淺析控制室腐蝕性氣體的控制標(biāo)準(zhǔn)

沈奕峰

(浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司，浙江 杭州 310030)

中國制造“2025”為制造過程智能化提出了行動(dòng)綱領(lǐng)，下一步隨著人工智能技術(shù)向工廠控制、管理進(jìn)一步延展，工業(yè)過程測(cè)量和控制設(shè)備將會(huì)得到越來越多應(yīng)用?？刂剖覂?nèi)過程測(cè)量和控制系統(tǒng)作為生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)處理的核心，其安全性和可靠性愈發(fā)引起重視?？刂剖以O(shè)計(jì)規(guī)范越來越完善，防爆、抗爆、防火、防雷、溫濕度控制等，從各種角度對(duì)控制室內(nèi)人和設(shè)備的保護(hù)越來越嚴(yán)密。而對(duì)控制室內(nèi)工業(yè)過程測(cè)量和控制設(shè)備、電子辦公設(shè)備、數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等的腐蝕防護(hù)需要引起設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步關(guān)注。

1 常見腐蝕性污染物

對(duì)工業(yè)過程測(cè)量和控制設(shè)備的腐蝕是指金屬因與環(huán)境反應(yīng)而變質(zhì)?？諝庵锌赡茉斐呻娮釉O(shè)備腐蝕的污染物可分為以下幾種，其常見來源見表1所列。

1) 液態(tài)污染物，包括一些腐蝕性液滴、溶劑蒸氣、氣溶膠、海鹽霧等。

2) 固態(tài)污染物，空氣中的粉塵顆粒可以吸收氣態(tài)污染物和濕氣，從而成為腐蝕介質(zhì)。這些粉塵干燥時(shí)可能不具有腐蝕性，但在一定濕度環(huán)境中潮解而變得具有腐蝕性。

3) 氣態(tài)污染物，主要指無機(jī)氯化物、活性硫化物、氧化硫、氮氧化物、氟化氫、氨及其衍生物、光化學(xué)物質(zhì)(例： O3)等強(qiáng)氧化劑。

4) 動(dòng)植物的影響，比較特殊，難以歸納。

表1 腐蝕性污染物的常見來源

金屬腐蝕主要由氣態(tài)污染物腐蝕引起，腐蝕性氣體和水蒸氣與金屬接觸導(dǎo)致各種化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物積聚。隨著持續(xù)的化學(xué)反應(yīng)，這些腐蝕產(chǎn)物會(huì)在電路表面形成絕緣層，從而導(dǎo)致絕熱效應(yīng)或電路短路，同時(shí)伴隨著銹斑和金屬損耗。高溫高濕環(huán)境會(huì)加速金屬腐蝕，溫度或濕度變化還可能導(dǎo)致電子元件局部電路低于露點(diǎn)溫度，從而局部出現(xiàn)冷凝液。相對(duì)濕度(RH)超過50%會(huì)在電子元件小范圍區(qū)域形成導(dǎo)電溶液從而加速腐蝕。冷凝液吸收氣態(tài)污染物形成電解液，生成晶體，產(chǎn)生電鍍現(xiàn)象。不管污染物濃度如何，只要濕度超過80%，電子腐蝕破壞就發(fā)生。

以下討論對(duì)控制室內(nèi)氣態(tài)污染物的控制標(biāo)準(zhǔn)。

2 國內(nèi)現(xiàn)行相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

國內(nèi)現(xiàn)行的控制室設(shè)計(jì)規(guī)范雖然未系統(tǒng)地提到腐蝕性氣態(tài)污染物的控制，但對(duì)控制室內(nèi)空氣中的一些有害物質(zhì)濃度提出了限制要求[1-2]，多采用了GB/T 4798.3—2007《電工電子產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境條件 第三部分： 有氣候防護(hù)場(chǎng)所固定使用》[3]，等同采用IEC 60721-3-3： 2002中3C1L級(jí)對(duì)各類化學(xué)活性物質(zhì)的最大值要求。而GB/T 17214.4—2005《工業(yè)過程測(cè)量和控制裝置的工作條件 第4部分： 腐蝕和侵蝕影響》，等同采用IEC 60504-4： 1987，按照氣態(tài)污染物嚴(yán)酷度將環(huán)境分為1到4級(jí)(常用1～3級(jí))，對(duì)各類化學(xué)活性物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)平均值和峰值也作出了定量限制要求[4]，見表2所列。

