劉麗娜，劉 濤

（1.南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇 南京 211156；2.北京邁達(dá)斯技術(shù)有限公司，北京 100044）

0 引 言

鋼箱梁，又稱(chēng)鋼板箱形梁，應(yīng)用于大跨徑橋梁，如蘇通大橋、杭州灣大橋等，具有結(jié)構(gòu)重量輕、抗風(fēng)穩(wěn)定性好、抗扭剛度高、施工和養(yǎng)護(hù)方便等特點(diǎn)，但由于鋼箱梁耐腐蝕性較差，而橋梁使用地的氣候因素會(huì)明顯影響橋梁的使用壽命，因此為了抵抗大氣腐蝕或海水腐蝕，常需要對(duì)鋼箱梁加防腐層，延長(zhǎng)鋼橋的使用壽命[1]，在現(xiàn)代鋼橋建設(shè)中，電弧噴涂[2]加有機(jī)封閉復(fù)合涂裝體系已成為最有發(fā)展前途的技術(shù)，可以使任何環(huán)境建設(shè)下橋梁的防腐蝕壽命提高10～15年以上，是其他防腐蝕技術(shù)無(wú)可比擬的。近年來(lái)，我國(guó)鋼橋推廣應(yīng)用了電弧噴涂防腐技術(shù)，在未來(lái)的幾十年將為國(guó)家節(jié)約大量橋梁維護(hù)費(fèi)用，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但是檢測(cè)評(píng)估其腐蝕狀態(tài)，預(yù)測(cè)涂層防腐壽命，確保鋼橋安全運(yùn)營(yíng)是橋梁養(yǎng)護(hù)工作亟待解決的問(wèn)題[3]。目前，腐蝕壽命預(yù)測(cè)方法主要分為兩種[4]：一種是基于腐蝕機(jī)理的涂層防腐壽命分析建模法，稱(chēng)為分析建模法；另一種是基于腐蝕數(shù)據(jù)的防腐涂層壽命預(yù)測(cè)試驗(yàn)研究法，稱(chēng)為試驗(yàn)研究建模法。武漢材料保護(hù)研究所通過(guò)中性鹽霧試驗(yàn)采用試驗(yàn)研究法建模研究了電弧噴鋁涂層的耐蝕性，并估算200μm厚的噴鋁涂層在自然環(huán)境下的防腐蝕壽命＞50 年[5]。

本文以舟山西堠門(mén)跨海大橋鋼箱梁外表面防腐涂裝方案為工程背景，加工制作二次霧化電弧噴鋁（200μm），進(jìn)行室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)，采用平板掃描儀采集試樣腐蝕形貌圖像，研究電弧噴鋁防腐涂層防腐機(jī)理，預(yù)測(cè)其防腐壽命。傳統(tǒng)材料腐蝕狀態(tài)的評(píng)價(jià)方法主要基于表觀檢查對(duì)腐蝕狀態(tài)進(jìn)行文字描述，或者結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)樣圖，并相應(yīng)地按照腐蝕性質(zhì)和程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，腐蝕形態(tài)的記述明顯受人為因素的影響，具有一定的主觀性和局限性，效率低下，只能定性評(píng)價(jià)腐蝕狀態(tài)[6-8]。腐蝕形貌圖像真實(shí)再現(xiàn)了材料腐蝕破壞的形式及特點(diǎn)，是判斷腐蝕類(lèi)型、分析腐蝕程度、研究腐蝕規(guī)律與特征的重要依據(jù)[9]。本文采用基于二值化數(shù)字圖像處理技術(shù)，確定試樣腐蝕率。同時(shí)采集不同試驗(yàn)周期涂層腐蝕失重?fù)p失，以試驗(yàn)研究法建模評(píng)價(jià)其腐蝕速度，預(yù)測(cè)涂層防腐壽命。

