中国腐蚀与防护学报, 2023, 43(5): 983-991 DOI: 10.11902/1005.4537.2022.332

综合评述

金属材料腐蚀预测模型研究进展

姚勇1, 刘国军1, 黎石竹1, 刘淼然,2, 陈川2, 黄廷城2, 林海3, 李展江3, 刘雨薇4, 王振尧4

1.广东能源集团科学院技术研究院有限公司 广州 510630

2.中国电器科学研究院股份有限公司 广州 510799

3.湛江海关技术中心 湛江 524000

4.中国科学院金属研究所 沈阳 110016

Research Progress on Corrosion Prediction Model of Metallic Materials for Electrical Equipment

YAO Yong1, LIU Guojun1, LI Shizhu1, LIU Miaoran,2, CHEN Chuan2, HUANG Tingcheng2, LIN Hai3, LI Zhanjiang3, LIU Yuwei4, WANG Zhenyao4

1.Guangdong Energy Group Science and Technology Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510630, China

2.China National Electric Apparatus Research Institute Co., Ltd., Guangzhou 510799, China

3.Zhanjiang Customs Technology Center, Zhanjiang 524000, China

4.Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China

通讯作者: 刘淼然,E-mail:liumr@cei1958.com,研究方向为金属材料大气腐蚀

收稿日期: 2022-10-25   修回日期: 2022-11-18  

基金资助: 广东能源集团科学技术研究院有限公司科技项目.  STI-PY-21009

Corresponding authors: LIU Miaoran, E-mail:liumr@cei1958.com

Received: 2022-10-25   Revised: 2022-11-18  

Fund supported: Science and Technology Project of Guangdong Energy Group Co., Ltd.  STI-PY-21009

作者简介 About authors

姚勇,男,1981年生,高级工程师

摘要

对现有腐蚀领域常用腐蚀预测方法,包括函数模型、灰色理论模型、神经网络预测模型,剂量响应函数模型和随机森林模型等进行总结分析,并将现有的腐蚀预测模型分为腐蚀-时间和腐蚀-环境预测模型,介绍了不同腐蚀预测模型的特点和适用范围等。最后,根据电力行业的特点对金属材料的腐蚀预测研究提出了一些展望。

关键词: 金属材料 ; 腐蚀 ; 预测模型 ; 数据处理 ; 电力设备

Abstract

Metallic materials for electrical equipment are affected by many factors related with environment during service, and their corrosion behavior is very complex, therefore, which is difficult to be accurately predicted. The development of computer technology and data analysis technology enriches the prediction methods for corrosion behavior of metallic materials with better accuracy. This paper summarizes and analyzes the existing common corrosion prediction methods in the field of corrosion, including function model, grey theory model, neural network prediction model, dose response function model and random forest model etc., and which then are classified into two types, namely corrosion-time models and corrosion-environment prediction models. Furthermore, the characteristics and application scope of different corrosion prediction models are introduced. Finally, prospects for the corrosion prediction of metallic materials are put forward especially in terms of the demands of power industry.

Keywords: metallic material ; corrosion ; prediction model ; data processing ; electrical equipment

PDF (1058KB) 元数据 多维度评价 相关文章 导出 EndNote| Ris| Bibtex  收藏本文

本文引用格式

姚勇, 刘国军, 黎石竹, 刘淼然, 陈川, 黄廷城, 林海, 李展江, 刘雨薇, 王振尧. 金属材料腐蚀预测模型研究进展. 中国腐蚀与防护学报[J], 2023, 43(5): 983-991 DOI:10.11902/1005.4537.2022.332

YAO Yong, LIU Guojun, LI Shizhu, LIU Miaoran, CHEN Chuan, HUANG Tingcheng, LIN Hai, LI Zhanjiang, LIU Yuwei, WANG Zhenyao. Research Progress on Corrosion Prediction Model of Metallic Materials for Electrical Equipment. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2023, 43(5): 983-991 DOI:10.11902/1005.4537.2022.332

金属材料由于其优异的性能广泛应用于各个行业,包括电力和机械设备等。然而,金属材料在环境服役过程中不可避免地会受到环境的影响,造成材料性能的损失,进而造成一定的安全隐患。因此,金属材料在环境中的腐蚀行为预测日益受到了各行业工程师和腐蚀研究者的重视。

对于电力行业,设备用金属材料腐蚀类型主要是大气腐蚀,大气腐蚀的发生除了受到金属本身性质影响外,环境因素是影响大气腐蚀的主要因素,包括气候因子、大气成分、温度和湿度等[1~3]。环境中影响大气腐蚀的因素众多且具有协同作用,使得腐蚀相关数据的统计分析以及腐蚀速率的预测遇到了很大的困难。金属腐蚀速率的预测都是将通过材料的室内加速模拟实验和实际服役大气环境自然暴露,获得金属材料的腐蚀数据和环境数据,并利用不同的方法对腐蚀数据和环境数据进行分析处理,获得金属材料的腐蚀预测模型,进而对其在实际服役环境中的使用寿命进行预测。目前,针对腐蚀数据集,国内外已有诸多学者进行相关的数据分析以及预测建模研究。特别是近些年来,随着机器学习与人工智能算法的兴起,学者们利用部分机器学习算法对多种类型的腐蚀数据进行了建模、预测与知识挖掘研究。目前常用的腐蚀预测模型主要有函数模型、多元线性回归分析模型、灰色理论模型、人工神经网络和剂量响应函数等[4~6]

根据目前常用的不同腐蚀预测方法的特征,将腐蚀预测方法主要分为两种,一种是不考虑腐蚀的环境因素,仅仅使用不同时间的腐蚀数据建立腐蚀预测方程,本文定义为腐蚀-时间预测模型;另外一种是综合考虑环境中影响腐蚀的不同因素,结合不同时间或者某一时间的腐蚀数据建立腐蚀预测模型,本文定义为腐蚀-环境预测模型。

1 腐蚀-时间预测模型

通过对现有不同时间对应的金属材料腐蚀数据整理,利用数据分析方法,研究腐蚀动力学行为,搭建腐蚀预测模型,对金属材料的长期腐蚀行为进行预测。目前,常见的腐蚀-时间预测模型有函数模型和灰色理论模型等。

