材料腐蚀特征（共7篇）
材料腐蚀特征 篇1
0引言
材料外观颜色信息作为材料外观腐蚀的主要特征之一［１］,能够客观地记录及反映材料表面腐蚀现象,即材料腐蚀特征产物颜色,根据颜色腐蚀特征状况来评定材料在环境中的腐蚀程度［２］。在材料外观腐蚀特征等级评定中, 颜色信息作为材料外观腐蚀特征图像等级评定的主要数据［３］,由于材料特征腐蚀区域的颜色并非单一、均匀分布, 早期腐蚀特征颜色信息主要通过人工观察方式来进行,而人的视觉系统感知颜色特性的能力和人眼对色彩的分辨率有限,评定结果将会产生一定的差异［４］,特别是在一个区域范围内的颜色评定中,由于区域面积内多颜色的特点,不同的人将会用不同相似颜色来表示该区域的主颜色值,所以,消除人为主观因素,实现对腐蚀特征的定量或定性分析［５］,对材料外观腐蚀特征区域颜色定量化处理显得尤为重要。
1颜色信息获取与颜色空间
1.1材料腐蚀特征颜色获取
通过工业数字相机、镜头、照明光源、样品放置平台及计算机系统所构建的图像采集系统进行材料腐蚀特征图像信息的获取,图像信息按*.BMP文件格式存入计算机中,图1为图像采集系统获取的材料腐蚀特征原图。在该图像信息中,需要处理的是特征区域颜色信息,考虑到能更好理解图像信息及其中的特征区域颜色,需将腐蚀特征区域图像分离出来。图像分割是指按照区域一致性准则将图像分成若干特定的、具有独特性质的区域,这些区域互相不交叉,每一个区域都满足特定区域的一致性,比如从图像的灰度、颜色、纹理等角度定义区域的一致性。所以,材料腐蚀特征区域颜色的获取,就是对材料腐蚀特征图像的分割处理。目前,阈值分割是一种广泛使用的图像分割技术,针对材料腐蚀区域的腐蚀程度不一,在阈值分割处理中,对特征图像的局部信息选择几个合适的灰度阈值,将图像分割成多个目标与背景的区域,在用自适应阈值分割腐蚀特征图像信息时,可提取不同的腐蚀特征区域,并对这些腐蚀特征区域进行相应的编号,为了适应亮度不均匀的图像分割,可先将特征图像进一步细分为子图像,使每个子图像内的亮度尽量均匀,然后在每个子图像内确定各自的阈值以方便进行局部二值化处理。
彩色图像是包含R、G、B三个大小相等二维矩阵的三维矩阵,二值图像是一个大小同R、G、B矩阵相等的二维矩阵,采用基于二值特征提取的数字图像处理技术提取图像的腐蚀特征区域。通过所得二值图像BW取反,得到BW′ ,并于R、G、B进行一一对应的相乘操作,即
进行以上一一对应相乘操作后的R′ 、G′ 、B′ 中,值为0代表非腐蚀区域,值为非0则为腐蚀区域,即腐蚀特征区域颜色信息。图2为特征分割图像,通过分割处理后,在原图像中得到所需要的腐蚀特征区域,达到提取各个腐蚀区域的颜色值的目的。
1.2材料腐蚀特征颜色与HSV颜色空间
在材料腐蚀特征颜色分析中,颜色是材料腐蚀等级的重要描述符,选择合适的颜色表达方式是材料腐蚀特征颜色处理中非常重要的一步,同时,对颜色的特征描述则依赖于所用的颜色空间,并不是所有的颜色空间都与人的视觉相一致［６］。颜色空间大致可分为:RGB空间、CMY空间、CIE空间、HSV空间等。由于硬件技术的关系,目前材料腐蚀特征原始图像信息的获取主要采用RGB颜色空间。由于颜色与人的视觉关系紧密,HSV颜色空间对应于画家配色模型,能较好反映人对颜色的感知能力和鉴别能力,即人类视觉感官对色彩的理解方式;此外,不同颜色在HSV空间中的欧式距离与视觉感官距离大体一致, 具有较好的区分度,所以使用HSV空间进行材料腐蚀特征颜色处理是一种有效的处理方式。对于HSV颜色空间,它使用色度(H)、饱和度(S)及亮度(V)分离的方式实现颜色的定量描述,H表示色彩信息,即所处的光谱颜色的位置取值范围为0°~360°;S取值范围为0.0~1.0,当S =0时,只有灰度,值越大,颜色越饱和;V表示色彩的明亮程度,取值范围为0.0(黑色)~1.0(白色),它与光强度无直接联系［７］。在HSV空间下的颜色处理中,H、S、V三个分量都存在明确的语义对应关系,其中亮度分量V和色度H是分开的,V分量与图像的色彩信息无关;考虑材料腐蚀特征原始图像信息为RGB格式,需要将RGB空间的色彩转化到HSV空间,对r、g、b归一化到0到1之间, 再从归一化后的r、g、b值计算h、s、v的值,变换方法为:
经过上述变换后,h∈ [0,360],s∈ [0,1],v∈ [0, 1],定义h,s,v为RGB空间颜色转换到HSV空间的连续值,而H,S,V为h,s,v三个分量量化后的离散值。
2材料腐蚀特征颜色量化处理
2.1材料腐蚀特征区域颜色处理
材料外观腐蚀特征等级评定的基础信息是腐蚀特征区域主颜色值,在图2所示的材料腐蚀特征图像信息中, 即分割后的腐蚀特征区域信息,通过统计封闭腐蚀区域像素点的个数n来表示腐蚀区域的面积,用Sｉ表示,其中i为腐蚀区域的编号,各个腐蚀区域的面积百分比Pｉ的计算公式为:
其中,S表示整个图像的面积,每一个腐蚀特征区域都由若干个像素组成,每个像素都有不同的R、G、B值,则每个腐蚀区域的平均颜色值可定义为:
在该腐蚀特征区域颜色块中,由于材料腐蚀特征区域的颜色分布不均匀,其受腐蚀程度不一影响,导致存在某些敏感点的像素,如果用平均值方法处理该区域主颜色值容易受一组数据中极端数值(特大或特小)的影响,将产生主颜色处理偏差,另外,在图像信息采集中,受工业相机及照明光源等的影响,所采集的图像信息有可能存在一定的噪声,对于图像的噪声完全去除存在一定困难,噪声的滞留将导致个别像素点产生敏感点,所以,当一组数据(颜色信息)为明显的偏态分布时,其平均值代表性就很差。因此,在材料腐蚀特征区域颜色处理中,直接使用均值处理区域颜色将不适用于具有敏感点的存在及偏态分布下的材料腐蚀特征区域图像信息处理。
2.2特征区域颜色非均匀量化方式
通过特征提取后,材料腐蚀特征图像信息需要进行腐蚀特征区域颜色量化处理。材料腐蚀特征颜色值用特征区域范围内的颜色表述该区域的颜色值,因此对于一个材料腐蚀特征区域的颜色值,一般由多种颜色组成;而人眼可见光颜色红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等7种基本色以及这些颜色的中间色大约为120种颜色。所以,考虑材料腐蚀特征区域颜色种类繁多,量化后的颜色应该大于等于人眼所能识别的范围。如果直接采用HSV颜色空间的颜色直方图来描述该特征区域颜色,其计算量较大,为了减少信息处理量以及简化去除噪声颜色的处理过程,对转化后的h、s、v三个分量值进行进一步量化,并将量化后的值合成一个一维颜色矢量L,另外,非均匀量化处理方式不仅速度较快,对颜色的敏感度也较高,从而可降低了其它噪声对颜色特征的干扰［８］,因此采用非等间隔量化处理方式具有一定的优点,针对材料腐蚀特征区域颜色,其非均匀量化处理规则为:
(1)色调H从0°~360°变化时,色调依次呈现为红、 橙、黄、绿、青、蓝、紫,在符合人眼视觉对颜色的心理感知［９］中,对H量化分为不等间隔的16份,饱和度S空间和亮度V空间则非等分为3份,当h落在[0,15]或者[345,360],则H量化为0;当h落在[15,25)、[25,45)、 [45,55)、[55,80)、[80,108)、[108,140)、[140,165)、 [165,190)、[190,220)、[220,255)、[255,275)、[275, 290)、[290,316)、[316,330)、[330,345)则依次量化为1, 2,3…,15。
(2)构造一维特征矢量L。根据上述量化级,将3个颜色分量H、S、V合成为一维的特征矢量L,其公式为:
因此,一维特征矢量L的取值范围为[0,1…144],根据L可以获得144bin的一维直方图。
2.3特征区域颜色敏感点的处理方式
当材料腐蚀特征区域颜色存在敏感点时,在材料腐蚀特征区域颜色处理中,针对敏感点及偏态分布颜色信息对区域颜色的影响,降低或消除敏感点及颜色的偏态分布, 需要对区域颜色进行相应的处理,其处理方式为:
(1)设定敏感点阈值。在HSV颜色空间颜色量化后的直方图总颜色像素分布中,存在一些所占比例微小的颜色种类像素,根据量化颜色分布情况,设定一个阈值λ,对于所占比例小于λ的颜色像素点定义为敏感点,即需要剔除的点。
(2)区域颜色再分块。对腐蚀特征区域颜色值进行相应的敏感点剔除后,即剩下的颜色点为腐蚀特征的主颜色样本点。对主颜色值的处理,由于像素点越少,同时像素的颜色值越接近时,其用平均值定为中心值越准确。因此,对特征区域根据量化结果进行区域再分块,并用均值确定其块的颜色中心值。
(3)区域块颜色取样及权重处理。在特征区域颜色非均匀量化处理后的直方图分布,材料特征腐蚀区域的颜色分布符合高斯分布,采用累积百分比的方式处理特征区域主颜色值,将各种颜色(Cｉ)按其对应的百分比(Wｉ)按降序排列,以确定主颜色的取样,考虑小样本,设定敏感点不超过10~15%,所以,一旦百分比之和大于0.85~0.9, 则停止主颜色取样,在块的分布下,根据每种颜色所占的块数进行权值处理,确定区域主颜色值。
2.4特征区域颜色确定
在特征区域颜色确定中,由于材料特征腐蚀区域颜色的多样性,该区域中的每一种颜色其在主颜色贡献不同, 所以在该特征区域范围内应进行腐蚀特征区域分块,然后在区域特征分块下进行权重处理,最后确定特征区域主颜色值。
(1)特征区域分块。当对区域图像直接采用X×X的小正方型分块时,由于材料腐蚀特征区域形状不规则,必须对部分区域周边的X×X块中的值进行填充,对于空白处填充后的值将直接影响整个区域主颜色的计算,产生一定的颜色误差。因此,考虑材料腐蚀特征区域形状不规则以及颜色不均匀,对材料腐蚀特征区域采用颜色像素点分块方式。首先,根据一维特征矢量L对颜色按其对应的百分比进行排序,从百分比最大开始取值,并累计百分比, 一旦百分比大于85~90%则停止取颜色;然后,对所选取的这些颜色进行等分,即每种颜色各自等分。针对特征区域使用的图像像素及分辨率,通过样品试验,综合各方面考虑,可选取每份的像素个数为64,对于每种颜色最后不足64个像素时,当其像素个数大于32时,则利用剩余像素的中值进行补充,相反,当剩下的像素个数小于32时, 则丢弃。
