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我国材料自然环境腐蚀试验研究工作进展
作者:管理员    发布于:2016-07-04 02:35:12    文字:【】【】【

1 前言

   材料在我国自然环境(大气、海水、土壤)中的腐蚀数据积累与腐蚀规律研究是国家建设的需求,也是学科发展的需要,具有明确的应用背景和较高的科学价值。原国家科委指出,这是目前国家建设中十分急切而必须长期坚持的一项重要的基础性工作。由于自然环境的腐蚀性及材料在自然环境中的腐蚀规律与特征具有国家和区域的特点,因此工业发达国家十分重视这项工作,从本世纪20年代开始就建立材料自然环境腐蚀试验站网,长期系统地积累在本国各种典型自然环境中的腐蚀数据,出版了《腐蚀手册》和“专著。各国环境有自己的特点,为了国家建设需要,国家科技部(原国家科委)和国家自然科学基金委员会长期支持常用材料在我国典型自然环境中的腐蚀数据积累和规律性研究。


   “材料自然环境腐蚀”作为一个学科领域,从目前国家建设的需要来说,除了积累材料长期的环境腐蚀数据外,要着重解决:自然环境腐蚀性的评价和从短期的加速腐蚀试验结果预测材料在自然环境中长期的腐蚀行为和使用寿命,因此必须深入进行各类材料在不同自然环境中腐蚀规律的研究,自然环境中主要因素对材料腐蚀的影响与作用机理的研究,实验室加速腐蚀试验与长期自然暴露试验相关关系的研究,以及材料——自然环境腐蚀系统数据处理方法和现场快速综合测试方法的研究。国外在这方面虽然做了一些工作,但由于材料自然环境腐蚀影响因素多,随机波动大,环境因素之间的交互作用相当复杂,尚未完全解决这些问题。我们在“六五”“七五”“八五”工作的基础上,一方面,通过长期的试验数据总结出各类材料在不同自然环境中腐蚀的规律性,另一方面,开展必要的加速试验与中心站的原位连续测试,并和实验室研究相结合,应用多变量统计方法、模糊技术、灰色动态分析等新技术,争取较好地解决上述环境腐蚀科学中的问题,推动与发展材料自然环境腐蚀科学,更好地为国家建设服务。


2 试验研究方法

  我国地域辽阔,有8个气候带,7类大气区,4个海域,40多种土壤,自然环境类型多,对材料腐蚀的差别很大。材料自然环境腐蚀的现场试验与验证试验主要在全国材料环境腐蚀试验站网进行,常用材料大气,海水、土壤腐蚀的挂片与埋片试验是按统一制订的试验规程和试验方法,在我国典型的大气、海域、土壤环境中参照国际标准建设起来的36个腐蚀试验站上进行。模拟自然环境加速腐蚀试验;材料成分,组织、锈层结构及力学性能测试;现场综合测试方法及仪器的研制开发等研究工作在实验室进行。各类环境腐蚀试验站均有环境因素的现场测试与分析装置,土壤腐蚀中心试验站均安装有埋地金属腐蚀电流与电位;以及土壤盐分、水分、地温、电阻率、氧化还原电位,电位梯度瞬时变化的原位连续测试装置。

  在我国典型的大气、海水、土壤环境中参照国际标准建立了36个腐蚀试验站。


3.实验研究工作进展


3.1 材料自然环境腐蚀数据积累。


3.2 规律性研究:在积累数据的基础上加强对各类材料在不同自然环境中腐蚀规律的总结与研究,这对扩大数据的应用,促进我国材料自然环境腐蚀科学的建立与发展具有重要意义。

“八五”期间总结出各种材料在不同类型的大气环境、在海水的全浸区、潮差区和飞溅区三种挂片位置,以及在中、碱性土壤和酸性红壤土中的腐蚀规律。图1是不同材料在典型大气环境中的腐蚀规律,图2是08AL钢在不同大气环境中的腐蚀率。对于不同材料在不同自然环境条件下的耐蚀性,腐蚀破坏特征和发展规律有了比较全面的了解。各课题组都已写成研究报告,有的已在学术刊物上公开发表。但要指出下列几点是特别有意义的:


