覃粒，吳德權(quán)，胡濤，賀瓊瑤，唐蔓夕，趙方超，楊明波

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039，2. 重慶理工大學(xué)，重慶 400054）

腐蝕廣泛存在于國民生產(chǎn)生活之中。每年因各類腐蝕帶來的直接經(jīng)濟(jì)損失高達(dá)國民生產(chǎn)總值的2%～4%，其總損失更是超過5%，而金屬腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失占到各種材料腐蝕經(jīng)濟(jì)損失的1/2 以上[1-2]。Q235 鋼作為典型碳鋼材料，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，是環(huán)境評估、標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立的標(biāo)尺與基準(zhǔn)[3-5]，為材料設(shè)計相關(guān)研究提供數(shù)據(jù)支撐，為施用單位制定腐蝕防護(hù)策略提供重要參考。

我國海南地區(qū)因其高溫、高濕、高鹽霧、強(qiáng)輻照的濕熱海洋氣候特征，是金屬材料腐蝕的“重災(zāi)區(qū)”。據(jù)研究表明，碳鋼材料在海南地區(qū)長期暴露下的腐蝕速率是我國內(nèi)陸干燥大氣環(huán)境的2～6 倍，是我國東南沿海（如廣東）的3 倍左右[6-8]。近年來，大量建設(shè)性工程項目在海南開展，設(shè)施材料在海南地區(qū)使用安全亟需保障。海南濕熱海洋大氣環(huán)境腐蝕性評估問題已被眾多專家提上議程，研究典型金屬材料在海南地區(qū)的腐蝕行為，掌握金屬材料在海南各地腐蝕差異及時空分布規(guī)律，對金屬材料腐蝕進(jìn)行預(yù)測預(yù)判，以便有效地指導(dǎo)金屬設(shè)施設(shè)備在海南的安全使用和精準(zhǔn)防護(hù)。

目前，金屬材料在海南濕熱海洋大氣環(huán)境中的腐蝕行為機(jī)制得到較多研究，典型材料海洋大氣環(huán)境腐蝕數(shù)據(jù)持續(xù)積累。研究人員大多通過在海南典型站點（如瓊海、萬寧等）開展自然環(huán)境試驗，對比典型站點金屬的腐蝕行為與機(jī)制，粗略地評估海南腐蝕等級[9-12]。如馮立超等[13]在海洋大氣試驗中發(fā)現(xiàn)，氯離子能破壞金屬氧化膜，從而加速金屬腐蝕。金屬在海洋大氣環(huán)境下易受到大氣污染物（如SO42-、NO3-和NH4+）與富Cl-耦合作用，進(jìn)一步影響金屬材料的腐蝕[14]。然而自然環(huán)境試驗成本高，僅通過典型站點環(huán)境試驗產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量較少，有限的自然環(huán)境數(shù)據(jù)難以精細(xì)化描述海南全域的環(huán)境差異。同時，由于可視化表征手段的匱乏，小規(guī)模數(shù)據(jù)難以支撐數(shù)據(jù)資源的深層次開發(fā)，難以轉(zhuǎn)化為工程化應(yīng)用的便捷產(chǎn)品，無法高效指導(dǎo)設(shè)備應(yīng)用[15]。這一現(xiàn)狀使得材料腐蝕數(shù)據(jù)可視化技術(shù)成為迫切需求。

隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，新型軟件及算法等在材料行為模型構(gòu)建、小樣本環(huán)境材料數(shù)據(jù)深度挖掘方面逐漸得到應(yīng)用[16-20]。其中，地理信息系統(tǒng)等平臺是廣泛應(yīng)用的環(huán)境信息數(shù)據(jù)載體，可以通過高效處理，可視化展示不同坐標(biāo)的環(huán)境信息?；跀?shù)字化可視化的思想，通過相關(guān)數(shù)據(jù)分析軟件，將海南全域自然環(huán)境試驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字地圖，精細(xì)化展示海南腐蝕分布，提高腐蝕數(shù)據(jù)的利用效率。