1.1 函数模型

函数模型的形式比较简单,是目前应用最早且应用范围最广的腐蚀预测模型。研究者们根据大量的腐蚀研究和数据分析提出了金属材料腐蚀随时间的变化规律函数。目前,最常用的腐蚀预测函数模型是腐蚀失重随时间变化的幂函数模型,其形式为[7~10]

Ct=Atn

或者

lgCt=lgA+nlgt

其中,Ct表示t时刻的腐蚀失重预测值;t表示腐蚀时间,a;An是常数,A一般为第1 a的腐蚀失重量,与环境及材料有关,n值的大小可反应腐蚀产物对材料保护性:当n>1时,腐蚀速率逐渐增加;当n=1时,腐蚀速率不变;当n<1时,腐蚀速率逐渐减小。

幂函数模型从搭建之初至今,经过不同国家研究人员的验证和使用,适用于不同金属材料在不同环境中的腐蚀预测。梁彩凤等[11]通过对不同地区碳钢和低合金钢16 a的大气暴晒腐蚀失重数据分析,证实了幂函数模型在我国不同地区的适用性。邢士波等[12]开展铝合金在西沙海洋大气的自然暴露试验,结果表明随时间延长,铝合金的腐蚀损失量与曝晒时间呈现幂函数规律。

近些年来,随着腐蚀研究深入,数据分析更加详细,结果表明腐蚀失重随时间变化曲线并不完全符合幂函数模型,腐蚀前期金属材料的腐蚀失重与时间关系呈现幂函数模型,后期金属材料的腐蚀速率不再发生变化,腐蚀失重与时间关系更符合线性函数模型。Ma等[13]分别对低碳钢在海洋大气环境以及工业大气环境中暴晒不同时间后的腐蚀规律进行探索,研究中证实了低碳钢随着暴晒时间的变化更趋向于分段变化,腐蚀速率初期的n值较大,后期则较小,更为接近于线性模式。Panchenko等[14, 15]对碳钢在世界多个地区的长期腐蚀行为进行研究,同样表明了碳钢长期腐蚀行为的幂-线性函数规律,并绘制了不同国家碳钢腐蚀随时间变化的动力学曲线,如图1所示。

图1

图1   不同国家碳钢腐蚀损失随时间变化的动力学曲线[14, 15]

Fig.1   Corrosion kinetics curves of mass losses (a, c, e, g) and corrosion rates (b, d, f, h) of carbon steels in Finland (a, b), Czechoslovakia (c, d), Sweden (e, f) and France (g, h)[14, 15]


幂-线性函数模型更加符合金属材料长期腐蚀演变规律,然而,到目前为止,关于材料腐蚀失重与时间的函数关系转变的判断依据没有明确的标准。Morcillo等[16]认为当腐蚀速率年变化小于10%时,即可认为金属材料腐蚀处于稳定期,腐蚀失重与时间呈线性关系。De La Fuente等[17]研究表明,在所有类型的大气环境中,低碳钢腐蚀速率的稳定需要4~6 a,耐蚀钢在低腐蚀性介质 (腐蚀等级为C2~C3) 中腐蚀速率稳定时间为6~8 a,在高腐蚀性介质 (腐蚀等级为C3~C5) 中腐蚀速率稳定时间为4~6 a。ISO 9224-2012标准根据ISO CORRAG项目在全球各地开展的材料长期暴露试验结果分析,确定当材料暴露时间大于20 a时,金属材料的腐蚀处于稳定期,腐蚀失重与时间呈线性关系,并给出了金属材料在大气环境中长期暴露腐蚀损失的幂-线性函数模型[18],数学表达式如下所示:

D=rcorrtb                                                    (t<20)rcorr[20b+b(20b-1)(t-20)]      (t>20)

其中,D表示材料的腐蚀失重;t为暴露时间,a;rcorr为第1 a的腐蚀速率,g/(m2·a)或μm/a;b为常数。

幂函数以及幂-线性函数模型中不同的参数反映了表面腐蚀产物对腐蚀动力学的影响,在金属材料的腐蚀预测方面应用很广泛,但是仍然存在很大的局限。首先,幂函数以及幂-线性函数模型只适用于材料表面发生均匀腐蚀的情况,对于金属材料局部腐蚀的预测会产生很大的误差。其次,幂函数以及幂-线性函数适用于材料腐蚀损失的预测,不适用于金属材料腐蚀速率预测,腐蚀速率随时间的变化符合指数函数[19]。此外,幂函数以及幂-线性函数模型都是研究人员利用大量腐蚀数据分析建立的经验公式,因此材料的腐蚀数据量决定了函数模型预测的精确度,当数据量比较少时,腐蚀的预测精度会受到很大影响。

1.2 灰色理论预测模型

环境因素和材料因素对腐蚀的影响各不相同,而不同因素的相互作用使得腐蚀过程更加复杂,无法准确描述不同因素与材料腐蚀行为的对应关系[20]。但是,基于大气腐蚀理论分析和长期的研究结果,不同环境因素和材料因素与材料腐蚀之间符合一定的理论和逻辑关系,且材料腐蚀行为的演变是具有规律性的,可以通过复杂数据的统计分析实现材料腐蚀的合理有效预测。对于这种统计预测方式,灰色理论分析建模具有独特的优势。

灰色系统建模法首先需要对原始数据进行生成处理,将随机的原始数据转变为具有一定规律性的数据。常用的数据处理方法包括累加生成算子和均值生成算子。累加生成算子 (AGO) 是将不同时间的数据依次进行累加获得新的数据,通过数列间各时刻数据的依次累加以得到新的数据与数列。均值生成算子是将累加生成算子相邻两项求均值成为新的数据。

