近年來,隨著我國眾多公路、鐵路、橋梁和相配套設(shè)備的完工,其后期的運行維護成為大家關(guān)注的焦點,各種設(shè)施維護面臨的首要問題就是材料腐蝕。我國每年因金屬材料的腐蝕造成了巨大的經(jīng)濟損失,材料腐蝕由于其隱蔽性和破壞力已經(jīng)成為影響國民安全和經(jīng)濟發(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)生的電化學腐蝕,通常是由潮氣在物體表面形成薄液膜,當液膜到達一定的厚度時,變成電化學腐蝕所需的電解質(zhì)膜,進而發(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)測設(shè)備來對其腐蝕狀況進行實時監(jiān)測,對其服役性能進行快速判斷。腐蝕在線監(jiān)測是指在不影響設(shè)備設(shè)施正常運行的情況下,不間斷的測量材料的腐蝕狀態(tài)。大氣腐蝕在線監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)在我國的高鐵、橋梁、電力設(shè)施、輸油管道等行業(yè)中廣泛運用,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)信息時代的來臨,Li等提出了腐蝕大數(shù)據(jù)的概念,而腐蝕在線監(jiān)測得到的大量數(shù)據(jù)作為腐蝕大數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ),需要使監(jiān)測的數(shù)據(jù)更多、更全、更準確。因此,對大氣腐蝕在線監(jiān)測技術(shù)進行研究與改進勢在必行。
工業(yè)中常見的腐蝕評價方法主要是掛片失重法,即通過計算掛片前后的重量變化來計算腐蝕速率,通過分析樣品表面的狀態(tài)與腐蝕產(chǎn)物來獲取其中的腐蝕信息,這個過程漫長而且沒有實時性。
大氣腐蝕監(jiān)測評價方法大部分是基于電化學原理,電化學分析方法的發(fā)展為大氣腐蝕在線監(jiān)測提供了新思路,發(fā)展出了電化學探針法、電化學阻抗譜法、弱極化法、電化學噪聲分析法等眾多在線監(jiān)測技術(shù)。
目前大氣腐蝕監(jiān)測中常用的是電偶型ACM傳感器,它具有制作簡單、分析方便等優(yōu)點。除此之外,其它科技的發(fā)展也為大氣腐蝕在線監(jiān)測技術(shù)提供了新的方向,發(fā)展出了許多新型腐蝕監(jiān)測技術(shù),如超聲波法、聲發(fā)射法、分光光度法、光纖腐蝕傳感器。先進的大氣腐蝕在線監(jiān)測技術(shù)無疑是認識腐蝕、控制腐蝕的重要手段,也是保障各種工業(yè)設(shè)施安全運行的基本技術(shù)保障。
新的大氣腐蝕在線監(jiān)測技術(shù)希望能更好地反映各種材料在大氣中的實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)測和涂層腐蝕在線監(jiān)測兩方面對大氣腐蝕的在線監(jiān)測發(fā)展現(xiàn)狀進行綜述,并指出了大氣腐蝕在線監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)階段的重難點問題和未來的發(fā)展趨勢。
大氣環(huán)境金屬腐蝕在線監(jiān)測
01
電阻探針法
除此之外也有越來越多的學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等將電阻探針法與電化學測量結(jié)合起來,設(shè)計了一種新穎的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng),能夠有效地提高局部腐蝕的測量精度。
02 電偶腐蝕電池
蔡伊揚等設(shè)計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,即九個試片按照3×3陣列排列,周圍8個為X65管線鋼,中間1個試片為304不銹鋼,這種多電極傳感器可以有效測得液滴分布位置、液滴在金屬表面滯留時間等傳統(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)測頂部腐蝕的局部腐蝕現(xiàn)象。
03 電化學阻抗譜
孫曉光等同時用電化學阻抗技術(shù)和薄膜電阻探針技術(shù)對高速列車的高速動載工況進行了腐蝕監(jiān)測,并利用了無線通訊技術(shù)實現(xiàn)了對高速動車組的長期腐蝕監(jiān)測,更全面的掌握車輛的關(guān)鍵材料服役情況。
04 電化學噪聲
電化學噪聲 (EN) 在測量過程中不會對被測電極施加額外的擾動、無需建立電極過程模型、設(shè)備簡單、易于實現(xiàn)遠距離監(jiān)測等,在腐蝕領(lǐng)域被廣泛地研究。電化學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域分析,電化學噪聲在線監(jiān)測技術(shù)通常也是從這些方面進行分析。
劉曉磊等和韓磊等用電化學噪聲法對鋁合金的大氣腐蝕過程進行研究,表明腐蝕電流噪聲與金屬表面的點蝕與鈍化膜的修復(fù)有著密切關(guān)聯(lián),通過電位和電流噪聲信號及噪聲電阻變化可以對鋁合金大氣腐蝕過程進行有效檢測。
夏大海等采用電化學噪聲技術(shù)對大氣環(huán)境下不同腐蝕狀態(tài)的316L不銹鋼試片進行了EN檢測,通過對EN特征參數(shù)如電壓噪聲標準偏差、電流噪聲標準偏差、譜噪聲電阻、噪聲電阻和腐蝕速率的研究比對,發(fā)現(xiàn)了較好的相關(guān)性,并由此建立了EN電化學等效電路模型,為大氣環(huán)境下金屬材料的EN檢測奠定了基礎(chǔ)。
應(yīng)用EN可以測量腐蝕速率、判斷腐蝕類型、監(jiān)測材料腐蝕情況,在局部腐蝕領(lǐng)域的研究有很大的進展,李鴻瑾等用EN技術(shù)對X70管線鋼的腐蝕過程進行了研究,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。
