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(1. 北京科技大學(xué) 自動化學(xué)院，北京 100083； 2. 北京科技大學(xué) 腐蝕與防護中心，北京 100083)

大氣環(huán)境的腐蝕性等級確定對工程應(yīng)用中設(shè)備選材及后續(xù)的腐蝕防護工作意義重大。為了對大氣環(huán)境的腐蝕性進行評定，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織在其頒布的ISO9223:1992標(biāo)準(zhǔn)中，利用潤濕時間、二氧化硫(SO2)沉積速率、氯離子(Cl-)沉積速率，并采用查表的方式推測大氣環(huán)境的腐蝕性等級[1]。一些學(xué)者在該標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進一步建立了環(huán)境參數(shù)(時間、溫濕度、潤濕時間、二氧化硫沉積速率、氯離子沉積速率等)與腐蝕速率之間的換算公式，即劑量響應(yīng)函數(shù)(dose-response function，DRF)[2-6]。隨著眾多全球性腐蝕暴露試驗的開展(如ISO CORRAG、ICP Materials和MICAT等工程)和數(shù)據(jù)的積累，劑量響應(yīng)函數(shù)經(jīng)歷了由冪指數(shù)[2-3]、線性函數(shù)[4-5]到指數(shù)函數(shù)[6]的衍變過程，其重要性和可靠性得到了腐蝕領(lǐng)域研究人員的廣泛認可。因此，在新制定的大氣腐蝕性分級標(biāo)準(zhǔn)ISO9223：2012[7]中，正式引入了劑量響應(yīng)函數(shù)。

ISO9223：2012標(biāo)準(zhǔn)中將大氣腐蝕性等級分為6個等級(C1，C2，C3，C4，C5和CX)，所制定的劑量響應(yīng)函數(shù)是根據(jù)多年的室外暴露試驗結(jié)果和現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)擬合、分析得出的經(jīng)驗公式。該公式在揭示大氣腐蝕影響因素和腐蝕機理，精確腐蝕量預(yù)測方面有了新的認識和改進，但仍存在不足之處,主要體現(xiàn)在當(dāng)劑量響應(yīng)函數(shù)應(yīng)用于二氧化硫和氯離子沉積速率偏高或偏低的大氣環(huán)境時，腐蝕速率計算值與實際腐蝕速率有很大差異，對環(huán)境腐蝕性的評估結(jié)果也不準(zhǔn)確[8-9]。造成這一結(jié)果的原因在ISO9223：2012標(biāo)準(zhǔn)的附錄中有所解釋：由于劑量響應(yīng)函數(shù)的制定是對所有腐蝕性等級數(shù)據(jù)進行擬合的結(jié)果，這些數(shù)據(jù)多數(shù)隸屬于C2和C3等級，C4和C5等級數(shù)據(jù)量較少，C1和CX等級的數(shù)據(jù)更少，即用于擬合的數(shù)據(jù)集是一種典型的類不平衡數(shù)據(jù)集[10]。此外，由于室外腐蝕數(shù)據(jù)收集需要大量的時間，其數(shù)據(jù)量并不充裕，在對這些數(shù)據(jù)進行函數(shù)擬合時也會存在過擬合的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致采用該劑量響應(yīng)函數(shù)對腐蝕性等級較低(C1)和較高(C4、C5、CX)的大氣環(huán)境進行腐蝕性評估時，結(jié)果與實際相差較大。

針對上述問題，本工作以碳鋼在大氣環(huán)境中的腐蝕為例，提出了采用蟻獅優(yōu)化算法將單一的劑量響應(yīng)函數(shù)分解為對應(yīng)多個腐蝕等級的分段式劑量響應(yīng)函數(shù)，使得每一個函數(shù)都能代表一種相似的大氣環(huán)境，以減小因數(shù)據(jù)集類不平衡帶來的腐蝕速率計算誤差。同時，將關(guān)聯(lián)規(guī)則思想應(yīng)用到腐蝕數(shù)據(jù)處理中，挖掘出潤濕時間、二氧化硫沉積速率、氯離子沉積速率等大氣環(huán)境因子和碳鋼腐蝕等級之間的量化關(guān)系，然后將具體的大氣環(huán)境參數(shù)帶入到對應(yīng)的劑量響應(yīng)函數(shù)中，加權(quán)求得最終的腐蝕速率。 然后，分別采用分段式劑量響應(yīng)函數(shù)和ISO9223：2012標(biāo)準(zhǔn)對國內(nèi)外腐蝕試驗站點40條碳鋼大氣腐蝕數(shù)據(jù)進行腐蝕等級判定。

