材料腐蝕數(shù)據(jù)庫的研究現(xiàn)狀及前景展望

王 倩,李辛庚,樊志彬,宗立君,米春旭

(國網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院, 濟南 250003)

材料腐蝕指材料受環(huán)境介質(zhì)的化學(xué)、電化學(xué)或物理作用產(chǎn)生的破壞現(xiàn)象[1]。腐蝕具有普遍性、隱蔽性、漸進性和不可控性等特征,在造成材料失效的同時還可能引發(fā)猝不及防的災(zāi)難性事故,嚴重影響人民群眾的生命財產(chǎn)安全。另外,材料腐蝕帶來的國民經(jīng)濟損失也不容小覷。據(jù)統(tǒng)計,當(dāng)前全球范圍內(nèi)腐蝕的直接成本為1.3～1.4萬億歐元,相當(dāng)于全球生產(chǎn)總值(GWP)的3.8%[2],中國工程院調(diào)研數(shù)據(jù)表明,2014年我國腐蝕成本為21278.2億元人民幣,約占當(dāng)年國內(nèi)生產(chǎn)總值的 3.34%[3]。充分利用已有腐蝕數(shù)據(jù)分析材料腐蝕的影響因素、預(yù)測材料在不同環(huán)境及服役時間下的腐蝕發(fā)展規(guī)律,為工程設(shè)備部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供合理防腐蝕建議,從而降低設(shè)備后續(xù)的防腐蝕投入是目前防腐蝕研究的重點。計算機和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展為腐蝕數(shù)據(jù)的管理利用提供了高效快捷的操作途徑,國內(nèi)外相繼建立了一些腐蝕數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)了腐蝕數(shù)據(jù)的智能存儲和展示查詢,部分數(shù)據(jù)庫兼具腐蝕預(yù)測和腐蝕案例分析等功能,但是眾多的腐蝕數(shù)據(jù)庫在應(yīng)用中存在著例如數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不一致導(dǎo)致共享性差、數(shù)據(jù)服務(wù)功能單一等缺點。大數(shù)據(jù)技術(shù)、云存儲和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的興起為腐蝕數(shù)據(jù)庫的架構(gòu)優(yōu)化和功能提升提供了新的思路,也為未來腐蝕數(shù)據(jù)庫在新產(chǎn)品研發(fā)的材料選型、在役設(shè)備的精準(zhǔn)防腐蝕和工程構(gòu)件的壽命預(yù)測等的發(fā)展提供了技術(shù)保障。

1 腐蝕數(shù)據(jù)庫的起源

材料腐蝕行為是材料在其服役環(huán)境中發(fā)生的,所以腐蝕數(shù)據(jù)和環(huán)境性質(zhì)是緊密關(guān)聯(lián)的,由于大多數(shù)工程設(shè)備部件直接暴露在大氣中,因此大氣環(huán)境造成的腐蝕損害占比很大[4]。腐蝕數(shù)據(jù)積累的一般方法是在典型大氣環(huán)境中建立暴露腐蝕試驗站,制備多種材料試樣進行長期掛件試驗,定期回收試樣稱量并計算相關(guān)腐蝕數(shù)據(jù)[5]。

國外腐蝕數(shù)據(jù)的戶外積累開始于20世紀(jì)初,美國材料試驗學(xué)會于1906年建立了材料大氣腐蝕試驗網(wǎng),并開始了大規(guī)模的材料自然環(huán)境暴露試驗;1946年,前蘇聯(lián)組建了首批8個大氣暴露試驗站;20世紀(jì)50年代,日本在各工業(yè)部門先后設(shè)立了20多個大氣腐蝕試驗站[4];根據(jù)英國中央電力局關(guān)于大氣環(huán)境因素對供電系統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施腐蝕的調(diào)查,英國有關(guān)部門于1965年12月至1966年6月組織了以鋅金屬罐制品為試驗樣品的大氣曝露腐蝕試驗,并對3 182個測量點進行了觀測記錄,獲得了英國大氣腐蝕性地圖[6];1988-1994年包括南北美洲和歐洲在內(nèi)的14個國家參與的伊比利亞-美洲大氣腐蝕圖(Ibero-American Map of Atmospheric Corrosion, MICAT)工程,建立了75個大氣腐蝕網(wǎng)絡(luò)試驗站,深入研究低碳鋼、鋅、銅和鋁等四種材料的大氣腐蝕機理,并繪制伊比利亞-美洲地區(qū)大氣腐蝕性圖[7]。據(jù)不完全統(tǒng)計,目前世界上已有數(shù)十個國家在熱帶、寒帶、沙漠等不同環(huán)境條件下建立了400多個大氣腐蝕試驗站[8]。