電化學噪聲中的信息很多,現(xiàn)在利用的程度還遠遠不夠,下一步的研究趨勢還是希望可以引入更有效的數(shù)學方法對電化學噪聲進行分析,進而從電化學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)計了一種新型電化學噪聲傳感器用于監(jiān)測金屬的大氣腐蝕,認為電化學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來表征腐蝕速率。
Ma等設(shè)計了以EN為基礎(chǔ)的傳感器監(jiān)測系統(tǒng),通過EN對大氣腐蝕進行監(jiān)測和量化,認為應(yīng)用EN技術(shù)對大氣腐蝕監(jiān)測進行動態(tài)半定量分析具有廣闊的應(yīng)用前景。
05 表面超聲波技術(shù)
另外,根據(jù)超聲波模態(tài)特性的變化也可以對腐蝕進行監(jiān)測。Subhra等將高功率超聲波與先進的信號處理技術(shù)相結(jié)合,用于鋼筋結(jié)構(gòu)的大氣腐蝕情況監(jiān)測,根據(jù)不同腐蝕階段引起的超聲模態(tài)特性變化對腐蝕情況進行判斷,并對初期的腐蝕情況進行了分類,然而對不同時期腐蝕與更精確的對應(yīng)關(guān)系還需要進一步研究來量化。
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、靈敏度高、成本低等優(yōu)勢,但是無法對腐蝕產(chǎn)物進行定性分析,不能從電化學動力學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)計了一種基于QCM大氣腐蝕監(jiān)測設(shè)備,采用計算機遠程控制監(jiān)測,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,腐蝕越嚴重。
王鳳平等利用QCM研究了Zn在薄液膜下CO2濃度對其大氣腐蝕的影響,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,將QCM和其他的技術(shù)手段結(jié)合起來成為了大家的共識,并已經(jīng)取得了許多的成果。QCM與電化學方法結(jié)合起來得到的電化學石英晶體微天平 (EQCM) 發(fā)展迅猛,對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與電化學技術(shù)結(jié)合起來就可以從宏觀和微觀同時對腐蝕情況進行分析,這樣可以得到更好的監(jiān)測效果。
Wan等將QCM與電化學阻抗譜結(jié)合對銅的初始大氣腐蝕進行了研究,并與有NaCl沉積的情況進行對比,表明NaCl沉積的大氣腐蝕與正常情況下的大氣腐蝕動力學完全相反。
07 射頻識別技術(shù)
射頻識別技術(shù) (RFID) 相較于其他的監(jiān)測方法,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等利用射頻識別技術(shù)對鋅和鋁的大氣腐蝕情況進行了監(jiān)測,根據(jù)射頻信號中的電磁波強度變化,對被測物體的局部腐蝕和均勻腐蝕進行了區(qū)分,而且在對鋅和鋁的實驗結(jié)果中點蝕的產(chǎn)生和質(zhì)量損失分析提出了清晰的見解,認為射頻識別技術(shù)對大氣腐蝕監(jiān)測有很廣闊的應(yīng)用前景。
Zhang等用無源高頻傳感器對鋼的大氣腐蝕進行了識別與表征,將得到的復(fù)阻抗用于低碳鋼的大氣腐蝕評估,用復(fù)阻抗不同的虛部和實部來說明了低碳鋼處于的不同腐蝕階段,該方法對早期1~2年的腐蝕有較好的評估效果,但是對長期的腐蝕監(jiān)測不太敏感,還需要進一步改進。
大氣環(huán)境涂層腐蝕在線監(jiān)測 01 電化學監(jiān)測方法
梁義等設(shè)計了一種基于極化電位的涂層腐蝕監(jiān)測系統(tǒng),根據(jù)實時監(jiān)測的腐蝕電位狀況,對涂層的腐蝕狀況進行分析。但是與EIS測得的結(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 非電化學監(jiān)測方法
陶蕾設(shè)計了一種基于圖像顏色特征的涂層體系老化失效檢測方法,對舟山海洋大氣及海水飛濺環(huán)境中暴露不同時期的聚氨酯涂層、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行了采集。提出了圖像顏色的特征參數(shù),并且與實驗結(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重。
03 不同監(jiān)測方法相結(jié)合 總結(jié)與展望
另外,大氣環(huán)境腐蝕的在線聯(lián)網(wǎng)觀測是當前發(fā)展的重點,傳統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測周期較長,無法及時獲得腐蝕狀態(tài)波動信息,接下來應(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,實現(xiàn)實時、高通量的采集與存儲,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)觀測平臺。建成腐蝕數(shù)據(jù)庫,基于各種數(shù)據(jù)挖掘的算法來建立材料全壽命周期預(yù)測模型,搭建起腐蝕數(shù)據(jù)與腐蝕實際情況之間的橋梁。
腐蝕在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的信息融合可能會成為未來發(fā)展的方向,隨著大數(shù)據(jù)高通量時代的來臨,腐蝕的監(jiān)測數(shù)據(jù)要從原來的“單一數(shù)據(jù)”向“全方位數(shù)據(jù)”方向進行轉(zhuǎn)變,監(jiān)測的范圍也從原來的一個監(jiān)測站,發(fā)展到了一個城市乃至全國。將不同的在線監(jiān)測技術(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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標簽: 大氣腐蝕, 腐蝕監(jiān)測, 材料腐蝕

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