一种极地腐蚀环境谱确定方法、系统、设备及介质

技术领域

本发明涉及金属材料的腐蚀性能测试领域，特别是涉及一种极地腐蚀环境谱确定方法、系统、设备及介质。

背景技术

极地地区的战略资源及科考价值不容忽视，许多国家都提出了极地发展战略。低温是北极和南极地区最显著的特征。过去，人们普遍认为金属的腐蚀速率与温度呈正相关，但实际结果表明，金属在北极和南极地区的腐蚀损伤问题不容忽视。通过室外现场腐蚀试验能够更真实可靠地反应环境对特定材料的腐蚀影响程度及机理过程，但面临试验周期长、投样及回收困难、成本高等缺点，无法在短时间内完成材料耐腐蚀性能评价。实验室加速腐蚀试验能够通过加剧腐蚀发生条件有效缩短试验周期，且能够通过控制变量及重复试验以探究腐蚀行为机理。但如何做到对自然环境的“仿真”，以完成腐蚀性能测试至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种极地腐蚀环境谱确定方法、系统、设备及介质，可测试金属材料的腐蚀性能。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种极地腐蚀环境谱确定方法，所述方法包括：

获取极地在设定目标时间段内的实际环境数据；所述实际环境数据包括：极地的空气数据和对应的天次；所述天次为相同空气数据出现的天数；所述空气数据包括：温度和湿度；

获取实验区域在设定实验时间段内的实验环境数据；所述实验环境数据包括：实验区域的空气数据；

根据极地的空气数据，将所述设定目标时间段划分为N个不同的目标时段；N＞1；

根据所述实验环境数据将所述设定实验时间段划分为N个不同的实验时段；所述实验时段的时长小于所述目标时段的时长；

对于任一目标时段，获取在所述极地内的目标金属产生的第一电流和对应的实验时段内在所述实验区域内的目标金属产生的第二电流；所述第一电流的幅值和第二电流的幅值不相同；

对于任一目标时段，根据所述第一电流计算设定时长内第一累计电量，并根据所述第二电流计算对应的实验时段在所述设定时长内的第二累计电量；所述设定时长小于或等于所述实验时段的时长；

对于任一目标时段，根据所述第一累计电量和对应实验时段的第二累计电量计算当量折算系数；所述当量折算系数表示所述目标金属在对应的实验时段内的腐蚀加速程度；

对于任一目标时段，根据目标时段的当量折算系数和目标时段的天次，计算对应的实验时段的天次；

根据所有实验时段的天次确定腐蚀环境谱；所述腐蚀环境谱用于确定所述目标金属在所述极地内的安全服役时长。

可选地，所述当量折算系数的计算公式为：

其中，α为当量折算系数；Q为第一累计电量；F为法拉第常数；I

可选地，还包括：

采用电偶型腐蚀传感器在所述极地内的目标金属上产生第一电流，以及在对应的实验时段内在所述实验区域内的目标金属上产生第二电流。

可选地，所述电偶型腐蚀传感器的阳极材料为钢，阴极材料为紫铜。

一种极地腐蚀环境谱确定系统，所述系统包括：

目标环境数据获取模块，用于获取极地在设定目标时间段内的实际环境数据；所述实际环境数据包括：极地的空气数据和对应的天次；所述天次为相同空气数据出现的天数；所述空气数据包括：温度和湿度；

实验环境数据获取模块，用于获取实验区域在设定实验时间段内的实验环境数据；所述实验环境数据包括：实验区域的空气数据；

时段确定模块，用于根据极地的空气数据，将所述设定目标时间段划分为N个不同的目标时段；N＞1；

实验时段确定模块，用于根据所述实验环境数据将所述设定实验时间段划分为N个不同的实验时段；所述实验时段的时长小于所述目标时段的时长；

电流获取模块，用于对于任一目标时段，获取在所述极地内的目标金属产生的第一电流和对应的实验时段内在所述实验区域内的目标金属产生的第二电流；所述第一电流的幅值和第二电流的幅值不相同；

第一计算单元，用于对于任一目标时段，根据所述第一电流计算设定时长内第一累计电量，并根据所述第二电流计算对应的实验时段在所述设定时长内的第二累计电量；所述设定时长小于或等于所述实验时段的时长；