我國材料自然環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)的積累工作開始于1950年左右,原機械工業(yè)部在海南、新疆、云南等地建立了典型環(huán)境試驗站,此后國家材料環(huán)境腐蝕試驗站牽頭遴選、整合建成了30余個國家級野外試驗站(其中包含16個大氣環(huán)境腐蝕試驗站、7個水環(huán)境腐蝕試驗站和9個土壤環(huán)境腐蝕試驗站)和分布式腐蝕大數(shù)據(jù)觀測試驗站,長期開展典型環(huán)境中材料腐蝕試驗與數(shù)據(jù)積累工作[9-10];1979-1982年,武漢材料保護研究所將7萬多個金屬試樣(包括22種碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、28種有色金屬)投放在試驗站進行長期研究,獲得眾多實際環(huán)境中的腐蝕數(shù)據(jù)[11];國內(nèi)研制了一些智能大氣腐蝕檢測儀,實地監(jiān)測大氣腐蝕數(shù)據(jù),實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的動態(tài)獲取、自動存儲和實時分析[12,13]。我國材料大氣腐蝕數(shù)據(jù)積累工作有兩大優(yōu)勢:一是國家統(tǒng)一規(guī)劃部署,相關(guān)研究單位聯(lián)合支持共建;二是我國幅員遼闊,氣候類型復(fù)雜多樣,可以獲取多種自然環(huán)境中的材料腐蝕數(shù)據(jù)。

2 國內(nèi)外腐蝕數(shù)據(jù)庫的發(fā)展現(xiàn)狀

由于種類繁多的材料類型和失效形式、漫長復(fù)雜的腐蝕過程、緊密關(guān)聯(lián)的不可控環(huán)境因素,材料腐蝕數(shù)據(jù)繁雜無章,如何對腐蝕數(shù)據(jù)進行高效管理利用是數(shù)據(jù)收集的價值所在。以計算機和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展普及為界限,數(shù)據(jù)管理分為手冊管理和數(shù)據(jù)庫管理兩個階段。腐蝕本質(zhì)上就是材料的腐蝕,因此腐蝕數(shù)據(jù)庫的開發(fā)利用跟材料數(shù)據(jù)庫的發(fā)展密不可分,有些綜合性材料數(shù)據(jù)庫包含了腐蝕性能子庫。

2.1 國外腐蝕數(shù)據(jù)庫發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代中期,美國、日本、西歐等工業(yè)發(fā)達國家率先展開材料數(shù)據(jù)庫的研發(fā)工作,隨著美國1987年在費城召開第一屆國際材料數(shù)據(jù)庫會議,各國展開了國家或國際范圍的數(shù)據(jù)庫聯(lián)合開發(fā)項目[14]。美國于1996年創(chuàng)建的MatWeb綜合材料數(shù)據(jù)庫,包含ABS樹脂聚合物性能數(shù)據(jù)、縮醛樹脂工程性能數(shù)據(jù)、鋁合金、復(fù)合材料、銅合金等11大類材料的性能信息,共98 000條數(shù)據(jù)記錄[15],另外,美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)局(NIST)還建有WebSCD、WebHTS、MPD數(shù)據(jù)庫,提供在線數(shù)據(jù)檢索以及數(shù)據(jù)評估功能。德國化學(xué)工程及生物技術(shù)協(xié)會開發(fā)的DECHEMA數(shù)據(jù)庫是世界上數(shù)據(jù)量最大、應(yīng)用最廣泛和最權(quán)威的化工材料數(shù)據(jù)庫,能夠為腐蝕領(lǐng)域各行業(yè)部門提供專業(yè)的材料腐蝕數(shù)據(jù)[16-17]。歐洲聚變材料性能在線數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)來源為歐洲核聚變計劃,包含原始試驗數(shù)據(jù)、專家組鑒定數(shù)據(jù)、加工材料特性數(shù)據(jù)以及相關(guān)電子報告等。系統(tǒng)架構(gòu)使用J2EE技術(shù)和PostgreSQL關(guān)系數(shù)據(jù)庫,具有數(shù)據(jù)下載、瀏覽、檢索以及提交等多種功能[18]。日本國立材料科學(xué)研究院整合建立的NIMS在線材料數(shù)據(jù)庫,涵蓋聚合物、金屬材料、無機非金屬材料、復(fù)合材料以及擴散等內(nèi)容,包括8個材料基本性能數(shù)據(jù)庫、5個在線結(jié)構(gòu)材料數(shù)據(jù)表、4個數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)及3個工程應(yīng)用數(shù)據(jù)庫,提供新材料研發(fā)、材料性能預(yù)測與評估、對比選材等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[19]。印度甘地原子研究中心( IGCAR)整合了印度研究院所和高校的材料科學(xué)數(shù)據(jù),構(gòu)建在線材料數(shù)據(jù)庫IMDB,提供關(guān)于材料力學(xué)性能、腐蝕性能、無損評估、熱、光性能等數(shù)據(jù)服務(wù)[20]。

