一种模拟海洋多参数条件下金属腐蚀状态评估装置及方法与流程

1.本发明涉及海洋腐蚀实验领域，特别是一种模拟海洋多参数条件下金属腐蚀状态评估装置及方法。


背景技术：

2.海洋占地球表面的2/3以上，蕴藏着极其丰富的矿产资源。随着海上运输、深海采矿、港口码头、油气开发、海洋生物技术等新兴海洋产业的兴起，人类对海洋的开发利用逐步走向深入，海洋开发的规模也在不断地扩大。但海洋环境又是一个腐蚀性很强的灾害环境，各种材料在海洋环境中极易发生腐蚀劣化破坏。因腐蚀造成的损失包括直接损失和间接损失两大类，它是一种悄悄在进行的破坏，世界各国每年因腐蚀造成的直接经济损失约占其国民生产总值的2％～4％，其中海洋腐蚀的损失约占总腐蚀的1/3。
3.由于海洋环境涉及气象、流体、物理、化学以及生物等多领域复杂因素。传统金属材料逐渐不能满足先进海洋设备和机械的使用条件，因此改进传统海洋材料，针对海洋环境设计高性能、耐腐蚀、环保、绿色的新材料以及对新材料的可应用性进行深度的探索极其重要。目前进行海洋环境防腐抑垢实验的最佳研究方法是在实际海洋环境中的现场暴露实验，因为可以真实准确地测定出材料的防腐抑垢性能，但这种试验周期长、耗资大，短时间难以取得大量的试验数据。
4.而在海洋生态环境中动植物、微生物种类繁杂，数量庞大。腐蚀构成原因复杂，存在点蚀、应力腐蚀与缝隙腐蚀等。在众多的腐蚀类别将点蚀视作最突出的腐蚀特点。点蚀又称坑蚀和小孔腐蚀。点蚀有大有小，一般情况下，点蚀的深度要比其直径大的多。点蚀经常发生在表面有钝化膜或保护膜的金属上。由于金属材料中存在缺陷、杂质和溶质等的不均一性，尤其是海洋环境中含有大量氯离子，这些氯离子首先被吸附在金属材料表面某些点上，从而使金属表面钝化膜发生破坏。一旦这层钝化膜被破坏又缺乏自钝化能力时，金属表面就发生腐蚀。这是因为在金属表面缺陷处易漏出基底，使其呈活化状态，而钝化膜处仍为钝态，这样就形成了活性—钝性腐蚀电池，由于阳极面积比阴极面积小得多，阳极电流密度很大，所以腐蚀往深处发展，金属表面很快就被腐蚀成小孔，这就形成了点蚀。
5.现有的腐蚀在线检测技术包括腐蚀挂片法、电化学方法、电化学噪声技术等。但挂片法需要在实验完成后进行失重计算分析方可求出腐蚀速率，不仅耗时而且实验结果误差较大。而电化学方法的缺点在于试样加工要求严格，因为灵敏度和试样的横截面有关。试样越细越薄则灵敏度越高，对于低腐蚀速度体系的测量所需时间较长，而且不能测定局部腐蚀特征，若用于非均匀腐蚀场合，也有较大误差，所测腐蚀速度随不均匀程度的加重而偏离。电化学噪声技术虽然测量装置简单、不需要外来扰动,对被测体系没有干扰,可以采用数学方法进行分析,反映材料腐蚀真实状况.但由于金属腐蚀过程中其本身的电学状态随机波动,其化学信号和腐蚀金属电极之间的关系迄今为止仍未建立完整的测试体系,因此不利于对金属腐蚀的监护和研究。因此，如何解决上述问题成为本技术领域人员研究的方向。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种模拟海洋多参数条件下金属腐蚀状态评估装置及方法，以解决上述技术背景中所提出的问题。
7.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