(1)发现钢材在各大气站腐蚀率大小排序的第1年的次序与长期(4、8年)试验后的次序有较大差别。这反映了钢材的大气腐蚀率与时间的关系式D=Atn中的A值和n值的大小排序是不同的。因此,国际标准ISO9223中以1年的腐蚀数据评定大气腐蚀性的规定是不合理的。


(2)在海水腐蚀方面,我们的数据证实了文献中在巴拿马运河口腐蚀试验得到的含Cr低合金钢在全浸区5年内的耐蚀性比碳钢好,而5年以上则比碳钢差的这种优劣次序随时间逆转的现象;同时我们还在部分海域发现另一种随时间逆转的现象;4年以内所有钢材在潮差区的腐蚀速度比全浸区大,而4年以上则全浸区的腐蚀速度高于潮差区,这种现象在文献中是没有报导过的。


(3)金属在酸性土壤中的腐蚀规律与在中、碱性土壤中相比有很多不同之处,例如,有的酸性土壤尽管含盐量很低(<002%)和电阻率很高(>300Ω?m),埋设的钢试样仍发生了严重腐蚀,腐蚀率约为中性土壤中的5~10倍,考虑到我国的具体情况,酸性土壤中的腐蚀规律和机理是值得进一步研究的问题。


(4)所有数据都证明石油沥青作为地下钢结构的保护层是有效的。


(5)所有数据证明硅酸盐水泥不宜用于地下构筑物。


这些结果都是文献中未见到的,而且对指导实践有重要意义。


3.3 模拟加速试验研究:模拟自然环境加速腐蚀试验研究的主要目的一是研究加速腐蚀试验结果与现场长期挂片试验结果的相关性,探索通过短时间的加速腐蚀推测材料长期腐蚀行为的可能性;二是通过实验室的加速试验,弄清某些环境因素对材料腐蚀的影响及其作用规律;三是研究发展现场监测的新方法与新技术,在此基础上,监测材料腐蚀速度与自然环境中某些因素的变化情况。研究其相关关系与规律,为发展对自然环境腐蚀性的评价与分类分级方法提供依据。


   我们通过研究建立了模拟海洋大气腐蚀的加速腐蚀试验方法和模拟酸雨地区污染大气腐蚀的加速腐蚀试验方法,并求得相应的加速倍率公式。对于含泥沙的流动海水对铜合金的腐蚀进行了实验室模拟试验,弄清了舟山站全浸区铜合金腐蚀速度高的原因,还建立了混凝土试件的加速试验方法。在土壤腐蚀中心试验站进行了钢管大试件横埋与竖埋的对比试验;模拟电缆护套受损和受力情况下的加速试验和混凝土大试件大气~土壤腐蚀试验。研制成功ACM大气腐蚀监测仪,在北京和海南地区的长期连续监测的结果表明,有可能发展成为一种评定大气腐蚀性的方法。国外材料海水腐蚀试验没有飞溅区的挂片,对飞溅区高度缺乏确切的判据,我国海水腐蚀试验中注意到了飞溅区的腐蚀问题,利用上述ACM仪进行监测,弄清了各海域试验站飞溅区高度的位置,以及典型钢种飞溅区腐蚀的一些规律。研制成对土壤多种理化性质的现场测试仪器和CMB智能型土壤腐蚀速度测量仪,配合土壤腐蚀中心试验站进行不同土壤组成的宏腐蚀电池、恒应变试件、不同阴阳极面积比的影响、强化土壤某些环境因素的加速腐蚀等多项试验。还利用现场监测仪进行土壤电阻率,电导及腐蚀速度随季节变化的试验研究工作。上述试验都取得了大量有意义的结果,研制成的仪器和方法都获得了实际应用。


3.4 材料自然环境腐蚀数据处理方洁研究:材料自然环境腐蚀系统是由多种因素构成的复杂系统,而且存在许多不确定因素。对于这种系统的数据处理如运用传统的线性回归方法,很难反映实际情况,因此迫切需要研究和采用适合材料自然环境腐蚀系统实际的某些数据处理的新技术和新方法,以便进行关于自然环境腐蚀性评价和材料自然环境腐蚀行为预测的研究。