本文在海南13 個站點開展大規(guī)模自然環(huán)境試驗，通過采集Q235 的腐蝕數(shù)據(jù)及環(huán)境數(shù)據(jù)，基于環(huán)境因素及環(huán)境效應(yīng)相關(guān)性分析，建立了對海南大部分氣候環(huán)境具有普適性的可視化“環(huán)境-材料”對應(yīng)模型。以Q235 腐蝕質(zhì)量損失作為嚴(yán)酷度評價指標(biāo)，繪制了海南嚴(yán)酷度空間分布圖，并預(yù)警了腐蝕嚴(yán)重地區(qū)。該研究為海南地區(qū)裝備設(shè)施安全服役、金屬選材及防護(hù)提供了重要支撐。

1 試驗

1.1 Q235 鋼海南地區(qū)自然環(huán)境試驗

通過自然環(huán)境試驗采集Q235 鋼腐蝕質(zhì)量損失數(shù)據(jù)，研究其腐蝕行為。自然環(huán)境試驗按照 GB/T 24516.2—2009 在海南13 個城市的大氣環(huán)境試驗站進(jìn)行，時間為2021—2022 年，樣品回收周期為3、6、9、12 月，共4 個周期。13 個站點位于東方、瓊海、臨高、儋州、昌江、定安、保亭、文昌、白沙、屯昌、萬寧、?？?、三亞，如圖1 所示。

圖1 海南各站點位置及萬寧站環(huán)境試驗架Fig.1 Locations of stations in Hainan and the shelf for environment tests at Wanning station

海南省地處華南地區(qū)，位于熱帶邊緣，屬熱帶季風(fēng)性氣候，是典型的濕熱海洋大氣環(huán)境條件。試驗時間為2021 年4 月—2022 年4 月，海南各站點的氣象數(shù)據(jù)見表1。

表1 海南各站點氣象數(shù)據(jù)Tab.1 Climate dates of testing stations in Hainan

1.2 研究方法

1.2.1 皮爾遜（Pearson）相關(guān)性分析

Pearson 相關(guān)分析用于計算氣候因素之間的相關(guān)性，其計算過程如式（1）所示。相關(guān)性系數(shù)r描述2個變量之間的線性相關(guān)程度，r的值在-1 和+1 之間。如果r＞0，表明2 個變量正相關(guān)；r＜0，則表示2 變量負(fù)相關(guān)。r的絕對值越大，相關(guān)性越強(qiáng)。

式中：r表示相關(guān)性系數(shù)，X、Y分別表示兩個變量，、分別表示2 個變量的均值。

1.2.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析

腐蝕可以看作是環(huán)境這個復(fù)雜系統(tǒng)對金屬材料作用而產(chǎn)生的一個過程機(jī)制不清晰的灰色系統(tǒng)，它通過統(tǒng)計方法將多個環(huán)境因素自變量序列和材料性能因變量序列的幾何形狀相似程度排序[21]，計算過程如式（2）所示。通過環(huán)境因素數(shù)據(jù)矩陣與材料腐蝕變量間灰色相關(guān)性系數(shù)，挑選對材料腐蝕影響較大的環(huán)境因素。

式中：Xi(k)為自變量序列；Δi(k)為自變量與因變量的差值序列；i為第i個環(huán)境因素；k為該因素中第k個樣本值；min 為向量最小值；max 為向量最大值；ρ為分辨系數(shù)取0.5。

2 結(jié)果與分析

2.1 海南地區(qū)Q235 鋼腐蝕行為分析

通過跟蹤測量Q235 鋼在13 個大氣站點暴曬3、6、9、12 個月期間的表觀形貌腐蝕情況與腐蝕質(zhì)量損失，表征Q235 鋼在海南典型地區(qū)腐蝕行為，如圖2 所示。

圖2 （a）三亞、（b）東方、（c）海口與（d）萬寧Q235 鋼外觀形貌與（e）各站點腐蝕性能隨暴曬時間變化Fig.2 Corrosion appearance and performances of Q235 steel as a function of exposure time in Sanya (a), Dongfang (b),Haikou (c), and Wanning (d)

圖2a—d 分別為三亞、東方、?？诤腿f寧站Q235鋼樣品暴露在大氣環(huán)境下3、6、9 及12 月（從左到右）后的腐蝕外觀形貌?？梢钥闯?，金屬在腐蝕初期腐蝕面積就達(dá)到100%，腐蝕層呈棕紅色，表面完全腐蝕。在整個腐蝕過程當(dāng)中，外觀形貌難以準(zhǔn)確量化Q235 鋼腐蝕程度。

