大氣環(huán)境中碳鋼腐蝕速率推測方法

崔夢晨,穆志純,付冬梅,李曉剛

(1. 北京科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083； 2. 北京科技大學(xué) 腐蝕與防護(hù)中心，北京 100083)

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大氣環(huán)境中碳鋼腐蝕速率推測方法

崔夢晨1,穆志純1,付冬梅1,李曉剛2

(1. 北京科技大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，北京 100083； 2. 北京科技大學(xué) 腐蝕與防護(hù)中心，北京 100083)

為了研究氣候環(huán)境因素對金屬腐蝕速率的影響，推測它們的量化關(guān)系，以碳鋼為例，將數(shù)據(jù)挖掘的方法應(yīng)用于大氣腐蝕試驗(yàn)站點(diǎn)的腐蝕速率數(shù)據(jù)和氣候環(huán)境數(shù)據(jù)，建立了大氣環(huán)境中推測碳鋼腐蝕速率的模型,并得出腐蝕速率推測公式。腐蝕站點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證結(jié)果表明:該方法有較高的推測準(zhǔn)確度，對于全面了解我國不同地區(qū)的碳鋼腐蝕狀況具有指導(dǎo)意義。

腐蝕速率；碳鋼；數(shù)據(jù)挖掘；大氣環(huán)境

對于大氣環(huán)境中碳鋼腐蝕速率的研究，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織建立了ISO9223標(biāo)準(zhǔn)，通過潤濕時(shí)間、二氧化硫沉積速率、氯化物沉積速率三項(xiàng)因素判斷大氣環(huán)境中碳鋼腐蝕等級，對應(yīng)不同范圍的腐蝕速率[1]。葉堤等[2]研究了大氣污染對碳鋼腐蝕速率的影響，討論了二氧化硫、二氧化氮等因素對碳鋼腐蝕速率影響的強(qiáng)弱程度。龍風(fēng)樂等[3]對管線鋼的腐蝕速率與溫度、環(huán)境pH等因素的關(guān)系進(jìn)行分析。唐子龍等[4]討論了鹽粒子液膜下碳鋼腐蝕速率與環(huán)境因素的關(guān)聯(lián)性。

金屬材料的腐蝕會(huì)給各種設(shè)備和建筑物的安全帶來威脅，造成重大的經(jīng)濟(jì)損失，其中，金屬材料在大氣環(huán)境中腐蝕造成的損失占到一半以上[5]。挖掘氣候環(huán)境因素與腐蝕速率的規(guī)律對于全面掌握不同地區(qū)的腐蝕狀況進(jìn)而合理有效地進(jìn)行選材和腐蝕防護(hù)具有重要意義[6]。目前，關(guān)于碳鋼腐蝕速率的研究大多集中于定性地討論各環(huán)境因素與其相關(guān)性，未能定量給出根據(jù)氣候環(huán)境數(shù)據(jù)推算碳鋼腐蝕速率的計(jì)算公式，具有一定局限性。

本工作將數(shù)據(jù)挖掘的思想應(yīng)用于腐蝕數(shù)據(jù)，綜合考慮溫度、濕度、污染性氣體等7項(xiàng)因素對碳鋼腐蝕速率的影響，應(yīng)用數(shù)據(jù)擬合、區(qū)間嵌套循環(huán)搜素[7]等方法建立了碳鋼腐蝕速率推測公式,并對公式進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，該公式較為準(zhǔn)確地量化了碳鋼腐蝕速率與氣候環(huán)境因素的關(guān)系，對全面了解我國各地區(qū)碳鋼腐蝕強(qiáng)度提供指導(dǎo)。