(2)区域分块颜色值。进行分块后,每一等份主颜色值的确定,即确定每一小份的颜色中心值。等分的过程是指把量化后同一种颜色的像素进行等分,由此可知,每一小份里像素的颜色值相差不大,因此,对于每一小份中心值的确定采用均值进行计算,具体公式为:
其中,hzｉｊ表示在第i小份中第j个像素的h分量值, 同样的szｉｊ、vzｉｊ分别是第i小份特征区域中第j像素的s、 v的分量值,hｉ、sｉ、vｉ分别代表第i小份特征区域的h、s、 v分量的中心值,即该区域的颜色中心值。
(3)块间相近颜色的合并。对n等份的腐蚀特征区域的颜色中心值,进行相近颜色的合并。在HSV颜色空间中颜色Cｉ(hｉ,sｉ,vｉ)与颜色Cｊ(hｊ,sｊ,vｊ)的相似性sｉｊ公式为:
其中,sｉｊ的值在[0,1]区间,当sｉｊ的值越趋近于1时, 说明Cｉ与Cｊ两个颜色越相似;反之则说明差异越大。
对于颜色的合并,可设置一个阈值th(th的取值在(0,1)之间):当sｉｊ<th时,则认为Cｉ与Cｊ两个颜色是一样的;反之,则说明Cｉ与Cｊ是两个不一样的颜色。
根据上述颜色合并方法,对于n小份的腐蚀特征区域进行相似颜色的合并,经过颜色相似合并后生成M种颜色类型。考虑到均值对奇异点的敏感性,每种类型的颜色中心值计算则采用中值算法进行,该种颜色中所有小份的中心值中的中值,即第i种的颜色中心值为(Hｉ,Sｉ,Vｉ)。
(4)区域颜色块权重处理。根据颜色量化及分块处理方式,每一块颜色权重采用动态分配,对于M种类型颜色的权重计算公式为:
其中,n是上述等分块腐蚀特征区域后的总数;mｉ是第i种颜色共含有mｉ个小份的腐蚀特征区域;Pｉ是第i类颜色的权值。
(5)区域主颜色确定。根据上述得到M种颜色、每种颜色类型的中心值(Hｉ,Sｉ,Vｉ)以及每种颜色类型的权重Pｉ,则计算该腐蚀特征区域的主颜色值,公式为:
其中,M是腐蚀特征区域颜色类型的个数,H、S、V分别为该腐蚀特征区域主颜色的3个分量。
3结语
材料腐蚀特征图像颜色处理技术建立在图像颜色处理与图像识别技术上,因此研究及开发材料腐蚀特征图像颜色处理技术可为材料腐蚀原值监测、腐蚀评价系统奠定技术基础,也是目前材料腐蚀学科所急需的一项实际应用处理技术。本文研究考虑到材料腐蚀特征区域的全局特征,同时也顾及到其局部特点,具有较高的实用价值,能较好地解决材料腐蚀特征区域颜色处理问题,其研究成果已得到应用。
摘要：材料腐蚀特征颜色的人工评定无法解决颜色量化问题,在RGB空间获取材料腐蚀特征图像信息,通过HSV颜色空间对该腐蚀特征区域的颜色值进行相应量化处理,获得一维特征矢量直方图。由于材料腐蚀特征区域颜色并非单一、均匀分布,材料腐蚀特征区域中的颜色具有敏感点及颜色信息偏态分布,其用平均值方法无法进行有效处理,所以使用区域分块、累计百分比方式对区域中的颜色进行权重处理,从而实现在HSV空间下对材料腐蚀特征区域颜色量化处理,使得特征区域颜色值符合人工评定颜色的需要。
关键词：颜色量化,颜色分布权重,HSV颜色空间,材料腐蚀特征,区域主颜色值
参考文献
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桥梁缆索钢丝腐蚀特征 篇2
缆索 (拉索以及吊索、吊杆) 是桥梁结构的主要承载构件, 也是对环境作用最为敏感的构件。目前, 大多采用钢丝平均腐蚀深度进行桥梁缆索腐蚀状况。实际上腐蚀钢丝表面的蚀坑形态很复杂, 在钢丝腐蚀研究中考虑局部蚀坑形态分布特征的也较少。
本文通过某服役系杆拱桥吊杆钢丝表面的蚀坑形状特征和三维尺寸观测分析, 对于蚀坑形状进行分类, 根据蚀坑分布特征讨论蚀坑的发展演变规律。
1 工程背景
位于宜春市的袁州大桥, 建于1996年, 主桥为中承式钢管混凝土拱桥, 主桥跨径布置 (13+101.4+13) m, 上下游侧共有15对平行镀锌高强钢丝吊杆, 钢管防护体系, 内部灌注水泥浆 (见图1) 。2012年年初, 对于袁州大桥进行了全面检测。大桥的主要病害包括:吊杆内部灌浆不密实, 钢管护套锈蚀严重, 高强钢丝锈蚀严重且有部分断丝, 吊杆锚头钢护套内有积水, 锚头及附近钢丝腐蚀严重。因此, 对全桥吊杆进行了更换。
2 钢丝表面腐蚀检测与腐蚀程度量化
为了研究拱桥吊杆高强钢丝表面的腐蚀分布特征, 从袁州大桥每个拆下吊杆靠近下部锚固段随机选择200根钢丝进行表面腐蚀检测分析。检测前, 先将钢丝进行等长切割, 每段30 cm。然后放入10%的稀硫酸中浸泡3 min, 用清洁球除去表面铁锈后用蒸馏水冲洗, 棉布擦干后放入恒温箱中干燥, 然后用稀硫酸进行表面浮锈去除处理并烘干。然后采用电子单尖头千分尺测量钢丝直径, 最后计算蚀坑深度。采用精密游标卡尺分别测量蚀坑宽度W和蚀坑长度L。
