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  2. 大氣腐蝕在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望
    2023-02-07 17:10:07 作者:周夢(mèng)鑫,吳軍等 來(lái)源:腐蝕與防護(hù) 分享至:

     

     

     

    近年來(lái),隨著我國(guó)眾多公路、鐵路、橋梁和相配套設(shè)備的完工,其后期的運(yùn)行維護(hù)成為大家關(guān)注的焦點(diǎn),各種設(shè)施維護(hù)面臨的首要問(wèn)題就是材料腐蝕。我國(guó)每年因金屬材料的腐蝕造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失,材料腐蝕由于其隱蔽性和破壞力已經(jīng)成為影響國(guó)民安全和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素。

    其中,大氣腐蝕是自然環(huán)境下最為常見(jiàn)的腐蝕形式,它是基于材料和大氣環(huán)境的相互作用而發(fā)生的電化學(xué)腐蝕,通常是由潮氣在物體表面形成薄液膜,當(dāng)液膜到達(dá)一定的厚度時(shí),變成電化學(xué)腐蝕所需的電解質(zhì)膜,進(jìn)而發(fā)生腐蝕導(dǎo)致材料失效。大氣腐蝕在金屬腐蝕中是數(shù)量最多、覆蓋面最廣、破壞性最大的一種腐蝕,普遍存在于各種基礎(chǔ)設(shè)施、交通運(yùn)輸、能源化工、軍事設(shè)備等領(lǐng)域之中。

     

     

    為了保證各種設(shè)備設(shè)施的正常運(yùn)行,預(yù)防重大安全事故的發(fā)生,可以使用各種腐蝕在線監(jiān)測(cè)設(shè)備來(lái)對(duì)其腐蝕狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),對(duì)其服役性能進(jìn)行快速判斷。腐蝕在線監(jiān)測(cè)是指在不影響設(shè)備設(shè)施正常運(yùn)行的情況下,不間斷的測(cè)量材料的腐蝕狀態(tài)。大氣腐蝕在線監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)的高鐵、橋梁、電力設(shè)施、輸油管道等行業(yè)中廣泛運(yùn)用,發(fā)揮著不可替代的作用。

    隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和大數(shù)據(jù)信息時(shí)代的來(lái)臨,Li等提出了腐蝕大數(shù)據(jù)的概念,而腐蝕在線監(jiān)測(cè)得到的大量數(shù)據(jù)作為腐蝕大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ),需要使監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)更多、更全、更準(zhǔn)確。因此,對(duì)大氣腐蝕在線監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究與改進(jìn)勢(shì)在必行。

    工業(yè)中常見(jiàn)的腐蝕評(píng)價(jià)方法主要是掛片失重法,即通過(guò)計(jì)算掛片前后的重量變化來(lái)計(jì)算腐蝕速率,通過(guò)分析樣品表面的狀態(tài)與腐蝕產(chǎn)物來(lái)獲取其中的腐蝕信息,這個(gè)過(guò)程漫長(zhǎng)而且沒(méi)有實(shí)時(shí)性。

    大氣腐蝕監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)方法大部分是基于電化學(xué)原理,電化學(xué)分析方法的發(fā)展為大氣腐蝕在線監(jiān)測(cè)提供了新思路,發(fā)展出了電化學(xué)探針?lè)ā㈦娀瘜W(xué)阻抗譜法、弱極化法、電化學(xué)噪聲分析法等眾多在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。

    目前大氣腐蝕監(jiān)測(cè)中常用的是電偶型ACM傳感器,它具有制作簡(jiǎn)單、分析方便等優(yōu)點(diǎn)。除此之外,其它科技的發(fā)展也為大氣腐蝕在線監(jiān)測(cè)技術(shù)提供了新的方向,發(fā)展出了許多新型腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù),如超聲波法、聲發(fā)射法、分光光度法、光纖腐蝕傳感器。先進(jìn)的大氣腐蝕在線監(jiān)測(cè)技術(shù)無(wú)疑是認(rèn)識(shí)腐蝕、控制腐蝕的重要手段,也是保障各種工業(yè)設(shè)施安全運(yùn)行的基本技術(shù)保障。

    新的大氣腐蝕在線監(jiān)測(cè)技術(shù)希望能更好地反映各種材料在大氣中的實(shí)際腐蝕情況并且得到更多有意義的數(shù)據(jù)。本文從大氣環(huán)境下金屬腐蝕在線監(jiān)測(cè)和涂層腐蝕在線監(jiān)測(cè)兩方面對(duì)大氣腐蝕的在線監(jiān)測(cè)發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行綜述,并指出了大氣腐蝕在線監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)階段的重難點(diǎn)問(wèn)題和未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

     

     

    大氣環(huán)境金屬腐蝕在線監(jiān)測(cè)



     

     

     01

     

