计算机在腐蚀与防护领域中的应用

计算机在腐蚀与防护领域中的应用

刘晓方黄淑菊王汉功顾海澄

摘要综述了计算机在腐蚀与防护领域的应用状况，归纳了其在腐蚀与防护的现场监测与控制．信息处理，专家系统、神经网络及模型模拟分析等方面的方法及应用发展，探讨英应用发展趋势。

关键词监测与控制信息处理模型模拟分析计算机腐蚀

学科分类号ＴＰ３３９，ＴＢ３０４

在腐蚀与防护领域，计算机技术主要用于现场监测、数据的采集、贮存、处理、阴极保护系统的监测、控制，腐蚀与防护模型的模拟分析等方面，应用范围日益扩大，促进腐蚀与防护领域的研究方法与手段持续地更新换代．显示出强大的应用发展潜力。本文对目前计算机技术在腐蚀与防护领域中的应用状况作简要的综述。

１现场监测与控制

腐蚀监控是计算机在腐蚀工程中一个重要应用领域，在应用金属腐蚀电位测量、线性极化测量、交流阻抗测量、电化学噪声测量、电阻法和超声波法等方法进行腐蚀监测时，都可以使用微处理机。微处理机可以在正常腐蚀的情况下。通过腐蚀倾向的分析，预测、显示出非正常的腐蚀行为，及时地采取预防措施．并可进行更为复杂的运算，将ｐＨ值、温度、流速等工艺参数与腐蚀数据同时记录，分析它们之间的关联，并确定其依存关系，从而确定发备运行的最佳操作条件。

目前，微机化腐蚀测试仪器发展很快，出现了许多商品化的以微处理器为核心的腐蚀监测系统。针对不同的监测对象．配置一定的软硬件进行腐蚀监测，传感器将被测出的腐蚀特征量转化为电信号，通过数，模转换和模，数转换接口，微处理器进行测量控制，计算出腐蚀量数据，并可将其贮存、通讯到微机分析处理。这样的系统通过修改程序，可适应不同的测量要求，在一个系统中同时进行几种不同方法的监测，容易实现一机多用，测试结果便于进行数据处理分析。

对于金属表面的腐蚀程度及其分布，已提出许多电化学技术确定表面的腐蚀速率，其中一些己用于试图解释腐蚀机理、类型。在溶液电阻较大的情况下，迅速而经济地确定极化电阻的方法己被许多仪器采用进行腐蚀监测。交流阻抗技术就是利用这种方法，其高频段阻抗值等于溶液的电阻．低频段阻抗值等于溶液电阻与极化电阻之和，目前，用计算机控制的交流阻抗测试系统已广泛地用于腐蚀监测、缓蚀剂、涂层、保护膜层的性能评估Ｉｌ＿２Ｉ，由计算机自动控制测试频率，测量、贮存数据．并分析求得溶液电阻和极化电阻。此外极化电阻技术配合微机已用于＿亡业生产中的腐蚀监控、炼油厂的腐蚀监测、冷却水系统的监－１４ｌ?

控、酸洗液中缓蚀剂的自动添加等．另一种金属在溶液中腐蚀率自动监测的方法，是用微处理器控制的恒电位仪。在腐蚀电位附近连续用最小二乘法拟合极化曲线，这样的系统用电位阶梯。循环次数不断变化，测量其电流值，数据由微处理器贮存并分析处理Ⅲ。

用以微处理器为基础的等电位线测量系统［４１监测表面腐蚀时，微处理器控制的扫描参比电极靠近腐蚀试样表面，记录、贮存相对于另一个参比电极的电位差，所得到的电位图反映了腐蚀试样表面附近的离子电流密度，给出关于表面腐蚀点的位置和程度，研究局部璃蚀的发展过程，还可以监测在腐蚀过程中发生变化的工艺条件及缓蚀剂的效果。微机控制的腐蚀表面电流分布测量系统．也是通过扫描参比电极在线测量材料表面的电位变化，输入计算机，分析电流的分布并作出电流分布图．该系统可用于研究典型的电偶腐蚀和孔蚀及其发展过程，可，“泛用于现场评估局部腐蚀电流和检测材料发生腐蚀的部位。