为了统一评价钢丝的腐蚀程度, 采用平均腐蚀深度进行量化表征。采用称重法并经过计算平均腐蚀深度作为试件腐蚀程度指标。用电子天平对烘干钢丝试件称重, 称量之后贴上标签序号。根据钢丝未腐蚀之前的理论值和称量的数据计算钢丝失重, 然后计算平均腐蚀深度h, 表达式为:
其中, W0为钢丝原始质量;W1为清除腐蚀产物后的钢丝质量;ρ为钢丝材料的密度;d为钢丝直径;l为钢丝长度。
3 蚀坑形状的分类
目前关于桥梁缆索钢丝腐蚀蚀坑分布特征研究主要采用蚀坑深度表征。钢丝腐蚀表面是较纤细的圆柱面, 蚀坑的几何形状具有很大的不确定性, 因此, 仅采用腐蚀深度显然不能准确表征蚀坑, 直径也不能描述某个维度的尺寸。
对钢丝试件进行大量的仔细观测发现蚀坑形状特征大致可以分成4种形状, 分别是:深椭球形, 浅椭球形, 凹槽形和马鞍形。4种形状的特点描述如下:
1) 深椭球形:蚀坑的长度和宽度基本相等, 蚀坑深度大于宽度的1/3, 蚀坑较为尖锐, 典型的深椭球形蚀坑如图2a) 所示;
2) 浅椭球形:通常蚀坑长度大于蚀坑宽度, 蚀坑深度也小于宽度的1/3, 典型浅椭球形蚀坑如图2b) 所示;
3) 凹槽形:蚀坑边界难以用规则线条描述, 横断面上也没有明显弧度, 将此类蚀坑归类为槽状, 典型蚀坑如图2c) 所示;
4) 马鞍形:蚀坑长度远远大于蚀坑深度和宽度, 蚀坑内表面稍向外凸出, 坑内边界与坑外边界过渡相对比较平滑, 类似于马鞍形状, 典型蚀坑如图2d) 所示。。
4 蚀坑的生长演变规律
1) 4种形状的蚀坑中, 深椭球形蚀坑宽度和长度尺寸相差不大, 蚀坑深度相对较大, 但是绝大多数蚀坑深度不超过0.4 mm。说明深椭球蚀坑的深度存在一个临界值, 即蚀坑进一步发展时, 蚀坑在长度和宽度方向的腐蚀速率大于深度方向的发展速率。2) 钢丝的腐蚀程度越高, 深椭球蚀坑个数越少, 也就是说钢丝腐蚀程度越高, 深椭球蚀坑发展为浅椭球蚀坑或者其他形状蚀坑的几率越大。3) 钢丝的腐蚀程度越高, 凹槽形蚀坑的个数不断增加, 这说明凹槽形蚀坑来源于深椭球形蚀坑和浅椭球形蚀坑的发展。4) 钢丝的腐蚀程度越高, 马鞍形蚀坑的数量也大幅度增加。这说明马鞍形蚀坑也来源于其他类型蚀坑的发展。宏观蚀坑是由微观蚀坑发展而来, 微观蚀坑多为椭球形。微观蚀坑扩展机理则是以闭塞电池模型进行的, 由于闭塞电池的作用发展为深窄型。这种深窄型蚀坑内的腐蚀产物难以与坑外的物质发生交换, 而且蚀坑内部存在一种“自催化酸化作用”, 其演变过程如下:
蚀坑源头初期, 内部铁溶解的阳极反应和氧离子化的阴极反应如下:
阴极:O2+H2O-4e-=4OH- (3)
阴极腐蚀产物在蚀坑口的累积导致蚀坑内外物质难以交换, 蚀坑内的氧消耗完就只能进行阳极反应, 于是阴极反应就转移到蚀坑的外侧, 蚀坑外侧没有阳极反应产物Fe2+, 所以蚀坑外只能进行式 (3) 的阴极反应。蚀坑外阴极反应产生的OH-也无法进入蚀坑内, 于是蚀坑外的p H值升高。而蚀坑内Fe2+越积越多, 由于电荷的不平衡作用, 蚀坑外带负电的Cl-便迁入到坑内与Fe2+生成Fe Cl2;Fe Cl2水解生成了不溶的铁锈和易溶的盐酸, 见式 (7) 。
酸性条件使得蚀坑内保持活化状态, 坑内电位低;而坑外由于阴极反应产物有利于钝化, 其电位高。由于坑外电位高于坑内以及坑内的酸化条件致使坑内金属仍保持活化溶解状态, 坑内是闭塞电池的阳极, 而坑外为阴极, 坑蚀不断扩大。随着蚀坑的发展和坑内腐蚀产物的累积, 逐渐减缓了Fe的溶解速度, 同时深窄型蚀坑周围不断出现新的坑蚀点, 更多坑蚀点的出现减小了深窄型蚀坑内外的电位差, 也使得蚀坑往深部发展速度减慢。随后坑口周围活化区域也相对较大, 蚀坑长度和宽度方向的发展速率越来越大, 这使得深窄型的深椭球形蚀坑逐渐发展为浅椭球、凹槽形等开放型蚀坑。桥梁拉索钢丝处于应力腐蚀、钢丝与钢丝摩擦状态中, 这导致钢丝表面存在极小的条纹状缺陷。雨水、雾露往往沿着钢丝纵向下流, 腐蚀性溶液必然加大蚀坑纵向的发展, 也易使缺陷周围的小蚀坑贯通, 形成超长的蚀坑, 这也是蚀坑长度方向的发展速率最大的重要原因。
5 结语
结合某系杆拱桥换索工程, 对于桥梁缆索钢丝腐蚀分布进行了检测与量化分析。根据蚀坑形状将蚀坑分为四类:深椭球形, 浅椭球形, 凹槽形和马鞍形。根据蚀坑分布特征讨论了蚀坑的发展演变规律。
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油井常见的腐蚀形态特征分析 篇3
大气中的氧气溶解在水溶液中形成溶解氧, 溶解氧是常见的腐蚀剂, 腐蚀产物是铁的氧化物Fe O、Fe2O3、Fe3O4、及其氧化物的水化物Fe Ox (OH) y等[1]。
氧具有很强的腐蚀性, 水中的溶解氧对井下管材产生氧化去极化腐蚀作用, 可加剧H2S或CO2所引起的腐蚀。氧的腐蚀通常表现为凹痕, 以全面腐蚀为主, 同时存在着局部腐蚀。
2 CO2腐蚀形态特征