     

     

     

     

    電阻探針?lè)?/strong>

     

     

     

    電阻探針在1928年第一次應(yīng)用于大氣腐蝕研究,經(jīng)過(guò)幾十年的實(shí)際應(yīng)用,在不同環(huán)境中監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性也已經(jīng)被多方面驗(yàn)證。
    王一品等將電阻探針大氣腐蝕的結(jié)果與掛片失重法的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,表明在5 ℃≤T≤35 ℃且相對(duì)濕度RH≥60%的大氣環(huán)境中,相比腐蝕掛片法,電阻探針技術(shù)有較好的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)效果。
    陳心欣等將電阻探針用于室內(nèi)循環(huán)鹽霧加速試驗(yàn),并與傳統(tǒng)金屬掛片的結(jié)果進(jìn)行了比較分析,論證了電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在循環(huán)鹽霧腐蝕試驗(yàn)中應(yīng)用的可行性。
    電阻探針的原理已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒欤瑧?yīng)用的范圍也非常廣,當(dāng)前研究的重點(diǎn)是如何提高該方法監(jiān)測(cè)結(jié)果的精度。由于電阻探針的測(cè)量電阻大小處于微電阻級(jí)別,因此改進(jìn)該方法的關(guān)鍵之一就是減少微電阻測(cè)量的誤差。
    第一種方法是放大測(cè)量信號(hào)而不增大探針厚度,該方法目前已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用,我國(guó)在天然氣管道、海上風(fēng)力發(fā)電等處都已經(jīng)有使用。
    第二種方法是對(duì)電阻探針進(jìn)行溫度補(bǔ)償,由于金屬電阻率受環(huán)境溫度的影響很大,所以通過(guò)溫度補(bǔ)償來(lái)消除溫度帶來(lái)的電阻率波動(dòng)非常重要。
    柏任流等研究表明,異種金屬間的接觸電勢(shì)和溫差電勢(shì)差是造成測(cè)量數(shù)據(jù)溫度漂移的主要原因,采用交變激勵(lì)源對(duì)溫漂效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償,極大降低了電阻探針內(nèi)部接觸電勢(shì)產(chǎn)生的溫差效應(yīng),使腐蝕速率的測(cè)量精度顯著提高,并且成功應(yīng)用于油氣管道監(jiān)測(cè)。
    除此之外,鄭麗群從電阻探針監(jiān)測(cè)過(guò)程中產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差出發(fā),分析討論了誤差產(chǎn)生的原因,并且建立了有效的回歸模型來(lái)消除誤差,使得測(cè)量的曲線更為穩(wěn)定,測(cè)得的結(jié)果更加精確。
    電阻探針適合于監(jiān)測(cè)均勻腐蝕,對(duì)于局部腐蝕與點(diǎn)蝕還難以表征,在腐蝕嚴(yán)重的環(huán)境中,電阻探針的表現(xiàn)并不理想。
    田云航設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于腐蝕性較強(qiáng)的大氣環(huán)境中的腐蝕監(jiān)測(cè)儀,采用化學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)薄膜的沉積,探頭為靈敏度較高的薄膜電阻探針,并對(duì)典型環(huán)境中的腐蝕監(jiān)測(cè)靈敏度和精度進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)在變溫環(huán)境中,薄膜探針比絲狀探針具有更高的靈敏度。

     

     

    除此之外也有越來(lái)越多的學(xué)者將電阻探針與其他技術(shù)結(jié)合使用,收到了更好的效果。Liang等將電阻探針?lè)ㄅc電化學(xué)測(cè)量結(jié)合起來(lái),設(shè)計(jì)了一種新穎的腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能夠有效地提高局部腐蝕的測(cè)量精度。

     

     

    02

     

     

     

    電偶腐蝕電池

     

     

     