一些大气腐蚀监测仪哪同样是以微处理器为核心，用伽伐尼电池或印刷电路板电池与自然环境的大气构成腐蚀体系．自动检测系统腐蚀电偶电流，并贮存大量的检测数据，断电后仍可保持数据不丢失，并与ＰＣ机以串行通讯和借助于仪器数据存贮模块板、ＰＣ机内部扩展接口来完成异地通讯两种形式进行数据交换。

在工厂中，对流动液体的腐蚀性进行监测时．把电极插入监测的体系中，计算机把电极信号转化成腐蚀率｜６１。测量电极电阻，所测量的电阻值给出了两次连续测量之间的金属失重量，计算出平均腐蚀速率。在工业腐蚀监测实践中涌现出不少新的监测技术，Ｓｔｒｏｍｍｅｎ等【７１研制的ＦＳＭ（场图象法）技术，可以用于连续监测工厂管线系统、压力容器等设备的腐蚀，可能发生的孔蚀或开裂以及任意时刻的残留壁厚。ＦＳＭ技术原理是，对监测设备所选择部分通以直流电，测量监测部分表面形成的很小的电位差，检测出电场分布，通过恰当地解释电位差或电位差变化，可得到与壁厚有关的结论，在一个给定区域进行一定数量的电位测量，就可监测和确定局部的腐蚀状况。任何腐蚀都会导致电场分布的变化或畸变，它反映腐蚀缺陷的尺寸、形状及位置。为详细了解局部腐蚀的位置、尺寸和严重程度或全面腐蚀程度，可以用计算机建立模型，计算或估计已知腐蚀类型的电场分布的变化。

阴极保护系统的监控．是为了调节保护电位处于要求的范围，避免保护不足或过保护的发生，评估阴极保护系统的效率及其有效性。采用微机进行监控，用单一电源可方便地扩展到多通道巡回控制【８】，可以精确可靠地调节保护电位，保证阴极保护牌稳定充足的水平，并可将大量的测试数据记录、贮存、传输、分析评估，对长距离的输油气管道的阴极保护系统的监控更带来了极大的便利。一个远程微机阴极保护监控系统【９，不仅高度可靠而且具有明显的经济效益，减少了以往人工进行调控、测试所花费的时间、人力、物力，极大地方便了管理人员，通过设在办公室的计算机与测试点的微处理器通讯即可对各测试点进行管理，分析数据．缩短测试周期，提高工作效率。先进的微机阴极保护系统【１０１不仅可以监控管道与土壤问的电位、电流，而且还从厚度、蚀坑深度和失重量得到腐蚀率，用电极阻值预测腐蚀趋势。系统能够迅速评估出背景保护水平和腐蚀数据，因此可以在系统运行期间准确地评估动态环境条件。系统内数据的长期记录保存，还能够显示出管道涂层的好坏，可视情况对其进行维护。办公室的ＰＣ机与远程微处理器相连，有助地分析管道ＩＲ降和“开／关”循环的阴机保护系统的极化效果，由于数据采集的实时性，可以评估出管道保护水平的突然变化如由于杂散电流的干扰等，及时采取措施，随着阴极保护系统在混凝土结构上的应用，为避免过保护发生所导致其中的钢筋氢脆，应用一种新方法，即微机控－１４２?

