鋼箱梁電弧噴鋁防腐涂層無損檢測圖像分析

劉麗娜，劉 濤

（1.南京航空航天大學金城學院，江蘇 南京 211156；2.北京邁達斯技術有限公司，北京 100044）

0 引 言

鋼箱梁，又稱鋼板箱形梁，應用于大跨徑橋梁，如蘇通大橋、杭州灣大橋等，具有結構重量輕、抗風穩定性好、抗扭剛度高、施工和養護方便等特點，但由于鋼箱梁耐腐蝕性較差，而橋梁使用地的氣候因素會明顯影響橋梁的使用壽命，因此為了抵抗大氣腐蝕或海水腐蝕，常需要對鋼箱梁加防腐層，延長鋼橋的使用壽命[1]，在現代鋼橋建設中，電弧噴涂[2]加有機封閉復合涂裝體系已成為最有發展前途的技術，可以使任何環境建設下橋梁的防腐蝕壽命提高10～15年以上，是其他防腐蝕技術無可比擬的。近年來，我國鋼橋推廣應用了電弧噴涂防腐技術，在未來的幾十年將為國家節約大量橋梁維護費用，產生較大的經濟效益和社會效益。但是檢測評估其腐蝕狀態，預測涂層防腐壽命，確保鋼橋安全運營是橋梁養護工作亟待解決的問題[3]。目前，腐蝕壽命預測方法主要分為兩種[4]：一種是基于腐蝕機理的涂層防腐壽命分析建模法，稱為分析建模法；另一種是基于腐蝕數據的防腐涂層壽命預測試驗研究法，稱為試驗研究建模法。武漢材料保護研究所通過中性鹽霧試驗采用試驗研究法建模研究了電弧噴鋁涂層的耐蝕性，并估算200μm厚的噴鋁涂層在自然環境下的防腐蝕壽命＞50 年[5]。

本文以舟山西堠門跨海大橋鋼箱梁外表面防腐涂裝方案為工程背景，加工制作二次霧化電弧噴鋁（200μm），進行室內加速腐蝕試驗，采用平板掃描儀采集試樣腐蝕形貌圖像，研究電弧噴鋁防腐涂層防腐機理，預測其防腐壽命。傳統材料腐蝕狀態的評價方法主要基于表觀檢查對腐蝕狀態進行文字描述，或者結合標準樣圖，并相應地按照腐蝕性質和程度進行評價，腐蝕形態的記述明顯受人為因素的影響，具有一定的主觀性和局限性，效率低下，只能定性評價腐蝕狀態[6-8]。腐蝕形貌圖像真實再現了材料腐蝕破壞的形式及特點，是判斷腐蝕類型、分析腐蝕程度、研究腐蝕規律與特征的重要依據[9]。本文采用基于二值化數字圖像處理技術，確定試樣腐蝕率。同時采集不同試驗周期涂層腐蝕失重損失，以試驗研究法建模評價其腐蝕速度，預測涂層防腐壽命。

1 室內加速腐蝕試驗簡介

結合西堠門大橋鋼箱梁外表面防腐涂裝方案，加工Q345C鋼板試樣，試樣尺寸65mm×40mm×5mm。表面噴砂除銹，二次霧化電弧噴鋁涂層（如圖1所示，試樣厚度為200μm），涂層試樣制備嚴格按照GB/T 9793——1997《金屬和其他無機覆蓋層熱噴涂鋅、鋁及其合金》要求進行。試樣在距短邊5mm中間處打φ5mm的孔，用于懸掛試樣（懸掛繩采用尼龍塑料繩），掛孔處和試樣切割周邊5mm范圍內采用松香和石蠟封邊。

采用自制的周期浸潤腐蝕試驗機對試樣進行室內加速腐蝕試驗，溶液配方參照HB 5194——1981《周期浸潤腐蝕試驗方法》，是一種模擬半工業海洋大氣腐蝕的快速試驗方法。間隔15d觀測鋼板試樣腐蝕形貌變化，采用平板掃描儀記錄試樣表面腐蝕形貌圖像；間隔45d采用分析天平采集試樣失重。平板掃描儀型號為佳能LiDE250，其主要性能指標：光學分辨率4800×4800 dpi，彩色位數48位，掃描儀范圍：216mm×297mm。掃描儀參數選取：色彩模式選用彩色，圖像位數取8位，圖像分辨率設為300dpi。