    電偶腐蝕電池是基于腐蝕電化學(xué)中電偶腐蝕原理而設(shè)計(jì),通常由Cu、Fe、Ag等不同的材料多片交替排列的電極構(gòu)成,現(xiàn)階段多為雙電極組合,是一種較為典型的大氣腐蝕監(jiān)測(cè)裝置,也稱為ACM型腐蝕監(jiān)測(cè)裝置。ACM具有監(jiān)測(cè)簡(jiǎn)單,技術(shù)成熟,信號(hào)響應(yīng)靈敏等多方面的優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)階段的腐蝕在線監(jiān)測(cè)中使用最廣泛,在汽車(chē)、橋梁、電網(wǎng)等各行各業(yè)中都已經(jīng)有應(yīng)用實(shí)例。
    Daisuke等將ACM用于對(duì)汽車(chē)環(huán)境進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)和材料選擇,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明ACM監(jiān)測(cè)輸出的電量結(jié)果與試樣腐蝕速率有良好的相關(guān)性,可以應(yīng)用于汽車(chē)環(huán)境,由此可以確定各零件的腐蝕原因,估算腐蝕速率,進(jìn)行腐蝕壽命預(yù)測(cè)。
    章興德使用Fe/Ag電偶腐蝕電池監(jiān)測(cè)了該電偶電極上的Fe在海洋大氣環(huán)境下的的腐蝕行為,表明用ACM測(cè)得的海鹽粒子重量和濕度頻率圖數(shù)據(jù)作為判斷不銹鋼生銹可能性的環(huán)境條件有參考作用。
    Jin等將ACM用于鋼箱構(gòu)件的大氣腐蝕監(jiān)測(cè),并根據(jù)腐蝕監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了腐蝕速率評(píng)估與腐蝕等級(jí)評(píng)定,證明了ACM對(duì)于鋼箱構(gòu)件的監(jiān)測(cè)是有效的。
    姚鑫等針對(duì)電網(wǎng)設(shè)備,采用兩種具有明顯電位差的絲狀電極制成ACM,通過(guò)實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)大氣環(huán)境測(cè)量結(jié)果的比對(duì),表明該電偶腐蝕傳感器對(duì)電偶腐蝕電流變化和環(huán)境濕度有較好的一致性,對(duì)NaCl薄液膜腐蝕和SO2氣體腐蝕有較高的敏感度。
    張朝生采用Fe/Ag雙電極的ACM對(duì)耐候性鋼橋不同部位進(jìn)行了監(jiān)測(cè),表明試樣的厚度減少和ACM的平均電量有著對(duì)應(yīng)的關(guān)系,由此對(duì)不同部位的耐蝕性進(jìn)行了壽命預(yù)測(cè)。
    但ACM的缺點(diǎn)也是顯而易見(jiàn)的:一是得到的材料腐蝕結(jié)果不夠真實(shí),需要驗(yàn)證準(zhǔn)確性;二是隨著監(jiān)測(cè)的進(jìn)行,銹層變厚之后,監(jiān)測(cè)的靈敏度會(huì)降低,不適合進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。
    王軍等通過(guò)大氣暴曬試驗(yàn)和ACM技術(shù)研究了碳鋼在湖南大氣環(huán)境中的腐蝕行為,測(cè)得的ACM累計(jì)電量與Q235鋼大氣腐蝕速率之間符合線性關(guān)系,認(rèn)為ACM技術(shù)可用于碳鋼大氣腐蝕的行為預(yù)測(cè),成功驗(yàn)證了ACM的準(zhǔn)確性。
    與傳統(tǒng)的雙電極相比,基于電偶多電極體系的電偶腐蝕監(jiān)測(cè)具有更穩(wěn)定、更精確的優(yōu)點(diǎn)。油氣管道中,由于管道內(nèi)外的溫差,水蒸氣在管壁頂部凝結(jié),造成管道頂部比底部腐蝕更嚴(yán)重,稱為頂部腐蝕,這種腐蝕的監(jiān)測(cè)比較困難。

     

     

    蔡伊揚(yáng)等設(shè)計(jì)了一種多電極體系的新型傳感器,該新型傳感器為3×3陣列電極傳感器,即九個(gè)試片按照3×3陣列排列,周?chē)?個(gè)為X65管線鋼,中間1個(gè)試片為304不銹鋼,這種多電極傳感器可以有效測(cè)得液滴分布位置、液滴在金屬表面滯留時(shí)間等傳統(tǒng)傳感器難以獲取的影響頂部腐蝕的關(guān)鍵信息,可以更有效地監(jiān)測(cè)頂部腐蝕的局部腐蝕現(xiàn)象。

     

     

    03

     

     

     

    電化學(xué)阻抗譜

     

     

     