2.2 國內(nèi)腐蝕數(shù)據(jù)庫發(fā)展現(xiàn)狀

我國于1986年10月在北京召開了第一次全國材料數(shù)據(jù)庫會議,并在國際數(shù)據(jù)委員會(CODATA)中國全國委員會的領(lǐng)導(dǎo)下成立了材料數(shù)據(jù)組,開始研發(fā)一系列不同類別的材料數(shù)據(jù)庫[21]。與此同時,國內(nèi)腐蝕領(lǐng)域的專家學(xué)者們開始了腐蝕數(shù)據(jù)庫的建設(shè)工作。歷經(jīng)30余年的發(fā)展,我國先后建立起了20多個腐蝕數(shù)據(jù)庫,包含9個主體腐蝕數(shù)據(jù)及其他子數(shù)據(jù)庫[22]。部分高校也聯(lián)合企業(yè)開展了腐蝕數(shù)據(jù)庫的針對性研究,例如:大連海事大學(xué)的船舶腐蝕防護數(shù)據(jù)庫[23],湖北工業(yè)大學(xué)的飛機在大氣環(huán)境中的腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)[24]。

目前,國內(nèi)已建成的典型數(shù)據(jù)庫有:北京科技大學(xué)的材料環(huán)境腐蝕網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、中國海洋大學(xué)的海水腐蝕查詢數(shù)據(jù)庫、天津大學(xué)的金屬材料海洋環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)咨詢管理和預(yù)測診斷系統(tǒng)、北京化工大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)版材料腐蝕數(shù)據(jù)庫。各數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)除了均具有腐蝕數(shù)據(jù)庫的一般共性,即包括材料性能、環(huán)境數(shù)據(jù)、腐蝕情況和數(shù)據(jù)源等基礎(chǔ)數(shù)據(jù),又兼具各自的特點。北京科技大學(xué)的材料環(huán)境腐蝕網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是目前國內(nèi)數(shù)據(jù)存量最大、材料品種最全、門戶網(wǎng)站開放性最高的系統(tǒng),該系統(tǒng)整合了國家級材料環(huán)境腐蝕防護平臺30余個野外試驗站積累的腐蝕數(shù)據(jù),涵蓋了黑色金屬、有色金屬、建筑材料、涂鍍層材料及高分子材料等5大類600余種材料長達35 a的野外試驗數(shù)據(jù)和連續(xù)觀測數(shù)據(jù),建成了包括試驗站基本信息、環(huán)境數(shù)據(jù)測試、材料檢測、材料腐蝕數(shù)據(jù)測試、腐蝕圖譜等5大類43種類型數(shù)據(jù)表的自然環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)庫和13個專題腐蝕數(shù)據(jù)庫,開發(fā)了門戶網(wǎng)站 ——“中國腐蝕與防護網(wǎng)”[25]。中國海洋大學(xué)的海水腐蝕查詢數(shù)據(jù)庫以海洋環(huán)境中3C、A3、16Mn、10MnPNbRe、10CrMoAl、D36六種海洋工程常用鋼的10 200組數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)源,提出了一種結(jié)合使用自組織特征映射(Self-Organizing Feature Mapping, SOM)網(wǎng)絡(luò)和徑向基函數(shù)(Radical Basis Function, RBF)的組合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測海水腐蝕速率的方法[26-27]。天津大學(xué)的金屬材料海洋環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)咨詢管理和預(yù)測診斷系統(tǒng)的源數(shù)據(jù)為青島、廈門、榆林和舟山實海暴露的19種金屬材料,該系統(tǒng)的突出功能是腐蝕預(yù)測和腐蝕形貌圖像診斷。腐蝕預(yù)測功能通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測和綜合預(yù)測模塊預(yù)測材料在其他海域的腐蝕情況,腐蝕形貌圖像診斷是對腐蝕圖像采用濾波和模糊增強的方法進行預(yù)處理后結(jié)合模糊模式識別理論判斷金屬材料的腐蝕形態(tài)[28-29]。北京化工大學(xué)的網(wǎng)絡(luò)版材料腐蝕數(shù)據(jù)庫貯存近100種常用非金屬材料、金屬材料在1000種腐蝕介質(zhì)中近十萬條的腐蝕基礎(chǔ)數(shù)據(jù),是對原有多個單機版材料腐蝕數(shù)據(jù)庫的整合和升級改造,提供了比較完備的數(shù)據(jù)查詢和選材決策等功能[30-31]。