第二计算单元，用于对于任一目标时段，根据所述第一累计电量和对应实验时段的第二累计电量计算当量折算系数；所述当量折算系数表示所述目标金属在对应的实验时段内的腐蚀加速程度；

第三计算单元，用于对于任一目标时段，根据目标时段的当量折算系数和目标时段的天次，计算对应的实验时段的天次；

确定单元，用于根据所有实验时段的天次和所有目标时段的天次确定腐蚀环境谱；所述腐蚀环境谱用于确定所述目标金属在所述极地内的安全服役时长。

一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行上述任意一项所述的极地腐蚀环境谱确定方法。

一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任意一项所述的极地腐蚀环境谱确定方法。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明实施例提供一种极地腐蚀环境谱确定方法、系统、设备及介质，通过获取极地在设定目标时间段内的实际环境数据以及实验区域在设定实验时间段内的实验环境数据；然后分别对设定目标时间段和设定实验时间段进行划分，得到N个不同的目标时段和对应的N个实验时段；根据目标金属在极地和实验区域设定时长内的累计电量确定当量折算系数，进而确定腐蚀环境谱，根据腐蚀环境谱能够得到目标金属在极地的安全服役时长，能够对目标金属材料的服役安全提供依据，由此本发明能够测试金属材料的腐蚀性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的极地腐蚀环境谱确定方法的流程图；

图2为本发明实施例提供的极地腐蚀环境谱确定系统的结构图；

图3为本发明实施例提供的电偶型腐蚀传感器的示意图；

图4为本发明实施例提供的环境谱试验条件示意图。

符号说明：

目标环境数据获取模块-1、实验环境数据获取模块-2、时段确定模块-3、实验时段确定模块-4、电流获取模块-5、第一计算单元-6、第二计算单元-7、第三计算单元-8、确定单元-9。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种极地腐蚀环境谱确定方法、系统、设备及介质，可测试金属材料的腐蚀性能。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本发明实施例提供了一种极地腐蚀环境谱确定方法，该方法包括：

步骤100：获取极地在设定目标时间段内的实际环境数据；实际环境数据包括：极地的空气数据和对应的天次；天次为相同空气数据出现的天数；空气数据包括：温度和湿度。

步骤200：获取实验区域在设定实验时间段内的实验环境数据；实验环境数据包括：实验区域的空气数据。

步骤300：根据极地的空气数据，将设定目标时间段划分为N个不同的目标时段；N＞1。

步骤400：根据实验环境数据将设定实验时间段划分为N个不同的实验时段；实验时段的时长小于目标时段的时长。

步骤500：对于任一目标时段，获取在极地内的目标金属产生的第一电流和对应的实验时段内在实验区域内的目标金属产生的第二电流；第一电流的幅值和第二电流的幅值不相同。该处的获取在极地内的目标金属产生的第一电流，指获取在模拟极地环境内的目标金属产生的第一电流。

步骤600：对于任一目标时段，根据第一电流计算设定时长内第一累计电量，并根据第二电流计算对应的实验时段在设定时长内的第二累计电量；设定时长小于或等于实验时段的时长。

步骤700：对于任一目标时段，根据第一累计电量和对应实验时段的第二累计电量计算当量折算系数；当量折算系数表示目标金属在对应的实验时段内的腐蚀加速程度。

步骤800：对于任一目标时段，根据目标时段的当量折算系数和目标时段的天次，计算对应的实验时段的天次。

步骤900：根据所有实验时段的天次确定腐蚀环境谱；腐蚀环境谱用于确定目标金属在极地内的安全服役时长。

具体地，当量折算系数的计算公式为：

其中，α为当量折算系数；Q为第一累计电量；F为法拉第常数；I

作为一种可选的实施方式，采用电偶型腐蚀传感器在极地内的目标金属上产生第一电流，以及在对应的实验时段内在实验区域内的目标金属上产生第二电流。

具体地，电偶型腐蚀传感器的阳极材料为钢，阴极材料为紫铜。

在实际应用中，以南极为例，获取目标环境数据即极地的环境数据和实验环境数据，然后确定时段和实验时段。实验环境数据根据极地的环境数据确定。实验环境数据具体的确定过程如下：针对寒冷气候环境下发生腐蚀的表面润湿时间判定，目前研究工作者认可标准为大气环境温度T>-10℃且相对湿度RH>50％。鉴于极地环境的自身特点，金属材料在南极一个自然年内所面临的腐蚀环境可分为以下三个阶段：潮湿空气阶段、冻融循环阶段、低温过渡阶段。

