西沙海洋大氣環(huán)境中典型材料腐蝕形貌識別

彭文山，侯健，郭為民，丁康康，張彭輝，程文華，孫明先

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所 海洋腐蝕與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237）

在眾多大氣腐蝕環(huán)境中，海洋大氣腐蝕環(huán)境尤其嚴(yán)酷，海洋大氣腐蝕大多發(fā)生在海上船舶、海洋平臺、及沿岸港口設(shè)施上。我國許多海濱城市受海洋大氣的影響，腐蝕現(xiàn)象非常嚴(yán)重。西沙地處熱帶中部，四面環(huán)海，是典型的高溫、高濕、高鹽霧地區(qū)，具有較為廣泛的南海嚴(yán)酷環(huán)境代表性[1]。研究不同材料在南海大氣環(huán)境下的腐蝕形貌特征及腐蝕速率可為相關(guān)海洋裝備設(shè)施腐蝕類型的診斷以及腐蝕預(yù)測提供參考。

鑒于海洋環(huán)境惡劣復(fù)雜，海洋環(huán)境下材料的腐蝕規(guī)律受到廣泛關(guān)注[2-16]，針對海洋大氣環(huán)境對Q235鋼以及EH36 鋼腐蝕的影響，國內(nèi)學(xué)者大部分采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)方式進(jìn)行研究[5-6,8-9]。雖然室內(nèi)模擬試驗(yàn)已可以模擬大部分環(huán)境參數(shù)的變化，但加速試驗(yàn)并不能非常準(zhǔn)確且重現(xiàn)自然環(huán)境下的大氣腐蝕情況[11]，而高濕熱海洋大氣腐蝕因其輻射強(qiáng)烈，氯離子濃度較高，干濕循環(huán)速度較快更是成為海洋大氣腐蝕中的難點(diǎn)。邢士波等[12]研究了7A04 鋁合金在西沙海洋大氣中的腐蝕行為，試樣暴露1 年后，在局部區(qū)域出現(xiàn)了從蝕孔到鏈狀陽極通道之間的過渡，點(diǎn)蝕已經(jīng)大面積出現(xiàn)，到2 年后，點(diǎn)蝕已經(jīng)全部連接成片。駱鴻等[14]研究了304 不銹鋼在西沙海洋大氣的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)不銹鋼以局部腐蝕和點(diǎn)蝕為主，另外，點(diǎn)蝕更容易在表面劃痕處產(chǎn)生。郝獻(xiàn)超等[15]在西沙永興島大氣試驗(yàn)站，對Q235 鋼進(jìn)行了1 個月暴曬實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，Q235 鋼形成的銹層疏松多孔、多裂紋，對基體沒有保護(hù)作用，由于Cl-的侵蝕作用，銹層和基體之間發(fā)生氧化還原反應(yīng)，加速了基體的腐蝕。

提取分析材料表面的腐蝕數(shù)據(jù)，對于診斷腐蝕發(fā)生，判斷腐蝕類型以及評價腐蝕程度十分重要。在腐蝕試樣表面圖像處理方面，研究主要集中在圖像處理方法，通過二值表征腐蝕圖像，進(jìn)而計(jì)算試樣孔蝕率[17]，以及通過圖像處理結(jié)果對腐蝕程度進(jìn)行定性和定量分析[18]。對于材料表面腐蝕面積、腐蝕坑面積、腐蝕坑數(shù)量等腐蝕形貌與腐蝕速率之間的關(guān)系，缺乏深入研究。另外，低合金鋼EH36 在海洋大氣中的腐蝕類型是一般腐蝕（全面腐蝕），腐蝕形貌是淺的腐蝕坑，與304 不銹鋼及5052 鋁合金的腐蝕形貌（腐蝕孔、點(diǎn)）有很多不同。文中分析了西沙海洋大氣環(huán)境中5052 鋁合金、304 不銹鋼鋼和EH36 鋼的腐蝕形貌，并采用腐蝕圖像處理技術(shù)直觀便捷地獲得了材料表面的腐蝕特征，求得材料腐蝕面積百分比、腐蝕坑面積百分比等參數(shù)。由此研究了材料腐蝕速率與材料表面腐蝕形貌參數(shù)之間的關(guān)系，為海洋大氣環(huán)境中不同腐蝕類型材料的腐蝕形貌識別、腐蝕程度評價提供了技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 海洋大氣試驗(yàn)

試驗(yàn)材料為5052 鋁合金、304 不銹鋼及EH36低合金鋼，化學(xué)成分見表1—3。試驗(yàn)地點(diǎn)選取西沙永興島（北緯16°52′，東經(jīng)112°20′）。試樣尺寸長200 mm、寬100 mm，平行樣3 件。試驗(yàn)前對試樣去油污、測尺寸、稱量，并固定在試驗(yàn)架上。暴曬試樣正面向陽，與地面的傾角為45°，統(tǒng)一按照GB/T 14165—2008進(jìn)行大氣暴曬試驗(yàn)。