C O2腐蚀又称为甜腐蚀, 其腐蚀特征是深坑和环状腐蚀, 国内外油田腐蚀绝大多数属于此种类型[2]。
在产生C O2腐蚀时, 金属破坏的基本特征是局部腐蚀, 但均匀腐蚀现象也很常见。油管在遭到全面腐蚀的同时, 右边管头破坏的更严重, 呈现出局部腐蚀。油气田设备的二氧化碳腐蚀类型主要表现为局部腐蚀, 腐蚀形态有点蚀、台地状腐蚀、环状腐蚀、冲刷腐蚀。
均匀腐蚀的腐蚀速率主要由C O2的分压、温度、腐蚀产物的保护性、电解质溶液的成分和材料决定, 而在局部腐蚀时, 除上述因素外, 流速、某些化学组分 (如CO2和H2S) 的存在、残余应力等都对其有影响。
3 H2S腐蚀形态特征
硫化氢腐蚀又叫酸性腐蚀。硫化氢腐蚀的特点如下:
1) 硫化氢离解产物HS-、S2-对腐蚀都有促进作用。
2) 不同条件下生成的腐蚀产物性质不同。
3) H2S除能引起局部腐蚀外, 还容易引起氢脆和应力腐蚀, 材料在很短时间内可发生断裂。
H2S环境下氢损伤主要表现为硫化物应力腐蚀开裂, 氢锈发裂纹HIC、氢鼓泡HB和应力导向氢锈发裂纹。
a.硫化物应力腐蚀开裂
SSCC指金属在硫化物特别是H2S环境下发生的应力腐蚀破坏。中强度钢的油气田设备在含有少量H2S (50-80mg/L) 和水的环境中会发生环境氢脆型的应力腐蚀开裂,
氢致开裂或氢脆可以分为两类:不可逆氢脆和可逆氢脆。不可逆氢脆造成金属材料的永久性损伤, 即使从金属中除氢, 也不能消除这些损伤。可逆氢脆指含氢的金属在高速变形时不显示脆性, 但在缓慢变形时由于氢逐渐向应力集中处富集, 在应力和氢作用下导致脆性断裂, 在未形成裂纹前去除载荷, 静置去氢后脆性消失。不可逆氢脆的损伤在脆断前可以被检测到, 而可逆氢脆只有在使用过程中产生裂纹源, 从而难以检测到, 所以, 可逆氢脆是一种非常危险的破坏形式。可逆氢脆一般发生在-100-100℃温度范围内, 其中以室温附近 (-30-30℃) 最为严重。碳钢和低合金钢在20-40℃范围内对SSCC敏感性最大。
靖边油田油井井底到井口温度分布一般是25-40℃, 而且套管和油管材质多为J-55碳钢, 处于可逆氢脆发生的最理想环境, 是腐蚀研究的重点内容之一。
经过对靖边油田损坏的管干调查, 有30%的腐蚀损坏是由此引起的。如图1所示是青阳岔地区油井中取出的油杆腐蚀断头形貌, 它是一个垂直于拉应力方向的突然断面, 这是一个典型的SSCC腐蚀。
b.氢诱发裂纹 (HIC)
HIC指在应力作用下金属由于吸氢所导致的破坏过程, 常伴随氢鼓泡 (HB) , HB指由于金属中过高的氢内压使金属在表面或表面下形成鼓泡的现象。
4 硫酸盐还原菌腐蚀形态特征
油田腐蚀性细菌常见到的有硫酸盐还原菌 (S R B) 、腐生菌 (T G B) 和铁细菌 (F B) 等。其中, 主要腐蚀性细菌则是硫酸盐还原菌 (SRB) 。硫酸盐还原菌是一种在厌氧条件下以有机物为营养而能使硫酸盐还原成硫化物的细菌, 这类细菌大致可以分为中温型和高温型两类。它们繁衍速度较快的适合温度分别是中温型为30-35℃, 高温型为55-60℃, 可耐受生长的p H范围是5-9。在有氧环境中, SRB仍能继续存活下去, 但不能生长和繁殖[3]。
硫酸盐还原菌是一种厌氧的革兰氏阴性菌, 单细胞, 无色, 无芽饱, 以单根鞭毛运动;在广泛利用有机物的同时把硫酸盐、亚硫酸盐、单质硫、硫代硫酸盐和连二亚硫酸盐还原成硫化氢, 不沉积铁的氧化物[4]。
图2显示油管内壁大部分被腐蚀产物覆盖, 使内径变的狭小, 腐蚀产物呈密集小突起物状, 这些小突起物表面为黄色, 黄色外层下面包着一个黑色的核心, 经盐酸试验, 有臭鸡蛋气味 (H2S) 。小突起物较硬, 凿去小突起物, 发现它与油管接触的部位有黑色紧密层, 层下发生局部腐蚀, 腐蚀深度比未覆盖小突起物的区域深。局部腐蚀最深的区域剩余壁厚6.38m m, 未被小突起覆盖的区域剩余壁厚7.20mm (原始壁厚7.82mm) 。
S R B在厌氧条件下代谢时产生的H2S能引起金属阳极溶解, 可造成油井管点腐蚀, 直至穿孔。在局部腐蚀过程中, 阴极区和阳极区是截然分开的。通常是阴极区面积相对很大, 阳极区面积相对很小, 结果是腐蚀高度集中在局部位置上, 腐蚀强度大, 危害严重。Iverson指出, 美国油井发生的腐蚀, 77%以上是SRB造成的, 其特点是点蚀。
5 结论
腐蚀是造成油田经济损失的主要因素, 必须详细研究其产生的机理和各种腐蚀的形态特征, 在此基础上才能提出有针对性的、有效的防治措施。
参考文献
[1]纪云岭等编.油田腐蚀与防护技术[M].北京:石油工业出版社, 2006, 9:178-194.
[2]陈长风, 路民旭, 赵国仙等.腐蚀产物膜覆盖条件下油套管钢CO2腐蚀电化学特征.[J].中国腐蚀与防护学报, 2003, 23 (3) :139-143.
[3]陈野.硫酸盐还原菌腐蚀的影响因素及其防治方法[D].大连:大连理工大学, 2004:2-8.