1 數(shù)據(jù)分析

ISO CORRAG大氣腐蝕室外暴露試驗項目始于1986年，結(jié)束于1998年，在歐洲、美洲和日本建立了53個試驗站點，研究碳鋼、鋅、銅、鋁四種金屬材料在大氣環(huán)境中的腐蝕規(guī)律；ICP Materials大氣腐蝕室外暴露試驗項目始于1987年，結(jié)束于1995年，以瑞典腐蝕研究院(Swedish Corrosion Institute)為主導(dǎo)在歐洲和北美洲建立了39個試驗站點，以研究包括碳鋼、鋅、銅、鋁、青銅在內(nèi)的金屬材料以及涂漆、建筑石料和塑料在大氣環(huán)境中的腐蝕規(guī)律；我國的材料腐蝕研究開始于20世紀(jì)中期，迄今已經(jīng)建立了15個金屬大氣腐蝕試驗站，在不同氣候環(huán)境條件下積累了一定的腐蝕試驗數(shù)據(jù)。

本工作收集了包括ISO CORRAG，ICP Materials和我國腐蝕與防護網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，整理出40條碳鋼大氣腐蝕數(shù)據(jù)，部分數(shù)據(jù)如表1所示。數(shù)據(jù)類型包括年潤濕時間tw、年均溫度t、年均濕度φ、二氧化硫沉積速率Pd、氯離子沉積速率Sd和碳鋼腐蝕速率vcorr。

表1 國際和國內(nèi)腐蝕試驗站點的大氣環(huán)境因子和碳鋼腐蝕速率Tab. 1 Atmospheric factors and corrosion rates of carbon steel at international and domestic corrosion test sites

ISO9223：2012標(biāo)準(zhǔn)將碳鋼大氣腐蝕等級分為C1～CX共6個等級，并將潤濕時間、二氧化硫沉積速率、氯離子沉積速率3個大氣環(huán)境因子進行了離散化的等級劃分，如表2 所示。

表2 碳鋼腐蝕速率和大氣環(huán)境因子等級劃分[7]Tab. 2 Classification of atmospheric environment factors and carbon steel corrosion rates[7]

2 分段式碳鋼劑量響應(yīng)函數(shù)

目前遺傳算法、粒子群算法、蟻群算法等基于群體的智能優(yōu)化算法在參數(shù)尋優(yōu)方面得到了廣泛應(yīng)用，并取得了較好的尋優(yōu)效果。蟻獅優(yōu)化算法(AntLion Optimization，ALO)是一種新型仿生群體智能優(yōu)化算法，它通過模擬自然界蟻獅設(shè)置陷阱捕獵螞蟻行為而發(fā)展起來的一種全局優(yōu)化算法，具有調(diào)節(jié)參數(shù)少、收斂精度高、魯棒性能好、易于實現(xiàn)等特點[11]，已被應(yīng)用到多模態(tài)函數(shù)優(yōu)化[12]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)訓(xùn)練[13]、醫(yī)學(xué)圖像分割[14]和分布式可再生能源調(diào)度[15]等場合。ALO算法中，蟻獅相當(dāng)于待優(yōu)化問題的解，通過獵捕適應(yīng)度值高的螞蟻實現(xiàn)對近似最優(yōu)解的更新和保存。

ISO9223:2012標(biāo)準(zhǔn)中，給出了碳鋼的腐蝕速率劑量響應(yīng)函數(shù)，即

(1)

(2)

式中:vcorr為碳鋼第一年的腐蝕速率,μm·a-1;t為年平均溫度,℃;φ為年平均相對濕度,%;Pd為年平均二氧化硫沉積速率,mg·m-2·d-1;Sd為氯離子年平均沉積速率,mg·m-2·d-1。