1 室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)簡(jiǎn)介

結(jié)合西堠門(mén)大橋鋼箱梁外表面防腐涂裝方案，加工Q345C鋼板試樣，試樣尺寸65mm×40mm×5mm。表面噴砂除銹，二次霧化電弧噴鋁涂層（如圖1所示，試樣厚度為200μm），涂層試樣制備嚴(yán)格按照GB/T 9793——1997《金屬和其他無(wú)機(jī)覆蓋層熱噴涂鋅、鋁及其合金》要求進(jìn)行。試樣在距短邊5mm中間處打φ5mm的孔，用于懸掛試樣（懸掛繩采用尼龍塑料繩），掛孔處和試樣切割周邊5mm范圍內(nèi)采用松香和石蠟封邊。

采用自制的周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)，溶液配方參照HB 5194——1981《周期浸潤(rùn)腐蝕試驗(yàn)方法》，是一種模擬半工業(yè)海洋大氣腐蝕的快速試驗(yàn)方法。間隔15d觀測(cè)鋼板試樣腐蝕形貌變化，采用平板掃描儀記錄試樣表面腐蝕形貌圖像；間隔45d采用分析天平采集試樣失重。平板掃描儀型號(hào)為佳能LiDE250，其主要性能指標(biāo)：光學(xué)分辨率4800×4800 dpi，彩色位數(shù)48位，掃描儀范圍：216mm×297mm。掃描儀參數(shù)選?。荷誓Ｊ竭x用彩色，圖像位數(shù)取8位，圖像分辨率設(shè)為300dpi。

2 試樣腐蝕形貌圖像分析

2.1 腐蝕形貌圖像預(yù)處理

圖2為掃描儀采集的防腐涂層試樣室內(nèi)加速腐蝕形貌圖。為了消除試樣邊角加工及固定孔位置的影響，圖像處理區(qū)域選擇試樣中間部分，大小為300px×200px的矩形區(qū)域。從圖2可以看出，經(jīng)過(guò)室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)，試樣表面逐漸出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)微小蝕孔，這是典型的金屬材料點(diǎn)蝕破壞形式，當(dāng)點(diǎn)蝕達(dá)到一定程度時(shí)，出現(xiàn)紅色銹蝕產(chǎn)物，表明此時(shí)防腐涂層對(duì)鋼鐵基材失去保護(hù)作用（見(jiàn)圖3）。因此涂層點(diǎn)蝕率和數(shù)量可以作為表征該涂層腐蝕程度的特征參數(shù)。

圖2 掃描儀采集的部分腐蝕形貌圖像

圖3 掃描儀采集的試樣室內(nèi)加速腐蝕形貌圖像

2.2 圖像二值化

二值圖像（binary image）是指具有兩個(gè)灰度級(jí)的圖像，即圖像畫(huà)面內(nèi)僅有黑（灰度值為0）、白（灰度值為1）。圖像二值化處理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域邊界、位置和大小等的提取，而確定這些區(qū)域的關(guān)鍵技術(shù)為圖像分割技術(shù)。圖像分割是圖像處理學(xué)科中的難點(diǎn)[10]，基于閾值的分割又是分割最基本的難題之一，其難點(diǎn)在于閾值的選取，而且閾值選取的恰當(dāng)與否決定著分割的效果。圖像分割的方法主要有閾值分割法、區(qū)域增長(zhǎng)法、分水嶺算法等[11-12]。最早把數(shù)字圖像處理技術(shù)應(yīng)用到腐蝕學(xué)科的是對(duì)金屬點(diǎn)蝕的評(píng)價(jià)和描述，對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，可以統(tǒng)計(jì)點(diǎn)蝕面積大小、個(gè)數(shù)以及其分布規(guī)律[13]。

腐蝕圖像采集過(guò)程中，圖像質(zhì)量會(huì)受到光照條件、噪聲干擾和信息損失等因素影響，因此首先對(duì)圖像進(jìn)行中波濾值處理，可以很好地抑制腐蝕圖像中的干擾脈沖和點(diǎn)狀噪聲。本文采用基于分水嶺算法和最大信息熵算法計(jì)算分割閾值，對(duì)腐蝕形貌圖像二值化處理。