    電化學(xué)阻抗譜 (EIS) 應(yīng)用廣泛,在大氣腐蝕、海水腐蝕、熔鹽環(huán)境腐蝕和混凝土腐蝕等方面都有應(yīng)用。
    在不同的環(huán)境下,電化學(xué)阻抗譜需要有不同的等效電路模型進(jìn)行擬合,模型是否合適直接影響監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。
    Liao等使用EIS技術(shù)對(duì)青銅在大氣腐蝕下的腐蝕進(jìn)行了研究,并且根據(jù)結(jié)果得到了較好的擬合模型,可以進(jìn)一步應(yīng)用于大氣腐蝕監(jiān)測(cè)。
    Shitanda等將電化學(xué)阻抗譜用于線路板的大氣腐蝕監(jiān)測(cè),表明實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以用兩個(gè)等效電路進(jìn)行模擬,而且還在含S的氣體環(huán)境下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果也比較理想,由此可以推出該基于電化學(xué)阻抗譜的傳感器可以適用于電路板的多種腐蝕環(huán)境。
    該監(jiān)測(cè)方法主要的問(wèn)題在于實(shí)際監(jiān)測(cè)時(shí)得到的數(shù)據(jù)常會(huì)有較大波動(dòng),并且把得到的阻抗譜依據(jù)等效電路模型進(jìn)行擬合時(shí),常會(huì)沒(méi)有緊密的關(guān)系,使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析變得困難,難以獲得有用的腐蝕信息。而且,該監(jiān)測(cè)方法數(shù)據(jù)分析的標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有統(tǒng)一,現(xiàn)階段廣為認(rèn)可的方法是將低頻阻抗與高頻阻抗分別進(jìn)行腐蝕信息提取。
    Nishikata等用電化學(xué)阻抗技術(shù)對(duì)自然大氣環(huán)境下的含鎳鋼腐蝕進(jìn)行了監(jiān)測(cè),提出通過(guò)連續(xù)測(cè)量極化電阻與低頻阻抗來(lái)監(jiān)測(cè)鋼的瞬時(shí)腐蝕速率,并通過(guò)高頻阻抗來(lái)確定鋼表面的濕潤(rùn)時(shí)間,此外采用了電化學(xué)阻抗技術(shù)對(duì)耐候鋼在自然大氣環(huán)境下的1~2年的監(jiān)測(cè),用分布式等效電路成功對(duì)得到的阻抗譜進(jìn)行了擬合。為了驗(yàn)證結(jié)果的正確性,將失重得到的平均腐蝕速率與阻抗譜的半年數(shù)據(jù)與一年數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較,表明有很好的相關(guān)性。
    除此之外,將電化學(xué)阻抗譜和其他實(shí)驗(yàn)和方法結(jié)合起來(lái)是發(fā)展趨勢(shì),一是可以提高EIS的結(jié)果準(zhǔn)確性,二是能夠應(yīng)用于更多樣的腐蝕環(huán)境。
    He等提出了一種將電化學(xué)阻抗譜測(cè)試與腐蝕疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)合起來(lái)同時(shí)進(jìn)行的新型裝置,用相位角的變化可以用來(lái)監(jiān)測(cè)腐蝕疲勞裂紋的形成,建立了腐蝕疲勞裂紋阻抗模型,該模型結(jié)果與人工裂紋試驗(yàn)十分吻合。這種方法相較于單純的電化學(xué)阻抗譜,能夠得到更多的疲勞腐蝕信息。

     

     

    孫曉光等同時(shí)用電化學(xué)阻抗技術(shù)和薄膜電阻探針技術(shù)對(duì)高速列車(chē)的高速動(dòng)載工況進(jìn)行了腐蝕監(jiān)測(cè),并利用了無(wú)線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)高速動(dòng)車(chē)組的長(zhǎng)期腐蝕監(jiān)測(cè),更全面的掌握車(chē)輛的關(guān)鍵材料服役情況。

     

     

    04

     

     

     

    電化學(xué)噪聲

     

     

     

     

     

    電化學(xué)噪聲 (EN) 在測(cè)量過(guò)程中不會(huì)對(duì)被測(cè)電極施加額外的擾動(dòng)、無(wú)需建立電極過(guò)程模型、設(shè)備簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)等,在腐蝕領(lǐng)域被廣泛地研究。電化學(xué)噪聲通常可分為電壓噪聲和電流噪聲,分析方法包括頻域分析和時(shí)域分析,電化學(xué)噪聲在線監(jiān)測(cè)技術(shù)通常也是從這些方面進(jìn)行分析。

    劉曉磊等和韓磊等用電化學(xué)噪聲法對(duì)鋁合金的大氣腐蝕過(guò)程進(jìn)行研究,表明腐蝕電流噪聲與金屬表面的點(diǎn)蝕與鈍化膜的修復(fù)有著密切關(guān)聯(lián),通過(guò)電位和電流噪聲信號(hào)及噪聲電阻變化可以對(duì)鋁合金大氣腐蝕過(guò)程進(jìn)行有效檢測(cè)。

    夏大海等采用電化學(xué)噪聲技術(shù)對(duì)大氣環(huán)境下不同腐蝕狀態(tài)的316L不銹鋼試片進(jìn)行了EN檢測(cè),通過(guò)對(duì)EN特征參數(shù)如電壓噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差、電流噪聲標(biāo)準(zhǔn)偏差、譜噪聲電阻、噪聲電阻和腐蝕速率的研究比對(duì),發(fā)現(xiàn)了較好的相關(guān)性,并由此建立了EN電化學(xué)等效電路模型,為大氣環(huán)境下金屬材料的EN檢測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

