金属材料在大气腐蚀环境中使用寿命评估方法与流程

本发明属于金属材料使用寿命评估领域，具体涉及一种用于评估金属材料在大气腐蚀环境中使用寿命的方法。
背景技术：
：目前，考察某种金属材料在大气腐蚀环境中的寿命，主要通过对该金属材料在室外进行腐蚀挂片4-16年，得到腐蚀规律(一般符合经验公式(源于ASTMG101-2010)：ΔW＝Ktn，其中，ΔW为腐蚀深度，单位为mm，t为时间(单位为年)，K和n为常数，通过ΔW和t可以计算得出常数K和n)，最后根据该规律推算该金属材料的使用寿命。该方法的缺点是：所需时间很长，无法满足当下金属材料的更新换代。标准“TB2375-93铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法”提到在0.01mol/LNaHSO3溶液中干湿交替72小时的方法来评价耐候钢的耐蚀性能，该方法可以比较出碳钢之间耐蚀性的相对排序，也有人据此估算金属材料的使用寿命。但是该方法由于存在以下致命缺陷：模拟的大气环境只适应于工业大气，并不适用于大气中含有氯化物等其它腐蚀性污染物的环境；测试时间过短(72小时)，只能反映出碳钢短期内的腐蚀规律，并不能真实反映长期腐蚀规律，估算值明显偏离实际值；测试时间点只有1个，所得数据存在一定偶然性，估算值因而也存在偶然性。因此，用此方法对碳钢进行使用寿命评估，可靠性较差。综上，目前国内外并无可靠的、能快速评估金属材料使用寿命的方法。技术实现要素：本发明的一个目的是提供一种在设计用于金属材料在大气环境中使用寿命的评估方法。根据上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种用于金属材料在大气环境中使用寿命的评估方法，所述评估方法的步骤如下：第一步，调整并判定实验室加速腐蚀试验方法(1)设定加速腐蚀试验条件：根据待测样本的真实大气环境对试验装置的试验介质和试验装置内气氛温度、湿度以及转换时间进行调整，制造接近真实大气环境的模拟大气环境；(2)对加速腐蚀试验条件进行判定：1)根据已有的金属材料室外挂片2-16年的腐蚀数据，按照其在真实大气环境中的腐蚀规律ΔW＝Ktn，计算得出常数K1和n1，其中，ΔW为平均腐蚀深度，其单位为mm，t为时间，单位为年；2)在试验装置内放置上述步骤1)中的金属材料试样，按照步骤(1)设定试验条件；3)将金属材料试样放入试验装置内，在模拟大气环境中进行3个或以上试验周期的加速腐蚀试验，每试验周期的最后一天取出一组试样，并对该组试样进行酸洗除锈、称重，并按数理统计方法计算其平均值ΔW，其单位为mm；4)按照公式ΔW＝Ktn，采用最小二乘法计算得出常数K2和n2；5)分别比较K2、K1和n2、n1，K2/K1<50且n2/n1<0.1，则试验条件有效；否则无效，需返回步骤(1)，调整试验条件重新进行试验直到试验条件有效为止；第二步，获取n值在判定有效的试验条件下，进行目标金属材料的腐蚀试验，具体操作步骤同第一步(2)中步骤2)、3)、4)；得出目标金属材料在模拟大气环境中的腐蚀规律ΔW＝Ktn，并由此计算出K3和n3；第三步，获取K值通过对目标金属材料在上述真实大气环境中挂片1年，获取其腐蚀深度数据ΔW4；由公式ΔW＝Ktn可知，当t＝1，K4＝ΔW4；第四步，获得腐蚀规律并进行寿命评估金属材料在该真实大气环境中的腐蚀规律表征为：其中