一种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置和方法
【专利摘要】本发明公开了一种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置和方法，属于金属材料的大气腐蚀模拟加速测试技术领域。利用气溶胶模拟试验装置进行室内加速腐蚀实验。配制3.5％NaCl溶液，用38％的浓盐酸调节溶液的pH值至3.5，作为发生酸性海洋气溶胶的原溶液。通过调节装置中的溶液流量控制系统及气体压缩系统的参数将溶液雾化成气溶胶液滴来模拟酸性气溶胶环境，以湿沉降的方式沉积到样品表面。实验以6h为一周期，湿沉降10min，自然干燥350min，在4-32个周期完成。本发明以模拟加速腐蚀手段研究钢大气腐蚀的方法，可方便快捷的获取腐蚀过程中的钢腐蚀数据，了解酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀的影响。
【专利说明】
-种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装 置和方法
技术领域
[0001] 本发明设及金属材料的大气腐蚀模拟加速测试技术领域，具体设及一种酸性海洋 气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置和方法。
【背景技术】
[0002] 钢铁具有成本低廉、机械强度良好等优异性能，广泛应用于各个领域。多数情况 下，钢铁都是直接与大气环境相接触，因此，钢铁不可避免的会发生不同程度的大气腐蚀， 造成了资源和能源的极大浪费。影响钢铁大气腐蚀的外界因素有湿度、溫度、润湿时间、液 膜厚度及大气中的污染物等，其中大气污染物对钢铁的腐蚀作用最为突出。
[0003] 气溶胶是大气中污染物的主要存在形式，而且气溶胶中的污染物自身对金属具有 很强的腐蚀性。当污染物W气溶胶的形式沉积到裸露的金属表面时，随着污染物在金属表 面的不断累积，金属的初期腐蚀速率得W提高。因此，由大气气溶胶引发的金属腐蚀不容忽 视。
[0004] 一直W来，海洋大气腐蚀中对金属腐蚀行为影响最严重的当属海盐粒子，而海洋 大气环境下金属的高腐蚀速率主要归因于海洋气溶胶的沉积。海洋气溶胶在传输的过程中 可W被S化、肥UH2SO4等物质酸化，从而使海洋气溶胶的组分发生改变，抑值降低。不论是 海盐粒子还是其他大气污染物，主要是W气溶胶形式存在，其粒径范围从10 3 y m-100 y m， 通过重力沉降或其他方式W气溶胶形式沉积到金属表面进而影响其腐蚀行为。海盐气溶胶 的粒径一般在一微米到数十微米左右分布，吸湿后粒径可达原来的1~2倍。因其粒径及 成分特点，气溶胶具有很多不同于大量溶液或大颗粒粒子的特性。如在气溶胶粒径范围内， 气体（如氧气）在液滴中的扩散非常迅速，不会出现明显的浓度梯度；另外，其吸湿或结晶 行为也明显不同于大颗粒或大量溶液，W海盐气溶胶为例，在其吸湿或结晶过程中，液滴内 会形成极高的离子浓度，如Cl，进而会加速金属的腐蚀。再者，因为气溶胶特殊的吸湿或结 晶行为，会明显延长气溶胶液体状态存在的时间，然后会增加金属表面的润湿时间，使金属 的有效腐蚀时间加长。
[0005] 但到目前为止，气溶胶的特殊理化性质对腐蚀的影响还没有引起腐蚀界学者的足 够关注，只有少数学者从粒径角度进行了研究。其主要原因是缺乏气溶胶制备及检测手段， 受到气溶胶研究方法的限制。因此，设计并建立一种研究酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影 响的模拟加速试验装置和方法，具有重要的理论价值和实际意义。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验 装置和方法，通过采用特定装置W模拟加速腐蚀手段研究钢大气腐蚀，可方便快捷的获取 腐蚀过程中的钢腐蚀数据，了解酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀的影响。
[0007] 为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
