趙朋飛，蘇曉慶，吳俊升

（1. 航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854；2. 北京航天新風(fēng)機(jī)械設(shè)備有限責(zé)任公司，北京 100854；3. 北京科技大學(xué)，北京 100083）

隨著軍事斗爭形勢的發(fā)展，越來越多的武器裝備部署到沿?；驆u礁地區(qū)，對裝備構(gòu)件材料的耐腐蝕性和適海性要求越來越高。某裝備在交付部隊(duì)使用后，大部分時(shí)間處于貯存不工作或戰(zhàn)備值班狀態(tài)，地面（或艦面）停放時(shí)間一般占到整個(gè)使用壽命的97%以上，因此，地面貯存大氣環(huán)境成為導(dǎo)致裝備結(jié)構(gòu)腐蝕損傷及疲勞壽命降低的主要因素[1-3]。由于沿?；驆u礁等地區(qū)的服役環(huán)境是一種濕熱和化學(xué)聯(lián)合的腐蝕環(huán)境，裝備金屬材料結(jié)構(gòu)在長期貯存過程中不可避免地會出現(xiàn)腐蝕問題，如均勻腐蝕、局部腐蝕、應(yīng)力作用腐蝕等破壞類型。腐蝕環(huán)境通常指的是裝備構(gòu)件所遭受的溫度、濕度、降雨、輻射、腐蝕介質(zhì)等因素聯(lián)合作用及每種環(huán)境因素的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間、發(fā)生頻率以及它們的組合結(jié)果。編制裝備的地面貯存大氣環(huán)境譜是做好腐蝕設(shè)計(jì)與控制、腐蝕環(huán)境下結(jié)構(gòu)壽命評定及耐久性分析等工作的關(guān)鍵。裝備使用環(huán)境譜以大量的服役地區(qū)環(huán)境數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過統(tǒng)計(jì)、折算及關(guān)聯(lián)性分析等處理方法，確定對結(jié)構(gòu)部件產(chǎn)生腐蝕影響的環(huán)境因素的作用強(qiáng)度、時(shí)間、次數(shù)及組合比例，定量描述裝備在壽命周期歷程中所經(jīng)受的腐蝕環(huán)境作用過程。

地面貯存及停放環(huán)境譜描述了裝備在整個(gè)日歷壽命期間所經(jīng)歷的真實(shí)自然環(huán)境歷程，由于裝備設(shè)計(jì)壽命最長可達(dá)20年以上，直接開展裝備結(jié)構(gòu)服役環(huán)境的模擬試驗(yàn)或投放試驗(yàn)，在時(shí)間、經(jīng)費(fèi)、技術(shù)條件上較難實(shí)現(xiàn)，且代價(jià)巨大[4]。因此，有必要建立地面大氣環(huán)境模擬譜與實(shí)驗(yàn)室加速腐蝕環(huán)境譜之間的當(dāng)量關(guān)系。采用加速腐蝕的試驗(yàn)方法，在較短時(shí)間內(nèi)獲得與裝備部件地面貯存若干年相同的腐蝕效果，掌握裝備關(guān)鍵金屬材料的腐蝕損傷及疲勞性能退化規(guī)律，為工程上實(shí)現(xiàn)腐蝕環(huán)境協(xié)同作用下某裝備關(guān)重構(gòu)件的使用壽命評定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支持。

1 大氣腐蝕過程的影響因素選取

1.1 大氣環(huán)境因素及簡化處理

自然大氣環(huán)境因素一般包括氣候環(huán)境因素和化學(xué)腐蝕因素兩大類。氣候環(huán)境因素一般包括氣溫、濕度、降水、風(fēng)、霧、氣候現(xiàn)象、日照輻射、固體沉降物等，影響大氣腐蝕程度的主要包括溫度、相對濕度、降水、霧和凝露、太陽輻射、固體沉降物等[5-6]，其中溫度和濕度是最主要的因素。影響結(jié)構(gòu)腐蝕的化學(xué)環(huán)境因素主要包括SO2、、NOx、酸雨、鹽霧、Cl-等，其中硫氧化物、酸雨是造成工業(yè)區(qū)大氣腐蝕性的關(guān)鍵因素，鹽霧是沿?；驆u礁地區(qū)必須考慮的重要環(huán)境因素。

