大氣腐蝕圖繪制中環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)采集方法

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(1. 南方電網(wǎng)科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，廣州 510663； 2. 華南理工大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，廣州 510640)

大氣腐蝕是導(dǎo)致金屬設(shè)備、產(chǎn)品、結(jié)構(gòu)件等早期失效和破壞的重要原因。每年由金屬腐蝕造成的經(jīng)濟(jì)損失占國(guó)民經(jīng)濟(jì)年總值的2%～4%，其中一半以上的金屬腐蝕是由大氣腐蝕所致[1]。因此，大氣腐蝕研究備受關(guān)注。

金屬大氣腐蝕圖描述了給定地域金屬及金屬鍍層在大氣環(huán)境中的腐蝕程度，可為金屬結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和維護(hù)提供有價(jià)值的參考。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)初步繪制了很多全國(guó)性或區(qū)域性的大氣腐蝕圖[2]。這些大氣腐蝕圖都是依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織在1992年頒布的ISO 9223: 1992《金屬及合金大氣腐蝕分類(lèi)》標(biāo)準(zhǔn)繪制的。該標(biāo)準(zhǔn)給出了根據(jù)金屬試件的腐蝕率、綜合潤(rùn)濕時(shí)間(溫度和相對(duì)濕度)和大氣中腐蝕性介質(zhì)(SO2和Cl-)含量進(jìn)行大氣腐蝕性分類(lèi)的方法[3-5]。

對(duì)于面積較小的地域，通常采用小規(guī)模的暴露試驗(yàn)方法，即標(biāo)準(zhǔn)試樣法，通過(guò)回收和計(jì)算各暴露點(diǎn)的金屬腐蝕速率來(lái)繪制大氣腐蝕圖。例如，英國(guó)在1965年12月至1966年6月，分批將400個(gè)小鋅罐試樣發(fā)往全國(guó)100個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，1 a后回收試樣并根據(jù)計(jì)算得到的鋅罐腐蝕速率繪制鋅的大氣腐蝕圖[6]。中國(guó)科學(xué)院金屬所在沈陽(yáng)市區(qū)內(nèi)均勻選擇36個(gè)有代表性的大氣暴曬試驗(yàn)點(diǎn)，根據(jù)A3鋼2 a的腐蝕速率繪制了沈陽(yáng)市大氣腐蝕圖[7]。中國(guó)科學(xué)院金屬所在海南全省20個(gè)試驗(yàn)站投放了A3鋼試樣，進(jìn)行2～4 a的大氣腐蝕暴露試驗(yàn)，回收計(jì)算腐蝕速率，繪制了海南省的大氣腐蝕圖[8]。以上大氣腐蝕圖的繪制需要耗費(fèi)大量的人力、物力，甚至需要全國(guó)性機(jī)構(gòu)的協(xié)助與配合。不僅如此，標(biāo)準(zhǔn)試樣法受地域范圍的限制，導(dǎo)致數(shù)據(jù)點(diǎn)稀疏、分辨率低。英國(guó)大氣腐蝕圖為10 km2一個(gè)腐蝕速率掛片點(diǎn)，沈陽(yáng)市大氣腐蝕圖為5 km2一個(gè)腐蝕速率掛片點(diǎn)。

對(duì)于涵蓋范圍廣、區(qū)域劃分細(xì)的地域，一般采用環(huán)境因素法，即通過(guò)建立劑量響應(yīng)函數(shù)來(lái)繪制大氣腐蝕圖[9]。瑞士在全國(guó)8個(gè)典型地區(qū)暴露銅、鋅試樣，并在各相關(guān)測(cè)試站收集環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)(氣溫、相對(duì)濕度、降雨量、SO2、O3、緯度、海拔高度、測(cè)試點(diǎn)800 m范圍內(nèi)住宅和工業(yè)建筑的面積)，對(duì)金屬腐蝕數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行多元線性回歸分析，建立相應(yīng)的劑量響應(yīng)函數(shù)，繪制了瑞士的大氣腐蝕圖[10]。2012年越南科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)與澳大利亞合作，建立了以環(huán)境因素為參數(shù)的腐蝕動(dòng)力學(xué)模型，繪制了涵蓋整個(gè)越南的碳鋼大氣腐蝕圖[11]。采用環(huán)境因素法繪制大氣腐蝕圖，避免了暴露試驗(yàn)的巨大工作量，同時(shí)繪制的大氣腐蝕圖分辨率非常高(0.0625 km2一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))，是標(biāo)準(zhǔn)試樣法的100倍。但是，環(huán)境因數(shù)數(shù)據(jù)的獲取往往受到獲取渠道、收集與統(tǒng)計(jì)工作量、收集與統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確度等問(wèn)題的制約，進(jìn)而加大了環(huán)境因素法繪制大氣腐蝕圖的難度[12]。

