基于航空金屬材料腐蝕的我國大氣環(huán)境分區(qū)

張騰，張勝，何宇廷，馬斌麟，張?zhí)煊?/p>

專題——裝備服役腐蝕性大氣環(huán)境模擬與應用

基于航空金屬材料腐蝕的我國大氣環(huán)境分區(qū)

張騰，張勝，何宇廷，馬斌麟，張?zhí)煊?/p>

（空軍工程大學，西安 710038）

針對我國服役飛機的腐蝕問題，實現(xiàn)飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命的分區(qū)預測與精細化管理。收集我國大氣環(huán)境17個典型地區(qū)的氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，編制各地區(qū)的氣候、化學環(huán)境總譜，并根據(jù)腐蝕電荷當量原理，使用鋁合金、合金鋼兩種材料的折算系數(shù)，將各地區(qū)的大氣環(huán)境向標準潮濕空氣作用時間進行折算。基于系統(tǒng)聚類的方法，根據(jù)大氣腐蝕的差異性，將17個典型地區(qū)進行分類，確定各分區(qū)的劃分標準和我國大氣腐蝕分區(qū)個數(shù)，并綜合考慮當前文獻中可查的其他地區(qū)數(shù)據(jù)資料與我國氣候、降水、大氣污染的分布情況，對我國大氣環(huán)境進行腐蝕分區(qū)。根據(jù)鋁合金、合金鋼的腐蝕特征量，可將我國大氣環(huán)境劃為5個分區(qū)。繪制了我國大氣環(huán)境腐蝕分區(qū)圖，給出了各分區(qū)的環(huán)境特點、地理位置分布和代表城市。應用我國大氣環(huán)境分區(qū)結(jié)果，可以直觀掌握我國飛機不同服役環(huán)境的腐蝕嚴酷程度，為編制加速腐蝕環(huán)境譜、評定飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命、制定針對性的維護計劃和飛行計劃奠定基礎。

鋁合金；合金鋼；腐蝕；大氣環(huán)境分區(qū)；標準潮濕空氣；系統(tǒng)聚類

飛機結(jié)構(gòu)的使用壽命與其服役地區(qū)的環(huán)境腐蝕性密切相關。確定飛機各服役地區(qū)的環(huán)境腐蝕表征量，是編制飛機結(jié)構(gòu)加速環(huán)境譜，繼而進行結(jié)構(gòu)日歷壽命評定的基礎[1]；也是在實際服役過程中對飛機進行針對性維護和對機群開展使用計劃調(diào)整的重要依據(jù)[2]。

我國機場數(shù)量多，不同地區(qū)的機場環(huán)境差異性大，如果根據(jù)各個機場的實際大氣數(shù)據(jù)編制不同的加速環(huán)境譜開展飛機的日歷壽命研究，工作量巨大。本著環(huán)境研究“宜粗不宜細”的原則，通過典型地區(qū)的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)分析，把環(huán)境腐蝕性相近的地區(qū)劃為一類，將我國劃分為幾個大氣腐蝕分區(qū)則是一種較為合理、可行的方法。

飛機結(jié)構(gòu)中易受腐蝕環(huán)境影響的主要是鋁合金結(jié)構(gòu)和合金鋼結(jié)構(gòu)，其在現(xiàn)代飛機上的用量分別超過50%以上和10%以上。此外，軍用飛機有95%的時間處于地面停放狀態(tài)[3]，停放環(huán)境對飛機結(jié)構(gòu)的腐蝕影響占主導地位。因此，對飛機的大氣服役環(huán)境進行分區(qū)時，可以將鋁合金和合金鋼大氣腐蝕特征量的區(qū)別作為分區(qū)依據(jù)。