在某裝備服役壽命期內(nèi)，各種環(huán)境因素對結(jié)構(gòu)部件的作用過程漫長，具有譜的變化與持續(xù)時(shí)間長短不同等特點(diǎn)。如果編制與裝備日歷壽命同步的環(huán)境譜來描述環(huán)境因素的全部變化歷程，實(shí)驗(yàn)室人工模擬再現(xiàn)手段存在較大的困難，即使與日歷壽命等長，研究意義也不大。因此，必須對選取的環(huán)境因素進(jìn)行篩選和簡化處理，以達(dá)到工程實(shí)際能夠再現(xiàn)環(huán)境因素對裝備結(jié)構(gòu)的腐蝕或老化作用效果。簡化處理原則是將環(huán)境因素中對結(jié)構(gòu)腐蝕影響或貢獻(xiàn)可以忽略的環(huán)境參數(shù)及持續(xù)時(shí)間剔除，保留有貢獻(xiàn)的部分，以達(dá)到數(shù)據(jù)簡化且不改變環(huán)境作用機(jī)理的目的[9-11]。

1）氣溫的改變會影響腐蝕的反應(yīng)速率和金屬表面水膜的停留時(shí)間。在高溫高濕條件下，隨著溫度的升高，金屬材料腐蝕速率會顯著加快。當(dāng)環(huán)境溫度低于0 ℃時(shí)，對結(jié)構(gòu)部件的腐蝕影響很小，所以編制環(huán)境譜時(shí)，一般只考慮溫度在0 ℃以上的情況。相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)相對濕度大于臨界指標(biāo)時(shí)，相同溫度條件下不同相對濕度及相同濕度條件下不同溫度對材料腐蝕的影響是不同的。因此，通常將5～35 ℃范圍按5 ℃等分為7個(gè)溫度等級，以溫度為參考指標(biāo)，統(tǒng)計(jì)出濕度、降水、凝露、鹽霧等環(huán)境因素的作用時(shí)間與次數(shù)，以及相對濕度大于70%，且溫度大于20 ℃的各溫度區(qū)段對應(yīng)的作用時(shí)間。

2）金屬腐蝕存在一個(gè)臨界的相對濕度。小于該濕度時(shí)，金屬結(jié)構(gòu)幾乎不發(fā)生腐蝕；當(dāng)達(dá)到和超過臨界濕度時(shí)，金屬的腐蝕速度才會迅速增加。不同金屬或同一金屬材料在不同環(huán)境中的相對濕度值不盡相同。對于鋁合金、合金鋼等常見金屬材料，目前普遍認(rèn)為相對濕度臨界值為70%，即相對濕度低于70%的可認(rèn)為是干燥空氣[12]。

3）當(dāng)結(jié)構(gòu)部件溫度低于大氣溫度，且空氣相對濕度大于60%時(shí)，在滿足結(jié)構(gòu)露點(diǎn)溫度差的條件下，結(jié)構(gòu)表面會產(chǎn)生凝露。由于水膜的覆蓋，使得金屬表面容易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕。通常為在水膜下進(jìn)行的吸氧腐蝕，水膜厚度與金屬腐蝕速率有一定關(guān)系。

4）雨量大小表達(dá)了雨水的作用強(qiáng)度。雨水對外露的裝備結(jié)構(gòu)部件腐蝕過程有重要影響，雨水滲入到裝備結(jié)構(gòu)密封措施不完善的縫隙或狹小空間中，會進(jìn)一步增大結(jié)構(gòu)局部環(huán)境的濕度和作用時(shí)間，加快結(jié)構(gòu)腐蝕速率。

5）裝備貯存氣候環(huán)境與日照、風(fēng)向和風(fēng)速關(guān)系密切。由于日照作用，水膜停留時(shí)間變短；風(fēng)速大小既能吹干裝備表面水膜，又能將潮濕空氣、鹽霧、污染物等吹向結(jié)構(gòu)表面；風(fēng)向決定了空氣中污染物及腐蝕介質(zhì)的走向和覆蓋范圍，被風(fēng)向覆蓋的金屬表面腐蝕更為嚴(yán)重。

6）大氣中腐蝕成分是引起結(jié)構(gòu)腐蝕的重要影響因素之一。造成工業(yè)性污染和島礁環(huán)境大氣腐蝕性的因素主要是SO2和Cl-等大氣成分含量。在裝備服役早期，對結(jié)構(gòu)部件的腐蝕影響較大。制定的環(huán)境譜中一般應(yīng)至少包含上述兩種腐蝕介質(zhì)的年平均含量。