本工作提出了一種環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)的采集方法，該方法可降低獲取和處理環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)的巨大工作量，并提高金屬大氣腐蝕圖繪制的準(zhǔn)確度。

1 環(huán)境因素的采集

1.1 數(shù)據(jù)獲取渠道

金屬大氣腐蝕是大氣環(huán)境中諸多因素在金屬表面綜合作用的結(jié)果。影響金屬大氣腐蝕速率的環(huán)境因素主要有氣溫、相對(duì)濕度、二氧化硫含量、二氧化氮含量、氯離子含量、降雨量、日照時(shí)間、PM2.5(細(xì)顆粒物，粒徑不大于2.5 μm的顆粒物)含量和PM10(可吸入顆粒物，粒徑在10 μm以下的顆粒物)含量等[13]。

通常，全國(guó)各地的氣象觀測(cè)站會(huì)每天記錄氣溫、相對(duì)濕度、降雨量、日照時(shí)間等氣象數(shù)據(jù)。同時(shí)，環(huán)境監(jiān)測(cè)中心也會(huì)時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)空氣中二氧化硫含量、二

氧化氮含量、氯離子含量及粉塵中的PM2.5和PM10等污染物水平數(shù)據(jù)。這些機(jī)構(gòu)收集與統(tǒng)計(jì)的環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)為繪制大氣腐蝕圖奠定了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[14]。大氣腐蝕研究工作者可通過(guò)公開(kāi)、開(kāi)放的平臺(tái)快速、有效地獲取環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)。

中國(guó)天氣網(wǎng)(http://www.weather.com.cn)是中國(guó)氣象局為公眾提供氣象信息服務(wù)的網(wǎng)站，集成了中國(guó)氣象局下屬各業(yè)務(wù)部門(mén)最新的環(huán)境和氣象資訊，每隔1 h會(huì)實(shí)時(shí)公布?xì)鉁?、相?duì)濕度、降雨量、二氧化硫含量、二氧化氮含量、PM2.5含量、PM10含量、風(fēng)力風(fēng)向等數(shù)據(jù)。2015年發(fā)布的全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)可實(shí)時(shí)顯示全國(guó)31個(gè)省、自治區(qū)及直轄市共338個(gè)城市實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大氣中二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧、PM2.5、PM10等含量的數(shù)據(jù)。這兩個(gè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)密度較大、更新快、可靠性強(qiáng)，可以將這兩個(gè)平臺(tái)提供的氣象與環(huán)境參數(shù)作為大氣腐蝕環(huán)境因素的數(shù)據(jù)。

1.2 環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)收集與統(tǒng)計(jì)

通過(guò)中國(guó)天氣網(wǎng)和全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布平臺(tái)這兩個(gè)公開(kāi)的氣象和環(huán)境數(shù)據(jù)公布平臺(tái)，可收集與統(tǒng)計(jì)環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)，直接繪制大氣腐蝕圖。但是，數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計(jì)的工作量非常巨大。以繪制廣東省大氣腐蝕圖為例：廣東省共有21個(gè)市，平均每個(gè)市有11個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，如果只收集相對(duì)濕度這一種環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)，廣東省一年的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)就會(huì)有2 023 560條。因此，急需尋求一種降低環(huán)境數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計(jì)工作量的方法。本工作提出了一種數(shù)據(jù)處理方法，可以將繪制大氣腐蝕圖所需的數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計(jì)的工作量減少近2/3。以下仍以廣州市相對(duì)濕度數(shù)據(jù)為例說(shuō)明。

