一种新型声学屏蔽方法，用于防止金属结构在紫外线辐射作用下的腐蚀

《Process Safety and Environmental Protection》：A novel acoustic shield approach for corrosion prevention in metallic structures exposed to ultraviolet radiation

　　

摘要

在海洋和石化行业中，富含氯化物的环境以及紫外线的照射会加速涂层失效，导致腐蚀和结构损坏，从而威胁设备的完整性和工艺安全。本研究提出了一种称为“声波屏蔽”的主动保护策略，该策略利用超声波引导波在盐雾颗粒接触表面之前将其驱散，从而对现有涂层提供额外的物理保护。研究中调查了超声波引导波“声波屏蔽”的防腐性能与关键参数（包括引导波频率、模式和应力幅度）之间的关系。在三种类型的聚合物涂层上进行了交替紫外线-盐雾腐蚀测试。测试结果表明，在引导波的保护下，管道样品的腐蚀程度和表面损伤有所减轻。电化学测试进一步显示，腐蚀电流密度降低了22.5%，证实了所提出技术在抑制腐蚀反应方面的有效性。

引言

由于其高强度、硬度和良好的抗压性能，碳钢被广泛应用于关键领域，包括海洋工程、交通运输和石化工业（Jin等人，2022年；Gusev等人，2023年；Alao等人，2023年）。然而，海洋环境是钢结构最易腐蚀的环境之一。暴露在这种环境中，碳钢容易受到盐分、辐射和氧气等多种腐蚀性物质的侵蚀（Alcántara等人，2017年），这会导致腐蚀速率加快，结构强度和耐用性下降，对工程结构、建筑和设备的完整性与安全性构成严重威胁。

目前，用于海洋钢结构的主要防腐方法包括涂层保护（Soares等人，2009年）、阴极保护（Erdogan和Swain，2021年）以及使用耐腐蚀材料（Zhang和Zhou，2022年）。在海洋大气环境中，涂层保护是最常用的方法，常用的材料如环氧树脂、丙烯酸和聚氨酯，在户外工业环境中表现出良好的防腐性能（Faccini等人，2021年）。然而，涂层保护本质上是被动的：腐蚀性介质仍可以逐渐渗透到金属表面（Ryndin等人，2018年）。此外，涂层在温度变化大和紫外线辐射强烈的海洋环境中耐候性较差，老化现象尤为严重（Song等人，2023年）。Luo等人（2024年）通过紫外线照射和电化学阻抗谱（EIS）评估了地质聚合物涂层的老化行为，发现紫外线照射会导致微观结构降解、聚合物链断裂和氧化反应，显著影响涂层的耐用性和附着力。Bhargava等人（2015年）还报告称，在紫外线、水和热等多因素老化条件下，聚氨酯涂层会出现表面裂纹和剥落，并伴随着聚合物链的热降解，导致反射率降低和物理性能恶化。因此，迫切需要新的方法来延缓涂层在紫外线引起的老化过程中的腐蚀。

近年来，超声波引导波（UGWs）技术受到了广泛关注，因为它具有较长的传播距离、广泛的覆盖范围以及在结构内部激发特定应力分布的能力（Lyu等人，2024年；Rose，2004年；Xu等人，2024年）。自2006年以来，研究人员已成功利用UGWs从304不锈钢管道上去除钙垢，通过引导波引起的剪切振动实现除垢（P X等人，2016年）。Habibi等人（2016年）进一步将这项技术应用于船体板材结构的生物污染清除，通过理论分析设计了专门的超声换能器。Carellan等人（2012年）提出了一种基于UGWs的长距离管道清洁方法。2016年，Hosseini Habibi等人（2016年）开发了一种结合UGWs和低频振动的除冰技术，有效清除了风力涡轮机叶片上的冰层，实验显示了显著的除冰效果。此外，使用压电换能器在非压电基板上激发兰姆波可以诱导液滴运动，为车辆传感器表面的水分去除提供了一种新方法（Taeibi Rahni等人，2022年；Liang和Lindner，2013年）。

受这些发展的启发，本文首次提出了一种基于UGWs的新主动保护方法——“声波屏蔽”，该方法利用结构表面产生的应力场和气-固界面处的声辐射力，在盐雾颗粒接触金属表面之前将其驱散。需要注意的是，这项研究的新颖之处不在于超声波引导波技术本身，而在于它作为金属腐蚀保护界面电化学过程的主动和动态策略的首次应用。为此，本文从分析金属腐蚀机制入手，阐明了UGWs所提供的主动防腐机制，研究了引导波的频率、模式和应力幅度与“声波屏蔽”效应之间的关系，并开发了一个实验系统，对三种典型涂层系统在交替紫外线老化和盐雾循环条件下的防腐效果进行了测试。

章节摘录

耐腐蚀保护机制

金属在自然大气环境中的腐蚀本质上是一个电化学过程。这一过程主要由潮湿空气中存在的环境物质（如水分H?O和氧气O?）引发。特别是在海洋环境中，金属表面会吸收大气中的水分，形成一层薄薄的液膜。高浓度的NaCl成分沉积在结构表面并溶解在这层液膜中，使其具有较高的离子导电性。

使用UGWs的PIV实验测试

建立了一个粒子图像测速（PIV）测试系统，用于研究在超声波引导波作用下的空气中的颗粒和管道表面颗粒的运动特性。实验系统如图5(a)所示。为了减少外部气流对实验结果的影响，装有超声换能器的管道被放置在一个密封的亚克力腔室内。一束20瓦的激光照射在管道表面以提供照明。

结果与讨论

图7(a)和图7(b)展示了所设计超声换能器的特性。使用激光测振仪测量了换能器表面的振动位移。图7(a)显示了25 kHz至50 kHz激励频率范围内的位移响应，在35 kHz、37.66 kHz和42 kHz附近观察到多个共振峰，最大位移发生在37.66 kHz。图7(b)显示了换能器的阻抗特性，表明其具有最小的

结论

本研究探讨了一种基于UGWs的金属结构主动防腐技术，特别关注其在紫外线辐射引起的涂层老化条件下的有效性。该技术利用UGWs在管道内传播时产生的声辐射力和剪切应力场，在海洋大气环境中建立“声波屏蔽”，有效抑制了盐雾颗粒在金属表面的沉积。研究表明，

CRediT作者贡献声明

Mengjiao Yang：研究，形式分析。Yu Li：方法学。Wuliang Yin：撰写 – 审稿与编辑，监督，方法学。Jingguo Chen：软件，方法学。Wenxuan Zhu：方法学。Yunkun Fu：撰写 – 原稿撰写，软件，资源，方法学，研究，形式分析。Shuo Jin：验证。Xiaocen Wang：形式分析。Yang An：方法学。Zhigang Qu：撰写 – 审稿与编辑，项目管理，资金争取，概念构思。Ying Liu：撰写 –

利益冲突声明

作者声明他们没有可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号：62373279、62173246、61901299和61873187）的资助。

Yunkun Fu|Mengjiao Yang|Youpeng Yan|Liqun Wu|Shuo Jin|Xiaocen Wang|Yang An|Zhigang Qu|Yu Li|Wuliang Yin|Jingguo Chen|Wenxuan Zhu|Ying Liu