制阳极电位，进而使阴极保护电位得到满足Ⅲ】。总之，目前计算机监控已广泛应用在阴极保护系统。

计算机技术在腐蚀监控中的应用．促进了腐蚀测试仪器设备的小型化、智能ｔ进入九十年代腐蚀测试仪器和设备一般都配有微机和专门设计的软件．使得操作程序化，数据自动记录，结果即时分析，图表瞬间显示。最新的电化学测试组合仪器的体积，加上辅助设各也只有个手提箱大，而功能却相当于十年前的一整套的电化学实验室，为人们进行腐蚀与防护的研究及应用带来了极大的便利。

２信息处理

腐蚀数据信息，数量多、相关面广、需求范围大。由于微机的计算速度快、贮存量大、所组成的网络信息交流迅捷等特点为处理腐蚀数据信息提供了极大的便利，已被广泛地应用于数据计算、分析、贮存、传输等方面。

在腐蚀与防护领域中有不少计算问题，涉及到腐蚀数据的统计分析、数值积分、微分方程的求解，经常包括较大的计算量，而应用计算机，迅速准确，将人们从繁重复杂的计算中解脱出来，节省大量的时间，提高工作效率。一些程序【１２１已被开发用于由大量的极化实验数据来确定阴极、阳极的塔菲尔斜率、极化电阻、腐蚀电流等。用高斯－牛顿法产生一组新的参数估计并不断重复直至非线性剩余误差在预定值范围内变化。还有其它的程序用来从现场或实验室数据中计算分析腐蚀参数，如电极电阻、失重量、离子数、线性极化电阻、塔菲尔斜率等【ｎｌ。这些程序在必要时候还配以直观的图形显示。

在数据信息的贮存利用方面，微机更是具有无可替代的作用。腐蚀工作中，通常需要积累大量的腐蚀数据以备长期使用，如材料性质、经历环境条件、腐蚀历史、控制腐蚀的措施等等，这些庞大而又分散的数据，通过依靠计算机技术提供的三个渠道：数据库、可读光盘、国际计算机互联网，供人们十分方便、迅速地充分使用。

为将腐蚀数据信息更好地有效利用，常将其组织成为腐蚀数据库系统。自六十年代起已提出开始建造腐蚀数据库系统，时至今日已将许多腐蚀数据信息组织成为数据库系统，以供腐蚀工作者和其它技术专家在进行腐蚀防护研究、腐蚀失效分析、防腐蚀设计、腐蚀管理时使用。许多国家都努力建立各种各样、范围不同的腐蚀数据库，并且通过协作交流出现国际化发展趋势，美国的ＮＡＣＥ和ＮＢＳ合作建立了ＣｏｒｒｏｓｉｏｎＤａｔａＰｒｏｇｒａｍ，德国的ＤＥＣＨＥＭＡ建立了类似的腐蚀数据库。ＮＡＣＥ已陆续开发了多个软件，ＣＯＲ．ＳＵＢ…是关于２５种常用的工程金属材料在１０００种介质中不同温度和浓度下腐蚀数据库，ＣＯＭ．ＳＵＢ２ＴＭ是３６种非金属材料在８５０种化学介质中的腐蚀数据库，ＣＯＲ．ＡＢ”包括（ＣｏｒｒｏｓｉｏｎＡｂｓｔｒａｃｔｓ）杂志自４９６２年创刊真至最新的全部内容Ｌ“ｌ。近年我国也陆续建立了大气【１５１ｌ、土壤Ｉｔ６１等腐蚀数据库。这些数据库的建立便于数据信息的检索、管理，节省了时间、费用。

借助于计算机，腐蚀数据信息交流传输，不仅可以利用磁盘、光盘进行．利用计算机网络通讯进行数据信息交流传输更是今后的发展方向。Ｍ．Ｖ．Ｇｏｌｏｌｙｌｌ７１提出利用互联网络信息高速公路，对阴极保护系统实施远距离的自动监测与控制、数据的采集与传输，代替以往的低效、费时、费钱、费力的人工管理，提高效率降低费用。计算机高速信息公路的发展．可能很快改变今后论文发表的方式，投稿、评审、发表以至讨论，通过电子邮件方式，?１４３?