8.一种模拟海洋多参数条件下金属腐蚀状态评估装置，包括ph盐度调剂池、外蓄水池以及通过支架固定设置在所述外蓄水池内部的内蓄水池，所述内蓄水池和外蓄水池之间具有容纳腔，所述容纳腔上设有进水口，所述ph盐度调剂池通过输水管路与所述进水口连通，容纳腔内还设有过滤装置和抽水泵，所述抽水泵通过水管和出水口与内蓄水池连通，外蓄水池上方设有封箱盖，所述密封盖上设有卤钨灯源，内蓄水池的底部固定设置有实验样品台，所述实验样品台通过探针电性连接有腐蚀速度测量仪，实验样品台的上方设有摄像头，所述腐蚀速度测量仪与上位机电性连接，内蓄水池通过软管连接有供氧装置，内蓄水池的侧壁上设有加热装置、温度传感器以及导流孔，外蓄水池的底部还分别设有排水口和排水管。
9.进一步的，所述实验样品台包括固定设置在内蓄水池底部的固定实验样品基座以及设置在所述固定实验样品基座外部的固定实验样品框架。
10.进一步的，所述支架包括对称设置在外蓄水池左右两侧的第一支架和第二支架。
11.进一步的，所述排水管包括设置在外蓄水池底部左右两侧的第一排水管和第二排水管，所述第一排水管和第二排水管上分别设有第一阀门和第二阀门。
12.进一步的，所述输水管路上设有第三阀门。
13.进一步的，所述加热装置包括设置在内蓄水池左右两侧内壁上的第一加热装置和第二加热装置。
14.进一步的，所述摄像头通过支撑杆设于实验样品台左上方，所述支撑杆为可伸缩支撑杆。
15.进一步的，所述封箱盖的表面设有第一保温层，所述内蓄水池的外壁上设有第二保温层。
16.进一步的，所述水管上设有流速计。
17.一种模拟海洋多参数条件下金属腐蚀状态装置的评估方法，其评估方法包括以下步骤：
18.s1、放置试样：将试样固定安装在实验样品台上；
19.s2、在ph盐度调剂池中配置出生态海水，并将生态海水注入到容纳腔内；
20.s3、海水循环：通过抽水泵将生态海水注入到内蓄水池中，生态海水再通过导流口排出到容纳腔，模拟海水循环，抽水泵功率与导流孔的数量、流速相匹配，从而控制所需水流速度；
21.s4、生态海水经加热装置与温度传感器调节不同试验所需温度；启动供氧装置向试验环境供氧；
22.s5、开启封箱盖内壁的卤钨灯源拟自然光照射生态海水；
23.s6、在内蓄水池中加入硫酸盐还原菌、藻类、贝类以及节肢动物，模拟生态海水的海洋环境；
24.s7、利用摄像头拍摄试样表面的腐蚀图片，拍摄时，每间隔24h定角度和距离拍摄
实验样片表面完整的腐蚀情况，使得样片正对镜头，并占满整张图片；
25.s8、利用图像识别与线性极化法测出腐蚀速率与每次获取图片腐蚀斑的面积并获取结果的面积变化值，将腐蚀的面积变化值与腐蚀速率对应起来，标定腐蚀面积变化率与腐蚀速率的关系，通过实时图像监测快速测量腐蚀速率。
26.本发明的有益效果是：本发明提供的装置利用水泵、导流孔与内外蓄水池的嵌套结构构建海水循环系统，内外两个蓄水池形成循环的生态海水流，并利用摄像头实时观察试验进展，在室内即可实现对金属样片的腐蚀研究，避免了往返于实验室与海边之间，能够及时的观察和分析试验样片表面的腐蚀形貌及其腐蚀状态，其次，本发明还采用卤钨灯源模拟海洋的光照、利用加热装置和温度传感器模拟海洋真实的海洋环境温度，便于及时分析试验样板表面的腐蚀形貌及其腐蚀状态，再有，本发明提供的评估方法使用基于图像处理方法的监测方法测定腐蚀速率，获取的图像利用大津法与区域生长进行识别，根据图片的总像素点数，求得腐蚀区域面积，将腐蚀的面积变化值与通过线性极化法测得的腐蚀速率对应起来，通过实时图像监测快速确定腐蚀速率，本发明充分考虑了实际海洋环境对材料腐蚀的综合影响，具有实验数据真实、试验周期短、效率高、结构简单、使用方便的优点。
附图说明
27.图1为本发明模拟海洋多参数条件下金属腐蚀状态评估装置的结构示意图；
28.图2为本发明模拟海洋多参数条件下金属腐蚀状态评估方法的流程图。
29.图中，1
‑
密封盖，2
‑
进水口，3
‑
ph盐度调剂池，4
‑
第三阀门，5
‑
输水管路，6
‑
外蓄水池，7
‑
导流孔，8