經(jīng)過多年的運作,各研究單位建成的腐蝕數(shù)據(jù)庫也正在逐步完善和智能化,當(dāng)前國內(nèi)外較完備的材料數(shù)據(jù)庫采用在線管理,并為外部機構(gòu)提供有償服務(wù)。商業(yè)化運作模式間接推動了數(shù)據(jù)庫的全面快速發(fā)展和數(shù)據(jù)的有效應(yīng)用,為國家和企業(yè)工程建設(shè)選材及腐蝕評估、材料腐蝕的科學(xué)研究等提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

3 國內(nèi)腐蝕數(shù)據(jù)庫的階段特征

伴隨著計算機軟硬件和數(shù)據(jù)庫技術(shù)的革新發(fā)展,國內(nèi)腐蝕數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)在創(chuàng)建30多年以來無論在技術(shù)架構(gòu)上還是業(yè)務(wù)功能方面都取得了明顯的改進。從建立至今,腐蝕數(shù)據(jù)庫的發(fā)展可以大致分為以下三個階段:

(1) 單機版腐蝕數(shù)據(jù)庫。20世紀(jì)90年代左右最初建立的一批腐蝕數(shù)據(jù)庫基本上都是單機版數(shù)據(jù)庫,數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)為當(dāng)時主流的dBase和Foxbase,系統(tǒng)具備數(shù)據(jù)查詢檢索、數(shù)據(jù)庫維護管理、數(shù)據(jù)打印和數(shù)據(jù)庫字典等數(shù)據(jù)庫的基本功能,涵蓋數(shù)據(jù)包括自然環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)和腐蝕相關(guān)文獻資料等信息,數(shù)據(jù)單位牌號等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范,庫結(jié)構(gòu)設(shè)計合理實用。典型代表有:北京科技大學(xué)屈祖玉等開發(fā)的材料自然環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)庫[32]、中國科學(xué)院金屬腐蝕與防護研究所李洪錫等開發(fā)的大氣腐蝕數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)[33]和北京有色金屬研究總院林樂耘等開發(fā)的有色金屬海水腐蝕數(shù)據(jù)庫[34]等。

(2) 網(wǎng)絡(luò)版腐蝕數(shù)據(jù)庫。2000年以后,各研究機構(gòu)陸續(xù)對原有單機版材料腐蝕數(shù)據(jù)庫進行技術(shù)改造,開啟基于網(wǎng)絡(luò)的B/S架構(gòu)數(shù)據(jù)庫應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)一般選用SQL Server或者Oracle等,動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)通常采用JSP或者ASP,網(wǎng)絡(luò)版數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)了材料環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)的共享,擴大了腐蝕數(shù)據(jù)的推廣范圍,數(shù)據(jù)庫功能在增刪改查等基礎(chǔ)功能上增加了腐蝕預(yù)測和腐蝕特征識別等。例如:蕭以德等開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)版材料腐蝕防護查詢系統(tǒng)[35]和董超芳等在屈祖玉單機版腐蝕數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上改進的有色金屬大氣腐蝕網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫及共享系統(tǒng)[36]等。