    應(yīng)用EN可以測(cè)量腐蝕速率、判斷腐蝕類型、監(jiān)測(cè)材料腐蝕情況,在局部腐蝕領(lǐng)域的研究有很大的進(jìn)展,李鴻瑾等用EN技術(shù)對(duì)X70管線鋼的腐蝕過(guò)程進(jìn)行了研究,表明電流噪聲的幅值大小在一定程度上可以反映局部腐蝕發(fā)展情況。

    電化學(xué)噪聲中的信息很多,現(xiàn)在利用的程度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠,下一步的研究趨勢(shì)還是希望可以引入更有效的數(shù)學(xué)方法對(duì)電化學(xué)噪聲進(jìn)行分析,進(jìn)而從電化學(xué)噪聲中提取更多的腐蝕定量信息。

    Xia等將EN與薄絕緣網(wǎng)相結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種新型電化學(xué)噪聲傳感器用于監(jiān)測(cè)金屬的大氣腐蝕,認(rèn)為電化學(xué)噪聲下一步的工作應(yīng)該集中在EN數(shù)據(jù)與失真數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)性,并且力求定量的用EN來(lái)表征腐蝕速率。

    Ma等設(shè)計(jì)了以EN為基礎(chǔ)的傳感器監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)EN對(duì)大氣腐蝕進(jìn)行監(jiān)測(cè)和量化,認(rèn)為應(yīng)用EN技術(shù)對(duì)大氣腐蝕監(jiān)測(cè)進(jìn)行動(dòng)態(tài)半定量分析具有廣闊的應(yīng)用前景。

     

     

    國(guó)內(nèi)外當(dāng)前對(duì)電化學(xué)噪聲的研究主要還是集中在噪聲的提取與結(jié)果的分析上,但是對(duì)于電化學(xué)噪聲產(chǎn)生的機(jī)理研究還非常不足,這也使得電化學(xué)噪聲監(jiān)測(cè)的分析結(jié)果是否正確有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

    05

     

     

     

    表面超聲波技術(shù)

     

     

     

    表面超聲波技術(shù)具有無(wú)損監(jiān)測(cè)、準(zhǔn)確性高、反應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì),一般用于大的橋梁鋼筋結(jié)構(gòu)大氣腐蝕與管道腐蝕的在線監(jiān)測(cè),超聲波腐蝕監(jiān)測(cè)的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題在于設(shè)備的檢測(cè)速率。
    表面超聲波技術(shù)一般利用回饋的超聲振幅、峰值、頻域等因素進(jìn)行腐蝕情況分析,其采集的數(shù)據(jù)并不全面,屬于非電化學(xué)監(jiān)測(cè)手段,無(wú)法解析出腐蝕的電化學(xué)信息,并且在復(fù)雜的腐蝕環(huán)境下,由于干擾因素多,得到的超聲波時(shí)常紊亂而難以分析,對(duì)微觀的變化也不夠靈敏,在大氣腐蝕監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用因此受到很大的限制,一般只用于監(jiān)測(cè)腐蝕初期的情況或者對(duì)腐蝕的階段進(jìn)行判斷,在腐蝕后期的應(yīng)用有待進(jìn)一步研究。
    Liu等開(kāi)發(fā)出了一種可以用于鋼筋腐蝕損傷監(jiān)測(cè)的嵌入式壓電超聲監(jiān)測(cè)儀,并且進(jìn)行了不同腐蝕實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證該儀器的腐蝕監(jiān)測(cè)能力,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:腐蝕初期的超聲振幅和峰值會(huì)隨著腐蝕時(shí)間的增加而減少,當(dāng)出現(xiàn)腐蝕損傷時(shí),超聲波譜中會(huì)出現(xiàn)與其對(duì)應(yīng)的波包,頻域譜中的峰值幅度隨著腐蝕速率的增加而減小。但是隨著腐蝕進(jìn)行,損傷越來(lái)越多,超聲波的傳輸規(guī)律變得更加復(fù)雜,得到的波譜變得難以分析。
    超聲波測(cè)厚是超聲波技術(shù)的一個(gè)重要分支,通過(guò)超聲波測(cè)量材料的厚度變化來(lái)監(jiān)測(cè)材料的腐蝕情況,廣泛地應(yīng)用于管道腐蝕中,該方法存在的主要問(wèn)題是誤判率高、運(yùn)算量巨大。
    Zou等提出了一種基于超聲波壁厚測(cè)量的腐蝕過(guò)程檢測(cè)統(tǒng)計(jì)方法,使得超聲波腐蝕監(jiān)測(cè)的結(jié)果更精準(zhǔn),極大地促進(jìn)了超聲波腐蝕在線監(jiān)測(cè)的相關(guān)研究。

     

     