1　氣候環(huán)境因素對碳鋼腐蝕速率的影響

影響金屬腐蝕的因素分為氣候因素和環(huán)境因素。氣候因素包括大氣相對濕度、降雨、氣溫、日照時(shí)間、鹽粒子含量等。環(huán)境因素主要是指大氣污染物，其中硫化物和氮化物對金屬腐蝕影響最大[8]。不同氣候環(huán)境因素對碳鋼腐蝕有促進(jìn)或抑制作用。常溫下，碳鋼在大氣中的腐蝕主要是吸氧腐蝕。吸氧腐蝕主要取決于構(gòu)成電解質(zhì)溶液的水份出現(xiàn)的機(jī)會(huì)，所以濕度的增大會(huì)促進(jìn)碳鋼的腐蝕[9]。二氧化硫、二氧化氮為酸性氣體，可溶于水膜，不僅增加了電解質(zhì)溶液水膜的導(dǎo)電性，而且析氫腐蝕和吸氧腐蝕同時(shí)發(fā)生，從而增大了腐蝕速率[10]。而年日照時(shí)間長的地區(qū)往往污染小、降雨少，間接抑制了腐蝕的發(fā)生。

本工作全面考慮各氣候環(huán)境因素的影響，選取溫度、濕度、降雨量、日照時(shí)數(shù)、 SO2含量，NO2含量、Cl-沉積速率7項(xiàng)因素，挖掘其與碳鋼腐蝕速率的關(guān)系。本工作所用氣候環(huán)境數(shù)據(jù)來源于國家環(huán)境統(tǒng)計(jì)年鑒、各主要城市環(huán)境統(tǒng)計(jì)公報(bào)及國家材料環(huán)境腐蝕平臺的年平均數(shù)據(jù)，碳鋼腐蝕速率數(shù)據(jù)來源于腐蝕與防護(hù)網(wǎng)。在已經(jīng)建成的15個(gè)大氣腐蝕站點(diǎn)中，吐魯番站、西沙站因建站較晚，大規(guī)模的金屬腐蝕試驗(yàn)仍在進(jìn)行中，暫時(shí)沒有腐蝕速率試驗(yàn)結(jié)果。從數(shù)據(jù)分布來看，萬寧站是一個(gè)嚴(yán)重的離群點(diǎn)[11]，為了保證所建模型的精度和泛化能力，暫不考慮該站的數(shù)據(jù)。最終選取拉薩、敦煌、漠河、庫爾勒、西雙版納、瓊海、沈陽、北京、廣州、武漢、青島、江津共12個(gè)腐蝕站點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為建模數(shù)據(jù)，各站點(diǎn)的環(huán)境數(shù)據(jù)和碳鋼腐蝕速率數(shù)據(jù)如表1所示。

為判斷7項(xiàng)氣候環(huán)境因素與碳鋼腐蝕速率的相關(guān)性，求取對應(yīng)泊松相關(guān)系數(shù)[12]如表2所示。

由表2可見，溫度、濕度、年降雨量、 SO2含量、NO2含量、Cl-沉積速率與碳鋼腐蝕速率為正相關(guān)關(guān)系，促進(jìn)腐蝕的發(fā)生；日照時(shí)間與碳鋼腐蝕速率為負(fù)相關(guān)關(guān)系，增加日照時(shí)間會(huì)降低碳鋼的腐蝕速率。

表1　站點(diǎn)氣候環(huán)境數(shù)據(jù)和碳鋼腐蝕速率數(shù)據(jù)Tab. 1　Data of climatic and environmental factors and corrosion rates of carbon steel from corrosion sites

2　氣候環(huán)境因素推算碳鋼腐蝕速率建模

2.1氣候環(huán)境影響函數(shù)的定義

碳鋼在大氣環(huán)境中的腐蝕速率取決于各氣候環(huán)境因素，各種因素綜合起來促進(jìn)碳鋼發(fā)生腐蝕行為。為了表征大氣環(huán)境下各因素對碳鋼發(fā)生腐蝕的綜合性影響，定義氣候環(huán)境影響函數(shù)為：

(1)

式中：E為表征表2中7個(gè)氣候環(huán)境因素對碳鋼腐蝕速率的綜合影響程度；ωi為各氣候環(huán)境因素在氣候環(huán)境影響函數(shù)中的權(quán)值，根據(jù)表2中各因素與碳鋼腐蝕速率的正負(fù)相關(guān)性設(shè)定取值范圍為[0,1]或[-1,0]；di(i=1,2,…,7)為采用區(qū)間化的方法進(jìn)行線性映射后的7個(gè)氣候環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)，映射公式[13]如下：

