深海压力–流速耦合环境下基...理论的有机涂层寿命预测研究_陈宇凡.pdf

装 备 环 境 工 程 第 20 卷 第 2 期 64 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 2023 年 2 月 收稿日期：20220324；修订日期：20220415 Received：2022-03-24；Revised：2022-04-15 基金项目：国家自然科学基金（51901040）Fund：The National Natural Science Foundation of China(51901040)作者简介：陈宇凡（1996），男，硕士研究生，主要研究方向为深海极端环境下有机涂层的失效行为与防护。Biography：CHEN Yu-fan(1996-),Male,Postgraduate,Research focus:failure behavior and protection of organic coatings in deep-sea extreme environment.通讯作者：孟凡帝（1988），男，博士，副教授，主要研究方向为海洋环境有机涂层研究、深海环境金属腐蚀与防护。Corresponding author：MENG Fan-di(1988-),Male,Doctor,Associate professor,Research focus:organic coatings in marine environment and metal corrosion and protection in deep sea environment.引文格式：陈宇凡,孟凡帝,刘莉,等.深海压力流速耦合环境下基于灰色系统理论的有机涂层寿命预测研究J.装备环境工程,2023,20(2):064-072.CHEN Yu-fan,MENG Fan-di,LIU Li,et al.Life Prediction of Organic Coatings Based on Grey System Theory in Deep-sea Pressure-Velocity Coupling EnvironmentJ.Equipment Environmental Engineering,2023,20(2):064-072.深海压力流速耦合环境下基于灰色系统理论 的有机涂层寿命预测研究 陈宇凡1，孟凡帝1，刘莉1，崔宇2叡，刘1，王福会1（1.沈阳材料科学国家研究中心 东北大学联合研究分部，沈阳 110819；2.中国科学院金属研究所 师昌绪先进材料创新中心，沈阳 110016）摘要：目的目的 建立深海压力流速耦合环境下有机涂层的寿命预测模型，并预测有机涂层在该环境下的服役寿命。方法方法 首先针对涂层的湿态附着力变化结果，基于灰色系统理论，建立湿态附着力的 GM(1,1)模型。随后再基于耦合环境下的试验结果，建立涂层水传输的扩散模型。最后，在此基础上，利用灰色关联分析方法，计算这 2 种失效影响因素在涂层失效过程中所占的权重因子，并基于这 2 个影响因素建立涂层失效的数学模型。结果结果 经过数学统计验证和试验结果对比验证，该模型精度良好，可靠性高。结论结论 该模型能够对深海压力流速耦合环境下有机涂层的寿命进行准确预测。关键词：深海压力流速耦合环境；有机涂层；灰色系统理论；湿态附着力；水传输；寿命预测 中图分类号：TG174.4 文献标识码：A 文章编号：1672-9242(2023)02-0064-09 DOI：10.7643/issn.1672-9242.2023.02.009 Life Prediction of Organic Coatings Based on Grey System Theory in Deep-sea Pres-sure-Velocity Coupling Environment CHEN Yu-fan1,MENG Fan-di1,LIU Li1,CUI Yu2,LIU Rui1,WANG Fu-hui1(1.Joint Research Division of Northeastern University,Shenyang National Laboratory for Materials Science,Shenyang 110819,China;2.Shi-changxu Innovation Center for Advanced Materials,Institute of Metal Research,Chinese Academy of Sciences,Shenyang 110016,China)ABSTRACT:The work aims to establish a life prediction model of organic coatings in the deep-sea pressure-velocity coupling environment,and predict the lifetime of organic coating in this environment.First,a wet adhesion GM(1,1)model was estab-lished according to the grey system theory and the results of wet adhesion change of the coating.Then based on the experimen-船舶及海洋工程装备第 20 卷 第 2 期 陈宇凡，等：深海压力流速耦合环境下基于灰色系统理论的有机涂层寿命预测研究 65 tal results in this environment,the diffusion model of the coating water transport was established.Finally,the grey