分水嶺算法[14]是一種與自適應(yīng)閾值有關(guān)的一個(gè)算法。該算法的基本思想：假設(shè)在每個(gè)區(qū)域最小值的位置打一個(gè)洞，水均勻上升從洞中涌出，從低到高淹沒(méi)整個(gè)地形。當(dāng)處在不同的匯聚盆地中的水將要匯合時(shí)，修建的大壩將阻止水匯合，這些大壩的邊界對(duì)應(yīng)于分水嶺的分割線。

最大信息熵算法是應(yīng)用信息論中熵的概念與圖像閾值化技術(shù)，選擇閾值分割圖像目標(biāo)區(qū)域、背景區(qū)域兩部分灰度統(tǒng)計(jì)的信息量最大。算法如下：

數(shù)字圖像閾值分割的圖像灰度直方圖，其中，灰度級(jí)低于t的像素點(diǎn)構(gòu)成目標(biāo)區(qū)域O，灰度級(jí)高于t的像素構(gòu)成背景區(qū)域B，由此得到目標(biāo)區(qū)域O的概率分布和背景區(qū)域B的概率分布。

目標(biāo)區(qū)域O的概率分布：

背景區(qū)域B的概率分布：

由此得到數(shù)字圖像的目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域熵的定義分別為

由Ho（t）和HB（t）得熵函數(shù) φ（t）為

當(dāng)熵函數(shù)φ（t）取最大值時(shí)，對(duì)應(yīng)灰度值t*就是所求的最佳閾值：

圖4 基于分水嶺算法和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理的試樣腐蝕形貌

圖5 基于最大信息熵算法和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理的試樣腐蝕形貌

通過(guò)Matlab軟件編寫(xiě)基于分水嶺算法和基于信息熵算法的圖像處理代碼對(duì)采集的腐蝕形貌圖像進(jìn)行處理，圖 4（b）、圖 5（b）為防腐涂層腐蝕形貌圖像處理結(jié)果，可知這兩種方法能較好地區(qū)分腐蝕與未腐蝕區(qū)域，兩種算法計(jì)算的分割閾值比較接近。

2.3 涂層點(diǎn)蝕特征分析

對(duì)腐蝕圖像二值化后可以統(tǒng)計(jì)試樣孔蝕率，定義孔蝕率p：

式中：Apit——試樣表面孔蝕面積；

Atotal——所選試樣的面積；

Ppit——圖像中孔蝕的像素?cái)?shù)；

P——圖像區(qū)域的所有像素?cái)?shù)。

但由于涂層表面劃痕、加工不均勻，以及腐蝕產(chǎn)物的附著，這些都會(huì)影響孔蝕率和孔蝕個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)。圖4（c）、圖5（c）是經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)操作后得到的腐蝕形貌圖像，容易看出該方法可以有效地消除腐蝕產(chǎn)物的影響。表1為防腐涂層部分試樣室內(nèi)加速腐蝕3408h后腐蝕形貌特征參數(shù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)?？芍谧畲笮畔㈧赜?jì)算的孔蝕率為11.99%～29.75%，基于分水嶺算法計(jì)算的孔蝕率為16.46%～37.90%，即偏保守考慮，當(dāng)電弧噴鋁涂層孔蝕率達(dá)到11.99%時(shí)，該涂層失去對(duì)鋼鐵基材的保護(hù)效果。

表1 部分試樣室內(nèi)加速腐蝕3408h后腐蝕形貌特征統(tǒng)計(jì)

3 防腐涂層腐蝕壽命預(yù)測(cè)

涂膜對(duì)基材的保護(hù)壽命大多是通過(guò)肉眼觀察涂膜所保護(hù)的基體發(fā)生的銹蝕來(lái)判斷，當(dāng)涂膜的生銹、起泡面積達(dá)到5%時(shí)，涂層失效[11]。電弧噴鋁涂層屬于金屬類(lèi)噴涂層，其破壞機(jī)理首先為鋁涂層腐蝕，涂層厚度不斷減少，局部出現(xiàn)孔蝕，直到基材出現(xiàn)紅色銹蝕產(chǎn)物而失效。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)3168h室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)，試樣表面出現(xiàn)紅色銹蝕產(chǎn)物。