表2　氣候環(huán)境因素對應(yīng)的碳鋼腐蝕速率泊松 相關(guān)系數(shù)Tab. 2　Pearson correlation coefficient of corrosion rate corresponding climatic and to environmental factors

(2)

式中：Di表示氣候環(huán)境因素原始數(shù)據(jù)；Dimax和Dimin分別表示該因素原始數(shù)據(jù)中的最大值和最小值；[a1,a2]表示線性映射的目標(biāo)區(qū)間范圍，選擇區(qū)間范圍為[0.2,0.8]。

當(dāng)與碳鋼腐蝕速率為負(fù)相關(guān)的氣候環(huán)境因素權(quán)值取-1，正相關(guān)的氣候環(huán)境因素權(quán)值取1時(shí)，以12個(gè)腐蝕站點(diǎn)的環(huán)境影響函數(shù)值E為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的碳鋼腐蝕速率為縱坐標(biāo)，形成坐標(biāo)圖如圖1所示。

由圖1可見，碳鋼腐蝕速率隨氣候環(huán)境影響函數(shù)值的增大而增大。如果各氣候環(huán)境因素的權(quán)值在[0,1]或[-1,0]的范圍內(nèi)取特定值時(shí)，恰有碳鋼腐蝕速率隨氣候環(huán)境影響函數(shù)值的變化趨勢符合某種遞增的函數(shù)關(guān)系，則這種函數(shù)關(guān)系定量描述了氣候環(huán)境影響和碳鋼腐蝕速率的關(guān)系。

2.2氣候環(huán)境影響函數(shù)中最優(yōu)權(quán)值ωi*的確定

線性、二次、指數(shù)函數(shù)關(guān)系在特定數(shù)值區(qū)間為常見的單調(diào)遞增函數(shù)，基于以上三種函數(shù)關(guān)系對環(huán)境影響函數(shù)值與碳鋼腐蝕速率進(jìn)行擬合。最小二乘擬合是常用的一種數(shù)據(jù)擬合方法，以誤差平方和最小作為擬合目標(biāo)[14]。為了保證模型對各個(gè)等級的腐蝕速率均有較高的推測準(zhǔn)確度，對低等級腐蝕速率降低容錯(cuò)空間，高等級腐蝕速率適當(dāng)增大容錯(cuò)空間，以平均誤差率最小為目標(biāo)對最小二乘法進(jìn)行了改進(jìn)。對應(yīng)不同的擬合函數(shù)關(guān)系，采用區(qū)間嵌套循環(huán)搜索的方法分別找出7個(gè)氣候環(huán)境因素在環(huán)境影響函數(shù)中的權(quán)值ωi*(i=1,2,…,7)，使得環(huán)境影響函數(shù)值與碳鋼腐蝕速率的平均擬合誤差率最小，并把該組權(quán)值記為最優(yōu)權(quán)值，區(qū)間嵌套循環(huán)搜索方法計(jì)算步驟如圖2所示。

圖2中v表示碳鋼腐蝕速率，[ai,bi]表示各權(quán)值的搜索范圍，根據(jù)表2中對應(yīng)各因素與碳鋼腐蝕速率的正負(fù)相關(guān)性設(shè)定各權(quán)值初始搜索范圍為[0,1]或[-1,0]。初始化λ為0.25，N為5，目標(biāo)誤差率為0.05。根據(jù)圖2所示的搜索方法，分別找到對應(yīng)線性、二次、指數(shù)三種擬合關(guān)系的氣候環(huán)境因素最優(yōu)權(quán)值，并按照相應(yīng)的擬合關(guān)系對環(huán)境影響函數(shù)值和碳鋼腐蝕速率進(jìn)行擬合，見圖3～5。

2.2.1 線性擬合模型

對應(yīng)溫度、濕度、降雨量、日照時(shí)數(shù)、SO2含量，NO2含量，Cl-沉積速率7項(xiàng)因素的最優(yōu)權(quán)值集合{ωi*(i=1,2,…,7)}為{0.31，0.12，0.03，0，0.75，0.38，0.84}。對應(yīng)的氣候環(huán)境影響函數(shù)值E與碳鋼腐蝕速率vcorr的擬合關(guān)系為

