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  2. 大氣腐蝕在線監(jiān)測技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望
    2023-02-08 18:14:25 作者:周夢鑫,吳軍等 來源:腐蝕與防護 分享至:

      

     

     

     

    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

     

     

     

    電阻探針在1928年第一次應(yīng)用于大氣腐蝕研究,經(jīng)過幾十年的實際應(yīng)用,在不同環(huán)境中監(jiān)測結(jié)果的準確性也已經(jīng)被多方面驗證。
    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)果進行了對比分析,表明在5 ℃≤T≤35 ℃且相對濕度RH≥60%的大氣環(huán)境中,相比腐蝕掛片法,電阻探針技術(shù)有較好的實時監(jiān)測效果。
    陳心欣等將電阻探針用于室內(nèi)循環(huán)鹽霧加速試驗,并與傳統(tǒng)金屬掛片的結(jié)果進行了比較分析,論證了電阻探針腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)在循環(huán)鹽霧腐蝕試驗中應(yīng)用的可行性。
    電阻探針的原理已經(jīng)相當?shù)某墒欤瑧?yīng)用的范圍也非常廣,當前研究的重點是如何提高該方法監(jiān)測結(jié)果的精度。由于電阻探針的測量電阻大小處于微電阻級別,因此改進該方法的關(guān)鍵之一就是減少微電阻測量的誤差。
    第一種方法是放大測量信號而不增大探針厚度,該方法目前已經(jīng)在國內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用,我國在天然氣管道、海上風力發(fā)電等處都已經(jīng)有使用。
    第二種方法是對電阻探針進行溫度補償,由于金屬電阻率受環(huán)境溫度的影響很大,所以通過溫度補償來消除溫度帶來的電阻率波動非常重要。
    柏任流等研究表明,異種金屬間的接觸電勢和溫差電勢差是造成測量數(shù)據(jù)溫度漂移的主要原因,采用交變激勵源對溫漂效應(yīng)進行補償,極大降低了電阻探針內(nèi)部接觸電勢產(chǎn)生的溫差效應(yīng),使腐蝕速率的測量精度顯著提高,并且成功應(yīng)用于油氣管道監(jiān)測。
    除此之外,鄭麗群從電阻探針監(jiān)測過程中產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差與隨機誤差出發(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消除誤差,使得測量的曲線更為穩(wěn)定,測得的結(jié)果更加精確。
    電阻探針適合于監(jiān)測均勻腐蝕,對于局部腐蝕與點蝕還難以表征,在腐蝕嚴重的環(huán)境中,電阻探針的表現(xiàn)并不理想。
    田云航設(shè)計了一套應(yīng)用于腐蝕性較強的大氣環(huán)境中的腐蝕監(jiān)測儀,采用化學的方法實現(xiàn)薄膜的沉積,探頭為靈敏度較高的薄膜電阻探針,并對典型環(huán)境中的腐蝕監(jiān)測靈敏度和精度進行了對比,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

     

     

     

    電偶腐蝕電池是基于腐蝕電化學中電偶腐蝕原理而設(shè)計,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)測裝置,也稱為ACM型腐蝕監(jiān)測裝置。ACM具有監(jiān)測簡單,技術(shù)成熟,信號響應(yīng)靈敏等多方面的優(yōu)點,在現(xiàn)階段的腐蝕在線監(jiān)測中使用最廣泛,在汽車、橋梁、電網(wǎng)等各行各業(yè)中都已經(jīng)有應(yīng)用實例。
    Daisuke等將ACM用于對汽車環(huán)境進行腐蝕監(jiān)測和材料選擇,實驗結(jié)果表明ACM監(jiān)測輸出的電量結(jié)果與試樣腐蝕速率有良好的相關(guān)性,可以應(yīng)用于汽車環(huán)境,由此可以確定各零件的腐蝕原因,估算腐蝕速率,進行腐蝕壽命預(yù)測。
    章興德使用Fe/Ag電偶腐蝕電池監(jiān)測了該電偶電極上的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,并根據(jù)腐蝕監(jiān)測結(jié)果進行了腐蝕速率評估與腐蝕等級評定,證明了ACM對于鋼箱構(gòu)件的監(jiān)測是有效的。
    姚鑫等針對電網(wǎng)設(shè)備,采用兩種具有明顯電位差的絲狀電極制成ACM,通過實驗室和現(xiàn)場大氣環(huán)境測量結(jié)果的比對,表明該電偶腐蝕傳感器對電偶腐蝕電流變化和環(huán)境濕度有較好的一致性,對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對耐候性鋼橋不同部位進行了監(jiān)測,表明試樣的厚度減少和ACM的平均電量有著對應(yīng)的關(guān)系,由此對不同部位的耐蝕性進行了壽命預(yù)測。
    但ACM的缺點也是顯而易見的:一是得到的材料腐蝕結(jié)果不夠真實,需要驗證準確性;二是隨著監(jiān)測的進行,銹層變厚之后,監(jiān)測的靈敏度會降低,不適合進行長期監(jiān)測。
    王軍等通過大氣暴曬試驗和ACM技術(shù)研究了碳鋼在湖南大氣環(huán)境中的腐蝕行為,測得的ACM累計電量與Q235鋼大氣腐蝕速率之間符合線性關(guān)系,認為ACM技術(shù)可用于碳鋼大氣腐蝕的行為預(yù)測,成功驗證了ACM的準確性。
    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)測具有更穩(wěn)定、更精確的優(yōu)點。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重,稱為頂部腐蝕,這種腐蝕的監(jiān)測比較困難。