GM(h, n) 模型是灰色系统理论的核心,通过将随时间变化的数据进行微分处理,构建微分方程进行函数求解,从而实现预测分析。现有的研究表明,大气环境中材料的腐蚀速率与时间变化符合指数函数模型,一阶常微分方程是指数函数的通解形式。因此,GM(1、1) 在腐蚀预测领域应用十分广泛。GM(1,1) 的微分形式为:

dx(1)(k)dt+αX(1)(k)=b

其中,α是动态发展系数,b是灰色作用系数。

Wang等[21]针对炼油厂常减压塔顶换热器入口弯头处的腐蚀问题,利用超声波测厚仪测量弯头厚度,并用灰色系统理论建立GM(1,1)模型,预测误差最低可以达到1.3084%,具有很高的预测精度,适合长期预测,并利用建立的模型对弯头的剩余寿命进行预测。尹文阔等[22]针对钢结构涂层腐蚀脱落问题开展研究,利用灰色预测理论的GM(1,1)模型,并基于涂层腐蚀面积的历史数据构建了涂层腐蚀预测模型,并利用实际数据和多项式预测模型对GM(1,1)模型的精确度进行了验算,证实了该模型的有效性和优越性。王海涛等[23]基于灰色理论建立了GM(1,1)模型,针对青岛、厦门和榆林等海域海洋环境中碳钢的腐蚀速率进行了预测,通过预测结果与实测值的对比发现预测误差均小于10%,后验差比C<0.35,模型具有很高的预测精度。Zhang和Zhang[24]在海洋环境中小样本测量数据的基础上,分别利用灰色分析方法和最小二乘法对金属材料的腐蚀速率、最大腐蚀深度和平均腐蚀深度进行预测,结果表明GM(1,1)具有更好的预测精度。

灰色理论方法在建模时明显的优点是在少量数据的情况下建立的模型也有很高的精度,尤其是GM(1,1)模型,适用于材料的腐蚀行为预测,且越靠近当前时间点精度越高。但是GM(1,1)原始算法对数据要求较高,需要对原始数据进行处理以及模型的改进优化,提高预测结果的精度。

2 腐蚀-环境预测模型

环境是影响金属材料腐蚀的主要因素,不同环境因素对材料腐蚀行为的影响规律和机制也各不相同,当材料类型或者服役环境发生变化时都需要重新确定模型中的相关系数,使得腐蚀-时间预测模型的应用范围受到很大限制。针对环境因素对腐蚀的影响,研究者通过对材料腐蚀和服役环境特点进行综合分析,利用不同的数据分析方法建立材料腐蚀与环境的关联模型,通过相关环境参数的输入即可对腐蚀进行分析预测,大大扩展了预测模型的普适性。目前常用的包括人工神经网络预测模型、剂量-响应函数预测模型、随机森林模型、支持向量机 (SVM) 和组合优化模型等。

2.1 人工神经网络预测模型

人工神经网络 (ANN) 是一种运算模型,由大量的人工神经元相互连接构成,可实现输入-输出的非线性映射过程,具有自适应能力、容错性、大规模平行处理、多输入和输出功能等优点。金属腐蚀腐蚀过程是一个多因素共同影响的复杂非线性过程,人工神经网络方法在预测金属腐蚀过程方面具有天然的优势,是腐蚀研究最常用的机器学习算法之一。人工神经元如图2所示,是一个多输入,单输出的非线性元件,神经元之间常用的传递函数都是非线性且连续可微的。人工神经元的传递可以用如下公式表示:

Xi=j=1nωjixj-θi
yi=f(Xi)

其中,xj 是由神经元的输入量;ωij 是神经元的连接权重;θi 是神经元的修正值;f是传递函数;yi 是神经元的输出量。

图2

图2   神经网络元示意图

Fig.2   Schematic diagram of neural network element


误差反向传播神经网络 (BP网络)、卷积神经网络 (CNN)、径向基神经网络 (RBF) 是腐蚀研究领域常用的神经网络模型。卷积神经网络主要用于图像识别和处理,广泛应用于材料腐蚀形貌与腐蚀量关联的建立,进而通过形貌分析快速预测材料的腐蚀程度。卷积神经网络无法建立材料腐蚀与环境因素的关联,无法实现材料某个环境中的腐蚀行为预测,本文不再详细展开说明。BP网络和RBF网络可以建立腐蚀与多因素的关联,常用于基于多种环境、冶金等因素的材料腐蚀行为预测。典型的BP和RBF网络模型是由3层组成:输入层、隐含层和输出层,如图3所示。BP算法的基本思想是学习过程由数据的正向传播和误差的反向传播两个子过程所组成,正向传播时输入数据计算得到输出值,如输出值与实际值偏差较大,则进入反向传播;反向传播是将结果的输出误差反传,并分摊给不同层的单元,修正各单元的权值。通过此过程的不断循环计算,直到网络输出值与实际值偏差最小。然而,BP网络存在训练时间长、容易下过拟合等不足。RBF网络是一种前馈型网络,基本原理是基于提供的输入矢量、目标矢量和扩展参数,通过特定的算法进行训练,通过输出结果误差的对比,不断调整隐含层神经元的个数、权值及阈值,当输出值误差达到要求时即可确定RBF网络结构。RBF克服了BP网络的缺陷,具有最佳逼近特性和全局最优特性。

图3

图3   神经网络模型示意图

Fig.3   Schematic diagram of neural network model


国内外研究人员基于不同神经网络方法的特征和优势,开展了大量的金属材料大气腐蚀预测研究。蔡建平等[25]采用BP算法构造了12-8-2多层神经网络结构,以我国大气腐蚀试验站的环境数据、冶金数据为输入值,以碳钢、低合金钢大气腐蚀D=Atn回归后的An值为输出值,经过神经网络的训练计算,得到的腐蚀预测结果与实际值的误差小于10%。研究结果表明,人工神经网络可以很好地反应环境因素、材料因素与大气腐蚀规律之间的关系,可以用于大气腐蚀预测。王海涛等[26]选取国家大气腐蚀站中碳钢和低合金钢在北京、青岛、武汉、江津、广州、琼海和万宁7个地方的腐蚀数据为基础,输入因子分别为合金元素C、S、P、Mn、Si、Cu的含量、环境因子中平均温度、相对湿度、相对湿度>80%的年时数、年降水量、Cl-浓度、SO2浓度和暴晒时间,输出项为材料的大气腐蚀速率,建立了13-19-1的网络拓扑结构,与实验结果相比,神经网络的预测结果具有较好的准确性。此外,王海涛等[27]还利用国家大气腐蚀网站给出经时效处理的6种不同铝合金分别在全国7个不同气候地区暴晒1、3、6和10 a的腐蚀数据,构建了铝合金大气腐蚀7-5-1的人工神经网络预测模型,研究了网络的训练精度与预测精度的关系,预测结果较理想。郭稚弧等[28]利用神经网络以土壤的含水量、pH值、Cl-含量、SO42-含量及Fe2+含量等5个理化特性和腐蚀时间作为网络结构的输入,建立了6-10-1的网络结构对A3钢在土壤中长期的腐蚀速率进行预测,取得了较为精确的预测结果,验证了人工神经网络方法在土壤腐蚀研究中的可行性。花广如等[29]分别用BP网络和RBF网络模型开展碳钢土壤腐蚀速率预测研究。结果表明,两种预测模型得到的结果准确率均在95%以上,RBF网络模型预测结果精度整体高于BP网络,且模型参数设定简单,训练和学习速度更快。