7）裝備結(jié)構(gòu)部件除了處于造成自然大氣環(huán)境中外，還會在使用過程中受到平臺固有環(huán)境及平臺誘發(fā)環(huán)境的影響，使某些結(jié)構(gòu)部件處于局部工作環(huán)境中。無論是平臺環(huán)境與自然環(huán)境，還是密封結(jié)構(gòu)與敞開結(jié)構(gòu)、表面結(jié)構(gòu)與內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在溫度、濕度、太陽輻射、風(fēng)速、腐蝕成分及濃度等因素方面都存在明顯的差別與不同。例如，艙內(nèi)空氣中的鹽霧或氯離子濃度要比艙外大氣該成分濃度要低很多；艙外有遮擋結(jié)構(gòu)比無遮擋暴露結(jié)構(gòu)減少了太陽輻射、降水等因素對裝備材料腐蝕進(jìn)程的影響。

1.2 腐蝕過程與環(huán)境影響因素的關(guān)系

搞清室外腐蝕動力學(xué)過程是研究室內(nèi)外腐蝕相關(guān)性的最終目的，通過對室外腐蝕動力學(xué)過程進(jìn)行模擬和加速，研究室內(nèi)腐蝕動力學(xué)及與室外腐蝕過程動力學(xué)兩個(gè)獨(dú)立腐蝕過程之間的關(guān)聯(lián)性。因此，室內(nèi)腐蝕過程動力學(xué)研究必須建立在充分把握室外腐蝕過程與主要環(huán)節(jié)因素關(guān)系的基礎(chǔ)上。在裝備產(chǎn)品材料和工藝確定之后，決定其腐蝕壽命的就是多重服役環(huán)境因素的協(xié)同作用。在ISO 9223—1992及ISO 9224—1992等ISO標(biāo)準(zhǔn)[5-6]中，對大氣腐蝕等級的分級分類只考慮溫度、濕度、硫含量和鹽離子沉降量等4個(gè)主要影響因素。

利用灰色關(guān)聯(lián)理論可以建立材料服役腐蝕過程與主要環(huán)境因素變化過程之間的關(guān)聯(lián)性[7-8]。該理論認(rèn)為，任何隨機(jī)過程都是在一定幅值范圍和時(shí)域內(nèi)變化的灰色量，利用灰色關(guān)聯(lián)度順序可以定量描述各因素間關(guān)系的強(qiáng)弱、大小和次序?；疑P(guān)聯(lián)分析計(jì)算關(guān)聯(lián)度的主要步驟為：確定比較數(shù)列和參考數(shù)列；求關(guān)聯(lián)系數(shù)；求關(guān)聯(lián)度；關(guān)聯(lián)度按大小排序。灰色關(guān)聯(lián)表達(dá)式及計(jì)算過程大致如下所述。

假設(shè)0()X k為材料性能腐蝕量的參考數(shù)列，Xi(k)為特征環(huán)境因素的比較數(shù)列，定義 X0(k)和Xi(k)在k時(shí)刻的關(guān)聯(lián)系數(shù)為：

式中：ρ為分辨系數(shù)，0＜ρ＜1，ρ的具體取值可視具體情況而定，一般取0.5。 Δi( k )為第k時(shí)刻， X0和Xi的絕對差；為兩級最小差，其中Mki n Δi( k)是第一級最小差，其意義表示為在Xi的曲線上，各相應(yīng)點(diǎn)與X0中各相應(yīng)點(diǎn)距離的最小值，表示在各曲線找出最小差Mki n Δi( k)的基礎(chǔ)上，再按 i = 1,2,… , m 找出所有曲線中最小差的最小差；為兩級最大差，其意義與兩級最小差類似。因此，根據(jù)此式（2）可以求出Xi(k)和對應(yīng)的X0(k)之間的關(guān)聯(lián)系數(shù)：