從圖2e 中可以看出，Q235 鋼的腐蝕質(zhì)量損失隨暴露時間的增加而增加，且腐蝕質(zhì)量損失的增量呈現(xiàn)先快后慢的趨勢。其中，萬寧、文昌、?？诩碍偤５群Ｄ蠔|北部沿海站點得到的金屬腐蝕質(zhì)量損失在暴露1 a 后達(dá)到了300 g/m2以上，在海南各站點中腐蝕程度較嚴(yán)重。保亭、儋州、白沙及昌江等海南西南部站點得到的金屬腐蝕質(zhì)量損失在暴露1 a 后不足150 g/m2，腐蝕程度較輕。本文以Q235 鋼1 a 的腐蝕質(zhì)量損失量為指標(biāo)，評價濕熱海洋環(huán)境嚴(yán)酷度。

2.2 Q235 鋼腐蝕敏感環(huán)境因素研究

海南大氣環(huán)境對Q235 鋼的作用機(jī)制目前沒有明晰的數(shù)學(xué)模型，海南環(huán)境數(shù)據(jù)也可以看作是一個信息模糊、變量多維的集合。通過回歸分析、灰色關(guān)聯(lián)分析等數(shù)學(xué)方法，定量分析海南環(huán)境因素，包括地理因素（如海拔高度、經(jīng)度、緯度、離海距離等）及氣候因素（如平均相對濕度、平均溫度、降水小時數(shù)、日照時間、年均風(fēng)速、年均大氣壓、降水量）與Q235鋼材料腐蝕性能（腐蝕質(zhì)量損失）之間的相關(guān)性，尋找影響Q235 鋼腐蝕敏感的環(huán)境因素。

2.2.1 Pearson 相關(guān)性分析環(huán)境因素間關(guān)聯(lián)

各環(huán)境因素并非獨立變量，通過Pearson 分析海南地區(qū)環(huán)境因素間相互影響程度，為篩選敏感環(huán)境因素提供數(shù)據(jù)支撐。正相關(guān)表示兩環(huán)境因素間存在一定促進(jìn)作用，負(fù)相關(guān)則表示兩環(huán)境因素間存在一定抑制作用。結(jié)果顯示，濕度＞80%的時間與經(jīng)度的相關(guān)性高達(dá)0.840，與平均相對濕度以及降雨時間的相關(guān)度也分別達(dá)到0.722、0.691。離海距離與風(fēng)速負(fù)相關(guān)（-0.662），離海距離與海拔高度則密切正相關(guān)（0.710）。對于關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)的多個環(huán)境因素，可合理挑選其中一個作為影響材料腐蝕的敏感環(huán)境因數(shù)，避免建模過程變量冗余。因此，濕度＞80%時間、平均相對濕度、降雨時間可以選擇一個作為與濕度相關(guān)的大氣環(huán)境變量，離海距離與海拔高度可以選擇一個作為地理信息變量。

2.2.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析Q235 鋼腐蝕敏感環(huán)境因素

本項目以Q235 鋼在海南大氣環(huán)境下暴露1 a 的腐蝕質(zhì)量損失作為環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)因變量序列，以環(huán)境因素作為自變量序列進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)分析。通過MATLAB 軟件編程計算Q235 鋼腐蝕質(zhì)量損失與環(huán)境變量間的灰色關(guān)聯(lián)度，將相關(guān)度結(jié)果按照從大到小排序，結(jié)果如圖3 所示。各環(huán)境因素與Q235 鋼腐蝕質(zhì)量損失間灰色關(guān)聯(lián)度排序（從大到小）：離海距離、濕度＞80%時間、平均相對濕度、日照時間、累積降水量、降水小時數(shù)、平均氣壓、風(fēng)速、平均氣溫、經(jīng)度、緯度以及海拔高度。

圖3 海南環(huán)境因素間關(guān)聯(lián)與Q235 鋼腐蝕敏感環(huán)境因素排序Fig.3 Relevance between environment factors in Hainan and the ranking of Q235 steel corrosion weight loss sensitive environmental factors

