基于實(shí)時圖像的X90鋼交流腐蝕形貌發(fā)展規(guī)律研究*

張守鑫 李自力 楊超 巫明娟 史紅霞

1中國石油大學(xué)（華東）儲運(yùn)與建筑工程學(xué)院

2青島歐賽斯環(huán)境與安全技術(shù)有限責(zé)任公司

3華北油田采油四廠油建管理中心

當(dāng)交流電在金屬和周圍的介質(zhì)間流動時，會加劇金屬腐蝕過程，這種現(xiàn)象被稱為交流腐蝕[1]。由于地理?xiàng)l件的限制，高壓輸電線及電氣化鐵路在建設(shè)過程中，不可避免地會與埋地管道發(fā)生并行或交叉，甚至共用通道，形成所謂的“公共走廊”，可能以不同的耦合形式對埋地管道產(chǎn)生交流干擾，造成管道的腐蝕破壞[2]。與直流干擾在腐蝕過程中電流保持方向不變不同，交流電不僅流動方向會不斷變化，并且還具有不同的頻率和波形，因而對腐蝕過程的影響更為復(fù)雜[3]。

國內(nèi)外學(xué)者采用了極化曲線、阻抗譜、腐蝕電位、失重實(shí)驗(yàn)、腐蝕形貌分析等方法[4]，對金屬的交流腐蝕行為進(jìn)行了大量的研究，發(fā)現(xiàn)交流腐蝕速率會隨交流電密度的增大而增加[5]，低頻交流電的腐蝕破壞比高頻更劇烈[6]，三角波對腐蝕電位偏移的影響大于方波和正弦波[7]。對于交流電對金屬腐蝕行為的影響，KULMAN[8]、JONES[9]、GOIDANICH 等[10]分別提出整流、陽極去極化及陽極反應(yīng)不可逆等解釋理論。但是由于交流電性質(zhì)的復(fù)雜性，其腐蝕機(jī)理至今尚未形成統(tǒng)一的結(jié)論[11]。

為進(jìn)一步明確交流腐蝕機(jī)理，需要對交流腐蝕行為的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行深入研究，而采用一般的方法研究交流腐蝕行為的發(fā)展均具有一定的局限性。在極化曲線和阻抗譜測試過程中，交流電會對電化學(xué)工作站產(chǎn)生干擾，對測量結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響[12]。腐蝕電位測試雖然可以測得比較準(zhǔn)確結(jié)果，但是只能獲得交流電對工作電極腐蝕電位及其變化過程的影響[13]。失重實(shí)驗(yàn)和傳統(tǒng)腐蝕形貌分析屬于靜態(tài)方法，不能實(shí)現(xiàn)在不干擾腐蝕體系的前提下對交流腐蝕過程進(jìn)行連續(xù)性研究。

因此采用不干擾工作電極腐蝕過程的方法對交流腐蝕行為的發(fā)展進(jìn)行研究具有重要意義。在腐蝕實(shí)驗(yàn)的過程中，光信號與電信號之間不會互相影響，故采用基于光信號處理圖像分析方法可以同時保持測試結(jié)果的準(zhǔn)確性和測試體系的獨(dú)立性，從而避免測試方法對腐蝕體系造成影響。

本文通過實(shí)時原位腐蝕圖像采集技術(shù)記錄并分析了X90鋼在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl 溶液中的交流腐蝕過程表面的形貌圖像，并基于圖像分析方法對獲得的時間序列腐蝕圖像進(jìn)行紋理特征提取，定量表征了交流腐蝕形貌特征的變化規(guī)律，研究了交流腐蝕行為的發(fā)展過程。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)材料為X90鋼，首先將X90鋼機(jī)械加工成10 mm×10 mm×3 mm 的試樣，其化學(xué)成分如表1所示。然后在試片背面中心處用電烙鐵錫焊直徑約為1 mm 的銅導(dǎo)線，并采用環(huán)氧樹脂封裝除試片正面之外的其他面，暴露1 cm2的工作面積。封裝之前將配置好的環(huán)氧樹脂真空排氣10 min，確保封裝時在試片表面不會有氣泡產(chǎn)生。

表1 X90鋼成分Tab.1 Composition of X90 steel 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

實(shí)驗(yàn)前在金相打磨機(jī)上分別采用180#、400#、800#、1000#及1200#防水砂紙逐級對試片工作面進(jìn)行打磨，打磨的過程中保持清水不斷流入磨盤，以便沖洗掉磨屑和脫落的磨料，并起到潤滑打磨和冷卻試片的作用，防止試片表面過熱發(fā)生組織變化。打磨完成后，分別用去離子水、丙酮、乙醇對試片進(jìn)行清洗，之后吹干備用。