K5＝K4，n5＝n3，ΔW为目标金属材料最大允许腐蚀深度；由此计算出目标金属材料在该真实大气环境中使用寿命：更具体的步骤可以为：第一步，调整并判定实验室加速腐蚀试验方法(1)设定加速腐蚀试验条件：根据待测样本的真实大气环境对试验装置的试验介质和试验装置内气氛温度、湿度以及转换时间进行调整，制造接近真实大气环境的模拟大气环境：1)试验介质为选自下述pH值、温度、浓度、种类的溶液：模拟工业大气环境：pH＝0-7、20-70℃、0.001-0.5mol/L的NaHSO3溶液；模拟海洋大气环境：pH＝6-8、20-70℃、0.01-1mol/L的NaCl溶液；模拟海洋工业大气环境：pH＝0-8、20-70℃、0.001-0.5mol/L的NaHSO3溶液和0.01-1mol/L的NaCl溶液的混合溶液；模拟无污染的湿润大气环境：pH＝6-8、适量的去离子水；模拟其它大气环境：可以根据大气环境中污染物(氯化物含量、二氧化硫含量、氮氧化物等)含量，配备相应的腐蚀溶液。2)试验装置内气氛温度、湿度以及转换时间：箱内气氛温度范围可设定为(15-80)±2℃，较佳范围为(60-70)±2℃；箱内湿度范围可设定为(10-100)±5％RH，较佳范围为(10-80)±5％RH。其中，10±5％RH代表干燥，其它湿度代表湿润；每周期干燥时间可设定为0-24小时，较佳时间为(16-20)±0.5小时；每周期湿润时间可设定为0-24小时，较佳时间为(1-3)±0.5小时；“干燥到湿润”转换时间为1-7小时，较佳时间为(1-2)±0.5小时，“湿润到干燥”不需要转换时间。(2)对加速腐蚀试验条件进行判定1)根据已有的金属材料室外挂片2-16年的腐蚀数据，按照其在真实大气环境中的腐蚀规律ΔW＝Ktn，计算得出常数K1和n1，其中，ΔW为平均腐蚀深度，其单位为mm，t为时间，单位为年；2)在试验装置内放置3-10组上述已知2-16年腐蚀规律的金属材料试样，每组试样3-5片。将金属材料试样放入试验装置内当天记为第0天，以21天为一个试验周期，在试验装置进行3个或以上试验周期的加速腐蚀试验。在上述某一设定试验条件(恒定溶液浓度、温度，箱内温度、浓度等)下进行试验直到试验条件有效为止。3)每周期的最后一天取出一组试样，并对该组试样进行酸洗除锈、称重，并按数理统计方法计算其平均值ΔW(单位为mm)。4)按照公式ΔW＝Ktn，将上述数据代入，采用最小二乘法计算得出常数K2和n2。5)比较K2、K1和n2、n1，K2/K1<50且n2/n1<0.1，则试验条件有效；否则无效，需返回步骤(1)，调整试验条件重新进行试验。第二步，获取n值在判定有效的试验条件下，进行目标金属材料的腐蚀试验，具体操作步骤同第一步(2)中步骤2)、3)、4)；得出目标金属材料在模拟大气环境中的腐蚀规律ΔW＝Ktn，并由此计算出K3和n3；第三步，获取K值通过对目标金属材料在上述真实大气环境中挂片1年，获取其腐蚀深度数据ΔW4；由公式ΔW＝Ktn可知，当t＝1，K4＝ΔW4。第四步，获得腐蚀规律并进行寿命评估金属材料在该真实大气环境中的腐蚀规律，可以表征为：其中K5＝K4，n5＝n3，ΔW为目标金属材料最大允许腐蚀深度；可以计算出目标金属材料在该真实大气环境中使用寿命：在本发明中，(1)K5和K4均代表真实大气环境中金属材料挂片1年所获取的腐蚀数据，而金属材料在真实大气环境中挂片一年或获取的腐蚀数据恒定，因此，K5＝K4；(2)n3为实验室模拟条件下，金属材料腐蚀规律的趋势，在本发明中一项重要内容就是要求该趋势与真实大气环境中的腐蚀趋势一致，否则模拟条件无效。