‑
温度传感器，9
‑
第二保温层，10
‑
第二加热装置，11
‑
内蓄水池，12
‑
软管，13
‑
供氧装置，14
‑
第二阀门，15
‑
第二排水管，16
‑
排水口。17
‑
第二支架，18
‑
固定实验样品框架，19
‑
金属试样，20
‑
过滤装置，21
‑
固定实验样品基座，22
‑
第一支架，23
‑
第一排水管，24
‑
抽水泵，25
‑
第一阀门，26
‑
第一加热装置，27
‑
出水口，28
‑
水管，29
‑
流速计，30
‑
上位机，31
‑
腐蚀速度测量仪，32
‑
探针，33
‑
支撑杆，34
‑
摄像头，35
‑
第一保温层，36
‑
生态海水，37
‑
卤钨灯源。
具体实施方式
30.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
31.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
32.实施例1：
33.一种模拟海洋多参数条件下金属腐蚀状态评估装置，请参阅附图1所示，包括ph盐度调剂池3、外蓄水池6以及通过支架固定设置在外蓄水池6内部的内蓄水池11，内蓄水池11和外蓄水池6之间具有容纳腔，容纳腔上设有进水口2，ph盐度调剂池3通过输水管路5与进
水口2连通，容纳腔内还设有过滤装置20和抽水泵24，抽水泵24通过水管28和出水口27与内蓄水池11连通，外蓄水池6上方设有封箱盖1，封箱盖1上设有卤钨灯源37，内蓄水池11的底部固定设置有实验样品台，具体的，实验样品台包括固定设置在内蓄水池11底部的固定实验样品基座21以及设置在固定实验样品基座21外部的起保护作用的固定实验样品框架18，实验样品台通过探针32电性连接有腐蚀速度测量仪31，实验样品台的上方设有摄像头34，所述腐蚀速度测量仪31与上位机30电性连接，内蓄水池11通过软管12连接有供氧装置13，内蓄水池11的侧壁上设有加热装置、温度传感器8以及导流孔7，外蓄水池6的底部还分别设有排水口16和排水管。
34.作为优选，所述支架包括对称设置在外蓄水池6左右两侧的第一支架22和第二支架17，增加内蓄水池11的连接稳定性。
35.作为优选，所述排水管包括设置在外蓄水池6底部左右两侧的第一排水管23和第二排水管15，所述第一排水管23和第二排水管15上分别设有第一阀门25和第二阀门14，输水管路5上设有第三阀门4。
36.作为优选，所述加热装置包括设置在内蓄水池11左右两侧内壁上的第一加热装置26和第二加热装置10。
37.作为优选，所述摄像头34通过支撑杆33设于实验样品台左上方，所述支撑杆33为可伸缩支撑杆。
38.作为优选，所述封箱盖1的表面设有第一保温层35，所述内蓄水池11的外壁上设有第二保温层9。
39.作为优选，所述水管28上设有流速计29。
40.具体的，本装置具体在使用时，在ph盐度调剂池3中配比好生态海水，打开第三阀门将生态海水注入到容纳腔内，生态海水经过过滤装置20过滤除去水中杂质、大块沉积物，在由抽水泵24将生态海水注入到内蓄水池11中，内蓄水池11中的生态海水再通过导流孔7回流到容纳腔内，通过流速计29控制抽水泵的注水量，使生态海水在内蓄水池11中维持一具体的高度，具体的高度以至少能淹没过实验样品台为准，最终使生态海水的高度在内蓄水池11达到一个动态平衡，形成一个动态循环的生态海水环境。