表1 5052 鋁合金主要化學(xué)成分 %

表2 304 不銹鋼主要化學(xué)成分 %

表3 EH36 低合金鋼主要化學(xué)成分 %

大氣暴曬場主要環(huán)境參數(shù)：永興島屬熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，年降水量為1509.8 mm，風(fēng)力大，蒸發(fā)快；太陽直射時間多、日照長，年平均氣溫為26.5 ℃，1 月最冷，平均氣溫為23 ℃，6 月最熱，平均氣溫為29 ℃，日氣溫最高為31 ℃，最低為21℃，雨季為每年5—6 月份。在暴露1 年和2 年后，回收并觀察記錄試樣的腐蝕外觀，配制除銹液去除腐蝕產(chǎn)物，稱量，并做進(jìn)一步形貌觀察分析。

1.2 腐蝕圖像處理

腐蝕圖像和腐蝕數(shù)據(jù)是評價腐蝕類型、腐蝕程度以及研究腐蝕機(jī)理的基礎(chǔ)[19-21]。從腐蝕形態(tài)來提取特征參數(shù)對于揭示腐蝕機(jī)理至關(guān)重要。圖像處理流程主要包括以下幾步：腐蝕圖像收集、圖像截取、圖像中值濾波、圖像灰度轉(zhuǎn)換、圖像增強(qiáng)、二元特征提取、腐蝕坑面積計(jì)算、評價腐蝕程度[22]?？紤]到圖像在數(shù)字化的過程中不可避免地會受到噪聲的污染，為了真實(shí)地反映腐蝕形貌圖像的特征，采用中值濾波濾除圖像中的噪聲。灰度轉(zhuǎn)換主要是為了顯示更細(xì)部的信息，改善視覺效果，并增加圖像對比度。針對給定圖像的模糊狀況，圖像增強(qiáng)技術(shù)強(qiáng)調(diào)圖像的整體或局部特性，使得試樣的腐蝕形貌更加顯著地顯現(xiàn)出來，改善圖像的質(zhì)量。由于試樣腐蝕形貌的形狀異常，傳統(tǒng)方法難以計(jì)算腐蝕坑的面積，因此采用二值化方法處理圖像，在像素算法的基礎(chǔ)上，采用由0 和1 組成的平面矩陣。二值圖像只有純白色和純黑色兩種顏色，二值化處理后，根據(jù)像素點(diǎn)的值，可以提取出腐蝕坑區(qū)域和腐蝕均勻區(qū)域的特征。

腐蝕圖像二值化處理后，通過統(tǒng)計(jì)程序可得到不同腐蝕周期下各個試樣表面的腐蝕坑面積，從而可以計(jì)算試樣的腐蝕坑面積百分比：

式中：Sc為腐蝕坑面積；Sp為圖像總面積。指定合適的尺寸和圓度范圍，并且通過選擇腐蝕坑的外邊緣來追蹤粒子，提取閾值圖像的特征，從而計(jì)算獲取腐蝕坑數(shù)目。

2 腐蝕形貌分析

2.1 1年周期試樣

三種典型材料暴露1 年試樣表面除銹后的形貌如圖1 所示。經(jīng)過1 年周期暴露后，5052 鋁合金試樣正面腐蝕不明顯，而背面則出現(xiàn)較明顯腐蝕痕跡，主要表現(xiàn)為典型的點(diǎn)腐蝕特征。隨著時間的延長，點(diǎn)蝕連接成片，臨近的點(diǎn)蝕坑相互連接，不斷擴(kuò)展，但是深度較淺。主要是在海洋大氣環(huán)境中，隨時間增長，試樣表面生成白色絮狀腐蝕產(chǎn)物，除銹后，腐蝕生成的疏松的多孔產(chǎn)物膜[23]被清洗掉，顯露出基體顏色。304 不銹鋼試樣表面腐蝕較輕，出現(xiàn)大量銹斑，僅局部位置出現(xiàn)小點(diǎn)蝕，EH36 試樣表面腐蝕較嚴(yán)重，正面和反面均出現(xiàn)全面腐蝕形貌，個別地方出現(xiàn)腐蝕坑。表面腐蝕形態(tài)均以均勻腐蝕和腐蝕坑為主，局部腐蝕坑清晰可見，并且試樣背面腐蝕坑更加明顯。

2.2 2年周期試樣

三種典型材料暴露 2 年試樣表面除銹后形貌如圖2 所示。經(jīng)過2 年大氣暴露后，試樣表面腐蝕比1 年周期試樣更加明顯。特別是對于304 不銹鋼，其表面局部區(qū)域銹斑面積變大，點(diǎn)蝕坑深度也增加。