神经网络算法在开展腐蚀预测时,模型的输入为环境参数和材料参数,输出量为材料的腐蚀速率,建立的模型属于腐蚀-环境预测模型,无法预测材料腐蚀随时间的变化情况。神经网络算法在有大量基础数据作为训练样本可以获得比较精确的预测结果,在处理复杂腐蚀过程有很大的优势。我国从20世纪50年代就开始了自然环境腐蚀试验网站的建设,科研工作者针对金属材料在我国不同地方典型大气环境中开展了长期的户外自然曝晒试验研究。国家材料腐蚀与防护科学数据中心整合全国不同地区野外自然腐蚀试验网站的数据,获取了不同材料海量的腐蚀数据,基于海量的数据资料可以有效提高人工神经网络模型预测结果的准确性。

2.2 剂量-响应函数预测模型

材料大气腐蚀的剂量-响应函数 (DRF) 是材料腐蚀和不同大气环境因素的关联函数,体现了不同环境因素 (“剂量”) 对材料腐蚀 (“响应”) 的影响规律和逻辑,是估算材料因环境因素造成大气腐蚀的重要方法。DRF中常用的环境因素包括平均气温、相对湿度、年降雨量、润湿时间和SO2浓度等,不同环境参数的选取参考材料的服役环境特点以及不同因素对材料的影响机理。材料大气腐蚀DRF的数学表达式为:

R=f[Ci]

其中,i表示不同环境因素,[Ci]表示其浓度。

DRF结构简单,能够直观地反映不同环境参数与材料腐蚀之间的关系,在工程领域应用十分广泛。国际标准化组织发布了相关标准ISO 9223:2012,给出了碳钢、Zn、Cu和Al 4种基础金属材料的DRF函数。

ISO标准中给出的DRF函数是通用函数,仅包含温度、相对湿度、SO2沉积率和Cl-沉积率,针对不同地区预测精度有所差别,研究人员为了得到更精确的预测结果,对DRF进行了相应的改进研究。赵兴锋等[30]以碳钢为研究对象,将ISO标准中的DRF进行改进,建立对应不同环境腐蚀等级的分段式DRF,并基于国内外腐蚀试验站点的环境数据对大气环境腐蚀等级进行判定。与ISO 9223:2012标准相比,分段式DRF能更为准确地计算不同大气环境中碳钢腐蚀速率的环境腐蚀等级。Panchenko和Marshakov[31]还综合了ISO、MICAT、UN/ECE和俄罗斯等多个组织/国家的腐蚀数据,对常用的碳钢和Zn的DRF参数进行了修正。叶堤等[32]基于16个站点碳钢、Zn和Cu的腐蚀数据和环境数据,通过灰色关联分析选取了影响腐蚀的主要环境参数,并基于腐蚀机理和非线性回归拟合方法建立了3种金属材料的DRF,并验证了函数的普遍适用性和较好的预测精度。Leuenberger-Minger等[33]利用瑞士境内7个地点的腐蚀数据进行分析,结果表明除了SO2外,环境中的臭氧对钢、Cu和Zn的腐蚀也有重要作用,并建立了耐候钢、Cu和Zn的DRF。Ríos-Rojas等[34]分析了碳钢在波哥大8个地区的腐蚀行为,结果表明,人类活动产生的SO2是影响腐蚀的主要因素,并基于温度、相对湿度和SO2建立了波哥大地区碳钢的DRF。

通过DRF研究分析可知,DRF反映了腐蚀与环境因素的关系,不涉及腐蚀随时间的变化情况,具有形式简单直接、易于理解等优点,在环境腐蚀严酷度评估领域受到工程和研究人员广泛应用。然而,DRF具有很强的区域性,ISO标准中给出的通用函数在部分地区的预测精度不高,需要根据具体地区的环境特点,对DRF进行优化改进,包括环境因子类型、公式系数等,提高DRF在使用过程中预测结果的准确性。

2.3 随机森林模型

随机森林是利用多棵树集成算法对样本进行训练并预测的方法,通过随机选择特征数目和训练数据,对同一预测数据出现次数最多的预测结果作为最终预测结果。随机森林是通过集成学习的思想将多棵树集成的一种算法,基本单元是决策树,本质属于机器学习的一大分支——集成学习方法。随机森林是基于bagging (套袋法) 思想,建立多个决策树,且决策树之间相互独立,通过不同的决策树独立地对输入数据进行学习和预测,最后将所有决策树集成,消除单棵树模型预测结果的不稳定和过拟合等问题,获得更加准确和稳定的预测结果。随机森林的特点就是每棵决策树随机且有放回地从输入样本中选取一定量的数据进行训练学习,保证了每棵决策树的训练集都是不同的,且包含重复的训练样本,且保证每棵树不受干扰地生长,具有抗过拟合、抗噪能力强、收敛一致性和并行运行等优点。此外,随机森林还可以用于进行变量重要性的计算,为研究人员分析数据机理提供分析支持。因此,随机森林目前已经在诸多领域中得到广泛的应用。