依據(jù)建立的灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算和分析方法，將裝備典型金屬材料的現(xiàn)場暴露連續(xù)監(jiān)測腐蝕數(shù)據(jù)（如腐蝕速率、點(diǎn)蝕深度等）作為參考數(shù)列，選取腐蝕壽命最相關(guān)的環(huán)境因素的歷程監(jiān)測數(shù)據(jù)作為比較數(shù)列，并采用初值化、平均值化等方法對環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行初始化處理。然后利用式（1）—（4）對腐蝕數(shù)據(jù)與環(huán)境因素之間關(guān)聯(lián)度進(jìn)行計(jì)算，即可得到典型材料大氣腐蝕過程與主要環(huán)境因素的影響程度大小排序。

1.3 碳鋼腐蝕與環(huán)境因素的灰色關(guān)聯(lián)分析

根據(jù)碳鋼試件（Q235）在某島礁海洋大氣環(huán)境中的現(xiàn)場暴露試驗(yàn)數(shù)據(jù)，用μm/a描述Q235的腐蝕速率，不同試驗(yàn)周期試件的平均腐蝕速率見表1。

表1 Q235在島礁海洋大氣環(huán)境中暴露不同周期 的腐蝕速率[8]

將試件連續(xù)4 a的腐蝕速率測量值作為參考數(shù)列，腐蝕試驗(yàn)過程的環(huán)境因素監(jiān)測數(shù)據(jù)作為比較數(shù)列。根據(jù)碳鋼在海洋大氣環(huán)境中的失效機(jī)理和腐蝕特點(diǎn)，初步選擇7個(gè)影響腐蝕過程和腐蝕壽命最相關(guān)的因素進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析，按每4個(gè)月的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析的初始值見表2。由于每種環(huán)境因素的大小和單位都不同，需要在灰色關(guān)聯(lián)分析之前對各環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行初始化處理。常用的初始化方法包括初值化、最小值/最大值化、平均值化和區(qū)間值化等。采用平均值化處理表2中各環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)列的結(jié)果見表3。

利用1.2節(jié)描述的灰色關(guān)聯(lián)度計(jì)算和分析方法，對Q235平均腐蝕速率與大氣環(huán)境主要腐蝕因素之間的灰色關(guān)聯(lián)度進(jìn)行計(jì)算和排序，結(jié)果見表4。從表4中可以看出，影響Q235腐蝕過程的主要因素是降雨量、相對濕度、溫度、鹽霧沉降等，并且它們之間的關(guān)聯(lián)度值相差較小，對腐蝕過程造成的作用效果比較接近。通過類似的方法，可以對鋁合金、不銹鋼等材料的腐蝕影響因素進(jìn)行篩選。研究結(jié)果表明[7-8]，影響常用金屬材料的主要腐蝕因素基本類似。

表2 島礁大氣環(huán)境主要腐蝕因素年份數(shù)據(jù)[8]

表3 島礁大氣環(huán)境主要腐蝕因素平均值化結(jié)果

表4 Q235島礁海洋大氣中腐蝕速率與環(huán)境 因素的灰色關(guān)聯(lián)度及排序

2 典型島礁大氣環(huán)境譜制定

利用上述環(huán)境因素對材料腐蝕損傷影響程度的大小排序，從中選取符合裝備使用特點(diǎn)及最為關(guān)心的環(huán)境因素，用以編制武器裝備地（艦）面大氣環(huán)境譜。 通過國家材料腐蝕研究平臺收集和分析了某島礁地區(qū)4年的大氣環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)影響某裝備結(jié)構(gòu)部件貯存腐蝕的環(huán)境因素選取及簡化原則，主要大氣環(huán)境因素隨年份的累計(jì)平均數(shù)據(jù)見表2。由于該島礁地區(qū)幾乎常年處于高溫高濕的氣候環(huán)境，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，氣溫低于20 ℃及高于35 ℃的時(shí)間在一年中所占的時(shí)間比例很小，對裝備的影響可以忽略不計(jì)。因此，文中主要按照25 ℃和30 ℃兩個(gè)溫度區(qū)間進(jìn)行溫濕度及雨霧等環(huán)境因素的持續(xù)時(shí)間累計(jì)計(jì)算，溫濕度譜及雨霧譜編制結(jié)果見表5和表6。其中全年濕度小于70%的比例約為27%。

表5 島礁大氣溫濕度及雨霧年度累積譜 h

表6 島礁大氣環(huán)境年度譜構(gòu)成

3 當(dāng)量腐蝕加速關(guān)系及折算

金屬材料在貯存和值班環(huán)境條件下，會發(fā)生電化學(xué)腐蝕效應(yīng)，出現(xiàn)嚴(yán)重的銹蝕和腐蝕，造成力學(xué)性能降低。金屬材料的腐蝕動力學(xué)遵循冪函數(shù)規(guī)律[12-13]：