劑量響應(yīng)函數(shù)以年均溫度、年均濕度、二氧化硫沉積速率、氯離子沉積速率4個大氣環(huán)境因子為自變量，以材料腐蝕速率為因變量建立非線性回歸方程。本文采用ALO優(yōu)化算法對方程中的7個參數(shù)進行全局尋優(yōu)。首先，根據(jù)表2中的腐蝕等級劃分表，將表1中每條腐蝕數(shù)據(jù)與相應(yīng)的腐蝕等級對應(yīng)。然后，采用ALO算法對每一個腐蝕等級下的若干條數(shù)據(jù)進行指數(shù)形式擬合。算法中的蟻獅代表劑量響應(yīng)函數(shù)中7個參數(shù)的最優(yōu)解，螞蟻代表可行解空間，通過螞蟻在解空間的隨機游走和迭代，使參數(shù)收斂到最優(yōu)。由于表1中C1和CX等級的數(shù)據(jù)只有一條，不滿足建模的基本條件，所以C1和CX等級的劑量響應(yīng)函數(shù)仍沿用ISO9223:2012標(biāo)準(zhǔn)，從而得到碳鋼的分段式劑量響應(yīng)函數(shù)為

C1、CX等級：

(3)

C2等級：

(4)

C3等級：

(5)

C4等級：

(6)

C5等級：

(7)

其中，fst的取值如式(2)所示。

3 大氣環(huán)境與碳鋼腐蝕等級量化關(guān)系

將建立的分段式碳鋼劑量響應(yīng)函數(shù)應(yīng)用于具體的大氣環(huán)境腐蝕性評定時，需先獲取該大氣環(huán)境所對應(yīng)的碳鋼腐蝕等級，然后將環(huán)境參數(shù)帶入到對應(yīng)等級的劑量響應(yīng)函數(shù)中，求出腐蝕速率。利用數(shù)據(jù)挖掘中的關(guān)聯(lián)規(guī)則理論，挖掘出現(xiàn)有的腐蝕樣本下潤濕時間、二氧化硫沉積速率、氯離子沉積速率和碳鋼腐蝕等級之間的相關(guān)性，以置信度的形式將具體的大氣環(huán)境對應(yīng)到若干個腐蝕等級，進而應(yīng)用分段式劑量響應(yīng)函數(shù)加權(quán)求得腐蝕速率，最終得到確定的大氣腐蝕性等級。

關(guān)聯(lián)規(guī)則為X?Y的模式。其中，X是關(guān)聯(lián)規(guī)則的前件，Y是關(guān)聯(lián)規(guī)則的后件。在事務(wù)數(shù)據(jù)庫所包含的事務(wù)中，X和Y同時出現(xiàn)的概率代表了關(guān)聯(lián)規(guī)則X?Y的支持度(support)；X出現(xiàn)的情況下Y也出現(xiàn)的條件概率代表了關(guān)聯(lián)規(guī)則X?Y的置信度(confidence)[16]。

具體的大氣環(huán)境因子和碳鋼腐蝕等級的關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘步驟分為五步。

第一步：將表1所示碳鋼大氣腐蝕數(shù)據(jù)中的潤濕時間、二氧化硫沉積速率、氯離子沉積速率和腐蝕速率按照表2分類標(biāo)準(zhǔn)進行等級劃分；

第二步：掃描分類后的數(shù)據(jù)樣本，分別統(tǒng)計三種大氣環(huán)境因子和腐蝕速率在6個腐蝕等級的數(shù)據(jù)數(shù)量；

第三步：將單個大氣環(huán)境因子等級與腐蝕等級進行連接，構(gòu)成X?Y的關(guān)聯(lián)規(guī)則，計算支持度和置信度，剔除置信度小于20%的關(guān)聯(lián)規(guī)則(非頻繁項集);

第四步：同第三步，將兩個大氣環(huán)境因子與腐蝕等級進行連接，計算支持度和置信度，剔除置信度小于20%的關(guān)聯(lián)規(guī)則；

第五步：在第二步和第三步的基礎(chǔ)上，構(gòu)造三個大氣環(huán)境因子和腐蝕等級之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則。最終得到潤濕時間、二氧化硫沉積速率、氯離子沉積速率等級與材料腐蝕等級之間的關(guān)聯(lián)規(guī)則，并得到不同關(guān)聯(lián)規(guī)則的置信度。