1)潮湿空气：夏季海风致使大气具有高盐特点，盐沉积过程明显，腐蚀处于加速阶段。

2)冻融循环：南极冬夏过渡阶段日气温存在大幅季变，金属材料试样表面腐蚀介质存在液膜-冰层转变，且锈层可能存在劣化行为。

3)低温冰冻：南极冬季过程中低温减缓阻滞腐蚀过程，金属材料表面被冰雪覆盖，但研究者证明冰层下存在腐蚀电化学过程。

以南极地区的某一个站为例，以该站近三年气象数据为基础，分析统计温度、湿度等环境条件的强度、频率及时间比例，形成温度-相对湿度谱，如表1所示。

表1温度-相对湿度谱

目前研究工作者认可的寒冷气候下腐蚀表面润湿时间标准为大气环境温度T>-10℃且相对湿度RH>50％。根据腐蚀能够发生的条件，在上述环境条件上进行简化处理，不同环境因素的简化处理具体为：潮湿空气：采用盐雾试验方式进行仿真加速腐蚀试验，取相对湿度40％≤RH<60％计为50％，60％≤RH<80％记为70％，80≤RH<100％记为90％；取温度范围-10≤T<-5记为-10℃，-5≤T<5记为0℃，5≤T≤10记为10℃。冻融的天次：采用增大温差方式完成加速过程，根据3.5％海水冰点认为日最高气温T

表2不同环境条件的作用时间

表3简化环境谱

根据金属材料电化学腐蚀机制以及室外现场暴露试验结果，影响金属材料腐蚀失效行为的主要环境因素包括盐沉积、温度、湿度等，故其加速环境谱由三个谱块构成，即盐雾试验、冻融循环试验和低温冻结试验。

1)潮湿空气的盐雾试验环境条件

据南极某站室外暴晒试验投样及实地照片显示，该站周围环境存在大量沉积盐，Cl

2)冻融试验环境条件

夏季冻融天次气温主要为-5℃～5℃，试样表面腐蚀介质存在液膜-冰层转变，且锈层可能存在劣化行为。试验设置每4h为一冻融周期，两小时-10℃低温冷冻后升温至10℃保温2h。

3)冰冻试验环境条件

低温过程腐蚀缓慢，但已有研究表明冰层下存在腐蚀电化学过程，为充分模拟大气环境，以一年中最常见低温-20℃进行冷冻，根据该站低温时间占全年比例可计算低温冷冻试验的时间占总试验时间比例。

由于腐蚀电流与当前环境下金属的腐蚀速率直接相关，腐蚀累积电量能够反映当前环境下腐蚀损伤总量，因而根据等效原则腐蚀损伤量可转化为腐蚀电量。

利用电偶型腐蚀传感器在电化学工作站零阻模式下进行电化学测试，传感器阳极为980钢，阴极为紫铜。图3为该电偶型腐蚀传感器示意图。

以潮湿空气的盐雾环境为例，在一定时间内，在极地计算第一累计电量，在实验区域计算第二累计电量。

第一累计电量的计算公式为：

第二累计电量的计算公式为：

当量折算系数的计算公式为：

其中，α为当量折算系数；Q为第一累计电量；F为法拉第常数；I

依据当量折算法计算原理，选择5％NaCl盐雾在10℃下的累积电量为基准，根据累计电量的比值来计算各环境条件下当量关系。当量折算系数表如表4所示。

表4.当量折算系数表

1)潮湿

累计电量能够反映当前环境下腐蚀损伤总量，因而根据等效原则腐蚀损伤量可转化为腐蚀电量。根据累计电量折算法建立各温、湿度条件下与盐雾腐蚀试验当量折算系数，建立加速关系。计算潮湿空气相当于温度10℃5％NaCl盐雾作用时间，如：

t(盐雾)＝56*0.02+40*0.06+8*0.19+1*0.02＝5.06(d)

2)冻融

在南极，年均冻融天次为30天，在此认为24小时内只发生一次冻融过程，一个加速冻融周期包括2h、-10℃温度区间及2h、10℃温度区间，一个加速冻融周期内腐蚀电量等同于模拟南极冻融一日内累计电量，故当加速冻融条件为-10℃冰冻2h后升温至10℃融化2h，每个试验周期所需的加速冻融次数为30次，冻融总时间t为：

t(冻融)＝(2+2)*30/24＝5(d)