D=Atn(5)

式中：D為腐蝕深度或腐蝕質(zhì)量損失；t為腐蝕時(shí)間；A為腐蝕速率常數(shù)，一般為材料第1年腐蝕速率，主要與環(huán)境因素腐蝕性等級有關(guān)；n為冪指數(shù)，數(shù)值越小，說明金屬材料的耐腐蝕性能越好。

開展裝備材料腐蝕壽命預(yù)測通常需要設(shè)置較大的室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)加速因子，但是加速因子越大，室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與外場存放結(jié)果的相關(guān)性越差。為保證室內(nèi)外腐蝕試驗(yàn)方法具有較好的相關(guān)性，加速腐蝕試驗(yàn)一般應(yīng)遵循以下設(shè)計(jì)原則[7-8]：保證室內(nèi)外試驗(yàn)材料腐蝕失效的電化學(xué)機(jī)理一致；環(huán)境循環(huán)作用的過程及特點(diǎn)一致；腐蝕動力學(xué)規(guī)律一致；腐蝕產(chǎn)物成分相同，且生長順序一致；具有較高的加速倍率，初期加速倍率值盡可能大一些；多次重復(fù)性對比試驗(yàn)的結(jié)果再現(xiàn)性好。

3.1 當(dāng)量腐蝕加速原理

室內(nèi)外腐蝕試驗(yàn)相關(guān)性是指腐蝕機(jī)理相同，但作用進(jìn)程不同的兩組腐蝕結(jié)果的等量對比。當(dāng)量腐蝕加速關(guān)系就是在腐蝕等量前提下，加速腐蝕譜作用時(shí)間與外場自然環(huán)境腐蝕作用時(shí)間的比較關(guān)系。由于金屬材料在大氣環(huán)境下主要發(fā)生電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，電化學(xué)腐蝕反應(yīng)過程中，電荷的轉(zhuǎn)移與反應(yīng)物質(zhì)之間有著密切的等量關(guān)系，且服從法拉第定律[7-8,13]。因此，可以以腐蝕電流Ic為度量參量編制島礁大氣環(huán)境加速腐蝕試驗(yàn)譜。對于給定金屬材料，雖然外界環(huán)境因素隨時(shí)間的變化呈譜狀的變化規(guī)律，材料在特定環(huán)境下的腐蝕也時(shí)強(qiáng)時(shí)弱，腐蝕電流密度Ic也隨著時(shí)間而變化[8,14]。在暴露時(shí)間t內(nèi)，金屬的腐蝕電量Q可用積分形式表示為：

式中：F為法拉第常數(shù)；cI為不同環(huán)境中的電流；t為環(huán)境作用時(shí)間。

對于給定的金屬材料及其組合，若在現(xiàn)場環(huán)境條件下的電流為Ic，暴露時(shí)間為t，腐蝕量為Q；而其加速腐蝕試驗(yàn)譜作用下的腐蝕電流為c I′，試驗(yàn)時(shí)間為t′，腐蝕量為Q′。根據(jù)式（5）則有：

根據(jù)腐蝕量相等準(zhǔn)則Q = Q′，得出：

由此得到：

引入折算系數(shù)，即加速因子：

則有：

式（10）給出了兩種環(huán)境中腐蝕量相等對應(yīng)的作用時(shí)間關(guān)系，是用當(dāng)量折算法建立加速試驗(yàn)譜與大氣環(huán)境譜作用時(shí)間之間當(dāng)量關(guān)系的基礎(chǔ)。

利用當(dāng)量折算法，以法拉第定律為基礎(chǔ)，認(rèn)為金屬材料的腐蝕失效主要是由電化學(xué)腐蝕引起的。在電化學(xué)反映過程中，電荷量的轉(zhuǎn)移與反應(yīng)物的變化量之間存在等量關(guān)系，使加速環(huán)境譜下的腐蝕電量等于使用環(huán)境中的腐蝕電量，進(jìn)而確定加速腐蝕試驗(yàn)譜與現(xiàn)場環(huán)境譜之間的當(dāng)量關(guān)系。