按照上述步驟，對表1中的40條碳鋼大氣腐蝕數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘，表3給出了部分試驗站點的潤濕時間、二氧化硫沉積速率、氯離子沉積速率三種大氣環(huán)境因子與腐蝕等級之間的量化關(guān)系。

表3 大氣環(huán)境因子與碳鋼腐蝕等級的量化關(guān)系Tab. 3 Quantitative relationships between atmospheric environment factors and carbon steel corrosion categories

4 試驗結(jié)果分析

在對具體的大氣環(huán)境進行腐蝕性等級判定時，先通過關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘得到大氣環(huán)境因子對應(yīng)的量化腐蝕等級，然后將大氣環(huán)境因子和量化后的腐蝕等級帶入對應(yīng)的劑量響應(yīng)函數(shù)中，加權(quán)求得腐蝕速率，再按照腐蝕速率大小對大氣環(huán)境進行腐蝕性分級。例如，我國腐蝕試驗站點中武漢站點量化后的腐蝕等級為C3級的置信度為25%，為C4級的置信度為75%，則將該站點的年均溫度、年均濕度、二氧化硫沉積速率、氯離子沉積速率分別帶入到式(5)、(6)中，求出兩個腐蝕速率，乘以相應(yīng)的置信度后相加得到的腐蝕速率為64.8 μm/a，按照ISO9223:2012標(biāo)準(zhǔn)中的腐蝕等級劃分，武漢的大氣腐蝕性等級應(yīng)劃分為C4級。采用ISO9223:2012標(biāo)準(zhǔn)和本文提出的方法對表1中的40個試驗站點的碳鋼大氣腐蝕數(shù)據(jù)進行腐蝕速率計算和腐蝕性分級,結(jié)果見圖1，對比了兩種方法分級的準(zhǔn)確率,結(jié)果見表4。

圖1 碳鋼腐蝕速率和腐蝕性分級的計算結(jié)果Fig. 1 Calculation results of carbon steel corrosion rates and categories

判定方法完全正確相差一個腐蝕等級相差兩個腐蝕等級ISO9223:201220/4017/403/40分段式劑量響應(yīng)函數(shù)26/4014/400/40

從圖1可以看出，采用ISO9223:2012標(biāo)準(zhǔn)計算得到的腐蝕速率與實際腐蝕速率有很大差異，尤其是對第8、20、25、34號站點，計算值與實際值相差近一倍；而采用本文提出的分段式劑量響應(yīng)函數(shù)得到的計算結(jié)果與真實值吻合得很好。

通過表4的腐蝕等級判定準(zhǔn)確率對比結(jié)果可以看出，采用ISO9223:2012標(biāo)準(zhǔn)進行腐蝕等級判定時，有20個站點判定錯誤，其中判定腐蝕等級與實際腐蝕等級相差一個等級的站點有17個，相差兩個等級的站點有3個；而采用分段式劑量響應(yīng)函數(shù)進行判定時，有14個站點的判定結(jié)果與實際腐蝕等級不符，且這14個站點的判定等級均與實際等級相差一級，誤差較小。

5 結(jié)論

ISO9223:2012標(biāo)準(zhǔn)因采用單個劑量響應(yīng)函數(shù)對類不平衡腐蝕數(shù)據(jù)集進行函數(shù)擬合，導(dǎo)致中等腐蝕等級的數(shù)據(jù)過擬合，而低腐蝕等級和高腐蝕等級數(shù)據(jù)欠擬合，最終計算得到的腐蝕速率與材料實際的腐蝕速率相差較大。為此，提出了將單個劑量響應(yīng)函數(shù)分解為對應(yīng)多個腐蝕等級的分段式劑量響應(yīng)函數(shù)，并采用關(guān)聯(lián)規(guī)則建立分段式劑量響應(yīng)函數(shù)所需的置信度參數(shù)。與ISO9223:2012標(biāo)準(zhǔn)相比，分段式劑量響應(yīng)函數(shù)能更為準(zhǔn)確地計算不同大氣環(huán)境中碳鋼的腐蝕速率，進而得到更為準(zhǔn)確的腐蝕等級。