國內(nèi)外學者在大氣環(huán)境分區(qū)方面開展了較多的研究。從氣象學的角度上，環(huán)境分區(qū)主要有基于溫度、降水等氣候因素的柯本（Koppen）氣候分類法和基于氣候動力學的斯查勒（Strhaler）分類法[4]。根據(jù)不同的研究需要，我國學者對全國的大氣環(huán)境分區(qū)也開展了深入的研究。周希沅[5]在金屬腐蝕電流的測量及153個站點環(huán)境數(shù)據(jù)收集的基礎上，將我國劃分成不同的腐蝕級及腐蝕區(qū)域。陳躍良等[6]根據(jù)電荷等效原理[7]給出了實際大氣環(huán)境與多種加速腐蝕介質(zhì)的腐蝕當量折算關系。劉庭耀[8]將聚類分析的方法引入了環(huán)境分區(qū)研究，提出了按照飛機具體的服役地區(qū)進行相似環(huán)境合并的思想。吳德權等[9]根據(jù)三元乙丙橡膠老化的關鍵氣候因子，繪制了三元乙丙橡膠在我國的老化分布圖。張福澤[10]提出了根據(jù)大區(qū)環(huán)境確定飛機結(jié)構(gòu)日歷壽命的區(qū)域定壽法思想。

上述分區(qū)研究工作對我國飛機的日歷壽命評定與管理作出了重要貢獻。文中在上述工作的基礎上，統(tǒng)計分析了我國17個地區(qū)的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，綜合考慮航空鋁合金和合金鋼的腐蝕特征量，根據(jù)系統(tǒng)聚類分析結(jié)果和相關文獻中提供的數(shù)據(jù)，將全國大氣環(huán)境分為五個區(qū)，并繪制了我國大氣腐蝕環(huán)境分區(qū)圖。

1 編制氣候、化學環(huán)境總譜

1.1 氣象環(huán)境數(shù)據(jù)的收集

影響飛機金屬結(jié)構(gòu)大氣腐蝕的主要因素有：溫度、濕度、雨、霧、凝露、固體沉降物、大氣污染物、鹽霧等[11-13]。針對上述影響因素，對我國大氣環(huán)境典型地區(qū)的氣象環(huán)境數(shù)據(jù)進行了收集，得到了北京、山東青島、湖北武昌、福建廈門、安徽蕪湖、河北張家口、湖南長沙、廣東遂溪、海南三亞、陜西西安、新疆庫爾勒、西藏日喀則、西藏貢嘎、西藏阿里共計17個地區(qū)的氣象環(huán)境數(shù)據(jù)。各地區(qū)的地理位置分布如圖1所示。

圖1 氣象環(huán)境數(shù)據(jù)收集地區(qū)

1.2 氣象環(huán)境要素的簡化處理

大氣環(huán)境是實時變化的，在工程應用中，應把握住影響結(jié)構(gòu)腐蝕的主要因素，去繁化簡，在合理的范圍內(nèi)對氣象環(huán)境要素進行簡化。

1）溫濕度的簡化處理方法。在潮濕大氣中，金屬結(jié)構(gòu)表面會形成一層水膜，構(gòu)成電解液，這主要與相對濕度值的大小和臨界值有關。對于飛機金屬結(jié)構(gòu)，其對應的相對濕度臨界值為65%[13]。溫度值的大小影響了腐蝕的反應速率以及結(jié)構(gòu)表面水膜的停留時間，溫度越高，反應速率越快，現(xiàn)一般取0 ℃作為臨界溫度值[13]。溫度在20 ℃以上，且相對濕度大于65%時，同種腐蝕介質(zhì)在不同濕度和溫度下對結(jié)構(gòu)腐蝕的影響是不同的。溫度在0~20 ℃之間，腐蝕介質(zhì)對結(jié)構(gòu)腐蝕的影響差別相對較小。因此，溫濕度的簡化處理方法如下：只考慮相對濕度大于65%且溫度大于0 ℃的情況；從偏于安全的角度出發(fā)，將0~20 ℃之間的溫度統(tǒng)一按20 ℃納入統(tǒng)計；將溫度劃分為0~20 ℃、20~25 ℃、25~30 ℃和30 ℃以上四個區(qū)間，四個區(qū)間的溫度分別以20、25、30、35 ℃代表；將相對濕度劃分為65%~70%、70%~80%和80%~100%三個區(qū)間，三個區(qū)間的濕度分別以70%、80%和90%代表。