3.2 腐蝕當(dāng)量折算方法

腐蝕極化曲線可以作為表征當(dāng)量腐蝕原理的重要手段，既能反映腐蝕過程的陰陽極過程變化，表征腐蝕機(jī)理，也能測定腐蝕電流大小。腐蝕極化曲線的測定與比較在確定室內(nèi)腐蝕相關(guān)性加速因子的過程中可以發(fā)揮重要作用。一方面，室內(nèi)外兩組腐蝕試驗(yàn)過程測得的極化曲線形狀必須基本一致，代表室內(nèi)外腐蝕過程的機(jī)理基本一致；另一方面，依據(jù)當(dāng)量加速關(guān)系原理用測定的腐蝕電流密度可以計(jì)算腐蝕加速比。

工程上通常采用測定不同溫度、濕度組合下典型金屬材料腐蝕電流密度的方法，來粗略評估不同溫濕度組合對應(yīng)的腐蝕當(dāng)量折算系數(shù)，對應(yīng)折算系數(shù)α見表7。同時(shí)測量不同濃度NaCl溶液、酸溶液、水介質(zhì)下的腐蝕電流密度，通過比較建立不同條件下的腐蝕當(dāng)量折算系數(shù)，對應(yīng)折算系數(shù)β見表8。具體測定方法為：利用大氣腐蝕檢測儀（ACM）、自制電極及濕熱環(huán)境箱，測量待測金屬材料在試驗(yàn)溫度為40 ℃、相對濕度為90%（標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣）時(shí)的腐蝕電流密度（40 ℃，RH90%），以及測量待測材料在目標(biāo)試驗(yàn)條件下的腐蝕電流密度，以溫度為40 ℃、相對濕度為90%試驗(yàn)條件作為加速腐蝕試驗(yàn)的比較基準(zhǔn)條件，獲得待測材料在目標(biāo)試驗(yàn)條件下與基準(zhǔn)條件比較得到的當(dāng)量折算系數(shù)。同理可測得不同濃度鹽溶液、酸溶液試驗(yàn)條件與水介質(zhì)基準(zhǔn)條件比較得到當(dāng)量折算系數(shù)[7-8,12-14]。需要說明的是，同一類別金屬材料對于潮濕空氣組合的折算系數(shù)差別較大，但對于不同濃度NaCl溶液和酸溶液的折算系數(shù)差別很小，如表7和表8中的5A02鋁合金和高強(qiáng)鋁合金。對于表8中不銹鋼材料在不同濃度酸溶液中與水介質(zhì)的折算系數(shù)暫未測定，由于同類別金屬材料鹽溶液與酸溶液的折算系數(shù)差別不大，具體使用時(shí)可參考碳鋼的折算系數(shù)進(jìn)行室內(nèi)腐蝕試驗(yàn)加速倍數(shù)的粗略估計(jì)。

表7 潮濕空氣與標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的折算系數(shù)

表8 不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)NaCl溶液及不同質(zhì)量濃度酸與水介質(zhì)的折算系數(shù)

4 島礁大氣環(huán)境室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)譜

在編制島礁主要大氣腐蝕因素的環(huán)境譜后，利用典型金屬材料的當(dāng)量腐蝕加速關(guān)系及折算系數(shù)，即可制定該類材料的室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)譜。研究表明[12-15]， 影響裝備典型金屬材料大氣腐蝕過程的主要環(huán)境因素是鹽霧、溫度、相對濕度、干濕循環(huán)等。目前，室內(nèi)加速腐蝕環(huán)境譜設(shè)計(jì)研究主要包括兩大特點(diǎn)：

1）非唯一性，針對某一外場大氣腐蝕環(huán)境，可以依據(jù)類似的加速關(guān)系，制定多個(gè)或不同類型的室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)譜，如周期浸潤試驗(yàn)、循環(huán)鹽霧試驗(yàn)等。

2）加速系數(shù)必須通過腐蝕試驗(yàn)測定。同一材料、同一加速腐蝕譜對不同外場環(huán)境測得的加速系數(shù)是不同的，不同材料-環(huán)境組合針對相同外場環(huán)境測得的加速系數(shù)也是不同的。目前尚未建立精確的理論模型用于加速腐蝕試驗(yàn)譜的研究和制定。