基于随机森林数据处理优点,研究人员将其应用于材料腐蚀领域中,并取得了较好的成果。曲志豪等[35]通过整合H2S腐蚀模拟试验数据,基于H2S分压、温度、pH值、实验周期、总压和CO2分压等环境参数,采用随机森林算法分别建立了硫铁腐蚀产物类别预测模型和腐蚀速率预测模型,并利用网格搜索方法对随机森林进行优化,提高预测结果可靠性。骆正山等[36]利用灰色关联分析首先筛选了影响管道腐蚀的主要因素CO2体积分数、Cl-质量浓度、压力、温度和流速等,并对比了随机森林预测模型、BP神经网络预测模型和SVM预测模型。结果表明,管线内腐蚀速率预测的随机森林模型均方根误差和平均相对误差均低于其他两种模型。Chun等[37]提出了一种利用随机森林评估钢筋腐蚀内部损伤程度的方法,基于空气渗透率、电阻率、超声波和压强等在线无损检测信号作为输入,建立了钢筋混凝土内部腐蚀预测模型,并通过交叉验证验证了模型的高精度,相关研究结果已经应用在实际桥梁检查,检测不可见的内部损伤。

随机森林模型是层数较深的集成类模型,对于复杂的腐蚀预测有较好的适用性,上述随机森林模型在腐蚀领域的成功应用表明了该算法在腐蚀领域的适用性。但是,在使用随机森林模型时,对于小样本情况以及特征较少的数据量,预测结果精度相对比较低。

2.4 SVMSVM回归模型

SVM是分类与回归分析中分析数据的监督式学习模型与相关的学习算法,核心思想是建立输入数据与高维度的映射,通过核函数的引入实现小样本数据的机器学习问题。支持向量机回归 (SVR) 是在SVM的基础上的回归版本,以寻求高维空间中所有样本离超表面方差最小的回归超平面。SVM克服了神经网络收敛速度慢、需要大量数据以及过拟合等缺点,可以对材料腐蚀相关数据进行分类识别的预测,受到了研究人员的广泛重视和应用。

Fang等[38]首次将SVM模型应用于大气腐蚀预测,建立了温度、润湿时间、服役时间和污染物浓度等环境因素与金属材料大气腐蚀速率预测模型。Fu等[39]利用SVM模型建立了影响碳钢大气腐蚀特征和碳钢腐蚀速率的预测模型,并与传统的最小二乘法进行对比,验证了SVM模型在小样本数据情况下预测结果的可靠性。田玉琬[40]利用SVM建立了Cr含量、氯敏阻锈剂Zn-Al-NO2LDH掺杂量、pH和Cl-浓度等因素与钢筋极化电阻的预测模型,模型预测结果相关性大于0.87,实现了根据不同环境特点设计钢筋成分达到更高耐蚀性。Qiu等[41]通过将SVM和递归特征消除 (RFE) 相结合,提出了SVM-RFE算法来选择腐蚀数据中的特征,并通过实验数据验证了建立的算法在金属材料大气腐蚀数据数据分析和腐蚀速率预测方面的可行性。Wen等[42]分别用SVM和BP神经网络对钢在海水环境中的腐蚀速率进行预测,建立了基于温度、含盐度、pH、溶解氧浓度和电位等5种因素的腐蚀速率预测模型,结果表明SVM预测结果的精度更高。

SVM最大的优势是可以实现在小样本情况下具有很好的学习和泛化能力,可以解决分线性样本数据的分类及回归问题,但是对于大量样本数据的预测结果不是很好,且SVM仍然是一种浅层模型,对数据缺失、超参数和函数的选择设定有很大的依赖性。

2.5 组合优化模型

金属材料腐蚀是一个复杂的非线性过程,基于相关腐蚀数据采用大数据处理方法进行预测分析时,输入数据的选择、参数的优化设置等都会影响常用的数据处理方法的预测精度和相关性。为了提高模型的预测精度,研究人员从模型输入参数选择和参数设置优化入手,采用多种数据处理方法建立腐蚀预测模型。金属材料腐蚀过程中不同因素影响特征差异较大,且不同因素之间还会相互影响,如何从现有的数据中准确识别影响腐蚀的关键因素以及不同因素对材料腐蚀影响的权重,对于材料腐蚀行为的准确预测十分重要。目前,常用的分析方法包括灰色关联分析、特征提取方法、主成分分析、相关性分析等。基于腐蚀相关数据,通过相关分析方法建立不同因素对材料腐蚀影响的相关性/权重排序,结合腐蚀机理选取影响材料腐蚀行为的关键因素作为预测模型的输入集。此外,机器学习方法在进行数据处理时由于方法结构自身的限制容易出现局部优化、过拟合等现象。粒子群优化、遗传优化、退火优化等优化算法与神经网络、SVM、随机森林等机器学习算法结合,通过权重值、阈值等参数进行优化,提高预测精度。

毕傲睿等[43]建立了基于主成分和粒子群优化SVM的腐蚀预测模型,首先利用主成分分析法选取了影响腐蚀的H2S、CO2和温度等7个关键因素作为模型的输入参数,利用鲶鱼粒子群算法 (CFPSO) 优化影响SVM预测精度的参数,避免陷入局部极值。结果表明,CFPSO-SVM对腐蚀的预测结果误差为2.82%,相关度为0.9955,预测效果优于单一的SVM模型。李柯[44]首先利用灰色关联分析方法建立了服役环境不同因素与腐蚀速率的关联度强弱,并基于耦合遗传算法的BP网络建立SPHC钢的大气腐蚀预测模型,较好的预测了SPHC钢的大气腐蚀规律,且误差小于10%。Yan等[45]利用皮尔逊相关性分析确定了最高气温、光照等9个关键因素作为输入数据,并利用随机森林构建了不同海洋大气环境中低合金钢的腐蚀预测模型,通过输入变量的优化,模型精度达到了0.94。

3 总结与展望

腐蚀是金属材料应用过程中不可避免的现象,通过开展金属材料腐蚀行为预测可以及时掌握材料在不同服役时期的状态,避免因腐蚀造成设备出现突发性故障失效。本文主要总结了金属材料腐蚀预测的传统方法和大数据分析方法,根据不同方法所用数据以及形式,将预测方法分为腐蚀-时间预测模型和腐蚀-环境预测模型,并对比了两种不同类型的预测模型在数据处理方面的优势以及局限性。尽管研究人员在腐蚀预测研究方面开展了大量工作,然而对于电力行业应用的金属材料腐蚀预测研究还不全面,未来还要从以下几个方面开展相关研究:

(1) 特殊环境腐蚀失效预测。国家材料腐蚀与防护科学数据中心依托在全国不同典型气候的国家野外自然台站收集大量基础金属材料的腐蚀数据以及相应的环境数据,为金属材料的腐蚀行为预测提供了数据基础。然而,对于电力等行业,除了常规的环境因素,电磁场、电压、电流和应力等因素同样会对金属材料的腐蚀产生影响,然而相关的腐蚀数据积累及预测研究相对比较缺乏。

(2) 金属镀层腐蚀失效预测。电力行业常用的材料包括钢、Al、Cu及镀层等4个大类,关于钢、Al、Cu等基础材料的研究比较多,然而关于镀层,包括镀银层、镀锌层、镀锡层以及合金镀层等的数据积累和腐蚀失效预测研究相对较少。

(3) 腐蚀机理与数据分析的结合。现有的方法很多都是利用计算机对数据进行分析处理,并没有过多的考虑材料的腐蚀机理,未来需要进一步研究探索关于腐蚀机理与数据分析相结合进行腐蚀预测。

参考文献

Li X G, Dong C F, Xiao K, et al. Initial Behavior and Mechanism of Metal Atmospheric Corrosion [M]. Beijing: Science Press, 2009

[本文引用: 1]

李晓刚, 董超芳, 肖 葵 . 金属大气腐蚀初期行为与机理 [M]. 北京: 科学出版社, 2009

[本文引用: 1]

Cao C N. Corrosion of Chinese Materials in Natural Environment [M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2005

曹楚南. 中国材料的自然环境腐蚀 [M]. 北京: 化学工业出版社, 2005

Xiao Y D, Zhang S P, Cao X L, et al.

Recent development in atmospheric corrosion study of materials in China (the end)

[J]. Equip. Environ. Eng., 2006, 3(2): 1

[本文引用: 1]

萧以德, 张三平, 曹献龙 .

我国大气腐蚀研究进展(续完)

[J]. 装备环境工程, 2006, 3(2): 1

[本文引用: 1]

Wang C, Wang Z Y, Wei W, et al.

Statistical analysis and predictive model in corrosion research

[J]. J. Chin. Soc. Corros. Prot., 2010, 30: 306

[本文引用: 1]

汪 川, 王振尧, 魏 伟 .

腐蚀研究中的统计分析方法和预测模型

[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2010, 30: 306

[本文引用: 1]

Wang C, Wang Z R, Ke W.

Statistical analysis in corrosion research

[A]. The 10th National Youth Corrosion and Protection Scientific and Technological Papers Evaluation Meeting of the Yuxiang Cup and the 8th Chinese Youth Corrosion and Protection Symposium Proceedings [C]. Shenyang, 2007: 444

汪 川, 王振尧, 柯 伟.

腐蚀研究中的统计分析方法

[A]. 裕祥杯第十届全国青年腐蚀与防护科技论文讲评会暨第八届中国青年腐蚀与防护研讨会论文集 [C]. 沈阳, 2007: 444

Song S Z, Wang G Y, Wang S Y.

Proceeding of research on national natural environmental corrosion data processing

[J]. J. Chin. Soc. Corros. Prot., 2003, 23: 56

[本文引用: 1]

宋诗哲, 王光雍, 王守琰.

我国材料自然环境腐蚀数据处理研究进展

[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2003, 23: 56

[本文引用: 1]

介绍了材料自然环境腐蚀数据处理的基本方 法:统计分析、曲线拟合和相关分析;较为系统地阐述了用于材料自然环境腐蚀数据处理的 一些现代数学方法如灰色理论、模糊数学、人工神经网络的基本原理和计算方法.文章着重 综述了灰色模型预测、人工神经网络、聚类分析、模式识别、灰色关联等在我国材料自然环 境腐蚀数据处理及规律性研究和腐蚀性评价中的典型应用.

Sabir S, Ibrahim A A.

Influence of atmospheric pollution on corrosion of materials in Saudi Arabia

[J]. Corros. Eng. Sci. Technol., 2017, 52: 276

DOI      URL     [本文引用: 1]

Hou W, Liang C.

Eight-year atmospheric corrosion exposure of steels in China

[J]. Corrosion, 1999, 55: 65

DOI      URL    

Feliu S, Morcillo M, Feliu Jr S.

The prediction of atmospheric corrosion from meteorological and pollution parameters—I. Annual corrosion

[J]. Corros. Sci., 1993, 34: 403

DOI      URL    

Feliu S, Morcillo M, Feliu Jr S.

The prediction of atmospheric corrosion from meteorological and pollution parameters—II. Long-term forecasts

[J]. Corros. Sci., 1993, 34: 415

DOI      URL     [本文引用: 1]

Liang C F, Hou W T.

Sixteen-year atmospheric corrosion exposure study of steels

[J]. J. Chin. Soc. Corros. Prot., 2005, 25: 1

[本文引用: 1]

梁彩凤, 侯文泰.

碳钢、低合金钢16年大气暴露腐蚀研究

[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2005, 25: 1

[本文引用: 1]

获得了17种钢在我国7个试验点的16年大气暴露腐蚀试验数据,试验点的环境包括了亚热带、温带、工业性、海洋性,干燥环境及湿热环境等各种典型环境。钢的大气腐蚀的发展遵循幂函数规律:D=Atn;其中D为腐蚀深度(mm),t为暴露时间(年),A、n为常数。短期暴露所显示的大气腐蚀规律与长期暴露所显示的不同,可靠的大气腐蚀参数只能来自长期暴露。对碳钢和低合金钢,危害最大的污染是SO2及氯离子。SO2在开始一、二年危害作用很突出,但在以后作用明显下降。对非耐候钢,湿热条件对长期腐蚀的影响非常大,如果加上污染,会造成特别高的腐蚀。

Xing S B, Li X G, Li L, et al.