航空铝合金材料腐蚀损伤研究 篇4
1 预腐蚀试验
1.1 试验件
试验件采用平板状试件, 由LY12CZ铝合金材料制成, 其尺寸如图1所示。
1.2 试验方案
采用酸性Na Cl溶液浸泡, 具体配比为5%的N a C l溶液中加入5%的稀硫酸使其p H=4±0.2, 溶液温度为室温。在试验过程中, 每隔5天利用KH-7700数字显微镜对试件进行一次拍照, 整个试验周期为40天, 此时试验件尚处于点蚀阶段。
1.3 试验结果
通过预腐蚀试验, 最终共获得14组不同腐蚀时间试件的腐蚀表面照片, 如图2所示。
从图2中可以看出, 腐蚀时间为20天的试件形成的腐蚀坑, 表面积较小且分布稀疏, 与之相应, 腐蚀坑的深度也较小。腐蚀时间为40天的试件表面积明显加大, 部分相邻蚀坑之间发生了相互交错结合的情况, 此时的腐蚀坑深度也明显增加。上述现象反映了腐蚀表面形貌与腐蚀损伤程度 (蚀坑深度) 之间在发展趋势上确实存在着某种内在联系和一致性。
此外, 该文还利用KH-7700数字显微镜的实时3D图像合成功能, 并结合该设备自带软件计算得到了不同腐蚀时间的最大点蚀坑深度, 其基本测量原理为国标GB/T18590-2001所述的点蚀坑深度变焦显微测量法, 具体测量结果见表1。
2 腐蚀图像特征值的提取
通过数字图像处理技术从拍摄得到的腐蚀照片中提取了孔蚀率、蚀坑分形维数、点蚀坑半径、图像灰度值、能量值, 共计五种腐蚀图像特征值, 见表1。可以看出, 随着腐蚀时间的延长, 腐蚀程度的加深, 蚀坑半径、孔蚀率、蚀坑分形维数均呈现出增大的趋势, 而图像的灰度值和能量值则在整体上呈现出减小的趋势。
3 基于腐蚀图像特征值的腐蚀损伤研究
采用灰色预测方法对图像特征值和腐蚀损伤量之间的关系加以研究, 所建模型为多变量灰色预测模型GM (1, 5) 和GM (1, 6) , 其中, 作为变量的是五种腐蚀图像特征值以及腐蚀时间t。计算结果见图3。
图3中以五种腐蚀图像特征值孔蚀率、蚀坑半径、灰度值、能量值、蚀坑分形维数作为变量建立了GM (1, 5) 预测模型, 将腐蚀时间小于30天的11组数据作为已知变量, 利用所建模型对腐蚀时间大于30天的试件蚀坑深度进行预测, (为图中所对应的12、13、14三个数据点) 。从图中可以看出, 此时五变量灰色模型的预测结果与真实值吻合较好, 平均相对误差为15.49%, 而引入了时间变量t后的六变量预测模型的平均相对误差为40%。
4 结语
该文从腐蚀表面照片出发, 提取了腐蚀图像特征值, 建立了基于图像特征值的腐蚀损伤灰色预测模型。在研究过程中, 得到以下结论。
(1) 随着腐蚀时间的增加, 试件的表面图像和腐蚀损伤也在不断变化, 它们的变化趋势存在某种内在联系和一致性。
(2) 图像特征值反映了腐蚀表面的起伏变化和材料的腐蚀程度, 将其作为输入参数对腐蚀损伤程度 (蚀坑深度) 进行预测是可行的, 预测结果也较为合理。
参考文献
[1]卞贵学, 陈跃良, 张丹峰, 等.基于IDS的铝合金预腐蚀疲劳寿命研究[J].航空学报, 2008, 29 (6) :1526-1530.
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[5]张玮.金属腐蚀形貌特征提取用于腐蚀诊断的研究[D].大连:大连理工大学, 2004.
材料腐蚀特征 篇5
1 工程监理接地材料使用现状
输电线路的杆塔接地装置主要是为了导泄雷电流入地, 以保持线路有一定的耐雷水平, 对输电线路安全运行起着重要的作用。但是根据调查分析, 长期埋在地下的接地装置, 由于土壤的腐蚀作用, 7~8年便发生严重损坏, 从而影响杆塔的耐雷水平。近年来, 随着我国电力需求量的增大, 在沿海等盐碱地区将建设更多的输电线路等电力设施, 其腐蚀环境的恶劣将使得接地装置的腐蚀和安全问题更为突出。因此开展盐碱土壤中接地材料腐蚀行为和防腐蚀材料的研究, 对保证接地网接地性能的稳定性和输电线路的安全运行有着非常重要的作用。
目前, 国内输电线路的水平接地体多采用镀锌圆钢或扁钢, 垂直接地体采用钢管或角钢, 该材料虽然造价低, 硬度大, 但耐腐蚀性差、寿命低, 一般运行5年左右就需要开挖检修, 在腐蚀性地区甚至3年就因腐蚀严重而全面更换, 钢材作为接地材料的缺陷是十分明显的, 各类防腐措施对钢材只能起到有限的延缓腐蚀作用, 并不能完全防腐。滨州地区土质以碱性土为主, 腐蚀性较强, 需要使用新型材料或其他办法降低接地材料的腐蚀率, 因此要找到一种耐腐蚀性较高的材料, 节省投资费用, 延长使用寿命。
2 接地材料腐蚀情况调查
沾化-滨州500k V输电线路工程、沾化-黄河500k V输电线路工程位于滨州地区, 工程线路沿线地形50%为河网泥沼。我们在铁塔基础点附近分别取十处作为土壤环境、地电流情况测试点。接地极长期埋设在土壤当中, 并直接与大地接触。土壤腐蚀是接地极材料最主要的腐蚀类型, 因此, 土壤的腐蚀性是接地网腐蚀的重要指标。通过测量土壤的电阻率、瞬时腐蚀率来评价土壤的腐蚀性。土壤电阻率与瞬时腐蚀速率反应土壤环境电化学腐蚀的强弱。检测结果表明, 滨州地区土壤环境腐蚀性较强, 这与当地的地质因素有关。通过分析、统计, 接地材料腐蚀原因主要表现为土壤的腐蚀性和材料的耐腐蚀率。
3 原因分析
我们针对“土壤电阻率”和“接地材料”主要因素进行了原因分析, 因此接地腐蚀率可分为:一是土壤电阻率高。其盐碱地区电阻率高和接地体埋深不够、上层土壤腐蚀快;二是人员水平。表现在施工人员水平低和经验少;三是接地材料。其钢材耐腐蚀性差、引下线耐腐蚀性较差和接地材料规格过小;四是操作工艺。其焊接头存在虚焊、假焊想象, 会用砂子、碎石和建筑垃圾作回填土。
4 制定相关解决对策
(1) 针对接地体埋深不够, 上层土壤含氧率较高, 吸氧腐蚀快等问题, 采取现场严格检查施工情况, 准确测量接地体埋深。确保接地材料埋深符合设计和相关工程规范要求。
(2) 针对用砂子、碎石和建筑垃圾作回填土等问题, 采取现场监理旁站等方式确保人员监督到位, 确保回填土符合设计和相关规范要求。