室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)譜設(shè)計(jì)過程及制定步驟[7-8]通常為：收集至少1年以上的外場主要腐蝕環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)；室內(nèi)腐蝕加速試驗(yàn)譜設(shè)定；外場環(huán)境模擬譜當(dāng)量折算為某一標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間；將室內(nèi)加速腐蝕譜當(dāng)量折算為同一標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的持續(xù)時(shí)間；內(nèi)外場當(dāng)量折算時(shí)間比較，確定室內(nèi)腐蝕試驗(yàn)加速倍數(shù)。

以本文研究的某島礁地區(qū)島礁大氣環(huán)境為例，針對Q235碳鋼的室內(nèi)加速試驗(yàn)譜制定過程如下所述。

1）監(jiān)測和收集高溫、高濕、高鹽霧島礁大氣環(huán)境的常年累積數(shù)據(jù)，降雨和溫濕度累積年譜。

2）針對高溫、高濕、高鹽霧島礁大氣環(huán)境特點(diǎn)，可以采取周期浸潤或循環(huán)鹽霧等腐蝕試驗(yàn)方式來制定室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)譜[16-19]。加速腐蝕采用5%NaCl+ 0.05%Na2SO4+0.05%CaCl2的混合溶液，使用少量稀鹽酸調(diào)節(jié)pH為4，此溶液具有很好的島礁大氣環(huán)境腐蝕加速性。潮濕空氣、凝露及干燥空氣等環(huán)境的作用過程，采用溫濕環(huán)境中試樣表面溶液的烘烤過程來模擬，即在溫度t=40 ℃、相對濕度為90%的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣中使試樣表面溶液烘干至消失?？刂圃嚇颖砻娓稍镒饔脮r(shí)間比例約為0.3，與外場暴露試樣全年相對濕度小于70%的比例基本保持一致。依據(jù)上述原則和條件可對室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)譜進(jìn)行初步設(shè)定，具體的試驗(yàn)譜組成將在下文中給予詳細(xì)說明。

3）將島礁大氣環(huán)境累積譜折算為標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的腐蝕當(dāng)量。將島礁大氣環(huán)境年度累積譜（表5）中各溫度下潮濕空氣作用小時(shí)數(shù)按表4數(shù)據(jù)折算為溫度40 ℃、相對濕度90%標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的作用小時(shí)數(shù)為ta= 1209.6 h。將外場降雨作用效果近似等同于相對濕度90%的條件進(jìn)行處理，則島礁大氣環(huán)境年度累積譜（表5）中降雨小時(shí)數(shù)按表7數(shù)據(jù)折算為溫度40 ℃、相對濕度90%標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的作用小時(shí)數(shù)為tb=249.1 h，那么島礁大氣環(huán)境年度累積譜相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間為：t1=ta+tb=1458.7 h。

4）將加速腐蝕試驗(yàn)譜折算為標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的腐蝕當(dāng)量。首先是NaCl鹽溶液的加速系數(shù)。由表8數(shù)據(jù)可知，采用插值法可得5%NaCl溶液加速系數(shù)約為3.168，對應(yīng)折算系數(shù)為β1=0.316；其次是稀鹽酸的折算系數(shù)，對于pH=4的稀鹽酸[H+]=10-4mol/L，HCl對應(yīng)的濃度為10-4mol/L，則鹽酸質(zhì)量濃度為3.65 mg/L。由表8數(shù)據(jù)可知，濃度為1、2 mg/L的鹽酸相對標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的折算系數(shù)為0.368、0.292。同樣采用插值法可得3.65 mg/L鹽酸溶液的加速系數(shù)為5.998，對應(yīng)折算系數(shù)β2=0.167。加速腐蝕試驗(yàn)譜的綜合加速系數(shù)為9.156。因此，加速腐蝕試驗(yàn)譜作用1 h相當(dāng)于溫度40 ℃、相對濕度90%標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用9.156 h。

5）將Q235碳鋼在島礁大氣環(huán)境譜下與室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)譜下的作用效果進(jìn)行當(dāng)量折算。根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)譜的當(dāng)量加速關(guān)系為159.3 h/a，即室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)譜作用159.3 h（約6.64 d）相當(dāng)于外場島礁大氣環(huán)境作用1 a的腐蝕當(dāng)量。

綜上所述，可采用的室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)譜詳細(xì)設(shè)計(jì)如下。