     

     

     

    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

     

     

     

    電化學阻抗譜 (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,電化學阻抗譜需要有不同的等效電路模型進行擬合,模型是否合適直接影響監(jiān)測結(jié)果的準確性。
    Liao等使用EIS技術(shù)對青銅在大氣腐蝕下的腐蝕進行了研究,并且根據(jù)結(jié)果得到了較好的擬合模型,可以進一步應(yīng)用于大氣腐蝕監(jiān)測。
    Shitanda等將電化學阻抗譜用于線路板的大氣腐蝕監(jiān)測,表明實驗結(jié)果可以用兩個等效電路進行模擬,而且還在含S的氣體環(huán)境下進行了實驗,得到的實驗結(jié)果也比較理想,由此可以推出該基于電化學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)測方法主要的問題在于實際監(jiān)測時得到的數(shù)據(jù)常會有較大波動,并且把得到的阻抗譜依據(jù)等效電路模型進行擬合時,常會沒有緊密的關(guān)系,使得實驗結(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)測方法數(shù)據(jù)分析的標準并沒有統(tǒng)一,現(xiàn)階段廣為認可的方法是將低頻阻抗與高頻阻抗分別進行腐蝕信息提取。
    Nishikata等用電化學阻抗技術(shù)對自然大氣環(huán)境下的含鎳鋼腐蝕進行了監(jiān)測,提出通過連續(xù)測量極化電阻與低頻阻抗來監(jiān)測鋼的瞬時腐蝕速率,并通過高頻阻抗來確定鋼表面的濕潤時間,此外采用了電化學阻抗技術(shù)對耐候鋼在自然大氣環(huán)境下的1~2年的監(jiān)測,用分布式等效電路成功對得到的阻抗譜進行了擬合。為了驗證結(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)進行了比較,表明有很好的相關(guān)性。
    除此之外,將電化學阻抗譜和其他實驗和方法結(jié)合起來是發(fā)展趨勢,一是可以提高EIS的結(jié)果準確性,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阻抗譜測試與腐蝕疲勞實驗結(jié)合起來同時進行的新型裝置,用相位角的變化可以用來監(jiān)測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)果與人工裂紋試驗十分吻合。這種方法相較于單純的電化學阻抗譜,能夠得到更多的疲勞腐蝕信息。

     

     

     

    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。

     

     

     

    國內(nèi)外當前對電化學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,但是對于電化學噪聲產(chǎn)生的機理研究還非常不足,這也使得電化學噪聲監(jiān)測的分析結(jié)果是否正確有待進一步驗證。

    05

     

     

     

    表面超聲波技術(shù)

     

     

     

    表面超聲波技術(shù)具有無損監(jiān)測、準確性高、反應(yīng)速度快等優(yōu)勢,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,超聲波腐蝕監(jiān)測的一個難點問題在于設(shè)備的檢測速率。
    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,屬于非電化學監(jiān)測手段,無法解析出腐蝕的電化學信息,并且在復(fù)雜的腐蝕環(huán)境下,由于干擾因素多,得到的超聲波時常紊亂而難以分析,對微觀的變化也不夠靈敏,在大氣腐蝕監(jiān)測方面的應(yīng)用因此受到很大的限制,一般只用于監(jiān)測腐蝕初期的情況或者對腐蝕的階段進行判斷,在腐蝕后期的應(yīng)用有待進一步研究。
    Liu等開發(fā)出了一種可以用于鋼筋腐蝕損傷監(jiān)測的嵌入式壓電超聲監(jiān)測儀,并且進行了不同腐蝕實驗來驗證該儀器的腐蝕監(jiān)測能力,實驗結(jié)果表明:腐蝕初期的超聲振幅和峰值會隨著腐蝕時間的增加而減少,當出現(xiàn)腐蝕損傷時,超聲波譜中會出現(xiàn)與其對應(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。但是隨著腐蝕進行,損傷越來越多,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。
    超聲波測厚是超聲波技術(shù)的一個重要分支,通過超聲波測量材料的厚度變化來監(jiān)測材料的腐蝕情況,廣泛地應(yīng)用于管道腐蝕中,該方法存在的主要問題是誤判率高、運算量巨大。
    Zou等提出了一種基于超聲波壁厚測量的腐蝕過程檢測統(tǒng)計方法,使得超聲波腐蝕監(jiān)測的結(jié)果更精準,極大地促進了超聲波腐蝕在線監(jiān)測的相關(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。