在中國(guó)天氣網(wǎng)上收集廣州市某7 d 的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)樣本，結(jié)果見(jiàn)表1。此數(shù)據(jù)樣本最好是不同季節(jié)各選取7 d，日期可以不連續(xù)，因?yàn)椴煌竟?jié)氣候具有不同的規(guī)律，同一季節(jié)不同日期的氣候具有相似性，這樣所選取的數(shù)據(jù)樣本更能代表此季節(jié)的氣候特征。

由表1可知，在7 d中，相對(duì)濕度曲線變化規(guī)律大體相同。每天上午10點(diǎn)前相對(duì)濕度平緩地保持在一天中的較高位；10～22點(diǎn)相對(duì)濕度先降后升，呈現(xiàn)一個(gè)類(lèi)V字型；22～24點(diǎn)相對(duì)濕度又趨于平緩，數(shù)值近似等于10點(diǎn)前的相對(duì)濕度。

由表1還可知：11，12，13，14，21，22，23點(diǎn)時(shí)的相對(duì)濕度近似于當(dāng)天相對(duì)濕度平均值。因此，可以用這7個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的相對(duì)濕度代替全天24個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的相對(duì)濕度，這樣可降低約2/3的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)工作量。

表1 廣州市7 d相對(duì)濕度數(shù)據(jù)樣本Tab. 1 Relative humidity of Guangzhou in 7 d %

2 環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)收集與統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確度

2.1 隨機(jī)時(shí)刻點(diǎn)組合

根據(jù)上文中確定的7個(gè)時(shí)刻點(diǎn)，左右調(diào)整時(shí)刻點(diǎn)制定出了三種時(shí)刻點(diǎn)組合，并用origin畫(huà)圖法計(jì)算出各組合的相對(duì)誤差和與絕對(duì)誤差和，結(jié)果如表2所示。

由表2可知，三種時(shí)刻點(diǎn)組合的相對(duì)誤差和均在20%左右。雖然10，11，12，13，21，22，23點(diǎn)時(shí)刻點(diǎn)組合的相對(duì)誤差和是三者中最小的，但是整體統(tǒng)計(jì)誤差還是偏大，準(zhǔn)確度不高。由此可見(jiàn)，雖然用n(n=6，7，8)個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的相對(duì)濕度代替全天24個(gè)時(shí)刻點(diǎn)的相對(duì)濕度可減少2/3的工作量，但需要把誤差控制在較小的范圍內(nèi)，以保證數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計(jì)有較高的準(zhǔn)確度。

表2 三種時(shí)刻點(diǎn)組合誤差表Tab. 2 The deviation of the three kinds of time-point combinations

2.2 最優(yōu)時(shí)刻點(diǎn)組合

以提高數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確度為原則，進(jìn)行以下數(shù)據(jù)處理：

①在以24個(gè)時(shí)刻點(diǎn)為元素的集合的全部子集中，選取出時(shí)刻點(diǎn)個(gè)數(shù)為n(n=6，7，8)的全部子集(以下簡(jiǎn)稱(chēng)子集)；

(1)

③根據(jù)式(2)計(jì)算每個(gè)子集所對(duì)應(yīng)的m(m=7)d的絕對(duì)誤差之和ε。

(2)

④從計(jì)算得到的每個(gè)子集所對(duì)應(yīng)的ε中，選取數(shù)值最小的ε，將所選取的ε對(duì)應(yīng)的子集所包含的n個(gè)時(shí)刻點(diǎn)作為所述采集時(shí)刻點(diǎn)，在所述采集時(shí)刻點(diǎn)采集環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)。

以上四個(gè)步驟所涉及的矩陣變換原則總結(jié)如下：原數(shù)據(jù)矩陣為m行×24列，如式(3)所示，從24列中選取n列(即n個(gè)時(shí)刻點(diǎn))，組成m行×n列的新數(shù)據(jù)矩陣，如式(4)所示，新矩陣列的排序遵從原矩陣的順序，并對(duì)所有的新數(shù)據(jù)矩陣計(jì)算相應(yīng)的ε。選取ε值最小的新數(shù)據(jù)矩陣作為最終目標(biāo)矩陣，其所有列對(duì)應(yīng)的時(shí)刻點(diǎn)即為最終采集數(shù)據(jù)的時(shí)刻點(diǎn)。