實(shí)驗(yàn)溶液中NaCl 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%，采用分析純NaCl 試劑和去離子水配制。實(shí)驗(yàn)在23 ℃±1 ℃室溫條件下進(jìn)行。為驗(yàn)證結(jié)果的重復(fù)性，進(jìn)行3組平行實(shí)驗(yàn)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

為了獲得實(shí)時交流腐蝕形貌發(fā)展圖像，設(shè)計(jì)了實(shí)時原位顯微交流腐蝕圖像采集裝置，如圖1所示。

圖1 實(shí)時原位顯微交流腐蝕圖像采集裝置Fig.1 Real-time and in-situ micro AC corrosion image acquisition device

該裝置主要由圖像采集模塊和交流腐蝕模塊兩部分組成。其中圖像采集模塊包括顯微圖像捕捉單元和位置控制單元。顯微圖像捕捉單元由分辨率為1 200×1 600像素的高清工業(yè)相機(jī)（JT-200M）、顯微鏡頭（JT-H10）以及環(huán)形發(fā)光二級管光源組成；位置控制單元由重復(fù)定位精度為30 μ m 的XYZ三維滑臺、步進(jìn)電機(jī)、開關(guān)電源和多通道步進(jìn)電動機(jī)控制器組成，同時編制了相應(yīng)的軟件，對相機(jī)的采集過程和鏡頭位置進(jìn)行控制。交流腐蝕模塊由透明反應(yīng)容器、試片支架和電極組成。為了提高采集圖像的清晰度，反應(yīng)容器側(cè)壁開孔并安裝有高透光玻璃片。輔助電極為20 mm×20mm 的鉑電極，與工作電極垂直放置。采集的腐蝕圖像放大約30倍。

采用信號發(fā)生器（FY6600）和功率放大器（FPA1000）施加交流干擾（50 Hz）。通過精確調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出使通過試片的交流電密度維持在100 A/m2。

進(jìn)行圖像采集時，顯微鏡頭與工作電極相對放置，通過軟件調(diào)節(jié)顯微鏡頭位置和距離使其正對電極中心，當(dāng)相機(jī)清晰成像時（約200 s），打開信號發(fā)生器輸出對試片進(jìn)行通電。圖像采集方案如圖2所示，共分為5個階段：階段Ⅰ采集時間為1～7 200 s，采集速率1 s-1；階段Ⅱ采集時間為7 200～14 400 s，采集速率5 s-1；階段Ⅲ采集時間為14 400～21 600 s，采集速率10 s-1；階段Ⅳ采集時間為21 600～28 800 s，采集速率60 s-1；階段Ⅴ采集時間為28 800～36 000 s，采集速率120 s-1。

圖2 交流腐蝕圖像采集方案Fig.2 AC corrosion image acquisition scheme

1.3 紋理特征分析

雖然金屬表面的腐蝕形貌圖像可以反映交流腐蝕過程的特征[5]，但是采用人工的方式分析腐蝕圖像會非常費(fèi)時，同時可能會引入分析人員主觀因素造成的誤差，并且通過人工檢視很難對采集的腐蝕發(fā)展圖像進(jìn)行時間序列分析，因?yàn)楦g發(fā)展過程一般比較緩慢，時間上相鄰圖像中的腐蝕形貌間的差異很小，靠人的視覺難以區(qū)分。因此，為了定量研究不同交流電流密度下的X90鋼腐蝕形貌特征的變化，可以采用圖像分析法從腐蝕圖像中提取腐蝕信息。

紋理特征分析是圖像分析的一個重要方面，可以用來提取材料表面特征信息。在金屬腐蝕的過程中，腐蝕產(chǎn)物一般在表面生成并附著，會對金屬腐蝕表面紋理特征產(chǎn)生影響，因此，紋理特征可以用來對腐蝕過程進(jìn)行表征[14]。但是紋理很難描述，沒有統(tǒng)一的定義。雖然有很多方法可以計(jì)算紋理特征，但是每種方法都有一定的針對性，沒有一種方法可以適用于處理各種不同的紋理。其中，灰度共生矩陣法常被用來提取腐蝕形貌的紋理特征，根據(jù)灰度共生矩陣，可以計(jì)算出對比度、相關(guān)性、能量及同質(zhì)性四個表征紋理特征指標(biāo)[14]。

對比度（contrast）是用來表征一個像素與其相鄰像素之間變化的強(qiáng)度，具有明顯的白色和黑色條狀紋理的圖像，具有較強(qiáng)的對比性。

相關(guān)性（correlation）是用來度量一個像素與其周圍的像素在整個圖像上的相似程度，如果圖像中不同位置具有相同局部紋理，其具有較大的相關(guān)值。