[0008] 一种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置，该装置即指气溶胶 模拟实验装置，包括气溶胶模拟试验箱、喷淋控制系统和调速电机、可移动喷头、溶液流量 控制系统和气体压缩系统；其中：
[0009] 所述可移动喷头设于所述气溶胶模拟试验箱之内的顶部位置，通过喷淋控制系统 和调速电机控制可移动喷头的走行速度。
[0010] 所述气体压缩系统包括空气压缩机和气体净化装置，空气压缩机通过管道连接气 体净化装置，气体净化装置再通过管道连接可移动喷头，所述气体净化装置的两端用于连 接空气压缩机和可移动喷头的管道上，分别设置气压表；所述气体净化装置为四个不诱钢 滤筒串联结构。
[0011] 所述溶液流量控制系统包括溶液箱和离屯、累，所述溶液箱用于储备实验用原溶 液，溶液箱连接离屯、累，离屯、累再通过管道连接可移动喷头，离屯、累与可移动喷头相连接的 管道上设有用于控制流量的转子流量计。
[0012] 所述可移动喷头包括喷水管和喷气管，喷水管和喷气管上分别设置多个均朝下的 水孔和气孔，其中：喷水管和喷气管为上下设置，气孔数量为水孔数量的1. 5~4倍，气孔孔 径为30-35 Ji m，水孔孔径为75-80 Ji m。
[0013] 所述气溶胶模拟试验箱内还设有试样架，用于放置实验试样，设于所述可移动喷 头下方。
[0014] 本发明还提供一种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验方法，该方 法是通过调节气溶胶模拟试验装置中的溶液流量控制系统及气体压缩系统的参数，将腐蚀 介质雾化成气溶胶液滴来模拟气溶胶环境，W湿沉降的方式沉积到待腐蚀钢样品表面；实 验在室溫下进行，W化为一个周期，每周期中首先湿沉降lOmin，然后自然干燥350min，连 续进行4-32个周期（24-192h)完成实验。
[0015] 所述腐蚀介质是指发生酸性海洋气溶胶的原溶液，具体是指抑值为3. 5浓度为 3. 5wt. %的化Cl溶液，通过38wt. %的浓盐酸将3. 5wt. %化Cl溶液的抑值调节至3. 5。 通过调节所述溶液流量控制系统将进入可移动喷头的溶液流量控制为化A，通过调节所述 气体压缩系统将进入可移动喷头的气压控制为0.1 MPa。经可移动喷头输出并雾化成的气溶 胶液滴的粒径尺寸小于100微米。
[0016] 本发明的优点及有益效果是：
[0017] (1)本发明提供了一种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置和 方法。该方法利用气溶胶模拟试验装置进行室内加速腐蚀实验，通过调节气溶胶模拟腐蚀 试验装置中的溶液流量控制系统和气体压缩系统的参数将腐蚀溶液雾化成气溶胶液滴来 模拟大气气溶胶环境。该方法比W往的加速腐蚀实验方法，更接近大气污染物实际存在状 态。同时解决传统的大气暴露试验存在的实验周期长、费用高、环境因素不易控制等问题。
[0018] (2)通过该方法形成的气溶胶，可使气溶胶粒径尺寸分布在几微米到几十微米之 间，W湿沉降的方式沉积到样品表面。与实际海洋粒子气溶胶相一致，且呈均匀连续分布， 避免了 W往的盐沉积方式所造成的盐粒子颗粒较大或成片分布的问题（通过液体流量参 数、气压参数和喷淋头特定结构（孔径等）共同控制实现）。
[0019] 做考虑到海洋气溶胶在传输的过程中可能被S〇2、肥UH2SO4等物质酸化，从而使 海洋气溶胶的组分发生改变，抑值降低。所述气溶胶环境采取由38%的浓盐酸调节抑值 至3. 5的3. 5%化Cl溶液，通过调节气溶胶模拟腐蚀试验装置中附带的溶液流量控制系统 及气体压缩系统的参数将其雾化成气溶胶液滴来模拟酸性气溶胶环境。
[0020] (4)实验在室溫下进行，W化为一周期，湿沉降lOmin，自然干燥350min，在24h至 19化完成实验。可方便快捷的获取钢腐蚀数据，了解酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀的影响。
【附图说明】
[0021] 图1为气溶胶模拟试验装置示意图。
[0022] 图1中：1-气溶胶模拟试验箱；2-喷淋控审Ij系统和调速电机；3-气体净化装置； 4-空气压缩机；5-溶液箱；6-离屯、累；7-转子流量计；8-气压表；9-废液出口； 10-可移动 喷头。
[0023] 图2为形成气溶胶环境的流程图。
