CN1789973A - 一种大气腐蚀加速试验方法及专用试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大气腐蚀试验技术，具体地说是一种大气腐蚀加速试验方法及专用试验装置。采用户外加速试验方法，试验周期为3～4个月，喷雾周期按6:00～18:00和18:00～6:00两个时段分别设定；6:00～18:00时段喷雾间隔时间为10～20分钟，18:00～6:00时段喷雾间隔时间为30～60分钟，每次喷雾延续1～10分钟；通过控制喷头出水压力使雾的液滴尽量细小，以保证水雾能在试样表面形成连续完整的液膜为准，其喷雾耗水量为：1.5～2.5升/分。采用本发明可实现户外加速试验，加速腐蚀试验的结果与大气暴露试验具有较好的相关关系，适用于我国中部、西部和北部地区。

Description

一种大气腐蚀加速试验方法及专用试验装置

技术领域

本发明涉及大气腐蚀试验技术，具体地说是一种大气腐蚀加速试验方法及专用试验装置。

背景技术

在现有技术中，材料的大气腐蚀是涉及面最广的一种腐蚀形式，在设计和使用某种金属材料时，这种金属在使用地区耐大气腐蚀性是不可缺少的重要数据。一般主要依靠大气暴露试验来获得材料的耐大气腐蚀性数据。它是接近使用环境且又真实可靠的试验技术。但是，大气暴露试验周期较长，需要几年，甚至几十年。这对于新材料和新涂层的研制、评价和筛选均十分不利。长期以来，大气腐蚀研究领域一直在寻求一种短期加速试验来模拟和推测户外长期暴露试验的结果，进而预测材料及防护涂层的大气腐蚀行为。

国内外使用的加速试验主要方法有五种，即湿热试验法，盐雾试验法，周期喷雾法，周期浸润法和多因子循环复合法(孙志华，李金桂，李牧铮，材料工程，1995(6)：126)。这些方法都是通过提高试验环境的温度、湿度、腐蚀性介质浓度及增加薄液层存在的时间等途径来达到加速腐蚀的目的，其优点是具有显著地加速性。如日本钢管、住友金属、三菱重工和新日铁等，根据钢材研制的需要，采用湿热试验法，根据不同地区采用不同的腐蚀介质，如对沿海工业地区用H₂O+SO₂+NaCl体系，另加紫外线照射，对沿海清洁地区上述介质中去掉SO₂，而对内地工业区在上述介质中则去掉NaCl。根据大量的试验结果统计分析，上述加速试验方法具有显著的加速性，但腐蚀产物往往与大气暴露试验不一致。比利时学者Pourbaix采用循环浸渍法，并在浸渍时测定腐蚀电位，以纯H₂O代表未污染乡村环境，10^-4MNa₂SO₄代表工业环境，海水稀释10000倍代表海洋环境进行加速腐蚀试验。这种以腐蚀电位变化分析腐蚀产物的形成和抗蚀能力的评估试验的优点是可以快速了解腐蚀初期的表面电化学行为，但结果与实际大气腐蚀相差甚大。为数不多的腐蚀产物一致的例子有在亚硫酸氢钠与氯化钠的混合喷雾介质中锌的腐蚀产物与实际大气暴露试验相同(王振尧，于国才等，中国腐蚀与防护学报，1999，Vol 19(4)：239)。显然，腐蚀产物不同，意味着腐蚀机理不同，两种试验之间也就不存在相关性。有四项主要指标用于加速试验评估：(1)加速程度的快慢，(2)金属间的腐蚀失重顺序与大气暴露的结果相同，(3)腐蚀产物的组成一致，(4)有良好的再现性。评述众多的加速腐蚀试验结果，可认为用人工模拟环境来进行加速腐蚀试验，要获得与实际大气腐蚀相同的腐蚀产物是相当困难的。