2）降雨、霧露的簡化處理方法。當雨、霧、凝露作用時，金屬結(jié)構(gòu)表面所形成的水膜較厚，與高濕度大氣下的情況類似。因此，降雨、霧露的簡化處理方法如下：當折算降雨和霧露作用小時數(shù)時，相對濕度統(tǒng)一按照90%處理，只考慮溫度大于0 ℃的情況；將溫度劃分為0~20 ℃、20~25 ℃、25~30 ℃和30 ℃以上四個區(qū)間，各區(qū)間的溫度分別以20、25、30、35 ℃代表。

3）氣候環(huán)境總譜的編制方法。四個溫度區(qū)間和三個相對濕度區(qū)間將所有的溫濕度情況劃分成了12個溫濕度范圍，使用Excel軟件中的多條件統(tǒng)計功能（countifs命令）統(tǒng)計出各地區(qū)、各范圍內(nèi)的溫濕度環(huán)境在一年中的總時間，進而得到對應地區(qū)的初始溫濕度譜。使用Excel軟件中的單條件統(tǒng)計功能（countif命令）統(tǒng)計出各地區(qū)各溫度區(qū)間內(nèi)雨、霧、露在1年內(nèi)的作用總時間和次數(shù)，進而得到對應地區(qū)的雨譜和霧露譜。氣候環(huán)境總譜反映了濕度、降雨、霧露這些氣象要素在不同溫度下的作用時間，但在編制初始溫濕度譜時，并沒有將降雨和霧露作用的時間排除，得到的結(jié)果會過于嚴重。因此，初始溫濕度譜還需排除降雨、霧露作用時間的影響，方法是將初始溫濕度譜中每一區(qū)間的作用時間均乘以比例因子：

=1－(1)

式中：為降雨和霧露作用的總時間；為初始溫濕度譜作用的總時間。

1.3 氣候、化學環(huán)境總譜的編制方法

化學環(huán)境總譜反映了大氣中腐蝕性介質(zhì)的含量。大氣污染物主要有：SO2、Cl-、SO42-、NO等。它們一般與水結(jié)合參與結(jié)構(gòu)的腐蝕，其影響主要體現(xiàn)在降雨、霧露的pH值上。因此，化學環(huán)境總譜主要包括以下要素：降雨、霧露、潮濕空氣的作用時間、作用次數(shù)以及在一年中所占的時間比例（可以由氣候環(huán)境總譜計算得到）；降雨和霧露的pH值；SO2（mg/m3）、NO（mg/m3）、降塵（噸/km2·月）、CO（mg/m3）等大氣污染物的含量。

其中，固體沉降物被潮濕的機體表面吸附，會形成局部腐蝕環(huán)境，其在研究大氣腐蝕性時一般不予考慮，但要由它來決定對飛機進行清洗的時間間隔與清洗方法。鹽霧主要出現(xiàn)在沿海、鹽湖地區(qū)，其作用效果與風向密切相關。

1.4 典型地區(qū)氣候、化學環(huán)境總譜示例

以北京地區(qū)為例，按照1.2小節(jié)建立的處理方法和氣候、化學環(huán)境總譜編制方法，編制得到的氣候、化學環(huán)境總譜分別見表1和表2。

表1 北京地區(qū)的氣候環(huán)境總譜

Tab.1 Climatic environment spectrum of Beijing

表2 北京地區(qū)的化學環(huán)境總譜

Tab.2 Chemic environment spectrum of Beijing

2 各地區(qū)環(huán)境腐蝕性的當量化折算

2.1 當量化折算方法

影響大氣腐蝕性的因素很多，單憑某一方面的特征很難判斷出大氣整體的腐蝕性。因此，應對各地區(qū)的氣象環(huán)境進行當量折算，從而統(tǒng)一到相同對比指標下?，F(xiàn)有研究通常將大氣環(huán)境等效折算到標準潮濕空氣（溫度為40℃、相對濕度為90%的空氣），以等效于某地1年大氣腐蝕的標準潮濕空氣作用時間（SHAT, Standard Humid Air Time）作為統(tǒng)一的指標。根據(jù)電化學腐蝕過程中電荷量等效的原理，可以以式（2）進行環(huán)境腐蝕性的當量化折算：

