自然環(huán)境譜轉(zhuǎn)化為加速試驗(yàn)環(huán)境譜的方法

王艷艷 ，舒暢 ，李超

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.重慶市環(huán)境腐蝕與防護(hù)工程技術(shù)研究中心，重慶 400039）

產(chǎn)品在自然環(huán)境中所經(jīng)歷的環(huán)境譜是造成其環(huán)境腐蝕損傷的主要原因。通過(guò)自然環(huán)境試驗(yàn)來(lái)考核驗(yàn)證產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性，結(jié)果真實(shí)、可靠，缺點(diǎn)是周期較長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)?zāi)軌蚩s短試驗(yàn)和評(píng)價(jià)周期，但要做到對(duì)產(chǎn)品自然環(huán)境效應(yīng)的真實(shí)再現(xiàn)和等效評(píng)估，其試驗(yàn)條件的選取就至關(guān)重要。如何將自然環(huán)境譜轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)環(huán)境譜，對(duì)科學(xué)考核、驗(yàn)證產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性具有重要意義。

目前，圍繞建立自然環(huán)境譜和實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)環(huán)境譜已開(kāi)展了大量的研究，獲得了依托較為完備的氣象資料編制自然環(huán)境譜的方法［1-2］，以及以飛機(jī)為應(yīng)用對(duì)象建立的飛機(jī)結(jié)構(gòu)局部環(huán)境譜［3-4］、載荷-環(huán)境譜［5-6］、使用環(huán)境譜［7-8］等各類(lèi)環(huán)境譜的編制方法。還開(kāi)展了部分飛機(jī)結(jié)構(gòu)的加速試驗(yàn)譜研究［9-11］，但對(duì)自然環(huán)境譜和加速試驗(yàn)譜相互對(duì)應(yīng)關(guān)系的研究非常有限。

文中采用文獻(xiàn)［1］介紹的方法，根據(jù)連續(xù)監(jiān)測(cè)某地域近5年的大氣環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)，建立了自然環(huán)境譜，提出了自然環(huán)境譜向加速試驗(yàn)環(huán)境譜轉(zhuǎn)化的方法，并以天然橡膠的老化為載體開(kāi)展了加速試驗(yàn)環(huán)境譜的驗(yàn)證試驗(yàn)。

1 自然環(huán)境譜的分類(lèi)

將自然環(huán)境譜分為單項(xiàng)環(huán)境譜、組合環(huán)境譜和綜合環(huán)境譜3類(lèi)。

1）單項(xiàng)環(huán)境譜。單項(xiàng)環(huán)境譜指僅針對(duì)單一環(huán)境因素建立的環(huán)境譜，不考慮其他環(huán)境因素，如溫度譜定義為“一定統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)，溫度平均值、極值及特定溫度區(qū)間累積時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果”。單項(xiàng)環(huán)境譜包含溫度譜、相對(duì)濕度譜、日照輻射譜等。

2）組合環(huán)境譜。組合環(huán)境譜以多種因素在確定應(yīng)力水平組合下所占年均累積時(shí)間的形式體現(xiàn)。例如，溫度-相對(duì)濕度譜以統(tǒng)計(jì)年份內(nèi)一定溫度-相對(duì)濕度區(qū)間的年均累積時(shí)間來(lái)表示，定義為“一定統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)，特定溫度-相對(duì)濕度區(qū)間累積時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果”；降水譜定義為“一定統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)，特定溫度區(qū)間降水量、降水時(shí)數(shù)和降水次數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果”。組合環(huán)境譜包含溫度-相對(duì)濕度譜、霧譜、露譜、降水譜、酸雨譜、污染介質(zhì)譜等。

3）綜合環(huán)境譜。將某氣候區(qū)域所有環(huán)境因素歸類(lèi)合并計(jì)算后，形成綜合環(huán)境譜。綜合環(huán)境譜中給出了各種環(huán)境因素的時(shí)間比例、累積作用時(shí)間、作用次數(shù)、作用強(qiáng)度以及各種污染介質(zhì)的濃度等。