(3) 针对施工过程中, 接地材料焊接头存在虚焊、假焊等现象, 并且对焊接头没有做防腐处理等问题, 我们要求监理人员事先审查焊接方案并要求施工人员进行预焊接, 检查合格后方可进行正式焊接。
(4) 针对接地引下线没有采取过渡防腐措施, 没有刷防腐漆等问题, 要求现场监理人员及时检查施工方案和现场施工情况, 要求施工人员严格按照图纸施工。
(5) 针对钢表面的镀锌层以及导电涂层在盐碱土壤中存在较短时间内就腐蚀或失效, 以至于对接地体保护效果较小等问题, 我们利用相关仪器设备测量接地材料在盐碱地区的瞬时腐蚀率, 确保瞬时腐蚀率满足要求。
(6) 针对土壤盐碱程度高等问题, 我们联系设计方采取多种措施降低土壤电阻率。
通过综合上述措施, 并对相关接地材料进行实地考察, 我们最终确定采用新型材料铜覆钢作为接地材料, 根据材料检测情况, 控制该接地材料腐蚀率在2%以下, 做好铜覆钢的敷设工作, 确保敷设准确到位。
5 经济情况分析
采用新型接地材料, 我们必须对新旧接地系统进行经济情况分析, 以确保新型材料经济性和实用性满足施工要求。
(1) 传统接地系统虽然前期投资小, 但后期使用维护费用较大, 特别是因接地材料腐蚀造成线路运行安全带来的经济损失和社会效益损害是不可估量的, 新型铜覆钢系统虽然一次性投资大, 但其优越稳定的性能减少和避免了因接地材料腐蚀带来的电力安全事故, 极大提高了输电线路运行的安全性和可靠性。
(2) 铜覆钢材料的耐腐蚀性可较热镀锌钢提高5—10倍, 使用寿命更长, 导电性能更好, 而且也克服了纯铜材质造价过高、硬度不够难以深钻等缺点。在滨州这样的盐碱地形条件下应用具有非常突出的优势。同等条件下铜覆钢则可达到40年设计寿命。不仅如此, 从长远的寿命周期及维护来看投入成本, 在40年设计寿命条件下, 使用铜覆钢材料, 材料的全寿命周期投资比可比铜降低105%左右, 比热镀锌钢降低35%左右。
(3) 输电线路施工以往通常输电线路接地极采用Ф12圆钢, 接地引下线采用Ф12镀锌圆钢。镀锌钢材的导线截面积为s=I√t/70, 30%导电率铜覆钢的导线截面积为S=I√t/176, 采用70mm2铜覆钢即可。通过比较, 采用铜覆钢新型材料也可以节约大量接地材料的使用, 经济效益较好。
通过使用新型铜覆钢接地系统, 我们对两个500k V输电线路工程地基腐蚀率进行检查, 共检查150点, 平均接地材料腐蚀率为0.005%。通过本次接地材料的研究, 我们贯彻了施工工程“一次成优、过程创优”理念, 提高了经济效益, 实现了工程安全可靠、质量优良、工艺先进、环保节约的工程建设目标。通过保证接地材料的质量, 减少了质量隐患, 实现了输电线路工程“零缺陷”移交, 为后续工作打下了坚实基础, 产生了较大的社会效益和推广价值。
参考文献
[1]张建波, 徐世泽.镀铜钢接地在输电线路中的应用[J].电工技术, 2011 (03) 10.
材料腐蚀特征 篇6
关键词：复合材料,老化,飞机结构,腐蚀
所谓复合材料就是将高强度纤维与将纤维粘结在一起的基体组合而成的一种材料, 它相对于金属材料具有非常优异的性能:具有优异的比强度、比刚度、优异的疲劳性能、耐久性和良好的损伤容限性能[1]。随着航空事业的飞速发展, 对飞行器推重比的要求越来越高, 于是在改进发动机性能的同时, 要求提高飞行器用材的强度/ 密度比, 以实现飞行器自身的减重。复合材料在强度/ 密度比上具有显著优势, 因而其在航空航天工业的应用越来越广泛[2]。美国的AV-8B垂直起落战斗机的尾翼、机翼和前机身等部位应用的先进复合材料约占机体结构重量的26%;新一代的隐形轰炸机B-2的碳纤维增强复合材料比例高达40%。尤其是在B-2的机身结构上, 采用碳纤维增强复合材料使得机翼机身一体化成为现实[3]。复合材料在民用飞机应用也相对广泛, 如B777飞机复合材料用量已占整机结构重量的11%;B787飞机主要结构件全部采用复合材料, 结构重量中复合材料占到了60%。通常使用的复合材料有凯芙拉/ 环氧树脂、碳/ 环氧树脂、玻璃纤维/塑料等。
1 腐蚀试验
本文采用“氙灯光照-加湿”循环试验条件模拟自然环境, 对碳纤维增强环氧树脂基复合材料进行加速腐蚀, 研究三个显著因素 (即温度、湿度和氙灯光照辐射) 对材料的表面状态和力学性能的协同影响, 同时注重分析微观与宏观变化之间的内在联系。同时为考察单因素对材料的影响, 以同循环试验对比, 还进行了单加湿腐蚀试验。
1.1 试样的增重率变化曲线
由图1～图4可知, 在循环试验中, 最初300 h内试样重量呈明显的下降趋势, 但300 h后下降趋势不再显著, 而是呈现一种近似平衡状态。试样重量下降说明试样表面有物质发生流失。单加湿试验中两种材料的重量都呈现连续上升的趋势, 这说明连续加湿过程中吸入材料的水分比流失走的组分要多得多。
由图5可知, 单光照使单排试样的重量下降。单光照试样重量前面几天下降趋势明显, 是由于试样内部水分或其它杂质的挥发, 后面下降趋势减缓, 可能是光氧化作用导致复合材料表面的环氧树脂发生化学反应, 导致某些链的断裂以及链交联, 表面产生微裂纹表现出龟裂, 导致试样表面有物质发生流失, 光学显微照片可以证明复合材料表面的环氧树脂脱落, 纤维裸露。在先光照后加湿试验中, 单排试样的重量变化先下降后升高, 即最初单光照试样重量呈明显的下降趋势, 后加湿试样由于吸收了水分重量呈明显上升趋势。
1.2 氙灯辐射对试样表面状态的影响
从图6～图13可知, 腐蚀672 h试样和1 008 h试样与336 h试样相比, 腐蚀形貌大致类似, 只是有更多的纤维束裸露出来, 环氧树脂剥落掉的更多, 龟裂状微裂纹更加密集。结合重量—时间曲线上可以知道, 试样质量在前300 h变化比较明显, 而在后300 h变化缓慢。