     

     

     

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

    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

     

     

     

    涂層下金屬的腐蝕主要是電化學腐蝕,因此在涂層的失效過程中總伴隨著一系列的電化學反應(yīng),對涂層進行電化學監(jiān)測仍然是最有效的方法。電化學方法可以對涂層的防護機理進行研究,并且實現(xiàn)對涂層耐蝕性的定量評價,其中EIS是研究涂層失效最常用也最有效的方法。
    國內(nèi)外使用EIS進行涂層大氣腐蝕在線監(jiān)測的技術(shù)已經(jīng)比較成熟,相應(yīng)的分析方法也很多樣。
    Hamlaoui等通過電化學阻抗譜監(jiān)測鍍鋅涂層的腐蝕,還進行了一些與原子吸收光譜耦合的真實浸沒測試,并作為電化學方法的補充監(jiān)測技術(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。
    董葉語設(shè)計了一種基于壓電阻抗法的涂層大氣腐蝕監(jiān)測技術(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性的評價表征,得到的結(jié)果與以往的實驗情況一致。
    電化學噪聲、極化電位等電化學方法也被應(yīng)用于涂層下的腐蝕在線監(jiān)測。
    Su等用電化學噪聲法對大氣環(huán)境中的聚氨酯面漆/環(huán)氧底漆涂層體系進行了腐蝕監(jiān)測,表明測得的電化學噪聲參數(shù)的變化趨勢與電化學阻抗譜實驗得到的低頻阻抗模量的變化趨勢一致,并且成功用噪聲平均電荷與噪聲頻率來表征了涂層下的腐蝕過程。

     

     

     

    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

     

     

     

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

     

     

     

    將不同的腐蝕監(jiān)測方法進行有機結(jié)合可以更準確地反映涂層下的腐蝕狀態(tài),比如將電化學監(jiān)測方法與其他非電化學監(jiān)測方法進行結(jié)合,又或者同時進行兩種或多種電化學監(jiān)測等。
    Latif等設(shè)計了一種可以同時對涂層進行線性極化監(jiān)測和涂層應(yīng)力行為監(jiān)測的實時監(jiān)測系統(tǒng),通過腐蝕加速實驗和涂層失效實驗對該系統(tǒng)進行了驗證,發(fā)現(xiàn)了各種腐蝕粒子的擴散和應(yīng)力的發(fā)展跟涂層下腐蝕失效的對應(yīng)關(guān)系。
    不同的電化學方法得到的腐蝕信息不同,將他們結(jié)合起來得到的腐蝕信息會更加立體。
    劉繼慧等對同一涂層同時進行了電化學阻抗譜和電化學噪聲的監(jiān)測,電化學阻抗譜的數(shù)據(jù)能夠準確的反映涂層的破壞機制變化,而電化學噪聲的數(shù)據(jù)處理更為簡單,兩種結(jié)果可以相互補充與印證。結(jié)果表明:對于薄的聚氨酯和環(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)測技術(shù)已經(jīng)取得了很大的進步,但還存在以下問題:
    (1) 現(xiàn)有的在線監(jiān)測方法雖然豐富,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、建立的模型不夠準確等問題,有待進一步研究完善。
    (2) 各種新型材料的出現(xiàn)和對各種嚴酷環(huán)境的探索,使材料大氣腐蝕的情況更加復(fù)雜,對以往的在線監(jiān)測方法提出了新要求。
    (3) 現(xiàn)代科技的發(fā)展為腐蝕在線監(jiān)測提供了新的思路和方法。例如圖像識別技術(shù)的發(fā)展,讓我們可以直接對試樣的腐蝕表面進行信息提取,希望通過一張宏觀照片便可以對腐蝕情況進行定性與定量分析。

     

     

     

    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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