    另外,根據(jù)超聲波模態(tài)特性的變化也可以對(duì)腐蝕進(jìn)行監(jiān)測(cè)。Subhra等將高功率超聲波與先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合,用于鋼筋結(jié)構(gòu)的大氣腐蝕情況監(jiān)測(cè),根據(jù)不同腐蝕階段引起的超聲模態(tài)特性變化對(duì)腐蝕情況進(jìn)行判斷,并對(duì)初期的腐蝕情況進(jìn)行了分類,然而對(duì)不同時(shí)期腐蝕與更精確的對(duì)應(yīng)關(guān)系還需要進(jìn)一步研究來(lái)量化。

     

     

    06

     

     

     

    石英晶體微天平技術(shù)

     

     

     

     

     

    石英晶體微天平 (QCM) 是最有效的測(cè)量大氣腐蝕速率的方法之一。在大氣腐蝕中應(yīng)用具有原位監(jiān)測(cè)、靈敏度高、成本低等優(yōu)勢(shì),但是無(wú)法對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行定性分析,不能從電化學(xué)動(dòng)力學(xué)等微觀角度分析腐蝕,這是QCM應(yīng)用于大氣腐蝕的局限性。

    QCM在大氣腐蝕中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣,最早是由Forslund等設(shè)計(jì)了一種基于QCM大氣腐蝕監(jiān)測(cè)設(shè)備,采用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)該方法可以靈敏地感知Cu、Ag等金屬在大氣環(huán)境中的腐蝕質(zhì)量變化。

    萬(wàn)曄等將其成功應(yīng)用于研究鋁的大氣腐蝕行為,揭示了鹽的潮解性對(duì)鋁腐蝕的影響規(guī)律,表明在大氣環(huán)境下,鹽沉積后鋁腐蝕的程度與鹽的潮解性能有關(guān),潮解性能越大,腐蝕越嚴(yán)重。

    王鳳平等利用QCM研究了Zn在薄液膜下CO2濃度對(duì)其大氣腐蝕的影響,得到了金屬Zn在不同CO2濃度條件下的腐蝕增質(zhì)方程。

    近年來(lái),將QCM和其他的技術(shù)手段結(jié)合起來(lái)成為了大家的共識(shí),并已經(jīng)取得了許多的成果。QCM與電化學(xué)方法結(jié)合起來(lái)得到的電化學(xué)石英晶體微天平 (EQCM) 發(fā)展迅猛,對(duì)金屬在薄液膜下大氣腐蝕的研究具有重要的意義。

    屈慶等利用QCM原位研究了Zn的大氣腐蝕,探討了該條件下Zn的大氣腐蝕規(guī)律。基于QCM的局限性,提出將QCM與電化學(xué)技術(shù)結(jié)合起來(lái)就可以從宏觀和微觀同時(shí)對(duì)腐蝕情況進(jìn)行分析,這樣可以得到更好的監(jiān)測(cè)效果。

    Wan等將QCM與電化學(xué)阻抗譜結(jié)合對(duì)銅的初始大氣腐蝕進(jìn)行了研究,并與有NaCl沉積的情況進(jìn)行對(duì)比,表明NaCl沉積的大氣腐蝕與正常情況下的大氣腐蝕動(dòng)力學(xué)完全相反。

     

     

    QCM除了與電化學(xué)方法結(jié)合外,與紅外光譜聯(lián)用也得到了廣泛的關(guān)注,這種有機(jī)的結(jié)合,可以同時(shí)研究金屬大氣腐蝕的動(dòng)力學(xué)行為和金屬大氣腐蝕的微觀機(jī)制。Zakipour等將QCM與紅外光譜結(jié)合,得到新的體系,可以同時(shí)監(jiān)測(cè)到大氣腐蝕過(guò)程中的金屬材料表面化學(xué)物質(zhì)的變化和質(zhì)量的改變。

    07

     

     

     

    射頻識(shí)別技術(shù)

     

     

     

     

     

    射頻識(shí)別技術(shù) (RFID) 相較于其他的監(jiān)測(cè)方法,現(xiàn)有的研究還并不充分,充分挖掘后的應(yīng)用前景非常廣闊。

    Yasri等利用射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)鋅和鋁的大氣腐蝕情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè),根據(jù)射頻信號(hào)中的電磁波強(qiáng)度變化,對(duì)被測(cè)物體的局部腐蝕和均勻腐蝕進(jìn)行了區(qū)分,而且在對(duì)鋅和鋁的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中點(diǎn)蝕的產(chǎn)生和質(zhì)量損失分析提出了清晰的見(jiàn)解,認(rèn)為射頻識(shí)別技術(shù)對(duì)大氣腐蝕監(jiān)測(cè)有很廣闊的應(yīng)用前景。

    Zhang等用無(wú)源高頻傳感器對(duì)鋼的大氣腐蝕進(jìn)行了識(shí)別與表征,將得到的復(fù)阻抗用于低碳鋼的大氣腐蝕評(píng)估,用復(fù)阻抗不同的虛部和實(shí)部來(lái)說(shuō)明了低碳鋼處于的不同腐蝕階段,該方法對(duì)早期1~2年的腐蝕有較好的評(píng)估效果,但是對(duì)長(zhǎng)期的腐蝕監(jiān)測(cè)不太敏感,還需要進(jìn)一步改進(jìn)。 