2 試樣腐蝕形貌圖像分析

2.1 腐蝕形貌圖像預處理

圖2為掃描儀采集的防腐涂層試樣室內加速腐蝕形貌圖。為了消除試樣邊角加工及固定孔位置的影響，圖像處理區域選擇試樣中間部分，大小為300px×200px的矩形區域。從圖2可以看出，經過室內加速腐蝕試驗，試樣表面逐漸出現肉眼可見微小蝕孔，這是典型的金屬材料點蝕破壞形式，當點蝕達到一定程度時，出現紅色銹蝕產物，表明此時防腐涂層對鋼鐵基材失去保護作用（見圖3）。因此涂層點蝕率和數量可以作為表征該涂層腐蝕程度的特征參數。

圖2 掃描儀采集的部分腐蝕形貌圖像

圖3 掃描儀采集的試樣室內加速腐蝕形貌圖像

2.2 圖像二值化

二值圖像（binary image）是指具有兩個灰度級的圖像，即圖像畫面內僅有黑（灰度值為0）、白（灰度值為1）。圖像二值化處理可以實現對目標區域邊界、位置和大小等的提取，而確定這些區域的關鍵技術為圖像分割技術。圖像分割是圖像處理學科中的難點[10]，基于閾值的分割又是分割最基本的難題之一，其難點在于閾值的選取，而且閾值選取的恰當與否決定著分割的效果。圖像分割的方法主要有閾值分割法、區域增長法、分水嶺算法等[11-12]。最早把數字圖像處理技術應用到腐蝕學科的是對金屬點蝕的評價和描述，對圖像進行二值化處理，可以統計點蝕面積大小、個數以及其分布規律[13]。

腐蝕圖像采集過程中，圖像質量會受到光照條件、噪聲干擾和信息損失等因素影響，因此首先對圖像進行中波濾值處理，可以很好地抑制腐蝕圖像中的干擾脈沖和點狀噪聲。本文采用基于分水嶺算法和最大信息熵算法計算分割閾值，對腐蝕形貌圖像二值化處理。

分水嶺算法[14]是一種與自適應閾值有關的一個算法。該算法的基本思想：假設在每個區域最小值的位置打一個洞，水均勻上升從洞中涌出，從低到高淹沒整個地形。當處在不同的匯聚盆地中的水將要匯合時，修建的大壩將阻止水匯合，這些大壩的邊界對應于分水嶺的分割線。

最大信息熵算法是應用信息論中熵的概念與圖像閾值化技術，選擇閾值分割圖像目標區域、背景區域兩部分灰度統計的信息量最大。算法如下：

數字圖像閾值分割的圖像灰度直方圖，其中，灰度級低于t的像素點構成目標區域O，灰度級高于t的像素構成背景區域B，由此得到目標區域O的概率分布和背景區域B的概率分布。

目標區域O的概率分布：

背景區域B的概率分布：

由此得到數字圖像的目標區域和背景區域熵的定義分別為

由Ho（t）和HB（t）得熵函數 φ（t）為

當熵函數φ（t）取最大值時，對應灰度值t*就是所求的最佳閾值：

圖4 基于分水嶺算法和數學形態學處理的試樣腐蝕形貌

圖5 基于最大信息熵算法和數學形態學處理的試樣腐蝕形貌

通過Matlab軟件編寫基于分水嶺算法和基于信息熵算法的圖像處理代碼對采集的腐蝕形貌圖像進行處理，圖 4（b）、圖 5（b）為防腐涂層腐蝕形貌圖像處理結果，可知這兩種方法能較好地區分腐蝕與未腐蝕區域，兩種算法計算的分割閾值比較接近。

