腐蚀是一切构筑物的毁灭过程,材料的腐蚀涉及国民经济、国防建设等各领域,特别是交通运输、石油化工、能源电力、航空航天、海洋开发等领域腐蚀尤为严重,造成了一系列重大经济损失、人员伤亡和环境灾难。2020年中国工程院调查表明,我国年腐蚀成本高达3万亿元,占全国GDP的3.34%,其中25%(7500亿)以上可通过腐蚀监测手段予以解决。

国内腐蚀在线监测技术,最早于上个世纪60年代由北京钢铁学院(即今北京科技大学)提出,在80年代至90年代相继被其他研究院所与高校进一步研究发展,并得到了广泛的应用。但是,以往的监测方式以挂片法、探针法、分析法为主,传统方法获取的腐蚀数据量极少,4年仅有6~8个数据,数据采集频率最低为1天,腐蚀评价周期短则3~5年,长则10年以上,缺乏有效的大通量数据支撑。各种腐蚀监测技术停留在温湿度和腐蚀电流的简单测量,数据维度低、性质单一;忽略其它环境因素,缺少腐蚀数据和环境因素关联性,材料失效评价极其困难,真实原因始终不明。此外,传统监测与评价手段获取的数据滞后性强,缺乏实时腐蚀数据监测技术,不具备预警功能,无法超前预警,难以预防灾害发生。我国每年石油管线腐蚀失效案例高达3000多起,大量未知风险遗漏,腐蚀风险监管有效率不足20% 。因此,传统的腐蚀监测方式无法有效规避腐蚀可能带来的风险,不能适应制造业和基础建设快速发展需要。只有获得大量且多样性的腐蚀数据进行研究,才能实现准确的腐蚀失效预测和更好的防腐蚀设计。

在大数据时代建立腐蚀大数据系统、利用物联网技术发展腐蚀监测技术、利用数据挖掘技术从已掌握的腐蚀数据中有效挖掘出蕴藏的腐蚀规律,并建立用于预测的具象或抽象化数学模型,是处理腐蚀大数据的有效手段。

本次全国科普日为公众介绍和展示北京科技大学李晓刚教授团队最新研制的“数据驱动腐蚀在线监测与智能诊断系统”。此系统首次将大数据技术、物联网技术与腐蚀监测相结合,突破了传统腐蚀监测壁垒,具有高通量、高精度、高频次、长寿命以及可视化的特点,并在多个行业实现了成功应用。

数据驱动腐蚀在线监测与智能诊断系统

“数据驱动腐蚀在线检测与智能诊断系统”是以传感器元件、数据采集器、腐蚀数据库可视化平台为核心技术的首个腐蚀大数据在线监测与智能诊断系统。此系统通过传感器元件收集近10种环境因子与腐蚀数据信息,并由数据采集器采集数据将数据传送到共享云端数据库,腐蚀与环境因子数据实时无线接收,内置基于腐蚀大数据理论的数据挖掘算法处理,实现腐蚀监测信息动态可视化,从而实现为各种工程建设提供腐蚀安全监测、在线评估、诊断及预警等服务,提高了材料实施腐蚀防治措施效率,为工程在设计建造时的选材、选址、环评提供了科学依据,为解决当前材料腐蚀失效助力。

     高通量腐蚀传感器元件

包括腐蚀传感器元件、污染物传感器元件、温度及相对湿度传感器元件。腐蚀传感器元件材料可以针对性采用铜及铜合金、银及银合金、镍及镍合金、金及金合金、锡及锡铅合金、铝、镀锌钢材等被广泛应用于电子设备中金属材料,腐蚀传感器元件采用简单的插接方式,随环境腐蚀逐渐损耗,在失效时可便捷更换。传感器元件可依据各型装备电子产品中电子元器件、印制电路板(PCB)、设备的支撑和框架等器件和结构的不同,制备成封装、涂敷和开放等不同类型的传感器元件,如图所示:

传感器元件(a)封装(b)涂敷(c)开放

然而, 我国高铁系统运行在多种气候环境下,高铁材料会受到海洋大气、城市大气、工业污染大气、沙漠大气、高原大气环境的湿热、低温、强紫外线、海盐离子及工业污染物及一些特殊地段环境因素的腐蚀、老化破坏作用。由于多种环境因素的叠加强化效应会使这种破坏作用呈指数性的加大。因此,高铁防腐蚀问题是保证高铁安全有效运行的重要课题。本次全国科普日以“全民高铁 防腐先行”为主题,特别对中国腐蚀与防护学会副理事长,武汉材料保护研究所有限公司副总工程师张三平研究员关于高铁腐蚀的采访进行了全面解读。

     高精度多通道数据采集器

主要由微电流模块和MCU控制板两主要部分组成。如图所示,腐蚀传感器测得的微电流信号,经仪表运算放大器放大50倍后,再经有源滤波器滤波器后,送到AD转换芯片进行AD模拟/数字进行转化。MCU控制板采集到的数据信号会将采集的数据储存在ACM采集器内置的TF卡上,并通过无线GPRS以间隔500 ms主动往外发送数据至云端。最终用户可以通过计算机将云端储存的数据下载下来进行数据处理。采集精度可达到pA级别。提供外置电源供电及电池供电两种设备。采集间隔为30分钟的电池设计寿命为3年。用户在现场可快速更换电池。硬件通过2G/4G无线通讯技术或超低功耗LoRa通讯技术,对数据进行传输至云数据库或本地私有化数据库。