     

     

    大氣環(huán)境涂層腐蝕在線監(jiān)測(cè)



    01

     

     

     

    電化學(xué)監(jiān)測(cè)方法

     

     

     

    涂層下金屬的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕,因此在涂層的失效過(guò)程中總伴隨著一系列的電化學(xué)反應(yīng),對(duì)涂層進(jìn)行電化學(xué)監(jiān)測(cè)仍然是最有效的方法。電化學(xué)方法可以對(duì)涂層的防護(hù)機(jī)理進(jìn)行研究,并且實(shí)現(xiàn)對(duì)涂層耐蝕性的定量評(píng)價(jià),其中EIS是研究涂層失效最常用也最有效的方法。
    國(guó)內(nèi)外使用EIS進(jìn)行涂層大氣腐蝕在線監(jiān)測(cè)的技術(shù)已經(jīng)比較成熟,相應(yīng)的分析方法也很多樣。
    Hamlaoui等通過(guò)電化學(xué)阻抗譜監(jiān)測(cè)鍍鋅涂層的腐蝕,還進(jìn)行了一些與原子吸收光譜耦合的真實(shí)浸沒(méi)測(cè)試,并作為電化學(xué)方法的補(bǔ)充監(jiān)測(cè)技術(shù),最后得到的阻抗譜結(jié)果與原子吸收光譜結(jié)果相互映證。
    董葉語(yǔ)設(shè)計(jì)了一種基于壓電阻抗法的涂層大氣腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù),選取涂層阻抗虛部值與相位角的正弦值的乘積作為涂層保護(hù)性的評(píng)價(jià)表征,得到的結(jié)果與以往的實(shí)驗(yàn)情況一致。
    電化學(xué)噪聲、極化電位等電化學(xué)方法也被應(yīng)用于涂層下的腐蝕在線監(jiān)測(cè)。
    Su等用電化學(xué)噪聲法對(duì)大氣環(huán)境中的聚氨酯面漆/環(huán)氧底漆涂層體系進(jìn)行了腐蝕監(jiān)測(cè),表明測(cè)得的電化學(xué)噪聲參數(shù)的變化趨勢(shì)與電化學(xué)阻抗譜實(shí)驗(yàn)得到的低頻阻抗模量的變化趨勢(shì)一致,并且成功用噪聲平均電荷與噪聲頻率來(lái)表征了涂層下的腐蝕過(guò)程。

     

     

    梁義等設(shè)計(jì)了一種基于極化電位的涂層腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng),根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的腐蝕電位狀況,對(duì)涂層的腐蝕狀況進(jìn)行分析。但是與EIS測(cè)得的結(jié)果相比較,該方法得到的腐蝕信息顯得單薄,并且不夠穩(wěn)定。

     

     

    02

     

     

     

    非電化學(xué)監(jiān)測(cè)方法

     

     

     

    除了電化學(xué)方法,利用顯色劑和熒光劑等對(duì)涂層的腐蝕進(jìn)行監(jiān)測(cè)也得到了廣泛了應(yīng)用。不同熒光劑對(duì)涂層腐蝕的靈敏度與準(zhǔn)確度是研究的重點(diǎn)。
    鞠鵬飛等選用8-羥基喹啉、桑色素和香豆素三種熒光指示劑對(duì)鋁合金的涂層腐蝕進(jìn)行了監(jiān)測(cè),結(jié)果表明,8-羥基喹啉和香豆素兩種熒光指示劑都能準(zhǔn)確的標(biāo)定出腐蝕的位點(diǎn),并且將腐蝕的程度根據(jù)熒光點(diǎn)的亮度、大小和數(shù)量直觀地反映出來(lái),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金涂層的失效監(jiān)測(cè),但是該方法的缺點(diǎn)在于熒光劑和顯色劑的添加可能會(huì)影響涂層的防腐能力。
    Lv等設(shè)計(jì)了一種羅丹明B酰腙熒光探針來(lái)進(jìn)行涂層的腐蝕監(jiān)測(cè),以熒光的形式準(zhǔn)確地定位了腐蝕部位和涂層缺陷,同時(shí)該探針的片狀形貌和彌散分布還會(huì)增強(qiáng)涂層的屏蔽性能。
    還有根據(jù)數(shù)字圖像技術(shù)和色度學(xué)的相關(guān)原理,利用涂層不同時(shí)期的色彩與圖像變化進(jìn)行涂層失效判定的監(jiān)測(cè)方法。

     

     