2.2.3 Q235 鋼腐蝕質(zhì)量損失敏感環(huán)境因素研究

線性回歸分析可用于定量計算2 個變量間的線性相關(guān)程度，是判斷2 個變量能否建立線性函數(shù)的前提。這里通過散點圖探究濕熱海洋大氣13 個站點6個典型環(huán)境因素數(shù)據(jù)與Q235 鋼腐蝕質(zhì)量損失間的線性關(guān)聯(lián)程度，建立線性回歸方程，如圖4 所示。計算各環(huán)境因素與腐蝕質(zhì)量損失間的回歸方程，通過對比擬合優(yōu)度（R2）、Pearson 相關(guān)系數(shù)（Pearson Correlation Coefficient，PCC），量化比較各環(huán)境因素與Q235 鋼腐蝕質(zhì)量損失間關(guān)聯(lián)程度大小。

圖4 各環(huán)境因素與Q235 鋼腐蝕質(zhì)量損失間的線性回歸圖Fig.4 Linear regression plot of corrosion rate of Q235 steel and environmental factors

由圖4 可知，各線性回歸方程的擬合優(yōu)度最高為0.72，低于0.85 閾值，表明各環(huán)境因素與Q235 鋼腐蝕質(zhì)量損失間并沒有統(tǒng)計意義上的嚴(yán)謹(jǐn)線性關(guān)聯(lián)[22]，說明線性方程并不能很好建立環(huán)境因素與Q235 鋼腐蝕性能間的映射關(guān)系。對擬合優(yōu)度R2大小進(jìn)行排序，用于比較各因素與Q235 鋼腐蝕質(zhì)量損失間相關(guān)性的大小，結(jié)果表明，敏感的環(huán)境因素排序為離海距離、平均相對濕度、濕度＞80%時間。

線性回歸分析中，Pearson 系數(shù)表明2 個變量間的統(tǒng)計學(xué)意義上的相關(guān)性[22]，而從圖4 中可知，各環(huán)境因素與Q235 鋼腐蝕質(zhì)量損失間無顯著相關(guān)性。這是因為海南地區(qū)13 個樣本數(shù)據(jù)較少，且Q235 鋼在大氣環(huán)境下腐蝕受多種環(huán)境因素的綜合影響。其中，離海距離與腐蝕質(zhì)量損失之間的Pearson 系數(shù)達(dá)到最高-0.85，表明相比于其他環(huán)境因素，離海距離與Q235鋼腐蝕的關(guān)聯(lián)較大。其次為平均相對濕度、濕度＞80%時間，分別與腐蝕質(zhì)量損失Pearson 系數(shù)達(dá)到了0.70、0.66。

從圖3 可以看到，平均相對濕度與濕度＞80%時間兩項的關(guān)聯(lián)度達(dá)到0.722，表明平均相對濕度與濕度＞80%時間表達(dá)信息較接近。基于金屬材料腐蝕機(jī)理，高濕度下金屬表面形成的薄液膜是金屬腐蝕的主要原因。因此，相比于年平均濕度，選擇濕度＞80%時間作為海南地區(qū)Q235 腐蝕的高相關(guān)性環(huán)境因素[23-25]。

綜合考慮上述Pearson 相關(guān)性、灰色關(guān)聯(lián)、線性回歸等各方法計算得到的相關(guān)性較高的環(huán)境因素，優(yōu)先選擇離海距離、濕度＞80%時間作為Q235 鋼腐蝕敏感環(huán)境因素。

2.3 Q235 鋼腐蝕質(zhì)量損失與敏感環(huán)境因素模型研究

海南13 個站點收集得到在海南濕熱海洋大氣環(huán)境下暴露1 a 的Q235 鋼腐蝕質(zhì)量損失數(shù)據(jù)如圖5a 所示?；谏鲜鰸駸岷Ｑ蟮貐^(qū)環(huán)境因素分析及影響金屬腐蝕質(zhì)量損失腐蝕敏感環(huán)境因素篩選，以離海距離、濕度＞80%時間為關(guān)鍵環(huán)境因素變量，以Q235 鋼1 a腐蝕速率作為環(huán)境效應(yīng)變量，構(gòu)建環(huán)境因素與環(huán)境效應(yīng)之間模型，通過曲面擬合，呈現(xiàn)“環(huán)境因素-材料性能”模型函數(shù)映射關(guān)系，如圖5b 所示。從模型三維圖像中可以看出，濕度＞80%時間的增加促進(jìn)了金屬腐蝕質(zhì)量損失增加；離海距離越近，金屬腐蝕質(zhì)量損失增加。通過該“環(huán)境因素-腐蝕性能”映射三維圖像，直觀呈現(xiàn)了環(huán)境與嚴(yán)酷度的對應(yīng)關(guān)系，便于裝備設(shè)施在海南服役過程中，快速預(yù)測評估環(huán)境嚴(yán)酷度。