2 自然環(huán)境譜向加速試驗(yàn)環(huán)境譜轉(zhuǎn)化的方法

2.1 環(huán)境應(yīng)力水平的確定

在加速試驗(yàn)中，每種環(huán)境因素的量值水平應(yīng)在自然環(huán)境譜中對(duì)應(yīng)環(huán)境因素的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)范圍內(nèi)。溫度的應(yīng)力水平推薦采用整點(diǎn)溫度的年極值，相對(duì)濕度的應(yīng)力水平推薦采用月均值的年極值，污染介質(zhì)濃度推薦采用年極值，日照輻射、降水、霧、露、酸雨等推薦采用年均累計(jì)值進(jìn)行折算。

當(dāng)設(shè)定的加速試驗(yàn)條件明顯高于自然環(huán)境譜中的應(yīng)力水平時(shí)，應(yīng)當(dāng)作出充分的分析和論證，說(shuō)明應(yīng)力水平的改變不會(huì)造成異常環(huán)境效應(yīng)的產(chǎn)生，即環(huán)境腐蝕機(jī)理以及產(chǎn)品與環(huán)境作用的產(chǎn)物不會(huì)發(fā)生顯著變化。

2.2 環(huán)境應(yīng)力作用時(shí)間的確定

在一個(gè)加速試驗(yàn)周期內(nèi)，每種環(huán)境因素的作用時(shí)間比例按照自然環(huán)境譜中的作用時(shí)間比例來(lái)確定。如果與自然環(huán)境譜中的作用時(shí)間比例不符，應(yīng)有充分的理論依據(jù)或試驗(yàn)結(jié)果作為支撐。

加速試驗(yàn)的持續(xù)時(shí)間不能僅采用自然環(huán)境與加速試驗(yàn)環(huán)境中的累積應(yīng)力相當(dāng)來(lái)簡(jiǎn)單換算，應(yīng)當(dāng)采用參考材料進(jìn)行驗(yàn)證，用參考材料在2種環(huán)境作用下出現(xiàn)相同程度環(huán)境效應(yīng)的時(shí)間來(lái)確定。

2.3 環(huán)境譜的轉(zhuǎn)化、組合和綜合

針對(duì)自然環(huán)境譜中的每個(gè)單項(xiàng)環(huán)境譜、組合環(huán)境譜，分別轉(zhuǎn)化為加速試驗(yàn)環(huán)境譜，如溫度譜轉(zhuǎn)化為溫度試驗(yàn)譜，溫度-相對(duì)濕度譜轉(zhuǎn)化為溫、濕度試驗(yàn)譜，日照輻射譜轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)譜等。每個(gè)加速試驗(yàn)譜中的環(huán)境因素及其量值水平都來(lái)自于對(duì)應(yīng)的自然環(huán)境譜。

對(duì)分別轉(zhuǎn)化形成的加速試驗(yàn)環(huán)境譜，結(jié)合現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)手段，將相互有關(guān)聯(lián)的、同時(shí)作用的環(huán)境因素進(jìn)行合理組合，在加速試驗(yàn)中同時(shí)實(shí)現(xiàn)。如溫度譜、相對(duì)濕度譜與實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)譜可以組合，溫度、相對(duì)濕度譜與污染介質(zhì)譜也可以組合。

為盡可能在實(shí)驗(yàn)室中模擬多環(huán)境因素的綜合作用，優(yōu)先進(jìn)行綜合試驗(yàn)，必要時(shí)可犧牲部分試驗(yàn)條件的控制精度來(lái)滿(mǎn)足這一要求。

2.4 環(huán)境應(yīng)力的施加順序

在現(xiàn)有加速試驗(yàn)條件不能滿(mǎn)足多個(gè)環(huán)境應(yīng)力同時(shí)作用的前提下，采用各個(gè)環(huán)境應(yīng)力順序施加的方式來(lái)體現(xiàn)每種環(huán)境應(yīng)力的影響。通過(guò)分析自然環(huán)境特點(diǎn)及其對(duì)裝備或產(chǎn)品的影響，按照對(duì)裝備或產(chǎn)品的影響程度的重要性進(jìn)行排序，重要性越高，排列次序越靠前。