表2為涂層腐蝕失重測(cè)量結(jié)果。試樣失重?fù)p失測(cè)量方法參照規(guī)范HB 5257——1983《試驗(yàn)腐蝕結(jié)果的重量損失測(cè)定和腐蝕產(chǎn)物的清除》，以質(zhì)量損失評(píng)價(jià)其腐蝕速度。

表2 涂層腐蝕質(zhì)量損失測(cè)量結(jié)果

在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)中，單位面積腐蝕失重平均值W與時(shí)間T之間基本呈線性關(guān)系，線性回歸分析如圖6所示。腐蝕失重與時(shí)間的雙對(duì)數(shù)關(guān)系公式：

式中：W——單位面積失重，g/m2；

t1——鋁涂層室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)時(shí)間，h。

表3為室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)與鹽霧試驗(yàn)的加速性對(duì)比分析，結(jié)果表明試驗(yàn)前期，兩者加速性相當(dāng)，隨著試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，干濕循環(huán)試驗(yàn)加速性要大于鹽霧試驗(yàn)。由于實(shí)際環(huán)境的復(fù)雜性，室內(nèi)腐蝕試驗(yàn)加速與鹽霧試驗(yàn)的加速倍率也不是簡(jiǎn)單的常數(shù)，圖7為室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)與中性鹽霧試驗(yàn)加速倍率之間的關(guān)系曲線，通過(guò)線性回歸分析可得加速倍率與腐蝕時(shí)間的關(guān)系模型為

表3 室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)結(jié)果與鹽霧試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖6 腐蝕失重對(duì)數(shù)與時(shí)間對(duì)數(shù)的關(guān)系圖

圖7 腐蝕加速倍率與試驗(yàn)時(shí)間之間的關(guān)系

式中：β（t1）——加速倍率；

t1——鋁涂層室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)時(shí)間，h。

室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)時(shí)間可通過(guò)式（10）轉(zhuǎn)換為中性鹽霧試驗(yàn)時(shí)間TNSS，根據(jù)公認(rèn)的估算經(jīng)驗(yàn)，200h的鹽霧試驗(yàn)相當(dāng)于在自然環(huán)境下腐蝕1年（8760h）可得鋁涂層在實(shí)際海洋環(huán)境下的防腐壽命T1。

式中：TNSS——中性鹽霧試驗(yàn)腐蝕時(shí)間，h；

T1——鋁涂層實(shí)際海洋環(huán)境下腐蝕時(shí)間，h。

試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)3168h室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)，試樣表面出現(xiàn)紅色銹蝕產(chǎn)物而失效，根據(jù)以上分析估算3 168 h的室內(nèi)加速腐蝕試驗(yàn)相當(dāng)于中性鹽霧試驗(yàn)12 728 h，因此可以推算200 μm噴鋁涂層實(shí)際海洋大氣環(huán)境下的壽命為63.6年。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）電弧噴鋁涂層表面孔蝕率可以作為表征涂層腐蝕程度的特征參數(shù)，結(jié)合圖像處理技術(shù)提取腐蝕形貌圖像特征參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電弧噴鋁涂層腐蝕損傷的檢測(cè)評(píng)估。

2）基于分水嶺算法和基于最大信息熵算法能較好地區(qū)分腐蝕與未腐蝕區(qū)域，兩種算法計(jì)算的分割閾值比較接近。通過(guò)數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的處理方法可以很好地去除防腐涂層表面劃痕、涂抹不均勻，以及腐蝕產(chǎn)物附著的影響，更有利于提取圖像特征值。

3）電弧噴鋁涂層孔蝕率達(dá)到11.99%時(shí)，該涂層失去對(duì)鋼鐵基材的保護(hù)效果，結(jié)合規(guī)范可以評(píng)定防腐涂層的腐蝕等級(jí)。

4）估算200μm噴鋁涂層實(shí)際海洋大氣環(huán)境下的壽命為63.6年。

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