224 h连续加湿的试样没有发生任何明显的形态变化。经单光照或先光照后加湿试验后的试样表面都在初期有从黑色到棕红色的明显变化。试样表面粗糙程度的变化尽管微小, 但是用肉眼就能观察到。 而先光照448 h后加湿112 h腐蚀后的试样比先光照224 h后加湿112 h腐蚀后的试样相比, 腐蚀形貌大致类似, 只是环氧树脂剥落掉的更多, 单位面积内的微裂纹增多, 出现龟裂形貌, 致使有更多的纤维束裸露出来。
1.3 单排试样经氙灯光照后的断裂机理
从图14～图17的单排复合材料的断面微观图可以看到, 试样经光照老化后环氧树脂基体上出现裂纹。裂纹的进一步扩展会导致复合材料的界面受到破坏, 而且必然使复合材料的力学性能明显降低。
2 力学性能试验
采用腐蚀和未腐蚀的复合材料试件进行力学性能试验, 得到的层间剪切强度列入表1、单排复合材料的横向拉伸强度列入表2中。
由表1中数据可知, 所有试验条件下试样的层间剪切强度均有不同程度的降低, 这可能是因为试样吸水后造成层间物质的降解所致。与循环试验相比, 单加湿试验的材料剪切强度降低最多, 这可能是因为其吸水量比循环试样的要多。循环试样的剪切强度变化无显著规律, 这可能与力学试验机的精度及复合材料力学性能的分散性有关。与单光照试验相比, 先光照后加湿试验的材料剪切强度下降更明显, 而且时间越长, 下降的越明显。
由表中数据可知, 除循环336 h的试样以外, 其它试样的横向拉伸强度均不同程度的降低, 这可能是因为吸水后基体与纤维的界面发生降解所致。
3 总结
(1) 随着腐蚀时间的增长, 复合材料的横向拉伸强度和层间剪切强度具有不同程度的降低;
(2) 单排试样单加湿试验增重率随腐蚀时间大致呈线性递增趋势;
(3) 氙灯光照使单排试样的重量下降, 使得复合材料表面的环氧树脂脱落, 纤维裸露。
参考文献
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[2]贺福, 孙微.碳纤维复合材料在大飞机上的应用, 高科技纤维与应用, 2007;32 (6) :5—8
材料腐蚀特征 篇7
1 金属交流腐蚀的机理
针对金属交流腐蚀机理的研究一直属于电蚀领域当中的主要技术难题,一直以来受到广泛的关注。但是由于对金属交流腐蚀的机理研究不成熟,导致该项研究一直停滞不前。有学者认为,交流腐蚀产生的主要原因是由于其腐蚀活动的不可逆性,正半周期所产生的金属离子没有在之后的负半周期实现重新沉淀[1]。还有提出“整流说”的学者Haring直接在此背景下,推出“成膜说”,该理论认为金属在产生交流电解时,将由此形成一层明显的氧化膜,而这层氧化膜则主要源于富余金属离子而存在。
当其电极呈现阳极表现时,氧化膜将有效组织电流的持续流通。而当电极呈现阴极时,则氧化膜上将有明显的电流通过,并且紧随着交流电压的施加,其整流电流也将直接由电解质逐渐的向着金属电极方向流动发展。还有学者Kulman认为,整流属于交流电诱导腐蚀形成的主要因素,并且还从中发现电解液本身的化学成分对于整流膜的形成起到了极其重要的影响,而是否能够形成氧化膜,则主要依赖于其中的化学成分及土壤电解质当中的氧含量。学者Jones认为,交流电可有效的致使阳极反应的去极化表现,提出这种可能主要是因为交流电本身的负半周内,由于表面膜减少或者阴离子脱附而造成的。
2 金属材料交流腐蚀的影响因素分析
2.1 交流电频率因素
通常交流电的频率对于金属的表面蚀坑形态及密度,还有金属腐蚀溶解情况等,存在着巨大的影响。学者Dyer研究发现交流腐蚀铝箔的蚀孔边长L和频繁f存在一定的联系。这一研究结果直接表面频率越高,则所造成的蚀孔越小,其初始蚀孔也将由此变得更为的细密。但是一旦其频率直接高达某项临界值时,金属表面的蚀孔腐蚀将明显加剧,由此一些小蚀孔将逐渐合并成为大蚀孔,最终导致腐蚀层脱落,致使金属厚度变薄。因此其存在一个频率的临界值,一旦该临界值偏低时,则必然将随着频率的不断增加,促使腐蚀速率不断地减小。当其高于临界值时,腐蚀速率反而会由此增大。
2.2 交流电波形因素
交流电波形也对金属腐蚀速率造成了一定的影响。学者Chin就曾将60Hz的波形分别划分成为正弦波、方波以及三角波等交流电来针对金属铁的交流腐蚀实验及图像进行深入分析,由此总结出交流电波形对金属腐蚀行为所造成的影响。研究结果充分表明:三角波对金属的钝性破坏最为明显,且腐蚀的速率也是最高。其次是正弦波造成的腐蚀速率,最后是方波所造成的腐蚀速率[2]。通过这个实验,能够有效的证实交流电波同样也能够适用于不锈钢、铝等多种金属材料的交流腐蚀情况当中。学者Chin直接将此规律解释为多种不同波形的交流电,主要由于其峰值电压的不同,导致对金属腐蚀所造成的影响也存在极大的差异性。
2.3 防腐层因素
以往早期所采用的金属管道主要是由裸露出的铸铁管及钢管组合而成,本身具备良好的接地特性。但是交流电对裸露的管线,所造成的影响效果并不明显。随着如今电力工业的迅速发展及高电阻率绝缘防腐层的有效应用,相应的埋地管线中交流腐蚀的问题才开始渐渐的增多。并且一些涂有高电阻涂料的埋地管道对于交流输电线的感应电压也表现的非常敏感,主要是由于涂层为杂散电流提供了传输通道所致。学者胡春伟研究,在同等的实验条件当中,多种不同暴露面积的试片所造成的腐蚀速率也极不相同。但是在同等交流的电压之下,其试片的暴露面积增加将导致腐蚀速率减小。
2.4 温度因素
通过调查研究表明。交流电流密度越高,则测试金属本身的温度将随之上升。学者Bruckner通过测试发现,当交流电流的密度控制在0-775Am-2的变化范围时,金属温度升高的幅度将大于15摄氏度。而学者Devay的测试结果表明。交流电流密度从0升高到839Am-2变化值时,其温度将升高至55摄氏度。并且通过室内试验发现,交流电流密度越大,则试片的温度将随之升高。
3 结语
综上所述,对于交流腐蚀的研究已经历经漫长的时间周期,发展至今依然存在非常大的争议性。最主要的问题是对其促使机理的模糊性,所以必须将对交流腐蚀的问题研究重点放在基础研究之上,由此的深入探讨交流电致使金属腐蚀的深度秘密。
参考文献
[1]李自力,杨燕.金属管道交流腐蚀研究新进展[J].石油学报,2012,01:164-171.