(3)

2.2.2 二次函數(shù)擬合模型

對應(yīng)溫度、濕度、降雨量、日照時(shí)數(shù)、SO2含量，NO2含量，Cl-沉積速率7項(xiàng)因素的最優(yōu)權(quán)值集合{ωi*(i=1,2,…,7)}分別為{0.42，0.11，0，-0.17，0.98，0.41，0.77}。對應(yīng)的氣候環(huán)境影響函數(shù)值E與碳鋼腐蝕速率vcorr的擬合關(guān)系為

(4)

2.2.3 指數(shù)函數(shù)擬合模型

對應(yīng)溫度、濕度、降雨量、日照時(shí)數(shù)、SO2含量，NO2含量，Cl-沉積速率7項(xiàng)因素的最優(yōu)權(quán)值集合{ωi*(i=1,2,…,7)}分別為{0.51，0.29，0.11，-0.09，0.99，0.51，0.75}。氣候環(huán)境影響函數(shù)值與碳鋼腐蝕速率vcorr的擬合關(guān)系為

(5)

從圖3～5可見，氣候環(huán)境影響函數(shù)中各氣候環(huán)境因素權(quán)值取最優(yōu)權(quán)值時(shí)，各站點(diǎn)的氣候環(huán)境影響函數(shù)值與碳鋼腐蝕速率整體上符合對應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，即呈現(xiàn)出由氣候環(huán)境推算碳鋼腐蝕速率的一般規(guī)律。

2.3氣候環(huán)境因素推測碳鋼腐蝕速率量化關(guān)系

為了驗(yàn)證基于三個(gè)不同擬合函數(shù)的模型對碳鋼腐蝕速率的推測準(zhǔn)確度，選取了不同等級的5個(gè)腐蝕站點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)確性檢驗(yàn)[15]。每次檢驗(yàn)均以所選站點(diǎn)中的1個(gè)為測試樣本，用其余11個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，準(zhǔn)確度比較如表3所示。

表3　模型準(zhǔn)確度比較Tab. 3　Comparison of the model accuracy

從表3可以看出，線性模型和二次函數(shù)擬合模型在高腐蝕等級站點(diǎn)江津出現(xiàn)了較大誤差，而指數(shù)函數(shù)擬合模型在五個(gè)站點(diǎn)均較好地預(yù)測了腐蝕速率，且平均準(zhǔn)確度最高，因此選擇指數(shù)函數(shù)作為氣候環(huán)境影響函數(shù)值和碳鋼腐蝕速率的擬合關(guān)系。

根據(jù)上述研究過程，最終確定了由氣候環(huán)境因素推算各地碳鋼腐蝕速率的計(jì)算公式為

(6)

式中:E為氣候環(huán)境影響函數(shù)值;vcorr表示碳鋼腐蝕速率，單位為μm/a;d1、d2、…、d7分別表示年平均溫度，年平均濕度、年平均降雨量、年平均日照時(shí)間、

SO2含量、NO2含量、Cl-沉積速率經(jīng)過區(qū)間化處理后的數(shù)據(jù)。

3　碳鋼腐蝕速率推測公式的應(yīng)用

我國具有多種氣候類型，不同氣候類型的區(qū)域金屬腐蝕強(qiáng)度差異很大[16]。我國自然環(huán)境大氣腐蝕性調(diào)查[17]對金屬大氣腐蝕特性的區(qū)域劃分做出了研究。其中，西北內(nèi)陸是較干旱的地區(qū)，腐蝕現(xiàn)象非常輕微；東部地區(qū)有著較為明顯的腐蝕發(fā)生，并隨著緯度的升高強(qiáng)度逐漸降低；長江以南黃河以北區(qū)域的金屬腐蝕狀況不強(qiáng)；海南島及西雙版納等熱帶濕潤地區(qū)是較強(qiáng)的腐蝕區(qū)域。

根據(jù)式(6)及全國各主要城市的環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算了不同地區(qū)各主要城市的碳鋼腐蝕速率如表4所示。

表4　各地區(qū)主要城市碳鋼腐蝕速率推測結(jié)果Tab. 4　Speculated results of corbon steel corrosion rates in major cities of different regions