尽管国内外已有许多工作研究大气腐蚀加速性试验，但在核心问题即加速试验与大气暴露试验相关性问题上仍然没有取得突破性进展，主要难点在于进行室内加速性试验时，人们主要注重温度、湿度、介质种类及浓度以及紫外线等单项因素的影响，而实际大气腐蚀是在不同地区自然条件下复杂的腐蚀过程，两种情况下的腐蚀产物尤其是初期腐蚀产物很难相一致。而初期腐蚀产物的形成、类型和结构对大气腐蚀后继的发展有关键的作用(T.Aastrup，et al，J.Electrochem.Soc.，2000，147(7)：2543；T.Nishimuraet al，Corrosion SCI，2000，42(8)：1611)。这种腐蚀产物的不一致性是研究金属加速腐蚀试验与大气暴露试验相关性的主要难点之一。由于大气腐蚀实质上是一种凝结在金属表面的薄液层下的电化学腐蚀。在北方地区，这层薄水膜主要来源于昼夜温度差异。白天日照情况下金属表面呈干燥状态，随着夜间温度的降低，金属表面凝结一层薄液膜而呈湿润状态。这种干/湿交替状态经24小时为一个循环周期。不仅薄液膜的厚度、环境湿度和温度影响金属的大气腐蚀行为，大气中有害污染物质的成份、氧气及有害气体的溶解与扩散，离子的迁移和固液界面反应等物理、化学和电化学过程同样影响和制约金属的大气腐蚀规律(A.R.Mendoza et al，CorrosionScience，2000，42(7)：1123；R.Ramanauskas et al，Corrosion，2000，56(6)，588)。要人工模拟这些条件是极为困难的，这是室内加速腐蚀试验与实际大气腐蚀暴露试验相关性不好的根本原因。解决这一问题的有效途径是采用户外加速腐蚀试验，然而，采用户外加速腐蚀试验目前还没有成功的报道。

发明内容

本发明目的是提供一种可实现户外加速试验的大气腐蚀加速试验方法专用试验装置。

本发明技术方案是：

直接利用试验地区实际的自然大气环境，采用户外定时喷雾的方法，人为地加快被测金属表面湿润与干燥周期及延长金属表面润湿时间，达到加快金属腐蚀的目的。具体是：

采用户外加速试验方法，试验周期为3～4个月(以避开雨季和封冻季为原则)，喷雾周期按6:00～18:00和18:00～6:00两个时段分别设定；6:00～18:00时段每隔10～20分钟喷雾1次(不包括喷雾时间)，18:00～6:00时段每隔30～60分钟喷雾1次(不包括喷雾时间)，每次喷雾延续1～10分钟；通过控制喷头出水压力使雾的液滴尽量细小，以保证水雾能在试样表面形成连续完整的液膜为准，其喷雾耗水量为：1.5～2.5升/分；

加速试验装置包括暴露架，配有由水泵和水槽，净水器及带喷头的出水管构成雾化设备，所述水泵与喷雾自动控制装置电连接，其入水管通至水槽底部，水泵的出水管路分为两路，一路经出水管接喷头，另一路作为回水经阀门进入水槽；水槽通过管路和净水器连接在一起(给水泵供水，并存储来自净水器的净水和水泵的回水)，水槽下部设有排水口(用于排掉清理水槽时的废水)，上部设有溢流口，净水器设有出水口(用于排出未净化水和清洗净水器的污水)，净水器的入水口与自来水管路连接。

所述水槽上部加设防尘盖；所述喷头安装在暴露架上方；所述水泵和水槽安装在一柜中，与暴露架同置于大气腐蚀暴露场中；连接所述喷头的水管固定在使喷头与试样的垂直距离为400～500mm的位置；试样随意放置于试验架整个有效喷雾的范围内进行暴露；

所述喷雾自动控制装置由继电器及能按规定时间发出脉冲信号的可编程控制器组成，可编程控制器的工作电源接口L和N分别与220V交流电源的火线和零线连接；信号输入接口I与电源的火线连接；信号输出接口U₁与继电器的线圈一端接口K₁连接；信号输出另一接口U₂与电源的火线连接。继电器的电源输入接口L′和N′分别与220V交流电源的火线和零线连接；线圈另一端接口K₂与电源的零线连接；输出接口M₁和M₂与水泵电连接。

喷雾自动控制程序流程为：先输入启动命令，时钟计时器计时，设T₁为定时时间，当T₁＝Si时，接通继电器，水泵运行，定时计时器计时；否则，返回时钟计时器计时；定时计时器计时情况下，设T₂为持续时间，当T₂为所需喷雾时间时，关断继电器，水泵停止，至时钟计时器计时；否则返回定时计时器计时；

用可编程控制器存储的自动控制程序中计时与定时设定喷雾的起止时间。由继电器接收可编程控制器发出的脉冲信号，通过继电器的闭合与分离控制水泵的开与关。水槽中的水经过水泵加压从喷头喷出成雾，在金属表面形成连续完整的薄液膜。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.采用本发明进行的户外加速腐蚀试验的结果与大气暴露试验具有较好的相关关系，本发明涉及的试验技术，为金属材料进行大气腐蚀性快速评价和寿命预测提供了一种行之有效的方法。