1）周期浸潤干濕交替試驗(yàn)。環(huán)境條件：水浴溫度為(40±1) ℃，空氣溫度為(40±1) ℃，相對濕度RH為90%±2%，腐蝕溶液為5%NaCl+0.05%Na2SO4+ 0.05%CaCl2的混合溶液；干濕交替方式為浸潤時(shí)間7.5 min，烘烤時(shí)間22.5 min；浸潤周期為30 min。

2）循環(huán)鹽霧干濕交替試驗(yàn)。腐蝕溶液為5%NaCl+0.05%Na2SO4+0.05%CaCl2的混合溶液。鹽霧噴淋：溫度為(40±1) ℃，持續(xù)2 h，鹽溶液沉降率為1～3 mL/(80 cm2·h)；干燥過程：溫度為(60±1) ℃，RH＜30%，持續(xù)2 h。循環(huán)周期為4 h。

兩種腐蝕試驗(yàn)方法的循環(huán)次數(shù)需要依據(jù)擬加速驗(yàn)證的外場環(huán)境作用時(shí)間、加速系數(shù)及單次循環(huán)時(shí)間進(jìn)行綜合確定。采用同樣的方法，可以制定鋁合金、不銹鋼等典型金屬材料島礁大氣環(huán)境的室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)譜，具體設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)材料腐蝕特性進(jìn)行溶液濃度、環(huán)境條件、pH值、單次循環(huán)時(shí)間等方面的參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化[14-19]。這里暫不考慮試驗(yàn)譜各因素間的協(xié)同腐蝕加速作用，確切的內(nèi)外場試驗(yàn)腐蝕當(dāng)量加速關(guān)系，還應(yīng)根據(jù)樣品外場暴露結(jié)果與室內(nèi)加速腐蝕結(jié)果的全面而深入比對和相關(guān)性研究，采用腐蝕程度對比結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步修正和確定。

由于外場大氣腐蝕因素及材料-環(huán)境作用過程的復(fù)雜與瞬變特性，目前實(shí)驗(yàn)室條件下還不具備完善的自然腐蝕環(huán)境模擬及加速試驗(yàn)與評價(jià)方法。針對加速腐蝕試驗(yàn)中具體加載方式的選?。ɡ琨}霧、干濕交替或全浸潤等）、存在的差別及作用時(shí)間的影響，尚缺乏具體的理論依據(jù)和可信的加速腐蝕壽命模型，仍需要通過大氣腐蝕環(huán)境嚴(yán)酷度分級、大量的內(nèi)外場腐蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累與分析及結(jié)合先進(jìn)的性能測試與相關(guān)性評價(jià)手段等研究工作來確定。此外，裝備金屬結(jié)構(gòu)腐蝕仿真已經(jīng)成為加速腐蝕試驗(yàn)技術(shù)的重要發(fā)展方向，歐美等發(fā)達(dá)國家相關(guān)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到初步工程化應(yīng)用的階段，代表性腐蝕仿真軟件系統(tǒng)包括美國Corrosion Analyzer、比利時(shí)Corrosion Master、英國BEASY等[20]。腐蝕仿真技術(shù)可以超越時(shí)間、空間和某些試驗(yàn)技術(shù)的限制，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)對裝備結(jié)構(gòu)腐蝕損傷快速評估的不足，未來很可能在一定條件下取代許多實(shí)際的腐蝕試驗(yàn)。

5 結(jié)語

針對面向島礁環(huán)境服役的裝備用典型金屬材料，開展了基于實(shí)測大氣環(huán)境數(shù)據(jù)的室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)譜設(shè)計(jì)與制定研究。

1）歸納了基于實(shí)測大氣環(huán)境數(shù)據(jù)處理的環(huán)境譜編制方法，通過灰色關(guān)聯(lián)分析得到了影響裝備典型金屬材料腐蝕的主要環(huán)境因素。

2）依據(jù)當(dāng)量腐蝕加速原理及典型金屬材料的腐蝕當(dāng)量折算系數(shù)，研究了加速腐蝕試驗(yàn)譜與島礁大氣環(huán)境譜之間的當(dāng)量加速轉(zhuǎn)化關(guān)系，建立了室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)譜的編制方法和一般步驟。

3）確定的周期浸潤或循環(huán)鹽霧的室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)譜及加速關(guān)系，可用于地（艦）面武器裝備的結(jié)構(gòu)選材、防護(hù)涂層、關(guān)鍵構(gòu)件腐蝕壽命的試驗(yàn)研究與驗(yàn)證評定等工作。