[0024] 图3为模拟酸性海洋气溶胶环境下Q345钢腐蚀失重与试验时间的关系曲线。 阳0巧]图4为模拟酸性海洋气溶胶环境下Q345钢腐蚀不同时间后腐蚀产物的XRD谱。 [00%] 图5为模拟酸性海洋气溶胶环境下Q345钢腐蚀不同时间后的表面形貌；图中： (a) 24h ;化）4她；（C) 9化；（d) 19化。
[0027] 图6为模拟酸性海洋气溶胶环境下Q345钢腐蚀不同时间后的截面形貌；图中： (a) 24h ;化）4她；（C) 9化；（d) 19化。
【具体实施方式】
[0028] W下通过附图及实施例详述本发明。
[0029] 本发明建立了一种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置和方 法。利用自制的气溶胶模拟试验装置进行室内加速腐蚀实验。配制3. 5wt. %化Cl溶液，用 38wt. %的浓盐酸调节化Cl溶液的抑值至3. 5,作为发生酸性海洋气溶胶的原溶液。通过 调节气溶胶模拟腐蚀试验装置中的溶液流量控制系统及气体压缩系统的参数将腐蚀介质 (原溶液）通过装置中的可调节喷头雾化成气溶胶液滴来模拟气溶胶环境，气溶胶粒径尺 寸分布在几微米到几十微米之间，气溶胶液滴W湿沉降的方式沉积到样品表面。实验中原 溶液进入可调节喷头的流量设置为化A，空气进入可调节喷头的气压为0.1 MPa,通入空气 的目的在于雾化原溶液和补充试验装置内的〇2供应。实验在室溫下进行，W化为一周期， 每周期内首先湿沉降lOmin，然后自然干燥350min，实验时间控制在24h至19化时完成。
[0030] 本发明实验用自制的气溶胶模拟试验装置如图1所示，该装置包括气溶胶模拟试 验箱1、喷淋控制系统和调速电机2、可移动喷头10、溶液流量控制系统和气体压缩系统；所 述可移动喷头10设于气溶胶模拟试验箱1之内的顶部位置，通过喷淋控制系统和调速电机 2控制其走行速度，气溶胶模拟试验箱1的底部设置废液出口 9 ;所述可移动喷头10下方设 有样品架，用于放置实验样品。
[0031] 所述气体压缩系统包括空气压缩机4和气体净化装置3，空气压缩机4通过管道连 接气体净化装置3,气体净化装置3再通过管道连接可移动喷头10,所述气体净化装置3的 两端用于连接空气压缩机4和可移动喷头10的管道上分别设置气压表8 ;气体净化装置3 为四个不诱钢滤筒串联结构。
[0032] 所述溶液流量控制系统包括溶液箱5和离屯、累6,所述溶液箱5用于储备实验用原 溶液，溶液箱5连接离屯、累6,离屯、累6再通过管道连接可移动喷头10,离屯、累6与可移动 喷头10相连接的管道上设有用于控制流量的转子流量计7。
[0033] 所述可移动喷头10包括喷水管和喷气管，喷水管和喷气管上分别设置多个均朝 下的水孔和气孔，其中：喷水管和喷气管为上下设置（喷水管在喷气管上部），气孔数量为 水孔数量的1. 5~4倍，气孔孔径为30~35 y m，水孔孔径为75~80 y m。
[0034] 上述装置作业时，空气和原溶液分别通过气路和水路进入可移动喷头10,通过调 节溶液流量控制系统和气体压缩系统的参数将腐蚀溶液雾化成气溶胶液滴来模拟大气气 溶胶环境。具体形成模拟大气气溶胶环境的流程（见图2)如下：
[0035] 该装置中气路为：空气经空气压缩机4、由气压表8(图1中A)控制输入气压、经 气体净化装置3除去气体中的腐蚀污染物和水分后，由气压表8(图1中B)控制输出气压、 气体W所需流量输入可移动喷头10。该装置中水路为：在试验溶液箱5中配置好待试验的 原溶液、溶液经离屯、累6增压、经由转子流量计7控制液体流量、液体W所需流量输入可移 动喷头10。装置中的喷淋控制系统和调速电机2包括由喷淋控制系统和调速电机组成，喷 淋控制系统用于控制喷淋时间，调速电机用于控制可移动喷头的走行速度。 阳〇36] 实施例1
[0037] 本实施例为利用本大气气溶胶模拟实验机，研究Q345钢在模拟酸性海洋大气气 溶胶环境中的腐蚀规律。过程如下： 阳0測 （1)试样制备
