声学涂层——一种在海洋大气环境中利用超声波导波的主动防腐技术

《Progress in Organic Coatings》：Acoustic coating - an active anti-corrosion technique using ultrasonic guided waves in marine atmospheric environment

提出基于超声导波（UGWs）的新型防腐技术，通过剪切应力和高频振动有效去除盐雾沉积，实验显示未涂层钢管腐蚀率降低33.5%，涂层钢管分别降低45.8%、32.7%和29.5%，证实该方法可显著延长金属结构在盐雾环境中的使用寿命。

　　

曲志刚|闫友鹏|吴立群|傅云坤|赵建银|陈若妍|陈景国|杨安|王胜科|王晓晨|李志成|刘涛|尹五良|刘颖

天津科技大学电子信息与自动化学院，中国天津市大沽南路1038号，300222

摘要

本文提出了一种基于超声波导波（UGWs）的新型防腐蚀技术，用于主动保护材料免受盐雾腐蚀。通常，UGWs通过微小的快速振动来防止材料受到盐雾的侵蚀，其效果类似于在材料表面形成了一层“声学涂层”。通过对典型管道结构的数值模拟，研究了UGWs、材料与盐雾之间的相互作用。通过追踪盐雾的运动轨迹，发现了防腐蚀过程的原理，包括：(1) UGWs产生的剪切应力可以去除材料表面的盐雾；(2) 高频振动可以减缓盐雾的沉积。共进行了四组实验，比较了UGWs对未涂层钢管和涂有三种不同防腐涂层的钢管的影响。结果显示，未涂层钢管的腐蚀速率降低了33.5%，而涂有环氧树脂、丙烯酸和聚氨酯防腐涂层的钢管腐蚀速率分别降低了45.8%、32.7%和29.5%。结果表明，基于UGWs的“声学涂层”可以有效防止金属的盐雾腐蚀，并延长防腐涂层在盐雾环境中的使用寿命。

引言

海洋覆盖了地球总面积的71%，其中分布着大量的海上设施，如钻井平台、海上管道、沿海桥梁等[1]、[2]、[3]、[4]。在这样的高湿度和盐雾环境中，这些设施会遭受严重的盐雾腐蚀，其腐蚀速率明显高于内陆地区[5]，通常表现为由电化学效应引起的点蚀或晶间腐蚀[6]。盐雾腐蚀造成的结构损坏可能对这些海上设施造成灾难性后果。

目前，暴露在盐雾环境中的材料通常通过涂层和包覆材料[7]、[8]、[9]进行物理防护，或者通过应用更活泼的金属[10]进行电化学防护。然而，如果涂层材料长时间暴露在盐雾环境中，它们也会被腐蚀，而且涂层或活泼金属材料的寿命是有限的[11]。因此，如果有一种方法能够同时保护涂层和内部金属结构，将是非常有帮助的。近年来，有研究报道了一种基于超声波的技术，可以延长金属结构的使用寿命[12]。将超声波应用于金属表面可以影响氧化层的形成，在塑性变形后整体耐腐蚀性得到提升[13]。此外，超声波还可以通过空化效应去除附着在金属结构上的沉积物。实验利用双向超声波换能器的纵向振动来激发平板的横向振动，从而去除表面沉积物[14]。然而，使用单个超声波换能器时，保护区域有限，需要多个换能器才能覆盖更大的区域[15]。

与传统超声波相比，UGWs的优势在于其较长的传播距离和较大的覆盖范围[16]、[17]、[18]。近年来，UGWs被广泛应用于除冰、无损检测和除垢领域[19]、[20]、[21]。先前的研究表明，UGWs产生的剪切应力能有效去除风力涡轮机叶片上的冰层。此外，UGWs引起的空化效应还可以用于清除管道内的结垢[22]。因此，可以推断UGWs可以防止或去除表面的盐雾沉积物，起到类似“声学涂层”的作用。本研究将UGWs技术应用于金属腐蚀防护领域，有效阻止盐雾接触金属表面，从而减缓金属表面的腐蚀速率。

通常，UGWs沿着金属结构壁传播，对其表面施加持续的剪切应力和振动[23]，同时防止盐雾沉积并去除腐蚀性液滴。本文使用有限元和粒子跟踪方法对典型管道结构进行了数值模拟，并构建了基于UGWs的防腐蚀系统，研究了该系统对涂层和未涂层钢管的防护效果。

实验部分

盐雾腐蚀

金属的盐雾腐蚀本质上是一个电化学过程。图1展示了电化学反应过程。在阳极区域，铁因失去电子而氧化并以离子形式进入溶液；而在阴极区域，氧气被还原为氢氧根离子。

盐雾被视为NaCl溶液滴，它沉积在金属表面并具有很强的吸湿性，这意味着小液滴能够吸收水分。

实验

实验旨在比较UGWs对钢管的防腐蚀效果。共进行了四批测试：一批是未涂层的钢管，另外三批分别涂有三种不同的防腐涂层。每批测试都比较了是否使用UGWs进行防护的效果，通过称重、扫描电子显微镜（SEM）和能量分布光谱（EDS）进行测量。此外，还测量了涂有防腐涂层的钢管的相关参数。

结果与讨论

对于未涂层的钢管，使用重量增加法测量了受UGWs防护的钢管的腐蚀速率。对于涂有防腐涂层的钢管，分别使用重量增加法、划痕法和粘附测试测量了其腐蚀抑制率，并最终计算了平均腐蚀率降低幅度。计算平均腐蚀率降低幅度的公式如下：

$\backslash mathcal\{R\}\_\{A\}\; =\; \backslash frac\{W\; +\; S\}\{3\}$

结论

研究表明，基于UGWs的防腐蚀方法效率高、无需维护、无污染且覆盖范围广。由于金属在海洋大气环境中极易腐蚀，本文首次探讨了基于UGWs的防腐蚀机制。实验分别对未涂层和有涂层的钢管进行了研究，结果表明：

1.

对于未涂层的钢管，

作者贡献声明

曲志刚：负责监督、资源管理和方法论设计。闫友鹏：撰写初稿、开展调查、进行形式分析及数据整理。吴立群：方法论设计。傅云坤：撰写内容、审稿与编辑。赵建银：资源协调。陈若妍：软件开发。陈景国：方法论设计。杨安：项目管理工作。王胜科：结果验证。王晓晨：结果验证。李志成：调查工作。刘涛：审稿与编辑、结果验证。刘颖：撰写内容、审稿与编辑，

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：62373279和62173246）的资助。