在经过严格筛选后，模拟条件n3应当是与真实大气环境中的趋势n5一致，因此，n5＝n3。所述的用于金属材料在大气环境中使用寿命的评估方法的试验装置为一种金属材料大气腐蚀模拟试验机，所述金属材料大气腐蚀模拟试验机，包括外壳、溶液配备系统、恒温槽系统、试验槽系统、试样悬挂装置、箱内温度控制系统、箱内湿度控制系统和箱内气体检测系统。如图1和图2所示，外壳包括箱体2和箱盖21。箱体2与箱盖21的连接处设置有水封槽1。试验机使用时，在水封槽1中加水密封，以避免试验操作时外壳内部的腐蚀气体逸出污染环境。箱盖21为尖顶式结构，即具有顶部窄底部宽的坡度，便于外壳内的空气中的冷凝液体顺着箱盖21的表面流入水封槽1中。箱盖21上预留有观察窗口22，便于在试验过程中进行观察。外壳的主要材质为耐蚀耐温的塑料板或者表面重防腐的耐蚀金属。溶液配备系统设置在外壳的外部，包括溶液配备槽6和自动搅拌器24。溶液配备槽6设置有进液口26，用于向溶液配备槽6通入液体。自动搅拌器24用于对溶液配备槽6内的液体进行搅拌，完成试验液体的制备。溶液配备槽6还设置有排液口(图中未示出)，用于将残余的液体排出，排液口上可以设置电磁阀28，试验结束后，微电脑控制系统3中会向电磁阀28发出指令，残余的试验液体会被自动排放至指定的废液处理管道中。恒温槽系统设置在外壳内且位于箱体2的底部，包括恒温槽8、设置在恒温槽8的底部用于对恒温槽8中的液体加热的加热棒9、设置在恒温槽8的底部用于对恒温槽8中的液体降温的低温传导板10、以及用于对恒温槽8内的空气进行制冷的恒温槽制冷机13。恒温槽8还设置有与溶液配备槽6连通的管道，用于将溶液配备槽6中的液体输入到恒温槽8中。为此，可设置循环泵7，当溶液配备槽6中的试验液体完成制备后，微电脑控制系统3会向循环泵7发出指令，循环泵7将试验液体泵送入恒温槽8中。恒温槽8中也可以设置液位传感器31，当泵入的试验液体的液位到达液位传感器31控制的高度时，试验液体停止泵入。试验液体泵入后，微电脑控制系统3按设定程序控制加热棒9进行升温至目标温度，试验过程中对试验液体的温度调节由微电脑控制系统3控制加热棒9和低温传导板10来完成，对恒温槽8内的空气温度的调节通过恒温槽制冷机13来完成。恒温槽8还设置有排液口，排液口上可以设置电磁阀30，试验结束后，微电脑控制系统3中会向电磁阀30发出指令，残余的试验液体会被自动排放至指定的废液处理管道中。此外，恒温槽系统还可以包括用于对恒温槽8内的空气进行测温的热电偶11，热电偶11测得的温度反馈到微电脑控制系统3，微电脑控制系统3根据测得的温度和目标温度的关系，对加热棒9、低温传导板10和恒温槽制冷机13进行控制。试验槽系统设置在外壳内且位于箱体2的底部，包括试验槽17和用于控制试验槽17内的液体的液面高度的液位感应器36。试验槽17还设置有与恒温槽8连通的流入管道和回流管道。为了让试验液体能够进入试验槽17，试验机还设置有循环泵12，当恒温槽8中的试验液体加热或冷却至目标温度后，微电脑控制系统3会向循环泵12发送指令，将试验液体泵送至试验槽17，并由液位感应器36控制试验槽17中试验液体的液面33的高度。