(3)

(4)

由表3可見(jiàn)：當(dāng)n=6時(shí)，時(shí)刻點(diǎn)組合總個(gè)數(shù)為134 596，按上述計(jì)算得到最佳時(shí)刻點(diǎn)組合為3，9，10，13，19，23點(diǎn)，該時(shí)刻點(diǎn)組合絕對(duì)誤差和與相對(duì)誤差和分別為5.97，0.085 3；當(dāng)n=7時(shí)，時(shí)刻點(diǎn)組合總個(gè)數(shù)為346 104，最佳時(shí)刻點(diǎn)組合為3，9，10，13，16，19，23點(diǎn)，該時(shí)刻點(diǎn)組合絕對(duì)誤差和與相對(duì)誤差和分別為1.89，0.023 3；當(dāng)n=8時(shí)，時(shí)刻點(diǎn)組合總個(gè)數(shù)為735 471，最佳時(shí)刻點(diǎn)組合為3，9，10，13，14，16，19，23點(diǎn)，該時(shí)刻點(diǎn)組合絕對(duì)誤差和與相對(duì)誤差和分別為2.04，0.025 9。

表3 最優(yōu)時(shí)刻點(diǎn)組合與誤差數(shù)據(jù)表Tab. 3 The deviation of the optimal three kinds of time-point combinations

通過(guò)對(duì)比表2與表3發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步改進(jìn)數(shù)據(jù)收集方法后，數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確度得到了很大提高。

2.3 最終數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與收集實(shí)施方法

通過(guò)以上分析，采用3，9，10，13，16，19，23點(diǎn)這7個(gè)時(shí)刻點(diǎn)數(shù)據(jù)代替全天24 h數(shù)據(jù)時(shí)，不僅使相對(duì)濕度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)控制在較小的誤差范圍內(nèi)(2.33%)，而且工作量?jī)H為原來(lái)的1/3。

利用該方法進(jìn)行氣象與環(huán)境數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，可以解決氣象與環(huán)境數(shù)據(jù)獲取渠道受限、收集與統(tǒng)計(jì)工作量巨大，收集與統(tǒng)計(jì)的準(zhǔn)確度不高等問(wèn)題，為繪制高精度的大氣腐蝕圖提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 結(jié)論

(1) 以全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)、中國(guó)天氣網(wǎng)為平臺(tái)，實(shí)時(shí)記錄每天氣象與環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)，避免從非面向公眾的渠道(如國(guó)家氣象局)獲取環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)所存在的相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)密度稀疏、數(shù)據(jù)非公開(kāi)、公眾沒(méi)有獲取途徑和權(quán)限等問(wèn)題，從而簡(jiǎn)化了獲取氣象與環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)的渠道。

(2) 通過(guò)矩陣優(yōu)化方法確定的相對(duì)濕度時(shí)刻點(diǎn)組合的相對(duì)誤差較小(2.33%)，保持了較高的準(zhǔn)確度，避免了目前研究報(bào)道中相對(duì)濕度收集與統(tǒng)計(jì)方法所選取的時(shí)刻點(diǎn)主觀性太強(qiáng)(隨機(jī)時(shí)間點(diǎn)間隔、隨機(jī)時(shí)刻點(diǎn)選取)且誤差未知的問(wèn)題。

(3) 本方法適應(yīng)性很高，其他相似數(shù)據(jù)(溫度、二氧化硫含量、氯離子含量、二氧化氮含量、一氧化碳含量、PM2.5含量)均可用此方法處理，得出行之有效的數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計(jì)的優(yōu)化時(shí)刻點(diǎn)。

(4) 本方法可操作性強(qiáng)，可利用全國(guó)城市空氣質(zhì)量實(shí)時(shí)發(fā)布系統(tǒng)和中國(guó)天氣網(wǎng)平臺(tái)，人工自行記錄數(shù)據(jù)，避免了各種監(jiān)測(cè)儀器和設(shè)備的投入。

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