大大缩短时间，增加沟通，方便查阅。英国腐蚀中心的ＪｏｕｒｎａｌｏｆＣｏｒｒｓｉｏｎＳｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ已经用电子版出版。ＩｎｔｅｍｅｔＣｏｒｒ／９６是第一次在Ｉｎｔｅｍｅｔ上发表和归档保存的国际腐蚀会议文集。可咀预料，随着计算机网络技术的发展，人们通过信息高速公路得到更多、更全面的腐蚀数据信息。

３专家系统

专家系统是一个基于知识的智能推理系统，通过在系统中存储大量与应用有关的专门知识，来取得高水平的问题求解能力，它涉及对知识的获取、知识库、推理控制机制以及智能人．机界面的研究，集人工智能和领域知识于一体。专家系统的基本思想就是将知识和控制推理策略分开，形成一个知识库。在控制推理策略的导引下，利用存储起来的知识分析和处理问题。这样在解决问题时用户为系统提供一些已知数据，然后及系统中获得专家水平的结论。现有专家系统可以分为诊断型、设计型、控制型三大类，目前已广泛应用于各个领域。

在腐蚀与防护领域．大多数腐蚀工程问题的解决依赖于具有实践经验和知识的专家决策，经常是科学实验的结果、实践经验、专家个人的判断三部分的综合．与此类似所建造的腐蚀专家系统，已广泛用于耐蚀材料的选择、腐蚀失效分析、防腐蚀施工指导等方面，产生了巨大的社会、经济效益。Ｎ．Ｒ．Ｓｍａｒｔ等所建造的ＡＣＨＩＬＬＥＳ腐蚀专家系统口目内容十分Ｊ一泛，包括九个子系统：海水应用材料、涂料涂层、腐蚀临测、用于２５０。Ｃ下的金属和无机涂层、大气腐蚀、生物腐蚀、阴极保护、石油天然气产品中的ｃ０２，｝｛：Ｓ腐蚀、应力腐蚀等。每一个子系统都以该领域内公认的专家作为知识源为系统准备知识库。此系统已经成为腐蚀与防护技术人员的一个十分有用工具，帮助训练缺腐蚀工作经验的人员，针对所给定的环境、材孝斗提供专家意见。

目前，许多腐蚀与防护专家系统则是以腐蚀与防护领域某一方面知识为基础而构造的。针对众多的桥梁构件，所面对的不同环境、防护涂层及维护费用等因素，Ｚ．ＺａｃｈａｒｉａＩ”ｌ建造的桥梁涂层维护专家系统，能够为桥梁选择合适的涂层，在适当时机进行预防性涂装维护，从而可以最大限度利用涂层的寿命、降低对环境危害和维护费用。Ｖ．Ｌ．ＶａｎＢｌａｒｉｃｕｍＩ㈣等美军方的地下结构如管道、贮罐所开发的阴极保护专家系统，为使用者在阴极保护的设计、维护，分析运彳亍数据以及训练学习等方面提供帮助，它在保护阴极保护系统及其所保护对象的运行可靠方面发挥了重要作用。其它还有很多在某些专业领域的腐蚀与防护专家系统如酸液腐蚀、点蚀等，帮助人们进行选择材料、分析腐蚀失效。这些专家系统常常还具有自学习的能力，即在解决问题过程中，不断地积累知识完善自身，可供使用者在使用过程中及时输入新的知识、规则。丰富完善其内容。

尽管目前的腐蚀专家系统．还未达到如其定义所述完全代替专家进行［作的程度，但许多投入实用的专家系统已帮助人们把工作做得更好，并且仍在不断发展、完善中。４神经网络

人工神经网络（ＡＮＮ）是在八十年代中期获得迅速发展的一门非线性学科，是由大量的、同时功能结构也是十分简单的处理单元（即神经元）广泛地互相连接而形成的复杂网络系?１４４?