3 腐蝕圖像處理結(jié)果

3.1 腐蝕試樣圖像處理

為了消除試樣邊角、固定孔和標(biāo)記孔、試樣拍照光線不均勻的影響，對圖像的處理區(qū)域進(jìn)行選取。選取試樣表面代表性正方形區(qū)域作為圖像處理區(qū)，選取的圖像面積約為整個試樣正面面積的1/8。以三種材料試樣正面為例，分析圖像處理結(jié)果，如圖3 和圖4所示。

3.2 腐蝕面積和腐蝕坑面積與腐蝕速率的關(guān)系

三種材料在不同周期下的質(zhì)量損失以及腐蝕速率如圖5 所示。從圖5 中可以看出，5052 鋁合金的質(zhì)量損失量和腐蝕速率最小，304 不銹鋼次之，EH36低合金鋼最大。這主要跟不同材料的腐蝕機(jī)理有關(guān)，鋁合金在大氣中形成致密氧化膜，阻止腐蝕發(fā)生，雖然局部位置會出現(xiàn)點(diǎn)蝕，但是其銹層增厚也阻止了氯離子等進(jìn)入，減緩了腐蝕。相對于一般碳鋼，304 不銹鋼含有Ni、Cr，Cr 元素使銹層具有離子選擇性[24]。當(dāng)銹層陽離子選擇性較好時，可以阻礙Cl-等腐蝕性離子的侵入，對結(jié)構(gòu)腐蝕起到一定的防護(hù)作用。

對試樣背面進(jìn)行相同的圖像處理，將試樣圖像處理結(jié)果進(jìn)行比較，如圖6 和圖7 所示。由圖6 可知，對于這三種不同材料，在不同的試驗(yàn)周期下，試樣背面的腐蝕面積均大于正面。說明在南海大氣環(huán)境下，背面更易發(fā)生腐蝕，腐蝕更加嚴(yán)重。這主要與表面腐蝕環(huán)境有關(guān)，背面無法接收到日光照射，表面潤濕時間長，并且雨水沖刷不明顯。這使得海鹽更容易在背面附著，氯離子含量相對較高，電化學(xué)腐蝕過程加快，氯離子還破壞銹層對基體的保護(hù)作用，導(dǎo)致腐蝕增強(qiáng)。1 年周期下，304 不銹鋼試樣的腐蝕面積最小，EH36 低合金鋼的腐蝕面積最大，而在2 年周期下，304 不銹鋼試樣的腐蝕面積最大，5052 鋁合金試樣的 腐蝕面積最小。

由圖7 可知，兩種周期下，三種材料的腐蝕坑面積變化規(guī)律與腐蝕面積變化規(guī)律一致。圖5 表明，1年試樣的腐蝕速率略低于2 年試樣。從圖5 腐蝕速率與圖6、圖7 的對比關(guān)系來看，對于5052 鋁合金以及EH36 低合金鋼，其腐蝕面積百分比和腐蝕坑面積百分比與腐蝕速率變化趨勢一致。對于304 不銹鋼，其2 年周期下的腐蝕面積百分比以及腐蝕坑面積百分比均高于1 年周期，而其2 年周期下的腐蝕速率卻高于1 年周期。

3.3 不同試驗(yàn)周期鋼材腐蝕坑數(shù)

由圖8 可知，對于5052 鋁合金和EH36 低合金鋼，1 年周期試樣的腐蝕坑數(shù)目均大于2 年周期試樣，可能是由于EH36 鋼更易腐蝕。隨腐蝕時間增長，導(dǎo)致前期產(chǎn)生的腐蝕坑與周圍腐蝕坑連接成一塊，造成腐蝕坑數(shù)目減少。對于304 不銹鋼，1 年周期試樣的腐蝕坑數(shù)目與2 年周期試樣差別不大，主要是由于304 不銹鋼表面主要以點(diǎn)蝕為主。與1 年周期試樣相比，2 年周期試樣點(diǎn)蝕深度增加，點(diǎn)蝕坑數(shù)目未明顯增多。

4 結(jié)論

1）西沙大氣環(huán)境中，EH36 鋼的大氣腐蝕形貌以均勻腐蝕和腐蝕坑為主，而5052 鋁合金以及304 不銹鋼以點(diǎn)蝕為主，EH36 低合金鋼的腐蝕速率明顯高于5052 鋁合金和304 不銹鋼。

2）三種材料的腐蝕面積百分比與腐蝕坑面積百分比變化趨勢相同，5052 鋁合金和EH36 低合金鋼的腐蝕面積百分比和腐蝕坑面積百分比與腐蝕速率變化規(guī)律一致，304 不銹鋼則相反。

3）對于5052 鋁合金和EH36 低合金鋼，1 年周期試樣的腐蝕坑數(shù)目均大于2 年周期試樣，而對于304 不銹鋼，1 年周期試樣的腐蝕坑數(shù)目與2 年周期試樣差別不大。