(3) 智能化腐蝕數(shù)據(jù)庫。2011 年6月年美國提出“材料基因組計劃”(Material Genome Initiative, MGI),發(fā)展“理性設(shè)計-高效實驗-大數(shù)據(jù)技術(shù)”深度融合、協(xié)同創(chuàng)新的新型材料研發(fā)模式,提高數(shù)據(jù)庫的智能共享設(shè)計[37],為腐蝕數(shù)據(jù)庫的功能拓展提供了新的思路。大數(shù)據(jù)技術(shù)的興起和流行使得數(shù)據(jù)存儲開始采用面向列的非關(guān)系型分布式存儲系統(tǒng)HBase,數(shù)據(jù)操作系統(tǒng)普遍采用分布式計算架構(gòu)Hadoop,鑒于該架構(gòu)的遲滯性缺陷,實時數(shù)據(jù)高效分析處理功能往往借助Spark Streaming框架和Storm框架來實現(xiàn)[38]。數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)提供的多因素、多場景、多緯度的數(shù)據(jù)分析模型和工具,極大地提高了腐蝕數(shù)據(jù)挖掘深度和數(shù)據(jù)利用價值,促進了腐蝕數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)預(yù)測和材料選型決策方面的研究[39-40]。例如:青島科技大學(xué)袁森等開發(fā)的海洋工程腐蝕大數(shù)據(jù)預(yù)測可視化平臺[21]、中國石油大學(xué)孫浩等開發(fā)的基于大數(shù)據(jù)的油氣管道腐蝕診斷與預(yù)測[41]和北京科技大學(xué)支元杰等開發(fā)的在大氣環(huán)境中金屬材料腐蝕的數(shù)據(jù)驅(qū)動預(yù)測模型[42]。

4 材料腐蝕數(shù)據(jù)庫的發(fā)展趨勢

目前已建成的腐蝕數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要由SQL查詢數(shù)據(jù)庫、Web客戶端數(shù)據(jù)瀏覽和數(shù)據(jù)挖掘與分析三部分組成,大多數(shù)腐蝕數(shù)據(jù)庫是為科學(xué)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)查詢的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫。腐蝕數(shù)據(jù)庫在與多媒體和人工智能技術(shù)的融合建設(shè)方面取得了一定的進展,數(shù)據(jù)庫技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的發(fā)展為未來材料腐蝕數(shù)據(jù)庫在數(shù)據(jù)管理和功能建設(shè)上提供了新的思路和發(fā)展方向。

通過分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)進行腐蝕數(shù)據(jù)的管理。分布式數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)利用高速計算機網(wǎng)絡(luò)將分散存儲在多個計算機設(shè)備上的數(shù)據(jù)組成邏輯上統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫,解決了高可擴展性、高并發(fā)性、海量非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)存儲等難題,其鍵值存儲方式使得數(shù)據(jù)的訪問更加靈活高效,而網(wǎng)絡(luò)式分布存儲又提高了數(shù)據(jù)安全的防御性能。材料腐蝕數(shù)據(jù)繁雜無章且數(shù)據(jù)龐大,大量的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)給傳統(tǒng)的集中式存儲管理帶來了極大困擾,而分布式存儲技術(shù)正好解決了這一難題。

建立數(shù)據(jù)倉庫,結(jié)合人工智能提高數(shù)據(jù)庫決策服務(wù)能力。材料腐蝕數(shù)據(jù)一般具有來源途徑廣、累積時間長、數(shù)據(jù)量大且形式多樣和固定疊加增長等特點。數(shù)據(jù)倉庫特有的資料存儲架構(gòu),面向主題支持決策分析的優(yōu)勢,結(jié)合聯(lián)機分析處理技術(shù)和數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),可以極大地提高腐蝕數(shù)據(jù)的預(yù)處理存儲和信息挖掘功能。人工智能的邏輯判斷推理能力與數(shù)據(jù)倉庫高效的數(shù)據(jù)處理能力優(yōu)勢互補,融合材料基因工程的理念,通過材料高效計算、高通量試驗、大數(shù)據(jù)等共性關(guān)鍵技術(shù)及裝備,構(gòu)建“計算、實驗、數(shù)據(jù)庫”三大基礎(chǔ)創(chuàng)新平臺,為新材料的研發(fā)和工程化應(yīng)用提供決策性建議。