3)冰冻

低温过程腐蚀速率缓慢，腐蚀电流可忽略不计。南极年均低温冰冻天次140天，占总时间比例的43.3％，应占加速腐蚀试验周期时长的43.3％，即低温冰冻总时长t为：

t(冰冻)＝(5.06+5)/(1-0.43％)*0.43＝7.6(d)

由此可得到目标金属在实验区域的实验环境数据中对应的环境谱为：

(1)盐雾：5％NaCl盐雾，温度T＝10℃，实验时间5天。

(2)冻融：温度T＝10℃/-10℃交变，冻融交变次数30次，每4h为一交变周期，试验时间5天。

(3)低温冷冻：温度T＝-20℃，试验时间7.6天。

环境谱试验条件示意图如图4所示。按照南极夏-冬时间顺序进行分割谱块，盐雾及冻融模块完成后进行低温冰冻模块。由于每个模块试验时间较长，为便于开展试验及观测，将盐雾及冻融间隔安排。环境谱的一个周期相当于在南极一年腐蚀总量。关于环境谱的设计构思见表5。

表5.环境谱设计构思

根据所有实验时段的天次确定腐蚀环境谱；腐蚀环境谱用于确定目标金属在极地内的更换时长。简而言之，所有的实验时段的天次组合在一起，构成一个环境周期，该环境周期对应在极地中的一年。当按照腐蚀环境谱持续对目标金属在实验区域进行操作时，若在两个环境周期结束的时候，目标金属发生腐蚀失效，则表明，在极地环境中，目标金属极地环境安全服役时长为两年。

实施例2

如图2所示，本发明实施例提供了一种极地腐蚀环境谱确定系统，该系统包括：目标环境数据获取模块1、实验环境数据获取模块2、时段确定模块3、实验时段确定模块4、电流获取模块5、第一计算单元6、第二计算单元7、第三计算单元8和确定单元9。

目标环境数据获取模块1，用于获取极地在设定目标时间段内的实际环境数据；实际环境数据包括：极地的空气数据和对应的天次；天次为相同空气数据出现的天数；空气数据包括：温度和湿度。

实验环境数据获取模块2，用于获取实验区域在设定实验时间段内的实验环境数据；实验环境数据包括：实验区域的空气数据。

时段确定模块3，用于根据极地的空气数据，将设定目标时间段划分为N个不同的目标时段；N＞1。

实验时段确定模块4，用于根据实验环境数据将设定实验时间段划分为N个不同的实验时段；实验时段的时长小于目标时段的时长。

电流获取模块5，用于对于任一目标时段，获取在极地内的目标金属产生的第一电流和对应的实验时段内在实验区域内的目标金属产生的第二电流；第一电流的幅值和第二电流的幅值不相同。电流获取模块5获取的第一电流，是目标金属在模拟极地环境下产生的。即：对于任一目标时段，获取在模拟极地环境内的目标金属产生的第一电流和对应的实验时段内在实验区域内的目标金属产生的第二电流；第一电流的幅值和第二电流的幅值不相同。

第一计算单元6，用于对于任一目标时段，根据第一电流计算设定时长内第一累计电量，并根据第二电流计算对应的实验时段在设定时长内的第二累计电量；设定时长小于或等于实验时段的时长。

第二计算单元7，用于对于任一目标时段，根据第一累计电量和对应实验时段的第二累计电量计算当量折算系数；当量折算系数表示目标金属在对应的实验时段内的腐蚀加速程度。

第三计算单元8，用于对于任一目标时段，根据目标时段的当量折算系数和目标时段的天次，计算对应的实验时段的天次。

确定单元9，用于根据所有实验时段的天次和所有目标时段的天次确定腐蚀环境谱；腐蚀环境谱用于确定目标金属在极地内的安全服役时长。

实施例3

本发明实施例提供了一种电子设备，包括存储器及处理器，存储器用于存储计算机程序，处理器运行计算机程序以使电子设备执行实施例1的极地腐蚀环境谱确定方法。

作为一种可选地实施方式，本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现实施例1的极地腐蚀环境谱确定方法。

本发明可用于极地环境下金属的腐蚀评价测试，为材料在极地环境下的服役安全性进行考核测验。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。