[0039] 实验材料为某厂提供的Q345钢，其化学成分见表1。试样尺寸为 100mmX50mmX2. 4mm，试样表面机械加工至▽ 7。利用丙酬和酒精将试样清洗干净后吹干， 在干燥器中静置24h后称量，精确度为0.1 mg。利用本发明方法试验后的试样，根据国标GB/ T 16545-1996,采用500血盐酸（38%浓盐酸）+500血蒸馈水巧Og六次甲基四胺的混合溶 液作为除诱液，除诱过程在室溫下进行，经过十多分钟的浸泡，待诱层疏松后，用毛刷去除 钢表面残留的腐蚀物质，直到将诱除净为止，同时用未腐蚀的试样校正除诱液对钢基体的 腐蚀影响。将除诱后的试样先用蒸馈水清洗，然后用酒精清洗，吹干后放入干燥器中，24h后 称重，精确至0.1 mg。
[0040] 表1 Q345钢的化学成分（质量分数，％ )
[0041 ]
阳0创 似实验
[0043] 依据本方法配制3. 5 %化Cl溶液，用38 %的浓盐酸调节溶液的抑值至3. 5。利 用图1自制的气溶胶模拟腐蚀试验装置，通过调节装置中附带的溶液流量控制系统和气 体压缩的参数使腐蚀介质雾化来模拟气溶胶环境，实验中溶液流量设置为化A，气压为 0.1 MPa,实验过程一直通气，通气的作用是为了雾化溶液和补充试验装置内充足的〇2供应。 气溶胶粒径尺寸控制在50 ym W下。实验在室溫下进行，W化为一周期，湿沉降lOmin，干 燥350min。实验分别进行24、48、96、192h，每个试验点分别取出4个试样。 W44] 0)实验结果
[0045] 图3为Q345钢腐蚀失重与试验时间的变化关系趋势。由图可W看出，Q345钢的 腐蚀失重随着试验时间的延长而逐渐增加。结果表明，试样的腐蚀失重与时间的关系符合 经典的幕函数方程：M = At"。式中，M表示单位面积质量损失，g/m2;t表示腐蚀时间，h ;A 和n是与材料和腐蚀环境相关的常数。n值可W反映钢表面诱层的保护性，当n<l时，诱层 具有一定的保护性；当n〉l时，诱层不仅没有保护性，反而会促进钢腐蚀。利用幕函数方程 对本试验的失重数据进行拟合，n = 1. 141，说明Q345钢表面的诱层不具有保护性，运与腐 蚀产物的成分及诱层结构的演化是密切相关的。R2是相关系数，其值近似于1，说明拟合结 果是合理的。
[0046] 利用X射线衍射分析仪狂RD)对腐蚀产物进行分析。图4为Q345钢腐蚀产物的 X畑谱图。由图中可W看出，Q345钢的腐蚀产物由化3〇4、a-FeOOH、丫-FeOOH、P-FeOOH 组成。在实验初始阶段，诱层主要成分为化3〇4和还原性的丫-FeOOH、0-FeOOH，其中Fe3〇4 和丫 -FeOOH的相对含量较高，e -FeOOH的相对含量较少，e -FeOOH通常在湿度较大且富 含Cl的环境下才容易形成，运是因为P-FeOOH的形成需要Cl为其提供结构支撑，而本 试验所采用的腐蚀介质中含有较高浓度的Cl，且湿沉降时的相对湿度在90% W上，运都为 P-FeOOH的形成提供了有利条件，P-FeOOH的存在将会促进腐蚀的进行。而在腐蚀后期才 检测到了少量的a-FeOOH, a-FeOOH是最稳定的径基氧化铁，作为保护性的诱层成分可W 抑制腐蚀的进行。
[0047] 利用扫描电镜（SEM)对腐蚀试样的表面和截面进行观察和分析。图5为Q345钢腐 蚀不同时间的表面特征形貌。腐蚀初期，诱层之间有很多缝隙（图5a)，不能有效地抑制腐 蚀介质进入接触基体，腐蚀至4化时诱层出现了分层，外诱层很疏松，且外诱层上有片状结 构的腐蚀产物出现，依形貌判断片状产物应为丫-FeOOH, 丫-FeOOH具有还原性，对基体无 保护作用。随着腐蚀时间的逐渐延长，片状产物逐渐增多，同时内诱层上依然遍布着许多裂 纹，没有形成连续的结构，无法阻止基体的进一步腐蚀。腐蚀至19化腐蚀产物的表面形貌 有所变化，腐蚀产物表面既有片状物质又有球状物质，依形貌判断球状物质应为a -FeOOH, a-FeOOH是丫-FeOOH经溶解形成非晶态化OOH再经过固态转化而形成的。根据诱层表面 形貌图并结合邸D谱图分析可知腐蚀后期仅有很少量a -FeOOH生成，且诱层中依然有缝隙 存在，使得Cl可W通过缝隙渗透到基体，促进基体的进一步腐蚀。
[0048] 图6为Q345钢腐蚀不同时间的截面形貌图。由图可W看出，腐蚀初期诱层薄且疏 松，内部充斥着许多裂纹，无法阻止电解质的入侵，随着腐蚀时间的延长，诱层出现了分层， 外诱层较疏松，且外诱层表面有片状物质出现，运种物质不利于诱层的保护性，内诱层相对 致密一些，同时诱层厚度逐渐增加，192h时诱层厚度达到最大，但由于依然有缝隙存在，无 法阻碍电解质进入接触基体，所W基体腐蚀持续进行。