式中：和c分別為標準潮濕空氣作用下材料發(fā)生腐蝕的時間和電流；和c分別為實際大氣環(huán)境下材料發(fā)生腐蝕的時間和電流；為折算系數(shù)。

文獻[7]給出了航空鋁合金和合金鋼在不同環(huán)境下相對于標準潮濕空氣的折算系數(shù)，見表3和表4。

表3 潮濕空氣相對于標準潮濕空氣的折算系數(shù)

Tab.3 Conversion factor from humid air to standard humid air

表4 不同濃度酸相對于標準潮濕空氣的折算系數(shù)

Tab.4 Conversion factor of different concentrations of acid to standard humid air

2.2 典型地區(qū)環(huán)境腐蝕性的當量化折算示例

以北京地區(qū)鋁合金材料為例，示出大氣環(huán)境相對于標準潮濕空氣的折算方法。

1）大氣中潮濕空氣作用相對于標準潮濕空氣的折算。根據(jù)表1，北京大氣中相對濕度為70%的潮濕空氣在不同溫度下的作用時間分別為482.87 h（20 ℃）、120.70 h（25 ℃）、60.35 h（30 ℃）和48.31 h（35 ℃）。根據(jù)表3，鋁合金材料在不同溫度下70%的潮濕空氣向標準潮濕空氣折算系數(shù)分別為0.163 80、0.244 40、0.325 00和0.625 26，則70%的潮濕空氣等效于158.41 h的標準潮濕空氣作用時間。同理，80%的潮濕空氣等效于239.14 h的標準潮濕空氣作用時間；90%的潮濕空氣等效于230.59 h的標準潮濕空氣作用時間。對北京地區(qū)鋁合金材料，大氣中1年的潮濕空氣等效于628.14 h的標準潮濕空氣作用時間。

2）降雨、霧露作用向標準潮濕空氣的折算。降雨和霧露作用均按照90%的潮濕空氣處理，因此，根據(jù)表1和表3，對于鋁合金材料，北京地區(qū)1年中不同溫度下的降雨作用等效于30.16 h的標準潮濕空氣作用時間；同理，1年中不同溫度下的霧露作用等效于46.72 h的標準潮濕空氣作用時間。

3）化學腐蝕介質(zhì)向標準潮濕空氣的折算。根據(jù)北京地區(qū)的化學環(huán)境總譜，SO2的質(zhì)量密度為0.010 mg/m3。根據(jù)文獻[14]中的計算方法，以SO2向SO3的轉(zhuǎn)化率為5%，SO3全部轉(zhuǎn)化成H2SO4計算，在北京大氣中生成的H2SO4最高質(zhì)量濃度只有7.65× 10-7mg/L，可以忽略不計。北京大氣中NO的質(zhì)量密度為0.022 mg/m3。假設NO均能生成腐蝕性較強的HNO3和NO，根據(jù)文獻[14]中的計算方法，0.022 mg/m3的NO可以生成的HNO3質(zhì)量濃度最大為2.678×10-5mg/L，可以忽略不計。北京地區(qū)降雨和霧露作用時的pH為5.0，則H+濃度為10-5mol/L，對應成H2SO4即可計算得到H2SO4的質(zhì)量濃度為0.49 mg/L。由表4可知，0.1 mg/L和1 mg/L的H2SO4折算系數(shù)分別為1.575和2.874，線性插值計算可得到質(zhì)量濃度為0.49 mg/L的硫酸的折算系數(shù)為2.138。因此，將第2）步得到的降雨、霧露作用時間與折算系數(shù)相乘，得到降雨、霧露作用相當于標準潮濕空氣作用時間為164.37 h。

4）總時間的折算。將大氣環(huán)境中潮濕空氣的等效時間（628.14 h）加上考慮pH值影響的降雨、霧露等效時間（164.37 h），即可得到北京地區(qū)1年的大氣環(huán)境譜相當于標準潮濕空氣的作用時間為792.51 h。