Corrosion behavior of 7A04 aluminum alloy in Xisha marine atmosphere

[J]. Corros. Prot., 2013, 34(09): 796

[本文引用: 1]

邢士波, 李晓刚, 李 丽 .

7A04铝合金在西沙海洋大气中的腐蚀行为

[J]. 腐蚀与防护, 2013, 34(09): 796

[本文引用: 1]

Ma Y T, Li Y, Wang F H.

Corrosion of low carbon steel in atmospheric environments of different chloride content

[J]. Corros. Sci., 2009, 51: 997

DOI      URL     [本文引用: 1]

Panchenko Y M, Marshakov A I, Igonin T N, et al.

Long-term forecast of corrosion mass losses of technically important metals in various world regions using a power function

[J]. Corros. Sci., 2014, 88: 306

DOI      URL     [本文引用: 3]

Panchenko Y M, Marshakov A I.

Long-term prediction of metal corrosion losses in atmosphere using a power-linear function

[J]. Corros. Sci., 2016, 109: 217

DOI      URL     [本文引用: 3]

Morcillo M, Chico B, Díaz I, et al.

Atmospheric corrosion data of weathering steels. A review

[J]. Corros. Sci., 2013, 77: 6

DOI      URL     [本文引用: 1]

De La Fuente D, Díaz I, Simancas J, et al.

Long-term atmospheric corrosion of mild steel

[J]. Corros. Sci., 2011, 53: 604

DOI      URL     [本文引用: 1]

Organization I S. Corrosion of Metals and Alloys—Corrosivity of Atmospheres—Guiding Values for the Corrosivity Categories [M]. Geneva: International Standards Organization, 2012

[本文引用: 1]

Liu Z G, Gao X H, Du L X, et al.

Corrosion behaviour of low-alloy steel with titanium addition exposed to seawater environment

[J]. Int. J. Electrochem. Sci., 2016, 11: 6540

DOI      URL     [本文引用: 1]

Deng J L. Grey Control System [M]. Wuhan: Huazhong University of Science and Technology Press, 1990

[本文引用: 1]

邓聚龙. 灰色系统理论教程 [M]. 武汉: 华中理工大学出版社, 1990

[本文引用: 1]

Wang Z F, Wang W Q, Hui Q.

Grey predication of corrosion on oil atmospheric distillation equipment

[A]. 2009 4th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications [C]. Xi'an, 2009

[本文引用: 1]

Yin W K, Li F, Zhao W B.

Gray prediction model of corrosion life of coatings of steel tower for transmission line and its application

[J]. Water Res. Power, 2019, 37(4): 163

[本文引用: 1]

尹文阔, 李 峰, 赵文彬.

输电线路钢结构杆塔涂层腐蚀寿命灰色预测模型及应用

[J]. 水电能源科学, 2019, 37(4): 163

[本文引用: 1]

Wang H T, Han E-H, Ke W.

Prediction and analysis of seawater corrosion of carbon steel and low alloy steels by gray theory

[J]. Corros. Prot., 2005, 26(09): 373

[本文引用: 1]

王海涛, 韩恩厚, 柯 伟.

灰色理论对碳钢、低合金钢海水腐蚀的预测和分析

[J]. 腐蚀与防护, 2005, 26(09): 373

[本文引用: 1]

Zhang X Y, Zhang H Y.

Research on the marine corrosion model of ferrous metal based on PLS and grey relational analysis

[J]. Appl. Mech. Mater., 2011, 128/129: 237

[本文引用: 1]

Cai J P, Ke W.

Application of neural networks to atmospheric corrosion of carbon steel and low alloy steels

[J]. J. Chin. Soc. Corros. Prot., 1997, 17: 303

[本文引用: 1]

蔡建平, 柯 伟.

应用人工神经网络预测碳钢、低合金钢的大气腐蚀

[J]. 中国腐蚀与防护学报, 1997, 17: 303

[本文引用: 1]

应用人工神经网络从已有的大气腐蚀数据中求得气象因素、冶金因素与碳钢、低合金钢的大气腐蚀之间的关系,从而预测大气腐蚀,并探讨具体条件下部分因素对大气腐蚀的影响。结果表明:大气腐蚀与气象因素、冶金因素有明显的联系,可以用人工神经网络来预测大气腐蚀,其准确度取决于训练样本的代表性和准确性。

Wang H T, Han E-H, Ke W.

Artificial neural network modeling for atmospheric corrosion of carbon steel and low alloy steel

[J]. Corros. Sci. Prot. Technol., 2006, 18: 144

[本文引用: 1]

王海涛, 韩恩厚, 柯 伟.

用人工神经网络构建碳钢、低合金钢大气腐蚀模型

[J]. 腐蚀科学与防护技术, 2006, 18: 144

[本文引用: 1]

Wang H T, Han E-H, Ke W.

Predictive model for atmospheric corrosion of aluminium alloy by artificial neural network

[J]. J. Chin. Soc. Corros. Prot., 2006, 26: 272

[本文引用: 1]

王海涛, 韩恩厚, 柯 伟.

基于人工神经网络模型的铝合金大气腐蚀的预测

[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2006, 26: 272

[本文引用: 1]

用BP神经网络预测了铝合金大气腐蚀,研究了网络的训练精度和预测精度的关系,建立7-5-1的模型结构,模型相关系数为08821,预测结果比较理想.利用单一因素敏感性分析,计算了合金元素和环境因素对于铝合金大气腐蚀速率的影响.

Guo Z H, Xing Z L, Jin M H, et al.

Predicting corrosion rate of mild steel in soil based on artificial neural network

[J]. J. Chin. Soc. Corros. Prot., 1996, 16: 307

[本文引用: 1]

郭稚弧, 邢政良, 金名惠 .

基于人工神经网络的金属土壤腐蚀预测方法

[J]. 中国腐蚀与防护学报, 1996, 16: 307

[本文引用: 1]

将神经网络用于金属土壤腐蚀研究,利用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钢在土壤腐蚀试验1、2、8个月的腐蚀数据作为网络训练样本,对土壤中埋片24个月的A3钢腐蚀速率进行预测,并对结果进行了分析。

Hua G R, Li W H, Guo Y Y.