此外，试验槽系统还可以包括用于对试验槽17内的空气进行测温的热电偶16，热电偶16测得的温度反馈到微电脑控制系统3，微电脑控制系统3根据测得的温度和目标温度的关系对箱内温度控制系统进行控制，以保证试验槽17内的空气温度为目标温度。液位感应器36为通用元器件，包括上液位感应器和下液位感应器。当试验槽17内的液位到达上液位感应器的限定高度时，试验槽17内的试验液体将上液位感应器的浮子(电磁铁)顶起，该浮子与连杆上的磁铁吸在一起，使得电路连通将电信号反馈给微电脑控制系统3，微电脑控制系统3控制循环泵12停止，不再向试验槽17泵入试验液体。此外，由于回流管道在试验槽17内的开口设置在液位的上限位置(例如，略高于上液位感应器的限定高度的位置)，当试验槽17内的液位达到该上限位置，则试验液体从该回流管道的开口顺着回流管道流回至恒温槽8。随着试验的进行，试验槽17内的试验液体会逐步蒸发，当试验槽17内的液位低于下液位感应器的限定高度时，下液位感应器的浮子(电磁铁)与连杆上的磁铁处于断开状态，使得电路断开，电信号反馈给微电脑控制系统3，微电脑控制系统3控制循环泵12开启，开始向试验槽17泵入试验液体，直到达到上液位感应器限定的液位高度。因此，液位感应器36和回流管道的设置一起保证了试验槽17内的试验液体的液位高度保持在合适的高度。到达目标高度后，泵入的多余试验液体会通过设定速率回流至恒温槽，构成循环回流，以保证试验槽17中的试验液体处于设定的温度条件下。试验槽17还设置有排液口，排液口上可以设置电磁阀34，试验结束后，微电脑控制系统3中会向电磁阀34发出指令，残余的试验介质会被自动排放至指定的废液处理管道中。试样悬挂装置设置在外壳内的试验槽17的上方，包括试样架19、用于悬挂试样的试样挂钩23、以及驱动机构5。试样架19为圆盘状，可以为一个或多个，一个或多个试样挂钩23设置在试样架19上，当试样挂钩23为多个时，其均匀地设置在试样架19上。驱动机构5驱动试样架19旋转，其可以通过传动轴18连接，即传动轴18的一端与试样架19连接，另一端连接到驱动机构5(例如变速马达)。准备好的金属试样悬挂在试样挂钩23上，试样挂钩23可以具有自锁装置，以方便取放试样。试样架19及试样挂钩23的设置位置，应该能够保证悬挂在试样挂钩23上的金属试样与试验槽17中的液体不相接触，即如图中所示的距离h不为零。试样架19采用耐蚀耐温的聚四氟乙烯、工程塑料或其他材料制成，试样挂钩23的材质为耐蚀耐温的聚四氟乙烯等。箱内温度控制系统包括箱内气氛制冷机15和加热器20，分别用于对外壳内的气温进行降低和升高。当需要升温或降温时，加热器20或箱内气氛制冷机15分别根据微电脑控制系统3中的程序设定进行升温或降温；同时，温/湿度控制器4监测箱内温度并进行实时控制和反馈。温度控制范围为15-80±2℃。箱内湿度控制系统包括能够向外壳内输送蒸汽的蒸汽发生器29、用于向外壳内送入冷风的除湿制冷机14、用于将空气回流至外壳外部的空气回流口38、以及蒸汽冷凝装置25。其中，蒸汽冷凝装置25与溶液配备槽6连通，以使得冷凝后的液体能够流入溶液配备槽6。由温/湿度控制器4对外壳内的气氛湿度进行检测，并反馈给微电脑控制系统3。在需要增加湿度的情况下，由蒸汽发生器29制造湿蒸汽并通过蒸汽输送装置27充入试验箱内；在需要降低湿度(干燥)的情况下，由除湿机制冷机14往试验箱内鼓入冷风，并从空气回流装置38进行回风，带走箱内过多的湿蒸汽；外壳内的潮湿气体还可以通过蒸汽冷凝装置25冷凝成液态，回流至溶液配备槽6。