2.3 各地區(qū)環(huán)境腐蝕性的當量化折算結(jié)果

根據(jù)各地區(qū)的氣候環(huán)境總譜和化學環(huán)境總譜，以及航空鋁合金材料和合金鋼材料的腐蝕特征，各地區(qū)大氣環(huán)境折算為標準潮濕空氣的作用時間見表5。需要說明的是，表5中的大氣潮濕空氣作用剔除了降雨和霧露時間，降雨、霧露作用是考慮了pH影響系數(shù)后得到的折算時間。

表5 各地區(qū)環(huán)境總譜相對于標準潮濕空氣作用時間的折算結(jié)果

3 大氣腐蝕環(huán)境分區(qū)數(shù)與區(qū)間范圍

3.1 聚類分析結(jié)果

以每個地區(qū)作為一個樣本，每個樣本中選取標準潮濕空氣對鋁合金的等效作用時間和對合金鋼的等效作用時間兩個指標（即表5的第4列和第7列），利用SPSS軟件的“系統(tǒng)聚類分析”功能對所搜集的17個地區(qū)的腐蝕當量時間進行初步分類。聚類分析方法采用“組間聯(lián)接法”，由于兩部分數(shù)據(jù)的單位一致，數(shù)據(jù)不需要進行標準化處理，選用“Euclidean距離”作為度量標準[15]。為了探討將我國氣象環(huán)境分為幾類更為合理，將17個地區(qū)依次分為3類、4類、5類、6類進行分析，聚類分析如圖2所示，聚類分析結(jié)果見表6。

3.2 大氣腐蝕分區(qū)個數(shù)的討論

從表6可以看出，隨著分類個數(shù)的增加，下一級分類實際上是將上一級分類的某一類進行了細分：分為4類時，是將西安、昆明、北京從3-I類中分離出來作為新的一類；分為5類時是將長沙、遂溪從4-IV類中分離出來作為新的一類；分為6類時是將西安從5-II類中分離出來作為新的一類。

如果根據(jù)腐蝕特性，將我國大氣環(huán)境分為3類，則3-I類的分區(qū)顯得過于粗略，同類分區(qū)中的北京地區(qū)大氣環(huán)境腐蝕性是阿里地區(qū)的23~32倍，差異過大。將我國大氣環(huán)境分為4類比3類更為合理，但此種分區(qū)方式中4-IV區(qū)的劃分還不夠細致，長沙和遂溪地區(qū)的鋁合金材料標準潮濕空氣作用時間已超過2000 h/a，與其他城市相比明顯存在階差，把長沙和遂溪地區(qū)單獨分為一類更加合適。實際上，這是由于本文統(tǒng)計的地區(qū)數(shù)據(jù)有限，沒有分析更多的南海地區(qū)環(huán)境所導致的。將我國大氣環(huán)境分為6類，將西安地區(qū)環(huán)境單獨拿出則顯得過于細致。綜上所述，根據(jù)航空金屬材料的腐蝕差異，建議將我國大氣環(huán)境分為5類較為合適。

圖2 大氣環(huán)境聚類分析

表6 大氣環(huán)境聚類分析結(jié)果

Tab.6 Cluster analysis results of atmospheric environment

3.3 各分區(qū)的區(qū)間范圍劃分

從表6可以看出，若根據(jù)航空材料腐蝕特征將我國大氣環(huán)境分為5個分區(qū)，各區(qū)的標準潮濕空氣作用時間基本可按照500 h作為一個區(qū)間（除5-I區(qū)的合金鋼標準潮濕空氣作用時間范圍是0~300 h），區(qū)間范圍見表7。

表7 各分區(qū)的標準潮濕空氣作用時間范圍

Tab.7 Standard humid air action time range of atmospheric divisions

4 我國大氣腐蝕環(huán)境分區(qū)結(jié)果

4.1 環(huán)境分區(qū)的方法與簡化原則

由于收集的氣象環(huán)境數(shù)據(jù)有限，為實現(xiàn)基于航空金屬材料腐蝕的我國大氣環(huán)境詳細劃分，在17個地區(qū)的分析基礎上，參考了文獻[5]提供的153個地區(qū)當量標準潮濕空氣作用時間分級數(shù)據(jù)，見表8。