圖5 海南地區(qū)Q235 鋼腐蝕質(zhì)量損失分布與敏感環(huán)境-色差映射關(guān)系Fig.5 Distribution map of corrosion weight loss (a) and mapping plot for the relation between sensitive environment factors and corrosion rate (b) of Q235 steel in Hainan

2.4 基于Q235 鋼腐蝕質(zhì)量損失的分布地圖繪制

通過Matlab 軟件，輸入暴露在濕熱海洋大氣環(huán)境下3、6、9、12 個月金屬腐蝕質(zhì)量損失值，對海南13 個站點進(jìn)行Griddata 插值計算，得到海南Q235 鋼不同暴露時間下質(zhì)量損害分布地圖，如圖6 所示。

圖6 海南地區(qū)Q235 鋼質(zhì)量損失分布地圖Fig.6 Weigh loss distribution plots of Q235 steel in Hainan for 3 months (a), 6 months (b), 9 months 6 (c) and 12 months(d) respectively

從圖6 可以看出，自然環(huán)境試驗3 個月，Q235腐蝕程度小，腐蝕質(zhì)量損失分布并沒有明顯差異；自然環(huán)境試驗6 個月，海南中部及南部地區(qū)腐蝕程度依然較輕，而濱海地區(qū)腐蝕程度開始加重；自然環(huán)境試驗9 個月，中南部金屬腐蝕質(zhì)量損失較小，而東部較高；自然環(huán)境試驗12 個月，海南東部與北部金屬腐蝕程度較之前顯著增加。

以上分布表明，Q235 在海南東部及北部地區(qū)腐蝕較嚴(yán)重，而島南部及中部地區(qū)腐蝕較輕。這是因為受海洋濕氣、含鹽粒子、季風(fēng)等環(huán)境因素的影響，海南長期受到來自東北及東南方向季風(fēng)，如冬季為來自大陸方向的南下冷空氣，夏季為來自南海的濕熱氣流，僅秋季有短期來自西南方向季風(fēng)，因此海南北部、東部受濕氣及鹽沉積影響更大，腐蝕嚴(yán)酷度更高。海南中部為山地，森林覆蓋率高，植被對大氣有一定調(diào)控作用，一定程度上減輕了腐蝕嚴(yán)酷性。

3 結(jié)論

1）采集Q235 鋼在海南13 個站點暴露大氣3、6、9、12 個月樣品，分析其形貌特征及腐蝕質(zhì)量損失數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，試驗初期樣品表面即全面銹蝕，難以通過銹層顏色對比評價各地的腐蝕差異。腐蝕質(zhì)量損失隨著試驗時間逐漸增加，并趨于穩(wěn)定。其中，海南東北部站點12 個月試驗后金屬腐蝕程度較嚴(yán)重，腐蝕質(zhì)量損失達(dá)到了300 g/m2以上，海南西南部則不足150 g/m2。

2）通過Pearson 相關(guān)性分析，在濕度＞80%時間、平均相對濕度、降雨時間3 個環(huán)境因素中，可以選擇1 個作為與濕度相關(guān)變量，離海距離與海拔高度可以選擇1 個作為地理信息變量。通過灰色關(guān)聯(lián)度分析與線性回歸分析，與Q235 鋼腐蝕質(zhì)量損失關(guān)聯(lián)度較強(qiáng)的因素為離海距離、濕度＞80%時間、平均相對濕度。綜合分析篩選出影響Q235 鋼的腐蝕敏感環(huán)境因素分別為濕度＞80%時間、離海距離。

3）將篩選得到的濕度＞80%時間和離海距離作為Q235 鋼海南腐蝕敏感環(huán)境因素，構(gòu)建“環(huán)境-材料”間映射關(guān)系模型。通過插值法將Q235 鋼不同周期腐蝕質(zhì)量損失數(shù)據(jù)以分布地圖形式可視化表達(dá)，結(jié)果顯示，海南東部及沿海地區(qū)嚴(yán)酷度高，海南中部及西部地區(qū)嚴(yán)酷度低。