表2中，GB/T 4798.3—2007中的3C1R表示該等級(jí)適用于空氣受到嚴(yán)格檢測(cè)和控制的場(chǎng)所,如凈化室等；3C1L表示除3C1R包括的條件外，該等級(jí)適用于氣候連續(xù)控制場(chǎng)所。GB/T 17214.4—2005中，1級(jí)為工業(yè)清潔空氣，受到嚴(yán)格控制的環(huán)境，在確定裝置的可靠性時(shí)不必考慮腐蝕因素；2級(jí)為中等污染，可以測(cè)到腐蝕影響的環(huán)境，在確定裝置的可靠性時(shí)可能需要考慮腐蝕因素；3級(jí)為嚴(yán)重污染，發(fā)生腐蝕可能性很大的環(huán)境，因其嚴(yán)重程度而需要作進(jìn)一步評(píng)估，以便對(duì)環(huán)境加以控制或者對(duì)裝置進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)和包裝。

從規(guī)范出發(fā)，國內(nèi)大部分控制室對(duì)H2S，SO2，Cl2等氣態(tài)污染物的限制，基本介于IEC 60504-4： 1987的1級(jí)和2級(jí)之間，在判斷工業(yè)過程測(cè)量和控制系統(tǒng)的可靠性時(shí)需要考慮腐蝕因素。

3 國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的由來

1985年，美國儀器儀表學(xué)會(huì)(ISA)(現(xiàn)國際自動(dòng)化協(xié)會(huì))頒布ISA S71.04—1985《過程測(cè)量和控制系統(tǒng)的環(huán)境條件： 大氣污染物》[5]；隨后1987年，IEC頒布IEC 60654-4： 1987《工業(yè)過程測(cè)量和控制裝置的工作條件 第4部分： 腐蝕和侵蝕影響》；1990年，日本電子工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)(JEIDA)修訂并頒布了JEIDA-29—1990《標(biāo)準(zhǔn)操作條件下的工業(yè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)》。工業(yè)過程測(cè)量和控制系統(tǒng)所處環(huán)境開始有了控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)前2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中不同等級(jí)環(huán)境的氣態(tài)污染物體積分?jǐn)?shù)的比較見表3所列。

表2 不同環(huán)境等級(jí)下的氣態(tài)污染物的體積分?jǐn)?shù)限制 cm3/m3

注： 1) 最大值是限制值或峰值，每天不超過30 min；

2) 峰值是被測(cè)或預(yù)計(jì)的1年中最大的0.5 h平均值。

表3 不同環(huán)境等級(jí)下的氣態(tài)污染物體積分?jǐn)?shù)限制 mm3/m3

但是，直接檢測(cè)氣態(tài)污染物的體積分?jǐn)?shù)在實(shí)際操作中是非常困難且沒有必要的，有以下幾方面原因：

1) 有腐蝕作用的氣體多種多樣。

2) 污染物體積分?jǐn)?shù)可能接近正常環(huán)境的濃度，或控制要求達(dá)到0.1 mm3/m3級(jí)。

3) 污染物體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間波動(dòng)，變化可能達(dá)100倍甚至更多。

4) 污染物之間可能存在復(fù)雜的相互作用，可大幅加速或延緩單種氣態(tài)污染物的腐蝕作用。例： 活性硫化物雖然在低相對(duì)濕度環(huán)境下也會(huì)腐蝕金屬，但活性硫與無機(jī)氯化物的共同作用才是加速大氣腐蝕作用的主要原因；而氮氧化物NOx在氯元素和硫元素腐蝕金屬時(shí)，可起到催化的作用。

在特定場(chǎng)合，污染物組分分析可提供短期估算。含量高說明環(huán)境存在嚴(yán)重污染，但反之并不能證明環(huán)境不存在污染。人們又轉(zhuǎn)向根據(jù)腐蝕結(jié)果——“反應(yīng)性檢測(cè)”來判斷環(huán)境。ISA S71.4—1985附錄C(IEC 60654-4： 1987附錄B)中介紹了一種根據(jù)污染物與銅的反應(yīng)速率來確定工業(yè)環(huán)境等級(jí)的方法： 將特制的無氧高導(dǎo)電性銅試片暴露在環(huán)境中1個(gè)月后，根據(jù)銅試片表面產(chǎn)生的腐蝕成膜厚度來判斷環(huán)境污染嚴(yán)重程度。上述2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中不同環(huán)境級(jí)別的銅試片腐蝕膜厚指標(biāo)見表4所列，不同環(huán)境級(jí)別下銅的腐蝕現(xiàn)象如圖1所示。

環(huán)境污染嚴(yán)重程度ISAS71.4—1985IEC60654-4:1987G1G2G3GX1級(jí)2級(jí)3級(jí)腐蝕成膜厚度<300<1000<2000≥2000<300<1500>1500

圖1 不同環(huán)境級(jí)別下銅的腐蝕

圖1中，從左至右的腐蝕現(xiàn)象為G2環(huán)境下暴露60 d被腐蝕的銅試片；G3環(huán)境下被腐蝕的電路其表面孔隙腐蝕和蠕變；GX環(huán)境下被腐蝕電路的嚴(yán)重的孔隙腐蝕、蠕變和物理降解，腐蝕移動(dòng)造成短路。