箱内气体检测系统用于检测外壳内部的各种气体的浓度。比如，氯化物收集装置35用于检测箱内氯化物沉降量，二氧化硫检测仪37用于检测箱内二氧化硫的浓度。通过该检测结果，可以对模拟溶液进行标定，以达到有效模拟大气环境中氯化物、二氧化硫对金属材料腐蚀行为的影响。所述金属材料大气腐蚀模拟试验机操作步骤如下：(1)开启金属材料大气腐蚀模拟试验机电源，并在微电脑控制系统3中设定试验程序。(2)在溶液配备槽6中加入适量的试验介质，一般可以加入10-100L，具体数量依据试样个数和试验周期而定。启动自动搅拌器24，搅拌5-10分钟后，试验介质充分混匀，关闭自动搅拌器24。(3)在试样架19上加载试样。每个试样上的悬挂绳的长度应一致，并牢牢自锁在试样挂钩23内。并确保试样32的底端离液面33间的高度h＞0cm。(4)关闭箱盖21，并分别打开水封槽1、温/湿度控制器4以及试验槽17的自动补水开关。(5)启动微电脑控制系统3中所设定的试验程序，开始试验。(6)试验结束后，试验残余介质会在程序指令下分别通过电磁阀28、电磁阀30和电磁阀34排放至指定的废液处理池中。本发明基于已知金属材料的腐蚀数据，在实验室内实现大气腐蚀环境的模拟，并在一定程度内提高试验速度，在较短时间内可得到目标金属材料在真实大气环境中较长时间内的腐蚀规律，并借此推断出目标金属材料的服役寿命。本发明的主要优势是：试验设备简单，结果可靠，试验周期短。附图说明图1为本发明的金属材料大气腐蚀模拟试验机的正视图的示意图；图2为本发明的金属材料大气腐蚀模拟试验机的右视图的示意图；图3为A钢在某工业大气环境中腐蚀挂片2-16年所获得的结果；图4为本发明A钢在模拟工业大气条件下21d-84d所获得结果；图5为本发明B钢在模拟工业大气条件下21d-84d所获得结果；图6为A钢在某海洋大气环境中腐蚀挂片2-16年所获得的结果；图7为本发明A钢在模拟海洋大气条件下加速21d-84d所获得结果；图8为本发明B钢在模拟海洋大气条件下加速21d-84d所获得结果。具体实施方式下面结合具体实施例对本发明作进一步阐述，但不限制本发明。样品数据由以下仪器测定：为了证明本发明的实施效果，特选取A钢(已知2-16年挂片腐蚀数据)和B钢(需评估使用寿命的金属材料)，对该
发明内容进行说明。其成分如表1所示。表1A钢和B钢主要化学成分(％)编号CSiMnPCuNiCrFeA钢0.200.300.600.020.000.000.00余量B钢0.120.300.400.090.250.40.47余量实施例1某地按腐蚀环境划分，属工业大气环境，其大气成分中主要含SO2，其含量为0.8mg/100cm2.d(连续法测得)，年平均气温为20℃，年均湿度为80％RH，日照时间1300h/a，雨水pH＝4。第一步，调整并判定实验室加速试验方法(1)对金属材料大气腐蚀模拟试验机试验条件进行调整对于该工业大气环境，模拟试验介质选择：pH＝1、35℃、0.1mol/L的NaHSO3溶液；每周期干燥时间为16小时，干燥时湿度设定值为10％RH；每周期湿润时间为7小时，湿润时湿度设定值为80％RH；气氛温度为65℃；“干燥-湿润”转换时间为1小时。(2)对试验条件进行判定1)A钢在此地室外挂片2-16年所获得的结果如图3所示。