進行大氣環(huán)境分區(qū)的方法與簡化原則如下所述。

1）以表7確定的各區(qū)間范圍作為分區(qū)依據(jù)，根據(jù)文中17個地區(qū)的分析結(jié)果和表8中的數(shù)據(jù)信息，初步確定各個地區(qū)所屬的大氣分區(qū)。在初步分析時，應當注意本文給出的大氣分區(qū)區(qū)間（表7）和表8中區(qū)間的差異。

2）對于不能明確具體分區(qū)的地區(qū)，應根據(jù)此類地區(qū)相鄰位置的分區(qū)情況進行推斷，并綜合考慮各地區(qū)的地理位置、氣候環(huán)境差異（根據(jù)中國氣候類型圖確定）、降水量差異（根據(jù)中國年降水量分布圖確定）和大氣污染水平（根據(jù)中國空氣污染土確定），對具體地區(qū)的大氣分區(qū)歸屬進行詳細分析。

3）基于簡化處理與協(xié)調(diào)一致的原則，同一省/直轄市/自治區(qū)/特別行政區(qū)的大氣環(huán)境劃分不超過3個分區(qū)。穿過各省的大氣環(huán)境分區(qū)分界線盡量保持連續(xù)。大氣環(huán)境特征處于兩個環(huán)境分區(qū)界限附近的地區(qū)，根據(jù)分區(qū)連續(xù)性的需要，可劃分到相鄰的環(huán)境分區(qū)。

4）通過綜合權衡分析，最終確定我國的大氣環(huán)境分區(qū)。

4.2 分區(qū)結(jié)果及各分區(qū)的環(huán)境特點

通過綜合分析，根據(jù)航空鋁合金與合金鋼大氣腐蝕的差異，我國大氣環(huán)境的最終分區(qū)如圖3所示。

表8 我國部分地區(qū)當量標準潮濕空氣作用時間分級數(shù)據(jù)[5]

Tab.8 Graded data of equivalent SHAT in some areas of China[5]

圖3 基于航空金屬材料腐蝕的我國大氣環(huán)境分區(qū)結(jié)果

各分區(qū)的大氣腐蝕特點和地理位置如下所述。

1）I區(qū)大氣的腐蝕性最輕，主要包括寒溫-濕潤、中溫-亞干旱、暖溫-極干旱、高原-干旱等氣候環(huán)境帶，氣候干、冷、大氣污染水平低。鋁合金在此分區(qū)腐蝕1年相當于受到標準潮濕空氣作用0~500 h左右，合金鋼在此分區(qū)腐蝕1年相當于受到標準潮濕空氣作用0~300 h左右。I區(qū)的典型代表城市是張家口。I區(qū)覆蓋的國土面積最大，包括西藏自治區(qū)、新疆維吾爾族自治區(qū)、青海、甘肅、寧夏回族自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)的全部區(qū)域，以及黑龍江的西北部、河北北部、山西北部、陜西西北部。其中，黑龍江省內(nèi)的I-II區(qū)分界線是由省內(nèi)7個地區(qū)環(huán)境差異綜合確定；河北、山西、陜西省內(nèi)的I-II區(qū)分界線是由9個地區(qū)環(huán)境差異，以及我國的中溫帶-暖溫帶分界線綜合確定。

2）II區(qū)大氣的腐蝕性中等偏下，主要包括中溫-濕潤、暖溫-亞濕潤、高原溫帶-濕潤等氣候環(huán)境帶，氣候溫和、濕潤、大氣污染水平較高。鋁合金在此分區(qū)腐蝕1年相當于受到標準潮濕空氣作用500~1000 h左右，合金鋼在此分區(qū)腐蝕1年相當于受到標準潮濕空氣作用300~800 h左右。II區(qū)的典型代表城市是北京。II區(qū)覆蓋的省市最多，包括北京、天津、遼寧、吉林的全部區(qū)域，以及黑龍江的東南部，云南北部，河北、山西、山東、河南、陜西、四川的大部分地區(qū)。其中，山東省內(nèi)的II-III區(qū)分界線是由省內(nèi)7個地區(qū)環(huán)境差異綜合確定；河南、陜西省內(nèi)的II-III區(qū)分界線是由8個地區(qū)環(huán)境差異，以及我國的暖溫帶-北亞熱帶分界線綜合確定；四川省內(nèi)的II -IV區(qū)分界線是由省內(nèi)5個地區(qū)環(huán)境差異，以及我國高原暖溫帶-中亞熱帶分界線綜合確定；云南省內(nèi)的II-IV區(qū)分界線是由省內(nèi)4個地區(qū)環(huán)境差異，以及我國中亞熱帶-南亞熱帶分界線綜合確定。

