基于实时图像的X90钢交流腐蚀形貌发展规律研究*

2019-11-12张守鑫李自力杨超巫明娟史红霞

油气田地面工程 2019年10期

张守鑫李自力杨超巫明娟史红霞

1中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院

2青岛欧赛斯环境与安全技术有限责任公司

3华北油田采油四厂油建管理中心

当交流电在金属和周围的介质间流动时，会加剧金属腐蚀过程，这种现象被称为交流腐蚀[1]。由于地理条件的限制，高压输电线及电气化铁路在建设过程中，不可避免地会与埋地管道发生并行或交叉，甚至共用通道，形成所谓的“公共走廊”，可能以不同的耦合形式对埋地管道产生交流干扰，造成管道的腐蚀破坏[2]。与直流干扰在腐蚀过程中电流保持方向不变不同，交流电不仅流动方向会不断变化，并且还具有不同的频率和波形，因而对腐蚀过程的影响更为复杂[3]。

国内外学者采用了极化曲线、阻抗谱、腐蚀电位、失重实验、腐蚀形貌分析等方法[4]，对金属的交流腐蚀行为进行了大量的研究，发现交流腐蚀速率会随交流电密度的增大而增加[5]，低频交流电的腐蚀破坏比高频更剧烈[6]，三角波对腐蚀电位偏移的影响大于方波和正弦波[7]。对于交流电对金属腐蚀行为的影响，KULMAN[8]、JONES[9]、GOIDANICH 等[10]分别提出整流、阳极去极化及阳极反应不可逆等解释理论。但是由于交流电性质的复杂性，其腐蚀机理至今尚未形成统一的结论[11]。

为进一步明确交流腐蚀机理，需要对交流腐蚀行为的发展规律进行深入研究，而采用一般的方法研究交流腐蚀行为的发展均具有一定的局限性。在极化曲线和阻抗谱测试过程中，交流电会对电化学工作站产生干扰，对测量结果的准确性造成影响[12]。腐蚀电位测试虽然可以测得比较准确结果，但是只能获得交流电对工作电极腐蚀电位及其变化过程的影响[13]。失重实验和传统腐蚀形貌分析属于静态方法，不能实现在不干扰腐蚀体系的前提下对交流腐蚀过程进行连续性研究。

因此采用不干扰工作电极腐蚀过程的方法对交流腐蚀行为的发展进行研究具有重要意义。在腐蚀实验的过程中，光信号与电信号之间不会互相影响，故采用基于光信号处理图像分析方法可以同时保持测试结果的准确性和测试体系的独立性，从而避免测试方法对腐蚀体系造成影响。

本文通过实时原位腐蚀图像采集技术记录并分析了X90钢在质量分数为3.5%的NaCl 溶液中的交流腐蚀过程表面的形貌图像，并基于图像分析方法对获得的时间序列腐蚀图像进行纹理特征提取，定量表征了交流腐蚀形貌特征的变化规律，研究了交流腐蚀行为的发展过程。

1 实验材料及方法

1.1 实验材料

实验材料为X90钢，首先将X90钢机械加工成10 mm×10 mm×3 mm 的试样，其化学成分如表1所示。然后在试片背面中心处用电烙铁锡焊直径约为1 mm 的铜导线，并采用环氧树脂封装除试片正面之外的其他面，暴露1 cm2的工作面积。封装之前将配置好的环氧树脂真空排气10 min，确保封装时在试片表面不会有气泡产生。

表1 X90钢成分Tab.1 Composition of X90 steel 质量分数/%

实验前在金相打磨机上分别采用180#、400#、800#、1000#及1200#防水砂纸逐级对试片工作面进行打磨，打磨的过程中保持清水不断流入磨盘，以便冲洗掉磨屑和脱落的磨料，并起到润滑打磨和冷却试片的作用，防止试片表面过热发生组织变化。打磨完成后，分别用去离子水、丙酮、乙醇对试片进行清洗，之后吹干备用。

实验溶液中NaCl 的质量分数为3.5%，采用分析纯NaCl 试剂和去离子水配制。实验在23 ℃±1 ℃室温条件下进行。为验证结果的重复性，进行3组平行实验。

1.2 实验装置

为了获得实时交流腐蚀形貌发展图像，设计了实时原位显微交流腐蚀图像采集装置，如图1所示。

图1 实时原位显微交流腐蚀图像采集装置Fig.1 Real-time and in-situ micro AC corrosion image acquisition device