将这些数据代入经验公式进行计算，采用最小二乘法拟合计算得出K1＝0.073，n1＝0.431。2)在金属材料大气腐蚀模拟试验机内放置4组A钢试样，每组试样5片。试验周期设定为4个：21d、42d、63d、84d。在第一步(1)条件下进行试验。3)每周期取出一组试样，并对其进行酸洗除锈、称重，并按数理统计方法计算其平均值ΔW(单位为mm)。所获得的模拟试验结果如图4所示。4)按照公式ΔW＝Ktn，将上述四组数据代入，采用最小二乘法计算得出常数K2＝0.803，n2＝0.438。5)判定：分别比较K2、K1和n2、n1，得出K2/K1<50且n2/n1<0.1，试验条件有效。第二步，获取n值在判定有效的试验条件下，进行B钢的腐蚀试验。具体操作步骤见第一步(2)中的步骤2)、3)、4)。模拟试验结果见图5。由此得出B钢在该试验条件下的腐蚀规律ΔW＝Ktn，并由此计算出K3＝0.522和n3＝0.423。第三步，获取K值通过对B钢在上述被模拟的大气环境中室外腐蚀挂片1年，获取其腐蚀深度数据W4。由公式ΔW＝Ktn可知，当t＝1，K4＝ΔW4＝0.055mm。第四步，获得腐蚀规律并进行寿命评估B钢在该工业大气环境中的腐蚀规律，可以表征为：如B钢最大允许腐蚀深度为ΔW＝0.25mm，则其在该工业大气环境中，使用寿命为年实施例2某地按腐蚀环境划分，属海洋大气环境，其大气成分中含较多氯离子，其含量为0.2mg/100cm2.d(连续法测得)，年平均气温为24℃，年均湿度为85％RH，日照时间2100h/a，雨水pH＝7。第一步，调整并判定实验室加速试验方法(1)对金属材料大气腐蚀模拟试验机试验条件进行调整对于该海洋大气环境，模拟试验介质选择：pH＝6、40℃、0.5mol/L的NaCl溶液；每周期干燥时间为20小时，干燥时湿度设定值为10％RH；每周期湿润时间为3小时，湿润时湿度设定值为85％RH；气氛温度为70℃；“干燥-湿润”转换时间为1小时。(2)对试验条件进行判定1)A钢在该海洋大气环境下室外挂片2-16年所获得的结果如图6所示。将这些数据代入经验公式进行计算，采用最小二乘法拟合计算得出K1＝0.023，n1＝0.982。2)在金属材料大气腐蚀模拟试验机内放置4组A钢试样，每组试样5片。试验周期设定为4个：21d、42d、63d、84d。在第一步(1)条件下进行试验。3)每周期取出一组试样，并对其进行酸洗除锈、称重，并按数理统计方法计算其平均值ΔW(单位为mm)。所获得的模拟试验结果如图7所示。4)按照公式ΔW＝Ktn，将上述四组数据代入，采用最小二乘法计算得出常数K2＝0.442，n2＝0.9315)判定：分别比较K2、K1和n2、n1，得出K2/K1<50且n2/n1<0.1，试验条件有效。第二步，获取n值在判定有效的试验条件下，进行B钢的腐蚀试验。具体操作步骤见第一步(2)中的步骤2)、3)、4)。模拟试验结果见图8。由此得出B钢在该试验条件下的腐蚀规律ΔW＝Ktn，并由此计算出K3＝0.376和n3＝0.733第三步，获取K值通过对B钢在该海洋大气环境中室外腐蚀挂片1年，获取其腐蚀深度数据W4。由公式ΔW＝Ktn可知，当t＝1，K4＝ΔW4＝0.022mm。第四步，获得腐蚀规律并进行寿命评估B钢在该海洋大气环境中的腐蚀规律，可以表征为：如B钢构件最大允许腐蚀深度为ΔW＝0.25mm，则其在该海洋大气环境中，使用寿命为年。当前第1页1 2 3