4 國外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的變化

進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，銅對(duì)一些工業(yè)環(huán)境中普遍存在的污染物不夠敏感，尤其是銅試片不能檢測(cè)氯的存在，而氯是一種對(duì)金屬特別有害的污染物。

歐盟指令2002/95/EC 《關(guān)于限制在電子電器設(shè)備中使用某些有害成分的指令》(on the Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment，簡(jiǎn)稱RoHS)，限制在電氣和電子設(shè)備中使用有害成分： 汞(Hg)、鉛(Pb)、鉻(Cr6+)、鎘(Cd)、多溴聯(lián)苯(PBB)和多溴聯(lián)苯醚(PBDE)。中國法規(guī)《電子信息產(chǎn)品污染防治管理辦法》要求與RoHS類似。為適應(yīng)RoHS“無鉛”要求，印刷電路板(PCB)表面處理需要改用無鉛工藝，主要有化學(xué)浸銀(ImmAg)和其他諸如化學(xué)浸錫(ImmSn)、化學(xué)鍍鎳浸金(ENIG)、有機(jī)保焊膜(OSP)等工藝，這給電子設(shè)備的腐蝕控制帶來了意想不到的挑戰(zhàn)。

Rockwell公司2005年研究報(bào)告[6]表明： 按照ISA S71.04—1985的要求，G3環(huán)境中，以上4種工藝表面處理的PCB均會(huì)發(fā)生相關(guān)故障——“不能保證可靠運(yùn)行”；ImmAg，ENIG工藝不能用于G2環(huán)境。國內(nèi)工廠對(duì)“反應(yīng)性檢測(cè)”研究起步較晚。近年來，國內(nèi)多地金融機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)中心的環(huán)境測(cè)試數(shù)據(jù)[7]見表5所列。由表5中發(fā)現(xiàn)一個(gè)共同現(xiàn)象： 銀腐蝕率平均是銅腐蝕率的4～5倍，值得注意的是，這些場(chǎng)合均已采取了一定的空氣處理措施。

2013年，ISA修訂并頒布ISA S71.04—2013[8]，將“污染物濃度與環(huán)境級(jí)別的關(guān)系”從正文移至附錄B，僅用于幫助理解直接氣體濃度測(cè)量的復(fù)雜性，又引進(jìn)了銀的反應(yīng)性作為環(huán)境分級(jí)的依據(jù)，重新提出了用于腐蝕“反應(yīng)性檢測(cè)”的標(biāo)準(zhǔn)腐蝕分級(jí)試片(corrosion classification coupon，簡(jiǎn)稱CCC)的定義。不同環(huán)境級(jí)別下腐蝕分級(jí)試片的腐蝕成膜厚度條件及效果見表6所示。

地點(diǎn)銅腐蝕成膜Cu2SCu2O未知銅膜合計(jì)ISAS71.04—1985環(huán)境級(jí)別銀腐蝕成膜AgClAg2S未知銀膜合計(jì)修訂后ISA環(huán)境級(jí)別北京1 075075G106360636G2北京2110400150G10168001680G3北京3 02680268G1835 9696 1027G3北京4248670315G20166601666G3北京5426850511G208610861G2天津1 069069G106230623G2天津24151790594G20112201122G3濟(jì)南 334750409G20183301833G3東營 299800379G20160301603G3上海192880180G10242102421GX上海2701210191G101253145 1398G3上海3 02050205G10130901309G3上海4139900229G104910491G2上海5258890347G20104701047G3上海65871800767G245 174201787G3珠海 04650465G20154901549G3深圳1159910250G109090909G2深圳2265910356G20320003200GX香港1143690212G10143401434G3香港22301210351G20147601476G3

試片類別環(huán)境級(jí)別G1G2G3GX銅試片腐蝕成膜厚度<300<1000<2000≥2000銀試片腐蝕成膜厚度<200<1000<2000≥2000

5 結(jié)束語

新的歐盟指令2011/65/EU(RoHS 2.0)的“禁鉛”實(shí)施范圍已擴(kuò)展到所有電氣和電子設(shè)備： 工業(yè)過程測(cè)量和控制設(shè)備及其電纜、配件分別從2017年6月22日和2017年7月22日開始，需要 “無鉛”。許多電子元件生產(chǎn)商也在改進(jìn)工藝以適應(yīng)RoHS要求。因此，設(shè)計(jì)人員需要重視控制室的腐蝕控制要求，在設(shè)計(jì)階段考慮必要的防護(hù)措施，以保證控制系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。

參考文獻(xiàn)：

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