41.上述使用过程中，往内蓄水池11中加入一定数量、一定种类的海洋附着生物与细菌，如硫酸盐还原菌、藻类、贝类、节肢动物，能更真实的和准确的模拟出海水原始环境，利用卤钨灯源37照射内蓄水池11中的生态海水，模拟海洋的光照条件，利用供氧装置13生态海水提供合适的氧浓度，利用加热装置将生态海水加热到合适的温度，外蓄水池6底部左侧的第一排水管23和第一阀门25以便于排除多余水量，底部右侧的第二排水管15以及第二阀门14以便于检查海水的过滤情况，需要说明的是，在实际应用过程中，外蓄水池6和内蓄水池11可以采用透明材质制成，以便于更好的观察海水和腐蚀情况。
42.海洋作为自然环境之一，具有地域广泛、腐蚀性强，以及随气象、气候条件变化明显等特点。作为海水主要组成的无机盐离子，例如氯离子是导致金属海洋腐蚀的重要根源。影响海洋环境腐蚀的主要因素有:溶解氧、日照时间、海水温度、流速以及盐度。其中，溶解氧对于金属钢材在海水腐蚀情况下属于去极化剂，氧的阴极去极化反应会阻滞腐蚀过程。各类无机盐的盐类溶解会使海水成为电解质溶液，促进电化学腐蚀，具体的，在配比生态海水时，根据真实海水的成分，配比的生态海水成分中，nacl 20～25g/l，mgcl
2 5～8g/l，
na2so43～6g/l，cacl
2 1～2g/l，kcl 0.5～1g/l，nahco
3 0.1～0.2g/l，kbr 0.1～0.2g/l，h3bo30.01～0.02g/l，srcl
2 0.01～0.03g/l，ph值为8.2。
43.取固定海域作为研究目标时，盐类浓度及种类与其导电性变化不大，因此整个过程对腐蚀影响不大。无论何处海域，在海洋环境因素综合作用下ph微小的变化对金属的腐蚀速度不足以产生影响。光照强度也会随着海水深度的增加而减少。由于不同海域不同季节的水温相差甚大，且海洋的各区带腐蚀程度也不同，各种因素衬钢腐蚀速度的影响当中温度占相对主导地位，因此，需要维持稳定且有规律的光照时间，结合海洋的实际情况，弱光模拟照射早晨和傍晚，各持续3小时，照度3000lx；中等光模拟上午和下午，持续9小时，照度5000lx。
44.由于模拟海域近岸水深也都不超过200m，近岸受到大陆气候和河流的影响，冬季表层水温在15～18℃，夏季海水表层水温在25℃～28℃，年温差小3℃～4℃，因此在利用加热装置对生态海水进行加热时，可以根据上述数据合理选择适宜的温度对生态海水进行加热。
45.实施例2：
46.本实施例中还提供了一种模拟海洋多参数条件下金属腐蚀状态装置的评估方法，其评估方法包括以下步骤：
47.s1、放置试样：将试样固定安装在实验样品台上；
48.s2、在ph盐度调剂池中配置出生态海水，并将生态海水注入到容纳腔内；
49.s3、海水循环：通过抽水泵将生态海水注入到内蓄水池中，生态海水再通过导流口排出到容纳腔，模拟海水循环，抽水泵功率与导流孔的数量、流速相匹配，从而控制所需水流速度；
50.s4、生态海水经加热装置与温度传感器调节不同试验所需温度；启动供氧装置向试验环境供氧；
51.s5、开启封箱盖内壁的卤钨灯源拟自然光照射生态海水；
52.s6、在内蓄水池中加入硫酸盐还原菌、藻类、贝类以及节肢动物，模拟生态海水的海洋环境；
53.s7、利用摄像头拍摄试样表面的腐蚀图片，拍摄时，每间隔24h定角度和距离拍摄实验样片表面完整的腐蚀情况，使得样片正对镜头，并占满整张图片；
54.s8、利用图像识别与线性极化法测出腐蚀速率与每次获取图片腐蚀斑的面积并获取结果的面积变化值，将腐蚀的面积变化值与腐蚀速率对应起来，标定腐蚀面积变化率与腐蚀速率的关系，通过实时图像监测快速测量腐蚀速率。
55.具体的，在线性极化法测算腐蚀速率时，根据线性极化法在线对试验样品的极化电阻进行实时监测，通过斯特恩公式与法拉第定律可推算出相应的材料腐蚀速率，确定腐蚀情况，极化电阻和极化电流的比值与自然腐蚀电流之间的关系如下：