從表4可以看出，我國各地理區(qū)域的碳鋼腐蝕速率差異很大，具體表現(xiàn)為：

(1) 西北地區(qū)碳鋼腐蝕速率很低，該腐蝕特點(diǎn)與西北地區(qū)干旱少雨、沿海距離遠(yuǎn)、空氣中氯離子含量極低的氣候環(huán)境特點(diǎn)相對應(yīng)。

(2) 沿海地區(qū)由于潮濕多雨，靠近海岸線，空氣中氯離子含量高[18]的氣候特點(diǎn)造成其碳鋼腐蝕速率很高，大部分城市都在50 μm/a以上。

(3) 東北地區(qū)由于年平均溫度低，大氣中污染性氣體含量偏低等原因造成其腐蝕速率整體偏低；中部城市距離海岸線的距離大多超過400 km，濕度及氯離子含量均低于沿海城市，但其中很多城市為重工業(yè)城市，污染嚴(yán)重，對應(yīng)的碳鋼腐蝕速率集中在30～50 μm/a。

(4) 西南地區(qū)各城市碳鋼腐蝕速率差異很大，其中川渝地區(qū)的碳鋼腐蝕速率高于60 μm/a，該腐蝕特點(diǎn)與其溫濕度大、空氣中硫化物和氮化物含量高、易形成酸雨的氣候環(huán)境特點(diǎn)相符[19]；云南地區(qū)的昆明和西雙版納為非工業(yè)城市，污染性氣體含量低，沿海較遠(yuǎn)，對應(yīng)碳鋼腐蝕速率都低于30 μm/a。

通過本方法推測出的各區(qū)域腐蝕情況整體上與專家的判斷相符，其中中部地區(qū)由于工業(yè)的發(fā)展造成大氣中污染性氣體含量升高，金屬腐蝕速率相對本世紀(jì)初有了一定程度的增大，云南的西雙版納站點(diǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)(19 μm/a)和昆明推測數(shù)據(jù)(29 μm/a)與專家的判斷存在一定的出入，需要做進(jìn)一步的分析。

4　結(jié)論

(1) 建立了通過大氣環(huán)境數(shù)據(jù)推測碳鋼腐蝕速率的模型,并得出碳鋼腐蝕速率推測公式。

(2) 根據(jù)腐蝕速率推測公式和各主要城市環(huán)境統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，推算了不同地理區(qū)域內(nèi)主要城市的碳鋼腐蝕速率，分析了各區(qū)域的腐蝕特點(diǎn)。

本工作還存在諸多不足，如未能利用離群點(diǎn)萬寧站的試驗(yàn)數(shù)據(jù)參與建模；區(qū)域腐蝕特點(diǎn)的分析與專家的判斷還存在一定出入，需進(jìn)一步探討。

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Speculation of Carbon Steel Corrosion Rate in Atmospheric Environment

CUI Meng-chen1, MU Zhi-chun1, FU Dong-mei1, LI Xiao-gang2

(1. School of Automation and Electrical Engineering, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China；2. Corrosion and Protection Center, University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

In order to study the influence of climatic and environmental factors on corrosion rate, and the quantitative relation between climatic and environmental factors and corrosion rate, carbon steel was chosen as sample， and the method of data mining was applied to the data of corrosion rate and environmental factors from corrosion sites. A mathematical model to speculate the corrosion rate based on climatic and environmental data was set up and speculation formula was obtained. The results show that this model can speculate the corrosion rata of carbon steel with a high accuracy, and it can help us to fully acquaint the corrosion status in different regions.

corrosion rate； carbon steel； data mining； atmospheric environment

10.11973/fsyfh-201606015

2015-04-16

國家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)(2012FY113000)； 973項(xiàng)目：海洋工程裝備材料腐蝕與防護(hù)基礎(chǔ)問題研究(2014CB643300)

付冬梅(1963-)，教授，博士，從事圖像分析與處理、智能算法與控制、數(shù)據(jù)挖掘與數(shù)據(jù)共享的研究，010-62334967，fdm2003@163.com

TG172

A

1005-748X(2016)06-0503-05