出25mm×25mm试验平面定期加入腐蚀溶液；
(2)对低合金钢试样进行潮湿试验：环境参数为温度30℃，相对湿度90％，腐蚀溶液以0.05m/s的流速滴至试验平面；
(3)对低合金钢试验进行干燥试验：环境参数为温度30℃，相对湿度90％；
(4)重复潮湿试验与干燥试验，每个干湿循环时长为30min，其中潮湿试验时长为23min，干燥试验时长为7min，试验总时长为48h。
图6为对比例一中921钢的微观腐蚀形貌。
通过对对比例一的分析可知，已知低合金钢在南海环境下的腐蚀是以全面腐蚀为主，辅以点蚀，在对比例一中没有发现点蚀，说明单纯的氯化钠溶液不能准确的模拟南海环境下低合金钢的腐蚀过程。
对比例二——实海挂片试验：
钢材牌号921。试样尺寸为200mm×100mm×(6～8)mm。试验暴露地点为海南岛三亚市榆林港试验站。年平均水温27℃,最高33.5℃,最低 19℃。平均盐度3.2％～3.5％，pH值8.0～8.3。平均流速0.014m/s。
前2年921钢的腐蚀类型为点坑密布型。经8年腐蚀，921钢在麻坑上还出现大的腐蚀深坑。图7为921钢实海挂片8年的微观腐蚀形貌。实海挂片方法周期长、过程复杂，难以为船体钢的快速研发与应用提供指导依据。
通过与实海挂片试验的比较，发现在实施例一～五的腐蚀液的实验室加速腐蚀，其腐蚀类型、腐蚀产物、腐蚀形貌上有相同的特征与趋势，其中同为921钢的实施例一与实海挂片试验比较，实施例一在实验室模拟腐蚀24H与实海挂片试验1个月相比较，腐蚀产物均主要为α-FeOOH、 Fe3O4、Fe2O3、NiFe2O4等，腐蚀形貌为伴随着明显点蚀坑的均匀腐蚀，两者腐蚀产物及腐蚀类型基本相同，能较为准确的体现出材料在南海环境下的腐蚀过程。
对比例三——全浸试验：
钢材牌号E690。腐蚀溶液：3.5％NaCl溶液，余量为去离子水，腐蚀溶液的pH值控制8。环境参数为温度30℃，试验总时长为2880h。图8 为全浸试验中E690钢的微观腐蚀形貌。
通过全浸试验与实施例的比较，全浸试验只能模拟试验钢浸泡在海水中的部分的腐蚀过程，不能完整体现出船体钢在海水中的腐蚀过程。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种模拟南海海水环境钢腐蚀的模拟方法，其特征在于，利用模拟南海环境下钢腐蚀的腐蚀液模拟南海海水，包括：
步骤1.制备钢试样；
步骤2.对钢试样进行潮湿试验；
步骤3.对钢试样进行干燥试验；
步骤4.循环交替重复步骤2与步骤3的试验；
所述腐蚀液的各组分及质量分数为：Na2SO4 0.06～0.1％、CaCl20.07～0.1％、NaCl 4～5％，余量为去离子水，腐蚀溶液的pH值为4～7；
所述步骤1中，制备钢试样具体包括：用环氧树脂包裹钢试样，树脂与试样边界刷漆，留出25mm×25mm试验平面；
所述步骤2中，模拟南海环境钢腐蚀的腐蚀液以0.01～0.15m/s的流速滴至钢试样试验平面；
所述步骤4中，循环交替重复步骤2与步骤3的试验，每个循环时长为30min，其中步骤2潮湿试验时长为23min，步骤3干燥试验时长为7min。
2.根据权利要求1所述模拟南海海水环境钢腐蚀的模拟方法，其特征在于，所述钢腐蚀中的钢为低合金钢，所述低合金钢为合金元素总量小于5％的合金钢。
3.根据权利要求1所述模拟南海海水环境钢腐蚀的模拟方法，其特征在于，所述步骤2中，对钢试样进行潮湿试验的环境参数为温度30～40℃，相对湿度90～95％。
4.根据权利要求1所述模拟南海海水环境钢腐蚀的模拟方法，其特征在于，所述步骤3中，对钢试样进行干燥试验的环境参数为温度30～40℃，相对湿度90～95％。
5.根据权利要求1所述模拟南海海水环境钢腐蚀的模拟方法，其特征在于，所述步骤1中，试验总时长为24-240h，每24h更换腐蚀溶液。
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