[0049] 由实施例1可知，本发明方法抓住了大气腐蚀的"干/湿"交替循环特征，重现了钢 表面经历的干/湿状态，并且得到的腐蚀形貌、腐蚀产物组分和腐蚀规律与实际酸性海洋 大气环境中获得Q235钢的实验结果具有很强的相似性。本发明的模拟加速腐蚀试验方法， 有加速性、模拟性和重现性，可方便快捷的获取腐蚀过程中的钢腐蚀数据，了解酸性海洋气 溶胶对钢大气腐蚀的影响，为合理选材和选用合适的防护方法提供依据。
【主权项】
1. 一种酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置，其特征在于：该装置 即指气溶胶模拟实验装置，包括气溶胶模拟试验箱、可移动喷头、溶液流量控制系统和气体 压缩系统；其中：所述可移动喷头设于所述气溶胶模拟试验箱之内的顶部位置；所述气体 压缩系统包括空气压缩机和气体净化装置，空气压缩机通过管道连接气体净化装置，气体 净化装置再通过管道连接可移动喷头，所述气体净化装置的两端用于连接空气压缩机和可 移动喷头的管道上分别设置气压表；所述溶液流量控制系统包括溶液箱和离心栗，所述溶 液箱用于储备实验用溶液，溶液箱连接离心栗，离心栗再通过管道连接可移动喷头，离心栗 与可移动喷头相连接的管道上设有用于控制流量的转子流量计。2. 根据权利要求1所述的酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置，其 特征在于：所述气溶胶模拟实验装置还包括喷淋控制系统和调速电机，用于控制所述可移 动喷头的走行速度。3. 根据权利要求1所述的酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置，其 特征在于：所述可移动喷头包括喷水管和喷气管，喷水管和喷气管上分别设置多个均朝下 的水孔和气孔，其中：喷水管和喷气管为上下设置，气孔数量为水孔数量的1. 5-4倍，气孔 孔径为30-35 μ m，水孔孔径为75-80 μ m。4. 根据权利要求1所述的酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置，其 特征在于：所述气溶胶模拟试验箱内还设有样品架，用于放置实验样品，设于所述可移动喷 头下方。5. 根据权利要求1所述的酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验装置，其 特征在于：所述气体净化装置为四个不锈钢滤筒串联结构。6. 利用权利要求1所述装置进行酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验 方法，其特征在于：该方法是通过调节气溶胶模拟试验装置中的溶液流量控制系统及气体 压缩系统的参数，将腐蚀介质雾化成气溶胶液滴来模拟气溶胶环境，以湿沉降的方式沉积 到待腐蚀钢样品表面；实验在室温下进行，以6h为一个周期，每周期中首先湿沉降lOmin， 然后自然干燥350min，连续进行4-32个周期完成实验。7. 根据权利要求6所述的酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验方法，其 特征在于：所述腐蚀介质是指发生酸性海洋气溶胶的原溶液，具体是指pH值为3. 5浓度为 3. 5wt. %的NaCl溶液，通过38wt. %的浓盐酸将3. 5wt. % NaCl溶液的pH值调节至3. 5。8. 根据权利要求6所述的酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验方法，其 特征在于：该方法中，通过调节所述溶液流量控制系统将进入可移动喷头的溶液流量控制 为3L/h，通过调节所述气体压缩系统将进入可移动喷头的气压控制为0.1 MPa。9. 根据权利要求8所述的酸性海洋气溶胶对钢大气腐蚀影响的模拟加速试验方法，其 特征在于：经可移动喷头输出并雾化成的气溶胶液滴的粒径尺寸小于100微米。
【文档编号】G01N17/00GK105987872SQ201510071093
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月10日
【发明人】吕旺燕, 王振尧, 曹公望, 苏伟, 张丹丹, 刘世念, 汪川
【申请人】广东电网公司电力科学研究院, 中国科学院金属研究所