[0056][0057]
经推导计算可得：
[0058][0059][0060][0061]
上式中，rp为极化电阻；δe为极化电位，δi为极化电流，i
corr
为腐蚀电流，β
a
、β
c
分别为腐蚀过程中阳极反应与阴极反应的塔菲尔斜率，i
a
为阳极电流，i
c
为阴极电流。
[0062]
线性极化方程为：
[0063][0064][0065]
式中：b为线性极化过程的比例常数。
[0066]
对于一个具体的腐蚀过程来说，b值是一个常数。根据电极过程动力学基本原理，可得β
a
和β
c
。通过法拉第定律电化学当量计算，可得金属材料腐蚀速率：
[0067][0068]
式中，式中：w为金属原子量，n为金属离子的价数，n为金属的重量，f为法拉第常数。
[0069]
更具体的，利用摄像头以固定间隔时间实时拍摄到水下试验样片表面腐蚀情况，每经过一个监测周期，样片表面会产生大小不一的腐蚀斑。在样片表面上测定单位时间单位面积内的腐蚀面积变化。首先以大津法进行阈值分割，设定初始阈值t0将图像分为前景与背景两个部分，即已产生微生物腐蚀区域与未腐蚀裸钢区域，将获得的腐蚀图像二值化；假设图像的总灰度级为l，每个灰度级的像素个数为n
i
，已腐蚀区域与未腐蚀区域的灰度平均值为：
[0070][0071][0072][0073]
其中，
[0074]
[0075]
式中：n
i
为每个灰度级的像素个数，n为图像像素的总个数，t0为所选取阈值，l为图像总灰度级，m
q
为前景已腐蚀区域灰度平均值，m
h
为背景未腐蚀区域灰度平均值。
[0076]
故整个图像的灰度平均值m如下：
[0077]
m＝p
q
×
m
q
+p
h
×
m
h
[0078]
已腐蚀区域与未腐蚀区域之间的最大类间方差如下：
[0079]
σ2＝p
q
×
(m
q
‑
m)2+p
h
×
(m
h
‑
m)2[0080]
为了使类间方差最大的分割意味着错分概率最小，按图像的灰度特性,将被腐蚀图像分成未腐蚀基材部分和被腐蚀裸露两部分。未腐蚀与腐蚀部分之间的类间方差σ2越大，构成图像的两部分差别越大,当部分目标错分为背景或部分背景错分为目标都会导致两部分差别变小。
[0081]
以sobel算子为例提取轮廓，该算子包含两组3x3的矩阵，分别为横向及纵向，将之与图像作平面卷积，即可分别得出横向及纵向的亮度差分近似值，进行边缘检测。并对处理后的图像进行区域生长；利用灰度图像的差值与彩色图像的颜色将有相似性质的像素点合并到一起。对每一个区域要先指定一个种子点作为生长的起点，然后将种子点周围领域的像素点和种子点进行对比，将具有相似性质的点合并起来继续向外生长，直到没有满足条件的像素被包括进来为止。最后统计轮廓内的面积，取得轮廓包内的像素点数个数。取得轮廓像素点数后，根据摄像机拍摄图片的总像素点数，求得腐蚀区域面积：
[0082][0083]
式中：n为面积(像素点数)，m为照片面积点数，s为样片面积，s
corr
为所求腐蚀面积。
[0084]
最后以已腐蚀区域与材料整体面积比为例，腐蚀面积占总体面积低于30％的状态定义为轻度腐蚀，30％至60％的腐蚀状态定义为中度腐蚀，而高于60％的腐蚀状态则定义为重度腐蚀。通过上述线性极化法测出腐蚀速率与每次获取图片腐蚀斑的面积与上一次获取结果的面积变化值，将腐蚀的面积变化值与腐蚀速率一一对应起来，标定腐蚀面积变化率与腐蚀速率的关系，即通过实时的图像监测达到快速测量腐蚀速率的目的，以将腐蚀面积变化转换为当前图像获取周期内的腐蚀速率。
[0085]
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。