该装置主要由图像采集模块和交流腐蚀模块两部分组成。其中图像采集模块包括显微图像捕捉单元和位置控制单元。显微图像捕捉单元由分辨率为1 200×1 600像素的高清工业相机（JT-200M）、显微镜头（JT-H10）以及环形发光二级管光源组成；位置控制单元由重复定位精度为30 μ m 的XYZ三维滑台、步进电机、开关电源和多通道步进电动机控制器组成，同时编制了相应的软件，对相机的采集过程和镜头位置进行控制。交流腐蚀模块由透明反应容器、试片支架和电极组成。为了提高采集图像的清晰度，反应容器侧壁开孔并安装有高透光玻璃片。辅助电极为20 mm×20mm 的铂电极，与工作电极垂直放置。采集的腐蚀图像放大约30倍。

采用信号发生器（FY6600）和功率放大器（FPA1000）施加交流干扰（50 Hz）。通过精确调节信号发生器输出使通过试片的交流电密度维持在100 A/m2。

进行图像采集时，显微镜头与工作电极相对放置，通过软件调节显微镜头位置和距离使其正对电极中心，当相机清晰成像时（约200 s），打开信号发生器输出对试片进行通电。图像采集方案如图2所示，共分为5个阶段：阶段Ⅰ采集时间为1～7 200 s，采集速率1 s-1；阶段Ⅱ采集时间为7 200～14 400 s，采集速率5 s-1；阶段Ⅲ采集时间为14 400～21 600 s，采集速率10 s-1；阶段Ⅳ采集时间为21 600～28 800 s，采集速率60 s-1；阶段Ⅴ采集时间为28 800～36 000 s，采集速率120 s-1。

图2 交流腐蚀图像采集方案Fig.2 AC corrosion image acquisition scheme

1.3 纹理特征分析

虽然金属表面的腐蚀形貌图像可以反映交流腐蚀过程的特征[5]，但是采用人工的方式分析腐蚀图像会非常费时，同时可能会引入分析人员主观因素造成的误差，并且通过人工检视很难对采集的腐蚀发展图像进行时间序列分析，因为腐蚀发展过程一般比较缓慢，时间上相邻图像中的腐蚀形貌间的差异很小，靠人的视觉难以区分。因此，为了定量研究不同交流电流密度下的X90钢腐蚀形貌特征的变化，可以采用图像分析法从腐蚀图像中提取腐蚀信息。

纹理特征分析是图像分析的一个重要方面，可以用来提取材料表面特征信息。在金属腐蚀的过程中，腐蚀产物一般在表面生成并附着，会对金属腐蚀表面纹理特征产生影响，因此，纹理特征可以用来对腐蚀过程进行表征[14]。但是纹理很难描述，没有统一的定义。虽然有很多方法可以计算纹理特征，但是每种方法都有一定的针对性，没有一种方法可以适用于处理各种不同的纹理。其中，灰度共生矩阵法常被用来提取腐蚀形貌的纹理特征，根据灰度共生矩阵，可以计算出对比度、相关性、能量及同质性四个表征纹理特征指标[14]。

对比度（contrast）是用来表征一个像素与其相邻像素之间变化的强度，具有明显的白色和黑色条状纹理的图像，具有较强的对比性。

相关性（correlation）是用来度量一个像素与其周围的像素在整个图像上的相似程度，如果图像中不同位置具有相同局部纹理，其具有较大的相关值。

能量（energy）是灰度共生矩阵中各元素的平方之和，用来度量图像灰度分布的均匀性。纹理特征越细致，则图像灰度分布越均匀，能量值越小。

同质性（homogeneity）是用来度量灰度共生矩阵中元素分布的集中程度，反映了图像局部纹理变化情况，其值越大说明图像的局部纹理越均匀。

2 实验结果与讨论

2.1 交流腐蚀实时图像

根据图像采集方案，在每个电流密度下实际可获得36 500 s 工作电极中心位置的显微腐蚀图像，其中200、1 000、5 000、10 000和30 000 s 时刻左右的腐蚀图像如图3所示。

图3 不同时刻交流腐蚀图像Fig.3 AC corrosion images at different times

2.1.1 交流腐蚀形貌发展过程

从图3可以看出，在质量分数为3.5%的NaCl溶液中，X90钢在交流电流作用下，表面腐蚀形貌逐渐发生变化，主要可以分为以下4个过程：①腐蚀刚开始，试片表面呈现打磨处理后的磨痕；②通电之后腐蚀加速，试片表面的打磨痕迹逐渐消失，且有腐蚀产物附着；③随着通电时间的加长，试片表面腐蚀产物逐渐增多；④最终腐蚀产物完全覆盖试片表面。

2.1.2 交流电对点蚀的影响

图3a 为质量分数为3.5%的NaCl 溶液加入透明容器后，试片未通电时调节相机成像清晰后的腐蚀图像。从图3a 可以看出，在NaCl 溶液中，试片表面会出现大量点蚀。从图4中可以看出点蚀位置先出现一个深色点，然后以该点为中心逐渐扩展为具有一定直径的近圆形灰色区域，之后维持稳定。一般认为Cl-可以破坏金属钝化膜，诱发点蚀，因此该过程可能主要反映了Cl-的点蚀过程。