多通道腐蚀智能传感器路线及工作原理图

     腐蚀数据库可视化平台

可视化平台提供大数据采集模块、大数据数据库管理模块、数据可视化模块及数据智能分析模块。大数据采集模块负责监测终端设备数据的采集与上传,大数据库管理模块通过对数据清洗后入库,对数据进行分类管理;数据可视化提供腐蚀数据的成图及腐蚀速率与环境因子的变化曲线,数据挖掘模块提供专业的数据分析模型,对采集的数据之间关联性进行分析,并对腐蚀及安全状态进行评估及预警。

腐蚀数据库可视化平台

技术特点

传感器元件高通量、高便捷性

腐蚀传感器元件尺寸小(毫米级)且重量轻(毫克级)寿命长,采用简单的插接方式,随环境腐蚀逐渐损耗,在失效时可便捷更换。

高通量腐蚀传感器及其原理图

数据采集器高精度、高频次、多通道、长寿命

高频次:数据采集每分钟一次,通过2G/4G无线通讯技术或超低功耗LoRa通讯技术传送数据至网关,一天可采集上万条数据。

多通道:具备双通道、多通道模式,可同时采集4种材料的环境腐蚀信息,可进行耐蚀新材料快速评价。

高精度:采用零电阻电流计及微电流数据采集卡对数据进行采集,采集精度达到pA级别,比挂片方法提高约百万倍,可轻松监测传统手段无法发现的腐蚀现象。

可视化平台多系统、大数据量

全球最大的腐蚀数据库,年收集数据量由传统挂片方法的KB级提高到TB级,扩大109倍;全国各地腐蚀与环境因子数据实时无线接收,内置基于腐蚀大数据理论的数据挖掘算法,实现腐蚀监测信息动态可视化,便于腐蚀智能诊断和预警。

成功案例

  • 建筑物防水监测预警与智能管理系统

    建筑物防水工程能够使其在设计耐久年限内,防止雨水及生产生活用水的渗漏和地下水的侵蚀,确保建筑物结构和室内设施不受损害,为人们提供一个舒适和安全的生活空间环境。防水工程的质量好坏直接影响房屋建筑的使用功能和寿命,关系到人民生活和生产能否正常进行。然而,由于地域环境差异大,防水施工质量参差不齐,防水材料品质不一,管理难度大等原因,当前并没有形成有效的技术对建筑物防水工程的好坏进行直接评估,只能依靠人工巡检和群众上报等手段对施工完成的建筑物渗水情况进行提醒和处理,不仅浪费人力物力,效率低下,反应迟缓,还给人们的生活生产活动带来极大的不便。

  • 电子与通讯装备腐蚀监测预警与智能管理系统

    环境介质引起的腐蚀失效,是破坏电子装备可靠性的关键性病害,电子与通讯装备腐蚀监测预警与在线诊断是判断电子装备的服役行为、评估电子与通讯装备安全状态、分析其面临的潜在威胁及辨别缺陷的一种关键性技术。复杂多变与极端自然环境,腐蚀规律复杂,缺乏长期可靠的腐蚀评价技术,是电子与通讯装备失效的主要影响因素。对电子电工材料的腐蚀监测仍然依靠传统的暴晒技术

  • 桥梁腐蚀大数据评估与在线诊断系统

    由材料腐蚀引发的桥梁垮塌事故时有发生,因此材料腐蚀是贯穿桥梁从设计到服役全寿命必须考虑的关键问题。以往的桥梁材料腐蚀诊断采用实物取样或片段化挂片方法获取数据,存在数据量少,数据积累周期长,环境因素耦合性差等特点,不能及时反映桥梁材料腐蚀行为的演化规律与机理,诊断准确率不高。另外,新桥梁在设计建造时,选材、选址、环评过程中需要深入了解现场多项环境影响因素,依据现有现场挂样方法,也存在耗时周期长,材料腐蚀和环境因素数据极少等问题,这给桥梁设计建造带来较大的先天未知及不确定性。其主要原因是缺乏桥梁材料腐蚀大数据在线监测与评估技术。

  • 博物馆腐蚀监测预警与智能管理系统

    妇好青铜偶方彝于1976年出土于河南省安阳市殷墟妇好墓,为商后期的青铜器,现收藏于中国国家博物馆。国家文物局2002年至2005年开展的“全国馆藏文物腐蚀损失调查”结果显示,50

  • 大气环境腐蚀性在线监测与智能管理系统

    实验地点位于加查县安绕镇,隶属于西藏自治区南地区,加查县位于西藏自治区东南部、雅鲁藏布江中游,县政区分布于雅鲁藏布江南北两岸。其东、北与林芝市的朗县、工布江达县接壤;西接桑日、曲松两县;南与隆子县毗邻。加查县地处冈底斯山——念青唐古拉山与喜马拉雅山大地构造单元之陷凹地带,地貌区域为藏南谷地。地貌区划为喜玛拉雅高山亚区多河流地带,地势西高东低,全县平均海拔约4000米,雅鲁藏布江河谷地带海拔在3100米-3500米之间,县城所在地安绕镇仲巴街海拔为3240米。加查县属于属高原温带半干旱季风型气候区,光照充足,辐射强,日温差大,雨季集中,冬春季干燥多风。年均气温8

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