    陶蕾設(shè)計(jì)了一種基于圖像顏色特征的涂層體系老化失效檢測(cè)方法,對(duì)舟山海洋大氣及海水飛濺環(huán)境中暴露不同時(shí)期的聚氨酯涂層、聚氨酯復(fù)合涂層以及納米陶瓷涂料復(fù)合涂層3種涂層材料試樣的腐蝕形貌圖像進(jìn)行了采集。提出了圖像顏色的特征參數(shù),并且與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好的契合,3種涂層材料中,納米陶瓷涂料復(fù)合涂層最耐蝕,聚氨酯涂層試樣腐蝕最嚴(yán)重。

     

     

    03

     

     

     

    不同監(jiān)測(cè)方法相結(jié)合

     

     

     

    將不同的腐蝕監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合可以更準(zhǔn)確地反映涂層下的腐蝕狀態(tài),比如將電化學(xué)監(jiān)測(cè)方法與其他非電化學(xué)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行結(jié)合,又或者同時(shí)進(jìn)行兩種或多種電化學(xué)監(jiān)測(cè)等。
    Latif等設(shè)計(jì)了一種可以同時(shí)對(duì)涂層進(jìn)行線性極化監(jiān)測(cè)和涂層應(yīng)力行為監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),通過(guò)腐蝕加速實(shí)驗(yàn)和涂層失效實(shí)驗(yàn)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)了各種腐蝕粒子的擴(kuò)散和應(yīng)力的發(fā)展跟涂層下腐蝕失效的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
    不同的電化學(xué)方法得到的腐蝕信息不同,將他們結(jié)合起來(lái)得到的腐蝕信息會(huì)更加立體。
    劉繼慧等對(duì)同一涂層同時(shí)進(jìn)行了電化學(xué)阻抗譜和電化學(xué)噪聲的監(jiān)測(cè),電化學(xué)阻抗譜的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確的反映涂層的破壞機(jī)制變化,而電化學(xué)噪聲的數(shù)據(jù)處理更為簡(jiǎn)單,兩種結(jié)果可以相互補(bǔ)充與印證。結(jié)果表明:對(duì)于薄的聚氨酯和環(huán)氧聚酰胺涂層,腐蝕反應(yīng)的極化電阻與噪聲電阻的值更接近,變化也基本相同。

    總結(jié)與展望



    目前,大氣腐蝕在線監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步,但還存在以下問(wèn)題:
    (1) 現(xiàn)有的在線監(jiān)測(cè)方法雖然豐富,但還存在數(shù)據(jù)采集不夠穩(wěn)定、數(shù)據(jù)分析方法不夠多樣、建立的模型不夠準(zhǔn)確等問(wèn)題,有待進(jìn)一步研究完善。
    (2) 各種新型材料的出現(xiàn)和對(duì)各種嚴(yán)酷環(huán)境的探索,使材料大氣腐蝕的情況更加復(fù)雜,對(duì)以往的在線監(jiān)測(cè)方法提出了新要求。
    (3) 現(xiàn)代科技的發(fā)展為腐蝕在線監(jiān)測(cè)提供了新的思路和方法。例如圖像識(shí)別技術(shù)的發(fā)展,讓我們可以直接對(duì)試樣的腐蝕表面進(jìn)行信息提取,希望通過(guò)一張宏觀照片便可以對(duì)腐蝕情況進(jìn)行定性與定量分析。

     

     

    另外,大氣環(huán)境腐蝕的在線聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)是當(dāng)前發(fā)展的重點(diǎn),傳統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng),無(wú)法及時(shí)獲得腐蝕狀態(tài)波動(dòng)信息,接下來(lái)應(yīng)該以“互聯(lián)網(wǎng)+”智慧防腐為導(dǎo)向,集成氣象數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)等采集模塊,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、高通量的采集與存儲(chǔ),并最終將數(shù)據(jù)信息融合形成具有“腐蝕大數(shù)據(jù)”特征的聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)平臺(tái)。建成腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù),基于各種數(shù)據(jù)挖掘的算法來(lái)建立材料全壽命周期預(yù)測(cè)模型,搭建起腐蝕數(shù)據(jù)與腐蝕實(shí)際情況之間的橋梁。

     

     

          腐蝕在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的信息融合可能會(huì)成為未來(lái)發(fā)展的方向,隨著大數(shù)據(jù)高通量時(shí)代的來(lái)臨,腐蝕的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)要從原來(lái)的“單一數(shù)據(jù)”向“全方位數(shù)據(jù)”方向進(jìn)行轉(zhuǎn)變,監(jiān)測(cè)的范圍也從原來(lái)的一個(gè)監(jiān)測(cè)站,發(fā)展到了一個(gè)城市乃至全國(guó)。將不同的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合使用,融合它們各自采集的腐蝕信息,使腐蝕的情況更加立體。

     

     

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