2.3 涂層點蝕特征分析

對腐蝕圖像二值化后可以統計試樣孔蝕率，定義孔蝕率p：

式中：Apit——試樣表面孔蝕面積；

Atotal——所選試樣的面積；

Ppit——圖像中孔蝕的像素數；

P——圖像區域的所有像素數。

但由于涂層表面劃痕、加工不均勻，以及腐蝕產物的附著，這些都會影響孔蝕率和孔蝕個數的統計。圖4（c）、圖5（c）是經過數學形態學操作后得到的腐蝕形貌圖像，容易看出該方法可以有效地消除腐蝕產物的影響。表1為防腐涂層部分試樣室內加速腐蝕3408h后腐蝕形貌特征參數統計數據。可知基于最大信息熵計算的孔蝕率為11.99%～29.75%，基于分水嶺算法計算的孔蝕率為16.46%～37.90%，即偏保守考慮，當電弧噴鋁涂層孔蝕率達到11.99%時，該涂層失去對鋼鐵基材的保護效果。

表1 部分試樣室內加速腐蝕3408h后腐蝕形貌特征統計

3 防腐涂層腐蝕壽命預測

涂膜對基材的保護壽命大多是通過肉眼觀察涂膜所保護的基體發生的銹蝕來判斷，當涂膜的生銹、起泡面積達到5%時，涂層失效[11]。電弧噴鋁涂層屬于金屬類噴涂層，其破壞機理首先為鋁涂層腐蝕，涂層厚度不斷減少，局部出現孔蝕，直到基材出現紅色銹蝕產物而失效。試驗發現經過3168h室內加速腐蝕試驗，試樣表面出現紅色銹蝕產物。

表2為涂層腐蝕失重測量結果。試樣失重損失測量方法參照規范HB 5257——1983《試驗腐蝕結果的重量損失測定和腐蝕產物的清除》，以質量損失評價其腐蝕速度。

表2 涂層腐蝕質量損失測量結果

在雙對數坐標中，單位面積腐蝕失重平均值W與時間T之間基本呈線性關系，線性回歸分析如圖6所示。腐蝕失重與時間的雙對數關系公式：

式中：W——單位面積失重，g/m2；

t1——鋁涂層室內加速腐蝕試驗時間，h。

表3為室內加速腐蝕試驗與鹽霧試驗的加速性對比分析，結果表明試驗前期，兩者加速性相當，隨著試驗時間的延長，干濕循環試驗加速性要大于鹽霧試驗。由于實際環境的復雜性，室內腐蝕試驗加速與鹽霧試驗的加速倍率也不是簡單的常數，圖7為室內加速腐蝕試驗與中性鹽霧試驗加速倍率之間的關系曲線，通過線性回歸分析可得加速倍率與腐蝕時間的關系模型為

表3 室內加速腐蝕試驗結果與鹽霧試驗結果對比

圖6 腐蝕失重對數與時間對數的關系圖

圖7 腐蝕加速倍率與試驗時間之間的關系

式中：β（t1）——加速倍率；

t1——鋁涂層室內加速腐蝕試驗時間，h。

室內加速腐蝕試驗時間可通過式（10）轉換為中性鹽霧試驗時間TNSS，根據公認的估算經驗，200h的鹽霧試驗相當于在自然環境下腐蝕1年（8760h）可得鋁涂層在實際海洋環境下的防腐壽命T1。

式中：TNSS——中性鹽霧試驗腐蝕時間，h；

T1——鋁涂層實際海洋環境下腐蝕時間，h。

試驗結果表明，經過3168h室內加速腐蝕試驗，試樣表面出現紅色銹蝕產物而失效，根據以上分析估算3 168 h的室內加速腐蝕試驗相當于中性鹽霧試驗12 728 h，因此可以推算200 μm噴鋁涂層實際海洋大氣環境下的壽命為63.6年。

4 結束語

1）電弧噴鋁涂層表面孔蝕率可以作為表征涂層腐蝕程度的特征參數，結合圖像處理技術提取腐蝕形貌圖像特征參數，可以實現對電弧噴鋁涂層腐蝕損傷的檢測評估。

2）基于分水嶺算法和基于最大信息熵算法能較好地區分腐蝕與未腐蝕區域，兩種算法計算的分割閾值比較接近。通過數學形態學的處理方法可以很好地去除防腐涂層表面劃痕、涂抹不均勻，以及腐蝕產物附著的影響，更有利于提取圖像特征值。

3）電弧噴鋁涂層孔蝕率達到11.99%時，該涂層失去對鋼鐵基材的保護效果，結合規范可以評定防腐涂層的腐蝕等級。

4）估算200μm噴鋁涂層實際海洋大氣環境下的壽命為63.6年。

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