relational analysis method was used to calculate the weight factors of the two failure influencing aspects in the coating failure process and establish the mathematical model of coating failure based on these two influencing aspects.After mathematical statistics verifi-cation and experimental results comparison verification,the model had good accuracy and high reliability.The model can accu-rately predict the lifetime of organic coatings in the deep-sea pressure-velocity coupling environment.KEY WORDS:deep-sea pressure-velocity coupling environment;organic coating;grey system theory;wet adhesion;water transport;lifetime prediction 在金属表面涂覆有机涂层是一种经济有效的防护手段1-3。因此，涂层的寿命预测对涂层的维护和性能评价具有现实的指导意义。然而，由于涂层失效机制的复杂性，寿命预测一直是涂层研究领域的一项艰巨任务4-5。对于服役于不同环境下的有机涂层，目前并没有发展出普适的寿命预测模型。Doherty 等6建立了涂层起泡面积的数学模型，提出涂层的寿命可由涂层起泡的临界面积来确定。Maitland 等7提出了基于聚合物薄膜电解电阻的预测公式。Bierwagen 等8将电化学阻抗谱（EIS）数据分别与有机涂层在盐雾环境下的服役时间和涂层吸水率数据进行关联分析，提出了一种基于 EIS 相关数据预测涂层服役寿命的方法。Nguyen 等9则根据实际工况构建了涂层吸水率与时间的关系模型，并利用该模型成功对有机涂层进行了寿命预测。Shevchuk 等10介绍了基于涂层系统的物理化学和电化学过程的预测模型。一般来说，一个好的寿命预测模型应该基于服役条件下明确的失效机制，其试验条件符合实际工况条件，且模型预测结果与试验结果相符。然而，大多数提出的预测方法都没有考虑到以上所有的条件，这会使预测模型在使用的过程中存在局限性。在深海环境中，因设备服役的实际工况不同，使得有机涂层失效的主导因素也有所不同。在前期的工作中，笔者课题组就不同的模拟深海环境下有机涂层的失效机制进行了研究。Liu 等11-13通过研究常压和静水压力条件下有机涂层的失效行为，发现静水压力加速了有机涂层的失效，腐蚀介质在界面快速聚集，从而引起涂层湿态附着力的丧失，进而导致涂层的失效破坏。Tian 等14、Liu 等15、曹京宜等16通过研究在交变压力条件下有机涂层的失效行为，发现交变压力会对有机涂层产生的一种“推拉作用”，致使涂层发生鼓泡开裂，从而导致涂层失效破坏。除了压力之外，设备与海水的相对运动所产生的流速也成为了环境中一个不可忽略的影响因素。有机涂层实际上是在深海压力流速的耦合环境下服役。高浩东等17通过研究深海压力流速环境下环氧玻璃鳞片涂层的失效行为，发现压力和流速作为单一环境变量均会加速涂层的失效，二者耦合表现出协同作用，进一步加速了涂层的失效破坏。Meng 等18进一步研究发现，在耦合环境作用下，流体流动为水提供了初始动能，静水压力降低了吸水的能垒，且在流速和压力的协同作用下，涂层缺陷处内应力的释放，导致聚合物片从涂层表面脱离和造成大面积起泡。根据之前的研究结果发现，涂层/金属体系如果在涂层/金属界面处被破坏，其他保护机制将变得毫无价值。有机涂层的失效破坏受到许多不确定因素的影响，包括水的传输、界面附着力的变化、界面电化学反应、界面应力状态等。这些因素可能存在的相互作用，使有机涂层的失效破坏变得更加复杂。灰色系统理论由邓聚龙在 1982 年创立，并在经济、气象、工程等多个领域得到了广泛的应用19-22。数学建模的研究还涉及其他现代数学方法，例如“黑盒”方法23、模糊系统理论24和人工神经网络25。在运用这些方法时，往往需要大量的数据结果用于训练和验证，才能保证其数学模型的准确性，而在有机涂层的失效过程中，通过试验监测得到的数据比较有限，并不能提供大量的数据用于训练和验证。灰色系统理论则可以有效地规避这一点，其对于有限的数据能够给出准确的计算结果，所以应选灰色系统理论来建立数学模型。耿刚强等26将该理论运用到了钢桥防腐蚀涂层的寿命预测研究中，提出了合理的寿命预测模型。李瑞超27和周立建等 28将灰色系统理论与人工神经网络相结合，利用灰色预测所需样本量少、方法简单的优点和神经网络非线性映射能力强、并行处理能力突出的特点，对有机涂层的使用寿命进行了预测。Meng 等29利用灰色系统理论研究了静水压力下有机涂层湿态附着力与涂层寿命的关系，将有机涂层的失效过程与涂层的湿态附着力联系起来，提出了一种合理的寿命预测模型。目前的文献对深海环境下有机涂层的寿命预测工作报道较少，深海压力流速耦合环境下有机涂层的寿命预测更是还未见文献报道。因此，本试验基于涂层湿态附着力测试以及涂层吸水率结果，并结合涂层 EIS 测试结果，利用灰色系统理论，建立了深海压力流速耦合环境下有机涂层的寿命预测模型。这对进一步探索深海复杂海洋环境下有机涂层失效行为的评价方法，以及新型涂层的研发具有重要意义。66 装 备 环 境 工 程 2023 年 2 月 1 试验 本次试验中所采用的涂层体系为环氧云母涂层体系，其成膜物质为 E-44 双酚 A 型环氧树脂（南通星辰合成材料有限公司），固化剂为低分子 TY-650 聚酰胺（