能量（energy）是灰度共生矩陣中各元素的平方之和，用來度量圖像灰度分布的均勻性。紋理特征越細(xì)致，則圖像灰度分布越均勻，能量值越小。

同質(zhì)性（homogeneity）是用來度量灰度共生矩陣中元素分布的集中程度，反映了圖像局部紋理變化情況，其值越大說明圖像的局部紋理越均勻。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 交流腐蝕實(shí)時圖像

根據(jù)圖像采集方案，在每個電流密度下實(shí)際可獲得36 500 s 工作電極中心位置的顯微腐蝕圖像，其中200、1 000、5 000、10 000和30 000 s 時刻左右的腐蝕圖像如圖3所示。

圖3 不同時刻交流腐蝕圖像Fig.3 AC corrosion images at different times

2.1.1 交流腐蝕形貌發(fā)展過程

從圖3可以看出，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液中，X90鋼在交流電流作用下，表面腐蝕形貌逐漸發(fā)生變化，主要可以分為以下4個過程：①腐蝕剛開始，試片表面呈現(xiàn)打磨處理后的磨痕；②通電之后腐蝕加速，試片表面的打磨痕跡逐漸消失，且有腐蝕產(chǎn)物附著；③隨著通電時間的加長，試片表面腐蝕產(chǎn)物逐漸增多；④最終腐蝕產(chǎn)物完全覆蓋試片表面。

2.1.2 交流電對點(diǎn)蝕的影響

圖3a 為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl 溶液加入透明容器后，試片未通電時調(diào)節(jié)相機(jī)成像清晰后的腐蝕圖像。從圖3a 可以看出，在NaCl 溶液中，試片表面會出現(xiàn)大量點(diǎn)蝕。從圖4中可以看出點(diǎn)蝕位置先出現(xiàn)一個深色點(diǎn)，然后以該點(diǎn)為中心逐漸擴(kuò)展為具有一定直徑的近圓形灰色區(qū)域，之后維持穩(wěn)定。一般認(rèn)為Cl-可以破壞金屬鈍化膜，誘發(fā)點(diǎn)蝕，因此該過程可能主要反映了Cl-的點(diǎn)蝕過程。

圖4 通電前點(diǎn)蝕發(fā)展過程Fig.4 Development of pitting without AC

圖3b～圖3e 為試片在通交流電（100 A/m2）后不同時刻的腐蝕圖像。從圖中可以看出，交流電可以對Cl-誘發(fā)的點(diǎn)蝕產(chǎn)生影響。在交流電的作用下，Cl-點(diǎn)蝕的中心深色區(qū)域逐漸變大，灰色區(qū)域顏色不斷加深，之后出現(xiàn)明顯的黑色邊界，圖5更為詳細(xì)地展示了這一過程。從圖3b～圖3e中還可以看出，在電流密度為100 A/m2的交流電的作用下，試片表面并沒有出現(xiàn)新的點(diǎn)蝕區(qū)域。有實(shí)驗(yàn)研究表明，交流電與Cl-類似也會破壞鈍化膜[15]，但是在NaCl 溶液中，交流電并沒有促進(jìn)試片表面出現(xiàn)新的點(diǎn)蝕位置，說明交流電不會侵蝕Cl-破壞過的鈍化膜，同時交流電不會加劇Cl-破壞鈍化膜的能力，但是交流電會促進(jìn)試片表面已出現(xiàn)的點(diǎn)蝕形貌的變化，說明交流電可以影響已有點(diǎn)蝕的腐蝕過程，加快點(diǎn)蝕速率。

圖5 通電后點(diǎn)蝕發(fā)展過程Fig.5 Development of pitting with AC

2.1.3 交流析氫過程

雖然對試片施加的交流電流密度只有100 A/m2，但是當(dāng)接通電路后，試片表面仍馬上會有氣泡析出，這一現(xiàn)象可以在實(shí)時圖像采集的過程被捕捉到，如圖6所示。

圖6 交流氣泡析出過程Fig.6 Bubble evolution process with AC

交流腐蝕的過程中可能發(fā)生析氫[16]，并且開路腐蝕電位測試結(jié)果表明，通交流電后試片的腐蝕電位會迅速降低至-0.90 V（SCE）左右（圖7），因此可以推斷試片析出的氣體為氫氣。雖然交流電會造成析氫現(xiàn)象，但是這一過程維持的時間很短，這與腐蝕電位先下降后上升的規(guī)律一致[10]，說明交流電會對試片的腐蝕陰、陽極過程產(chǎn)生影響，致使腐蝕電位在短時間內(nèi)可降至析氫電位之下，之后陰極反應(yīng)和陽極反應(yīng)重新趨于平衡，腐蝕電位隨之逐漸穩(wěn)定。