2.本发明适用于我国中部、西部和北部地区。

附图说明

图1是本发明加速试验装置结构示意图。

图2是本发明与加速试验装置中水泵电连接的喷雾自动控制装置电路原理图。

图3是喷雾自动控制程序流程图。

图4是本发明一个实施例A3钢在户外加速腐蚀试验和大气暴露条件下的腐蚀失重随时间的变化曲线。

图5是本发明另一个实施例A3钢在户外加速腐蚀试验和大气暴露条件下的腐蚀失重随时间的变化曲线。

具体实施方式

实施例1

1试样的加工

试验材料为3～5mm厚的金属板材，沿轧制方向加工成100mm×50mm试样。每周期平行试样至少3个，试样表面氧化皮用机械的方法或经酸洗祛除。试样打印钢号后用丙酮除油，再用酒精脱水，置于干燥器中24小时后称取试样原始重量。

本实施例选择试验材料为A3钢板，其化学成分为(质量百分比)C0.2，S0.09，P0.015，Mn0.60，Si0.30。沿轧制方向加工成100mm×50mm×4mm试样。试样表面氧化皮经酸洗祛除。试样打印钢号后用丙酮除油，再用酒精脱水，置于干燥器中24小时后称取试样原始重量。

作为对比，同时进行了大气暴露试验。户外加速试验大气暴露试验对试样、场地和暴露架的要求均参照GB 6464-1997进行。户外大气腐蚀加速试验应在符合GB 6464-1997第4章对试验场要求的大气腐蚀试验场中进行。户外大气腐蚀加速试验装置应距离其他暴露架5米以上，以防止水雾飘落到其他暴露架上的试样上，影响其试验结果。

2加速试验装置

2.1喷雾系统

雾化系统包括如图1所示的水泵6和水槽8，净水器10及带喷头1的出水管2。

选用能连续运转且性能稳定的水泵6，缸体和叶片均为不污染水质的耐蚀材料制作。水槽6可为圆柱体形或长方体形，容积0.6m³。水槽8上部水泵回水入口12(亦为试验介质入口)和溢流口3，水槽8下部有出水口7，水槽8上部加防尘盖。水泵6的入水口通过入水管通至水槽8底部，水泵6的出水口由一个直角三通分为两路，较粗的为回水与一阀门11(回水阀)连接后再与水槽8上部的回水入口12相连，较细的为供水与连接喷头1的水管2相连；两路出水量的大小由回水阀11调节。可采用一般农用喷雾器喷嘴，双孔或三孔均可。连接喷头1的出水管2固定在使喷头1与试样的垂直距离为400～500mm的位置(本实施例为450mm)。并控制雾的液滴尽可能细小，但要保证水雾能在试样表面形成连续完整的液膜为益。喷雾量由水泵出水口处的回水阀11调节，控制在1.5～2.5升/分范围内，(本实施例为2.5升/分)。净水器10安装在试验室内，通过管道与水槽8连接，净水器10设有入水口4、出水口9，出水口9用于排出未净化水和清洗净水器10的污水，净水器10的入水口4与自来水管路连接。

除留有水管和电缆的进出口外，水泵6和水槽8安装在一铁柜中以隔绝雨(雪)和灰尘。

2.2暴露架

参照国标GB 6464-1997制作暴露架。如图1所示的暴露架5的试样面对地平面通常成45°倾斜，其中心与地面的距离为1米。

暴露架5与安装水泵6和水槽8的铁柜均置于大气腐蚀暴露场中。但应保持它们与暴露场中其它暴露架5米以上的距离，以防止水雾飘落到其它暴露架上的试样上，影响其试验结果。

2.3自动喷雾控制系统

如图2所示，喷雾自动控制装置由可编程控制器和继电器组成，可编程控制器与继电器安置在试验室内。用可编程控制器自动控制程序中计时与定时设定喷雾的起止时间。由继电器接收可编程控制器发出的脉冲信号，通过继电器的闭合与分离控制水泵的开与关。水槽中的水经过水泵加压从喷头喷出成雾。

如图2所示的可编程控制器的工作电源接口L和N分别与220V交流电源的火线和零线连接；信号输入接口I与电源的火线连接；信号输出接口U₁与继电器的线圈一端接口K₁连接；信号输出另一接口U₂与电源的火线连接。继电器的电源输入接口L′和N′分别与220V交流电源的火线和零线连接；线圈另一端接口K₂与电源的零线连接；输出接口M₁和M₂与图1所示的水泵6电连接。

如图3所示，喷雾自动控制程序流程为：先输入启动命令，时钟计时器计时，设T₁为定时时间，当T₁＝Si时，接通继电器，水泵运行，定时计时器计时；否则，返回时钟计时器计时；定时计时器计时情况下，设T₂为持续时间，当T₂＝8分钟时，关断继电器，水泵停止，至时钟计时器计时；否则返回定时计时器计时。