3 實(shí)例

某地域環(huán)境屬低溫寒冷地域氣候環(huán)境，根據(jù)此轉(zhuǎn)化原則將該地域的自然環(huán)境譜轉(zhuǎn)化為加速試驗(yàn)譜，并用天然橡膠1142為試驗(yàn)對(duì)象開(kāi)展試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 加速試驗(yàn)譜

1）溫度譜。該地域近5年的極高溫度、極低溫度分別為34.9℃，-38.5℃，實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)的溫度條件設(shè)定高溫為35℃，低溫為-40℃。根據(jù)自然環(huán)境譜中各個(gè)溫度區(qū)段的作用時(shí)間比例，確定高溫試驗(yàn)時(shí)數(shù)占總試驗(yàn)時(shí)間的40%，低溫作用時(shí)間為60%。

2）相對(duì)濕度譜。該地域近5年的極高月平均相對(duì)濕度、極低月平均相對(duì)濕度分別為75%，51%，相應(yīng)實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)的相對(duì)濕度條件設(shè)定高濕為75%，低濕為50%。根據(jù)自然環(huán)境譜中各個(gè)相對(duì)濕度區(qū)段的作用時(shí)間比例，確定高濕（相對(duì)濕度為70%以上）試驗(yàn)時(shí)數(shù)占總試驗(yàn)時(shí)間的33%，低濕（相對(duì)濕度為70%及70%以下）作用時(shí)間為67%。

3）溫度-相對(duì)濕度譜。自然環(huán)境譜中的潮濕空氣（溫度為0℃以上且相對(duì)濕度在70%以上）作用時(shí)間比例為25%，干燥空氣（相對(duì)濕度為70%及70%以下）作用時(shí)間比例為75%。實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)的高溫高濕試驗(yàn)（35℃，RH為75%）時(shí)間占比相應(yīng)設(shè)定為25%，其余75%的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，高溫低濕試驗(yàn)（35℃，RH為50%）時(shí)間占15%，低溫作用時(shí)間為60%。

4）降水、霧譜。該地域年均總降水時(shí)數(shù)占全年時(shí)間的比例為6.57%，其中0℃以上的降水時(shí)間占1.91%，0℃及0℃以下的降水時(shí)間占4.66%；霧、露的作用時(shí)間比例分別為3.71%，4.09%，絕大部分集中在0℃以上。對(duì)產(chǎn)品造成的影響為表面產(chǎn)生連續(xù)水膜，與濕熱試驗(yàn)合并。

5）日照輻射譜。該地域近5年的年均總輻射為4488.9 MJ/m2，總紫外輻射為 213.7 MJ/m2，日照時(shí)數(shù)占全年時(shí)間的比例為23.2%。實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)中340 nm處的輻照量設(shè)定為0.68 W/m2，光照時(shí)間占25%，無(wú)光照時(shí)間占75%。

6）污染介質(zhì)譜。根據(jù)對(duì)自然環(huán)境譜中的酸雨譜、污染介質(zhì)譜和綜合環(huán)境譜的分析，該地域無(wú)鹽霧和工業(yè)廢氣的作用，加速試驗(yàn)譜中無(wú)污染介質(zhì)的作用。

3.2 加速試驗(yàn)譜的剪裁

橡膠暴露于戶(hù)外大氣環(huán)境中，受太陽(yáng)輻射、氧和臭氧、溫度等環(huán)境因素的作用發(fā)生老化，最常出現(xiàn)的老化類(lèi)型包括光氧老化、熱氧老化、低溫脆化等。水分的影響與臭氧、熱、光的破壞性相比要小得多。高濕度條件對(duì)橡膠制品沒(méi)有不利影響，相反，這種條件還會(huì)造成對(duì)太陽(yáng)輻射高光化學(xué)效應(yīng)的有效屏蔽。