Corrosion rate prediction of Q235 steel in Hainan substation grounding grid based on neural network models

[J]. Corros. Prot., 2017, 38: 573

[本文引用: 1]

花广如, 李文浩, 郭阳阳.

基于神经网络模型的海南变电站接地网Q235钢腐蚀率预测

[J]. 腐蚀与防护, 2017, 38: 573

[本文引用: 1]

Zhao X F, Fu D M, Pei Z B, et al.

Optimization of sectional dose-response function and determination method of corrosion category for carbon steel

[J]. Corros. Prot., 2018, 39: 805

[本文引用: 1]

赵兴锋, 付冬梅, 裴梓博 .

分段式剂量响应函数优化及碳钢腐蚀等级判别方法

[J]. 腐蚀与防护, 2018, 39: 805

[本文引用: 1]

Panchenko Y M, Marshakov A I.

Prediction of first-year corrosion losses of carbon steel and zinc in continental regions

[J]. Materials (Basel), 2017, 10: 422

DOI      URL     [本文引用: 1]

Ye D, Zhao D W, Zhang D B.

Dose-response functions for atmospheric corrosion on metals

[J]. J. Chin. Soc. Corros. Prot., 2006, 26: 351

[本文引用: 1]

叶 堤, 赵大为, 张冬保.

金属材料大气腐蚀破坏的剂量响应函数研究

[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2006, 26: 351

[本文引用: 1]

Leuenberger-Minger A U, Buchmann B, Faller M.

Dose-response functions for weathering steel, copper and zinc obtained from a four-year exposure programme in Switzerland

[J]. Corros. Sci., 2002, 44: 675

DOI      URL     [本文引用: 1]

Ríos-Rojas J F, Aperador-Rodríguez D, Hernández-García E A, et al.

Annual atmospheric corrosion rate and dose-response function for carbon steel in Bogotá

[J]. Atmósfera, 2017, 30: 53

DOI      URL     [本文引用: 1]

Qu Z H, Tang D Z, Hu L H, et al.

Prediction of H2S corrosion products and corrosion rate based on optimized random forest

[J]. Surf. Technol., 2020, 49(3): 42

[本文引用: 1]

曲志豪, 唐德志, 胡丽华 .

基于优化随机森林的H2S腐蚀产物类型及腐蚀速率预测

[J]. 表面技术, 2020, 49(3): 42

[本文引用: 1]

Luo Z S, Song Y Y, Wang X W, et al.

Corrosion prediction of gathering pipelines in condensate gas field

[J]. China Saf. Sci. J., 2019, 29(11): 135

[本文引用: 1]

骆正山, 宋莹莹, 王小完 .

凝析气田集输管线腐蚀预测研究

[J]. 中国安全科学学报, 2019, 29(11): 135

DOI      [本文引用: 1]

为提高凝析气田集输管线腐蚀速率的预测精度,基于灰色关联分析(GRA)法,融合随机森林回归(RFR)算法,建立内腐蚀速率预测模型,分析气田集输管线内腐蚀原因;采用GRA优选特征因素变量作为RFR的输入,以内腐蚀率作为目标因素输出,并以雅克拉凝析气田数据为例,对比验证构建的RFR预测模型、反向传播(BP)神经网络和支持向量机(SVM)预测模型。结果表明:通过GRA排序得到管线内腐蚀的主要因素有:CO<sub>2</sub>体积分数、Cl<sup>-</sup>质量浓度、压力、温度、流速。同时RFR预测模型的均方根误差、平均相对误差均低于对比模型相应值,且决定系数达到96.48%。

Chun P J, Ujike I, Mishima K, et al.

Random forest-based evaluation technique for internal damage in reinforced concrete featuring multiple nondestructive testing results

[J]. Constr. Build. Mater., 2020, 253: 119238

DOI      URL     [本文引用: 1]

Fang S F, Wang M P, Qi W H, et al.

Hybrid genetic algorithms and support vector regression in forecasting atmospheric corrosion of metallic materials

[J]. Comput. Mater. Sci., 2009, 44: 647

DOI      URL     [本文引用: 1]

Fu Z D, Fu D M, Li X G.

Atmospheric corrosion modelling with SVM based feature selection

[A]. 2009 International Conference on Computational Intelligence and Software Engineering [C]. Wuhan, 2009

[本文引用: 1]

Tian Y W.

Study on the corrosion mechanism of the high-strength corrosion-resistance steel reinforcement and inhibitor in marine structures

[D]. Beijing: University of Science and Technology Beijing, 2021

[本文引用: 1]

田玉琬.

海工用高强耐蚀钢筋的腐蚀机理及阻锈剂研究

[D]. 北京: 北京科技大学, 2021

[本文引用: 1]

Qiu X T, Fu D M, Fu Z D.

Feature selection of atmospheric corrosion data based on SVM-RFE Method

[J]. Adv. Comp. Sci. Appl., 2013, 2: 443

[本文引用: 1]

Wen Y F, Cai C Z, Liu X H, et al.

Corrosion rate prediction of 3C steel under different seawater environment by using support vector regression

[J]. Corros. Sci., 2009, 51: 349

DOI      URL     [本文引用: 1]

Bi A R, Luo Z S, Qiao W, et al.

Prediction of pipeline inner-corrosion based on principal component analysis and particle swarm optimization-support vector machine

[J]. Surf. Technol., 2018, 47(9): 133

[本文引用: 1]

毕傲睿, 骆正山, 乔 伟 .

基于主成分和粒子群优化支持向量机的管道内腐蚀预测

[J]. 表面技术, 2018, 47(9): 133

[本文引用: 1]

Li K.

Study on corrosion mechanism and prediction model of SPHC in Tianjin atmospheric environment

[D]. Tianjin: Civil Aviation University of China, 2021

[本文引用: 1]

李 柯.

SPHC在天津大气环境下的腐蚀机理与预测模型研究

[D]. 天津: 中国民航大学, 2021

[本文引用: 1]

Yan L C, Diao Y P, Lang Z Y, et al.

Corrosion rate prediction and influencing factors evaluation of low-alloy steels in marine atmosphere using machine learning approach

[J]. Sci. Technol. Adv. Mater., 2020, 21: 359

DOI      URL     [本文引用: 1]

/