3加速试验实施

3.1加速试验启动试验程序

3.1.1喷雾周期的设定

以避开雨季和封冻季为原则，试验的起止时间为秋季的8～10月(本实施例为3个月)。根据昼夜温度和日照的差异，将昼夜分为6:00～18:00和18:00～6:00两个时段分别设定喷雾周期，6:00～18:00时段每10～20分钟喷雾1次(不包括喷雾时间，本实施例为20分钟)，18:00～6:00时段每30～60分钟喷雾1次(不包括喷雾时间，本实施例为60分钟)，每次喷雾延续8分钟。在编程控制器中设定喷雾的起止时间。即图2中时间T₁输入各Si值，T₂设定为8分钟。其中时间T₁各值Si分别设定为：S₁＝6:00，S₂＝6:28，S₃＝6:56，S₄＝7:24，S₅＝7:52，.........S₁₃＝17:12，S₁₄＝17:40，S₁₅＝18:00，S₁₆＝19:08，S₁₇＝20:16，S₁₈＝21:24，.........S₂₃＝3:04，S₂₄＝4:12，S₂₅＝5:20。

3.1.2通入净化水

打开净水器10入水开关，使净化水通过管道进入并充满水槽8。适当关小净水器10入水开关。从水槽8溢流口出来的净化水自然排放到暴露场外的下水道中。

3.1.3定时喷雾检验

检查电路连线及绝缘和接地情况，确认无误后再接通电源并启动喷雾自动控制装置运行程序。

检查喷雾自动控制装置和水泵6是否工作正常，确认工作正常后暂时停止喷雾自动控制装置的运行程序。

3.1.4放置试样

定时喷雾检验完成后，待暴露架完全干燥开始放置试样。试样放置按国标GB 6464-1997进行。

3.1.5启动喷雾自动控制装置运行程序

启动喷雾自动控制装置运行程序开始户外加速试验。

3.2大气暴露试验

根据需要同时进行大气暴露试验，作为与户外加速试验的对比。大气暴露试验按照国标GB 6464-1997进行。大气暴露试验开始时间与户外加速试验时间一致。

3.3采样周期

户外加速试验采样时间为10、28、59和95天；同期进行大气暴露对比试验采样时间分别为10、28、59、95和113天。

将下架试样放入干燥器中待处理。

3.4定期观测检查

每天早晚各检查一次设备运行情况，调整净化水供水量。要定期检查试样，看它们是否要移取，并且记录外观的任何明显变化或出现的特殊情况。应观察试样正、反两面，以发现腐蚀作用的任何差别。定期检查的间隔时间通常是1个月内每天或3～5天进行一次。1个月以后10～20天进行一次。

记录包括：任何腐蚀产物的颜色、状态、均匀性以及它们是附着的还是显示有随试样暴露时间的延长而剥离于表面的倾向。

4试验结果评价

通过目测、X射线衍射分析和质量损失测定来进行试验结果评价。在测定质量损失之前应按照JB/T 6074规定的方法进行清洗。采用失重法计算户外加速腐蚀试验与大气暴露试验腐蚀率，用线性回归方法对结果进行数学分析。其结果评价如下：

本实施例加速试验后的腐蚀产物明显厚于同期的暴露试验的腐蚀产物，3个月后的试样表面粗糙，腐蚀产物出现龟裂剥离的迹象，而暴露试验的试样表面相对平整。质量损失测定结果示于图4，即表示A3钢在户外加速腐蚀试验和大气暴露条件下的腐蚀失重随时间的变化曲线。可见随试验时间延长A3钢在加速试验环境中的腐蚀速率明显大于大气暴露条件下的腐蚀速率，腐蚀规律均可近似为一条直线，腐蚀失重是同期暴露试验的3～4倍。可见户外加速试验具有较好的加速效果。通过对试样表面腐蚀产物X射线衍射分析，加速试验和同期暴露试验后腐蚀产物的主要成分均为γ-FeOOH，其次为Fe₂(SO₄)₃·9H₂O。因此，户外加速腐蚀试验与大气暴露试验结果具有一定的相关关系，并且具有较高的加速倍率。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

试验的起止时间为4～7月，试验周期为4个月，户外加速试验采样时间为10、30、60、90和120天；同期进行大气暴露对比试验采样时间分别为10、30、90、120和180天。6:00～18:00时段喷雾间隔时间为10分钟，18:00～6:00时段喷雾间隔时间为40分钟，每次喷雾延续5分钟，其喷雾耗水量为：2.0升/分；连接所述喷头1的水管2固定在使喷头1与试样的垂直距离为400mm的位置。