對(duì)在該地域暴露使用的橡膠而言，加速試驗(yàn)?zāi)K選擇實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)和溫度試驗(yàn)（高溫、低溫、溫度沖擊），不考慮濕度試驗(yàn)和大氣中污染介質(zhì)的作用。

3.3 驗(yàn)證試驗(yàn)

1）試驗(yàn)樣品。天然橡膠1142，規(guī)格為150 mm×120 mm×2 mm。

2）試驗(yàn)條件。溫度譜：35℃，10 h（作用時(shí)間比例為40%）；-40℃，14 h（作用時(shí)間比例為60%）。日照輻射譜：光照6 h（作用時(shí)間比例為25%），無(wú)光照18 h。光照條件：340 nm處的輻射強(qiáng)度為0.68 W/m2，箱體溫度為35℃。加速試驗(yàn)環(huán)境譜如圖1所示。

3）試驗(yàn)方法。采用實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)、高溫、低溫等3種試驗(yàn)的循環(huán)組合進(jìn)行加速試驗(yàn)。試驗(yàn)設(shè)備：Q-Sun Xe-3-HSC型低溫氙燈老化測(cè)試儀、65CT/3型溫度沖擊試驗(yàn)箱。試驗(yàn)條件按照加速試驗(yàn)環(huán)境譜設(shè)定。試驗(yàn)參數(shù)：實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)——340 nm處的輻射強(qiáng)度為0.68 W/m2，箱體溫度為（35±1）℃；高溫試驗(yàn)——箱體溫度為（35±1）℃，相對(duì)濕度RH為（50±5）%；低溫試驗(yàn)——箱體溫度為（-40±1）℃。循環(huán)方式：光照（6 h）+高溫（4 h）+低溫（14 h），每一個(gè)循環(huán)24 h。

圖1 加速試驗(yàn)環(huán)境譜Fig.1 Accelerated test environmental spectra

4）性能檢測(cè)。試驗(yàn)前和試驗(yàn)循環(huán)數(shù)為3，7，14，21時(shí)，分別檢測(cè)試驗(yàn)樣品的邵氏硬度、拉伸強(qiáng)度和拉斷伸長(zhǎng)率。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果

加速試驗(yàn)中天然橡膠1142的性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。開(kāi)展加速試驗(yàn)前，在該地域進(jìn)行了天然橡膠1142的戶(hù)外暴露試驗(yàn)，戶(hù)外暴露試驗(yàn)中每個(gè)月暴露后的性能檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2。

表1 天然橡膠1142的加速試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Accelerated test results of natural rubber 1142

以該地域戶(hù)外暴露中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果為基準(zhǔn)，對(duì)加速試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析比較。2種試驗(yàn)方式的橡膠性能變化情況為：樣品的硬度隨試驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增大，拉斷伸長(zhǎng)率不斷下降，拉伸強(qiáng)度先升高后下降。表明橡膠樣品出現(xiàn)老化，交聯(lián)程度增加，柔韌性降低。加速試驗(yàn)結(jié)果與戶(hù)外暴露結(jié)果具有一致性。

表2 天然橡膠1142戶(hù)外暴露試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Exposure test results of natural rubber 1142

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)合理轉(zhuǎn)化為實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)條件是裝備環(huán)境工程領(lǐng)域的難點(diǎn)問(wèn)題之一。2009年頒布實(shí)施的GJB 150A《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》中不再規(guī)定試驗(yàn)條件，使用時(shí)需要在分析產(chǎn)品壽命期環(huán)境剖面，并了解環(huán)境對(duì)產(chǎn)品影響機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用實(shí)測(cè)環(huán)境數(shù)據(jù)或標(biāo)準(zhǔn)中推薦的基本環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行剪裁，選擇確定相應(yīng)的環(huán)境試驗(yàn)條件［12］，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用造成了一定的困難。文中提出的自然環(huán)境譜向?qū)嶒?yàn)室加速試驗(yàn)環(huán)境譜的轉(zhuǎn)化方法對(duì)解決這一難題進(jìn)行了嘗試。

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