我们研究了应用模糊数学,灰色系统理论、多变量统计分析中的主成分分析技术、各种聚类分析和模式识别技术,以及神经网络分析技术等手段来处理材料自然环境腐蚀系统的数据问题,建立了多种数据处理方法,取得不同程度的成功,有的还在区域环境腐蚀性调查中应用。有的工作已在国际著名的学术刊物上发表。目前我国在这方面的工作领先于国外。


3.5区域环境腐蚀性调查:通过区域环境的合理布点,采用典型金属材料试件在大气中进行挂片,或土壤中的埋片试验,同时测定环境介质中的主要腐蚀因素,按一定试验周期取得数据后,运用相关分析,主成分分析,模式识别及图形处理,网点加密,数据平滑等技术绘制出沈阳市大气腐蚀性分布图,辽宁省土壤腐蚀等级分布图,大庆和大港油田的土壤腐蚀性分布图;另外还对四川和新疆的土壤腐蚀性进行了评价和分级探讨。类似的工作文献非常少见。这些结果的取得,对这些地区的工程建设,安全生产,节省投资等问题的决策提供了科学依据,所建立的方法也有推广应用价值。下图 沈阳市大气腐蚀图(略)


3.6 实验室研究  针对LY12铝合金在海南岛海洋性大气环境中发生严重剥蚀问题:空气中相对湿度、沉析盐粒的成分和SO2含量对碳钢的大气腐蚀的影响问题;铝镁合金海水腐蚀试验中出现腐蚀异常现象问题;黄铜在海水中发生脱合金腐蚀问题;土壤介质含水量、含气量、含盐量和温度等因素对碳钢土壤腐蚀的影响问题等,开展了实验室研究。还在实验室中发展了测量薄水膜下腐蚀电化学过程的Kelvin探针技术,初步研制成两种监测金属材料在海水中的腐蚀行为与状态的电化学传感器,以及ACM大气腐蚀监测仪和CMB智能型土壤腐蚀速度测量仪等测量技术和仪器。


3.7 材料自然环境腐蚀数据总库研制和专家系统探索 初步建成了我国材料自然环境腐蚀数据总库,对于钢铁材料大气腐蚀与防护知识库和大气腐蚀防护咨询决策系统进行了探索性研究,为今后进一步研究我国材料自然环境腐蚀与防护专家系统作了准备。


4 “十五”工作我国材料自然环境腐蚀的试验研究工作,规模大、周期大、项目组和各课题组对已取得的材料腐蚀数据和试验研究成果,注意了及时的应用和推广。材料腐蚀数据已在国家重点工程建设,新材料研究开发,生产工艺的改进,防腐蚀标准与规范的制订等方面得到了直接的应用;研究发展的测试技术和加速腐蚀试验方法,为工程建设,环境腐蚀性的勘测、评估和防护对策的制订提供服务;项目组研制成功的仪器和测试方法,也在有关科研领域和国家建设中进行了推广应用。 材料大气腐蚀第5周期试验仍在进行,试验中发现的一些新现象有待于进行系统深入的研究,我国材料自然环境腐蚀的基础研究的水平与国际先进水平之间的差距还比较大,今后应结合环境腐蚀站网的试验工作进一步加强实验室的基础研究,为国家建设和学科发展作出更大的贡献。根据国家建设和科技发展的需要,全国材料环境腐蚀试验网站协调领导小组制订了“材料自然环境腐蚀数据积累及规律性研究”工作的“十五”计划和2010年远景规划,确定了“十五”的主要任务:构架我国材料自然环境腐蚀试验研究体系;完善基地建设;持续积累材料(制品)在我国典型自然环境中的腐蚀数据;加强基础性研究(材料环境腐蚀行为规律研究、腐蚀失效机理研究、模拟加速试验相关性研究、材料环境适应性试验评价方法与标准研究、现场原位观察和连续监测技术与方法研究等);实现数据及试验研究成果的共享服务。“十五”计划目前正在组织实施。


   通过去年下半年对我国西部地区材料在典型自然环境中的腐蚀(老化)情况调查,认识到我国西部开发和重点工程建设对材料(制品)的环境腐蚀试验研究工作有迫切的需求,我们从事材料环境试验的科技工作者要为西部开发建设服务,作出应有的贡献。 (全文完)

脚注信息

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