T₂设定为5分钟。其中时间T₁各值Si分别设定为：S₁＝6:00，S₂＝6:15，S₃＝6:30，S₄＝6:45，S₅＝7:00，S₆＝7:15，.........S₄₈＝17:45，S₄₉＝18:00，S₅₀＝18:45，S₅₁＝19:30，S₅₂＝20:15，S₅₃＝21:00.........S₆₅＝4:30，S₆₆＝5:15。

其结果参见图5。

实施例3

与实施例2不同之处在于：

试验周期为4个月，户外加速试验采样时间为10、30、60、90和120天；同期进行大气暴露对比试验采样时间分别为10、30、90和120天。6:00～18:00时段喷雾间隔时间为15分钟，18:00～6:00时段喷雾间隔时间为30分钟，每次喷雾延续2分钟，其喷雾耗水量为：1.5升/分；连接所述喷头1的水管2固定在使喷头1与试样的垂直距离为500mm的位置。与所述水泵6相连的出水管2接喷头1为两套。

T₂设定为2分钟。其中时间T₁各值Si分别设定为：S₁＝6:00，S₂＝6:17，S₃＝6:34，S₄＝6:51，S₅＝7:08，S₆＝7:25，S₇＝7:42，.........S₄₀＝17:03，S₄₁＝17:20，S₄₂＝17:37，S₄₃＝18:00，S₄₄＝18:32，S₄₅＝19:04，S₄₆＝19:36，.........S₆₂＝4:08，S₆₃＝4:40，S₆₄＝5:12，S₆₅＝5:44。

其结果参见实施例1。

Claims (8)

1.一种大气腐蚀加速试验方法，其特征在于：采用户外加速试验方法，试验周期为3～4个月，喷雾周期按6:00～18:00和18:00～6:00两个时段分别设定；6:00～18:00时段喷雾间隔时间为10～20分钟，18:00～6:00时段喷雾间隔时间为30～60分钟，每次喷雾延续1～10分钟；通过控制喷头出水压力使雾的液滴尽量细小，以保证水雾能在试样表面形成连续完整的液膜为准，其喷雾耗水量为：1.5～2.5升/分。

2.一种大气腐蚀加速试验方法专用试验装置，包括暴露架(5)，其特征在于：配有由水泵(6)和水槽(8)，净水器(10)及带喷头(1)的出水管(2)构成雾化设备，所述水泵(6)与喷雾自动控制装置电连接，其入水管通至水槽(8)底部，水泵(6)的出水管路分为两路，一路经出水管(2)接喷头(1)，另一路作为回水经阀门(11)进入水槽(8)；水槽(8)通过管路和净水器(10)连接在一起，水槽(8)下部设有排水口(7)，上部设有溢流口(3)，净水器(10)设有入水口(4)、出水口(9)，其入水口(4)与自来水管路连接。

3.按权利要求2所述大气腐蚀加速试验方法专用试验装置，其特征在于：所述水槽(8)上部加设防尘盖。

4.按权利要求2所述大气腐蚀加速试验方法专用试验装置，其特征在于：所述水泵(6)和水槽(8)安装在一柜中，与暴露架同置于大气腐蚀暴露场中。

5.按权利要求2所述大气腐蚀加速试验方法专用试验装置，其特征在于：所述喷雾自动控制装置由继电器及能按规定时间发出脉冲信号的可编程控制器组成，可编程控制器的工作电源接口与220V交流电源的火线和零线连接；信号输入接口与电源的火线连接；信号输出接口与继电器的线圈一端接口连接；信号输出另一接口与电源的火线连接。继电器的电源输入接口与220V交流电源的火线和零线连接；线圈另一端接口与电源的零线连接；输出接口与水泵(6)电连接。

6.按权利要求5所述大气腐蚀加速试验方法专用试验装置，其特征在于：喷雾自动控制程序流程为：先输入启动命令，时钟计时器计时，设T₁为定时时间，当T₁＝Si时，接通继电器，水泵运行，定时计时器计时；否则，返回时钟计时器计时；定时计时器计时情况下，设T₂为持续时间，当T₂为所需喷雾时间时，关断继电器，水泵停止，至时钟计时器计时；否则返回定时计时器计时。

7.按权利要求2所述大气腐蚀加速试验方法专用试验装置，其特征在于：连接所述喷头(1)的水管(2)固定在使喷头(1)与试样的垂直距离为400～500mm的位置。

8.按权利要求1所述大气腐蚀加速试验方法专用试验装置，其特征在于：与所述水泵(6)相连的出水管(2)接喷头(1)可为多套。

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