统。它是在生物神经网络功能的启示下发展起来的一种数据处理方法。力图模拟人脑的一些基本特性。如自适应性、自组织性、容错性等来解决实际问题，与一般的传统数据处理相比，神经网络技术在以下方面有其独特的优越性：处理模糊遥数据、需要决定的模式特征不明确、数据本身非线性、随机数据或数据中含有较多的噪声等。通过在计算机上编程所构造的神经网络，只有通过学习训练后，才能够解决问题，网络不是通过修改处理单元（神经元）本身来完成训练过程的，而是靠改变网络中各单元连接的权重来学习的。神经网络具有联想启发分类的基本功能，已经应用于许多领域中一些实际问题的预测、分析、鉴定、优化、控制等方面，取得较好的效果。

在腐蚀防护领域同样可以利用它的这些特性，进行腐蚀类型的分类、性能的预测等方面的工作。Ｅ．Ｍ．Ｒｏｓｅｎ和Ｄ．Ｃ．Ｓｉｌｖｅｒｍａｎｔ２’Ｉ利用ＢＰ神经网络从动态电位极化扫描的结果来辩识可能发生的腐蚀类型是缝隙腐蚀、点蚀还是一般均匀腐蚀，他们把神经网络与专家系统结合在一起，通过选择扫描电位适当的特征量输入网络，并确定网络输出与输入的对应关系来对网络进行训练，最终经过样本训练后的神经网络能够正确预测出耐蚀的镶基合金钢（２－２７６在高温溶液，３１６ＳＳ钢在室温含有机成分的甲醇溶液、３１６６ＳＳ钢在室温磷酸氨溶液等中的腐蚀类型。

Ｄ．Ｃ．Ｓｉｌｖａｒｍａｎｔ２２】研究了利用神经网络从实验室的实验结果来预测非金属衬里材料的老化降解，通过将有机非金属材料在实验室连续浸渍结果与作为衬里材料的作用性能联系起来训练神经网络，预测非金属材料在未来现场使用中的性能。ＨＭＧ．Ｓｍｅｔｓ和Ｗ．ＥＬ，Ｂｏｇａｅｒｔｓｆ”ｊ从发生应力腐蚀断裂的时间、温度、氯离子浓度等影响因素出发，利用ＢＰ型神经网络预测了３０４钢发生应力腐蚀断裂的可能性，所构造的神经网络不仅能够预测应力腐蚀发生与否，而且展现了发生应力腐蚀断裂危险逐渐提高的转化区域。ＷＦ．Ｌ．ＢｏｇａｅｒｔｓｌＵｌ利用人工神经网络的学习特征和高度的非线性特征，以土壤理化性能、腐蚀时间、Ａ３钢在土壤短时间试验数据作为网络训练样本，对Ａ３钢在土壤中长时间腐蚀速度进行预测。

这些工作表明，人工神经网络为材料在实验室中的实验结果与其在现场实际使用中的腐蚀性能的预测相联系，提供了一条重要的途径。人们借助于神经网络，从腐蚀实验室数据来预测材料在实际使用中性能、行为，解决了过去腐蚀实验室数据与材料实际使用结果相脱节的难题。

５模型的模拟分析

５．１数字技术

过去，阴极保护参数的确定和腐蚀速率的预测估计，都是建立在试样现场实验和测试的研究基础之上，。应用这些结果，通常涉及到数据点的误差、取较大的安全系数、现场施工中的调整与维护等问题。早期求解Ｌａｐｌａｃｅ方程（即电化学电池中控制电位分布的等式）的结果分析是成功的，但也仅限于结构模型简单和材料性质为常量的条件下，而实际应用中，结构几何形状复杂、材料电化学性能随电位、电流而变化。模型模拟分析数字技术，是可以应用到各种复杂的结构中，并适应变化的电解液和金属的非均匀和非线性的特性，用于求解电位分布问题，这些方法是有限元分析法、有限差分法、边界元法。

有限元法是应用数字求解由部分差分方程或能量理论所决定的物理问题。在腐蚀领域?１４５?