图4 通电前点蚀发展过程Fig.4 Development of pitting without AC

图3b～图3e 为试片在通交流电（100 A/m2）后不同时刻的腐蚀图像。从图中可以看出，交流电可以对Cl-诱发的点蚀产生影响。在交流电的作用下，Cl-点蚀的中心深色区域逐渐变大，灰色区域颜色不断加深，之后出现明显的黑色边界，图5更为详细地展示了这一过程。从图3b～图3e中还可以看出，在电流密度为100 A/m2的交流电的作用下，试片表面并没有出现新的点蚀区域。有实验研究表明，交流电与Cl-类似也会破坏钝化膜[15]，但是在NaCl 溶液中，交流电并没有促进试片表面出现新的点蚀位置，说明交流电不会侵蚀Cl-破坏过的钝化膜，同时交流电不会加剧Cl-破坏钝化膜的能力，但是交流电会促进试片表面已出现的点蚀形貌的变化，说明交流电可以影响已有点蚀的腐蚀过程，加快点蚀速率。

图5 通电后点蚀发展过程Fig.5 Development of pitting with AC

2.1.3 交流析氢过程

虽然对试片施加的交流电流密度只有100 A/m2，但是当接通电路后，试片表面仍马上会有气泡析出，这一现象可以在实时图像采集的过程被捕捉到，如图6所示。

图6 交流气泡析出过程Fig.6 Bubble evolution process with AC

交流腐蚀的过程中可能发生析氢[16]，并且开路腐蚀电位测试结果表明，通交流电后试片的腐蚀电位会迅速降低至-0.90 V（SCE）左右（图7），因此可以推断试片析出的气体为氢气。虽然交流电会造成析氢现象，但是这一过程维持的时间很短，这与腐蚀电位先下降后上升的规律一致[10]，说明交流电会对试片的腐蚀阴、阳极过程产生影响，致使腐蚀电位在短时间内可降至析氢电位之下，之后阴极反应和阳极反应重新趋于平衡，腐蚀电位随之逐渐稳定。

图7 交流电对腐蚀电位的影响Fig.7 Effect of AC on corrosion potential

2.2 交流腐蚀形貌纹理特征

利用灰度共生矩阵法从X90钢实时交流腐蚀图像中分别提取了对比度、相关性、能量和同质性等纹理特征随时间的变化规律。

对比度代表每个像素与其相邻像素之间的强度差异，因此当图像中不同位置纹理差异越大时，对比度值就越大。交流腐蚀过程的对比度变化如图8所示。在腐蚀初期，试片表面主要为打磨痕迹，纹理差别明显，因此对比度的值比较大。随着腐蚀的进行，试片表面的腐蚀产物数量不断增多，图像中不同位置的纹理差异逐渐减小，对比度值随之减小，此时对比度反映了金属表面与腐蚀产物之间的差异[14]。当腐蚀产物覆盖整个表面时，对比度开始反映不同腐蚀产物间的差异。由于腐蚀产物间的差异不大，此时对比度值趋于稳定。

图8 对比度随时间的变化过程Fig.8 Contrast as a function of time

相关性反映了像素与相邻像素之间的相关程度，即腐蚀图像中纹理差异越大时，相关性值越小。因此，相关性的变化趋势与对比度相反，如图9所示。

图9 相关性随时间变化过程Fig.9 Correlation as a function of time

图10为交流腐蚀过程中能量值的变化曲线。从图10可以看出，能量值先增大再减小，之后又增大并逐渐稳定。能量值越小图像中纹理分布越均匀，因此能量值的变化可以反映出腐蚀产物生成过程对试片表面纹理均匀性的影响。交流腐蚀过程中，能量值先增大，说明腐蚀初期试片表面磨痕的纹理特征分布均匀，但是由于腐蚀产物不断生成，会逐渐改变试片表面纹理状态，降低其分布的均匀性。当腐蚀产物与试片磨痕对纹理分布的贡献相同时（5 000 s），试片表面纹理的不均性达到最大，能量值也出现一个峰值；之后能量值降低，说明试片表面的磨痕纹理被腐蚀产物完全覆盖后，纹理特征只反映腐蚀产物对试片表面纹理状态的影响，由于腐蚀产物的继续生成，试片表面的纹理分布越来越均匀。最后能量值又增大并稳定，这是由于随着腐蚀进一步进行，试片表面各位置附着的腐蚀产物不断增大，造成纹理特征的分布均匀性变差，能量值增大（25 000 s）。但是由于局部腐蚀产物的大小会逐渐稳定，因此纹理特征的分布均匀性最终不再发生变化，能量值逐渐稳定。