圖7 交流電對腐蝕電位的影響Fig.7 Effect of AC on corrosion potential

2.2 交流腐蝕形貌紋理特征

利用灰度共生矩陣法從X90鋼實(shí)時交流腐蝕圖像中分別提取了對比度、相關(guān)性、能量和同質(zhì)性等紋理特征隨時間的變化規(guī)律。

對比度代表每個像素與其相鄰像素之間的強(qiáng)度差異，因此當(dāng)圖像中不同位置紋理差異越大時，對比度值就越大。交流腐蝕過程的對比度變化如圖8所示。在腐蝕初期，試片表面主要為打磨痕跡，紋理差別明顯，因此對比度的值比較大。隨著腐蝕的進(jìn)行，試片表面的腐蝕產(chǎn)物數(shù)量不斷增多，圖像中不同位置的紋理差異逐漸減小，對比度值隨之減小，此時對比度反映了金屬表面與腐蝕產(chǎn)物之間的差異[14]。當(dāng)腐蝕產(chǎn)物覆蓋整個表面時，對比度開始反映不同腐蝕產(chǎn)物間的差異。由于腐蝕產(chǎn)物間的差異不大，此時對比度值趨于穩(wěn)定。

圖8 對比度隨時間的變化過程Fig.8 Contrast as a function of time

相關(guān)性反映了像素與相鄰像素之間的相關(guān)程度，即腐蝕圖像中紋理差異越大時，相關(guān)性值越小。因此，相關(guān)性的變化趨勢與對比度相反，如圖9所示。

圖9 相關(guān)性隨時間變化過程Fig.9 Correlation as a function of time

圖10為交流腐蝕過程中能量值的變化曲線。從圖10可以看出，能量值先增大再減小，之后又增大并逐漸穩(wěn)定。能量值越小圖像中紋理分布越均勻，因此能量值的變化可以反映出腐蝕產(chǎn)物生成過程對試片表面紋理均勻性的影響。交流腐蝕過程中，能量值先增大，說明腐蝕初期試片表面磨痕的紋理特征分布均勻，但是由于腐蝕產(chǎn)物不斷生成，會逐漸改變試片表面紋理狀態(tài)，降低其分布的均勻性。當(dāng)腐蝕產(chǎn)物與試片磨痕對紋理分布的貢獻(xiàn)相同時（5 000 s），試片表面紋理的不均性達(dá)到最大，能量值也出現(xiàn)一個峰值；之后能量值降低，說明試片表面的磨痕紋理被腐蝕產(chǎn)物完全覆蓋后，紋理特征只反映腐蝕產(chǎn)物對試片表面紋理狀態(tài)的影響，由于腐蝕產(chǎn)物的繼續(xù)生成，試片表面的紋理分布越來越均勻。最后能量值又增大并穩(wěn)定，這是由于隨著腐蝕進(jìn)一步進(jìn)行，試片表面各位置附著的腐蝕產(chǎn)物不斷增大，造成紋理特征的分布均勻性變差，能量值增大（25 000 s）。但是由于局部腐蝕產(chǎn)物的大小會逐漸穩(wěn)定，因此紋理特征的分布均勻性最終不再發(fā)生變化，能量值逐漸穩(wěn)定。

圖10 能量隨時間發(fā)展變化Fig.10 Energy as a function of time

圖11為交流腐蝕過程中同質(zhì)性值隨時間的變化曲線。從圖11可以看出，在交流腐蝕的過程中試片表面的局部紋理逐漸變均勻，這是由于不同位置出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物覆蓋面積隨著腐蝕的進(jìn)行逐漸增大，造成局部紋理特征趨于一致。

圖11 同質(zhì)性隨時間發(fā)展變化Fig.11 Homogeneity as a function of time

從圖8～圖11可以看出，三組實(shí)驗(yàn)的對比度、相關(guān)性、能量和同質(zhì)性曲線變化規(guī)律一致，說明在腐蝕的過程中紋理特征發(fā)展穩(wěn)定，可以用來定量研究交流腐蝕形貌變化過程。

3 結(jié)論

（1）交流電會對質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl 溶液中的X90的腐蝕形貌發(fā)展產(chǎn)生影響。交流電不會在Cl-點(diǎn)蝕過的鈍化膜上誘導(dǎo)出新的點(diǎn)蝕位置，但是會對已出現(xiàn)點(diǎn)蝕的形貌的發(fā)展產(chǎn)生影響。

（2）在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl 溶液中，在100 A/m2交流電的作用下，X90鋼表面會出現(xiàn)持續(xù)時間很短的析氫過程，與腐蝕電位的變化規(guī)律相符。

（3）對比度、相關(guān)性、能量和同質(zhì)性等紋理特征在腐蝕的過程中發(fā)展穩(wěn)定，可以用來定量描述交流腐蝕形貌變化過程。