3）III區(qū)大氣的腐蝕性屬于中等水平，主要包括北亞熱帶-濕潤、暖溫-亞濕潤-沿海等氣候環(huán)境帶，年平均氣溫較高、濕度較大、大氣污染水平嚴重。鋁合金在此分區(qū)腐蝕1年相當于受到標準潮濕空氣作用1000~1500 h左右，合金鋼在此分區(qū)腐蝕1年相當于受到標準潮濕空氣作用800~1300 h左右。III區(qū)的典型代表城市是青島。III區(qū)覆蓋的省市包括上海、江蘇、安徽的全部區(qū)域，以及山東東南部，河南、陜西南部，浙江、江西北部，湖南東北部和湖北大部分地區(qū)。其中，浙江、江西、湖南、湖北省內(nèi)的III-IV區(qū)分界線是由23個地區(qū)環(huán)境差異，以及我國北亞熱帶-中亞熱帶分界線綜合確定。

4）IV區(qū)大氣的腐蝕性屬于中等偏上水平，主要包括中亞熱帶-濕潤、南亞熱帶-濕潤-內(nèi)陸等氣候環(huán)境帶，年平均氣溫高、濕度大、降雨多、大氣污染嚴重。鋁合金在此分區(qū)腐蝕1年相當于受到標準潮濕空氣作用1500~2000 h左右，合金鋼在此分區(qū)腐蝕1年相當于受到標準潮濕空氣作用1300~1800 h左右。IV區(qū)的典型代表城市是廈門。IV區(qū)覆蓋的省市包括重慶、貴州的全部區(qū)域，以及云南、浙江南部，四川中東部，廣西、廣東、福建北部，湖北西部，湖南和江西的大部分地區(qū)。其中，福建、廣東、廣西省內(nèi)的IV-V區(qū)分界線是由18個地區(qū)環(huán)境差異，以及我國中亞熱帶-南亞熱帶分界線綜合確定。

5）V區(qū)大氣的腐蝕性最為嚴重，主要包括南亞熱帶-濕潤、邊緣熱帶-濕潤、中熱帶-濕潤、赤道熱帶-濕潤等氣候環(huán)境帶，氣候炎熱、多雨、濕度大。鋁合金在此分區(qū)腐蝕1年相當于受到標準潮濕空氣作用2000 h以上，合金鋼在此分區(qū)腐蝕1年相當于受到標準潮濕空氣作用1800 h以上。V區(qū)的典型代表城市是萬寧。V區(qū)的地理位置最靠南，包括海南、臺灣、香港、澳門、我國南海海域的全部區(qū)域，以及廣東、廣西、福建省的南部地區(qū)。

4.3 討論

1）在實際工程中簡化處理時，I區(qū)的大氣腐蝕環(huán)境弱，飛機在此區(qū)域服役可不考慮結(jié)構(gòu)腐蝕問題。其他分區(qū)的典型代表城市反映了各分區(qū)的大氣平均腐蝕水平，可以首先重點編制代表城市的加速環(huán)境譜。當分析同一分區(qū)中的其他區(qū)域時，在該環(huán)境譜的基礎上乘上一個較小的折算系數(shù)即可。

2）文中研究的大氣環(huán)境分區(qū)針對的是航空鋁合金和合金鋼，并不適用于橡膠材料、有機涂層等高分子材料的老化問題，應當注意區(qū)分。

3）文中對我國大氣腐蝕分區(qū)研究得還比較粗略，雖然有的省份因大氣腐蝕性的差異較大，被分入了2~3個區(qū)，但很多的區(qū)域分界線仍由省界簡化處理，這是由于分析的環(huán)境數(shù)據(jù)有限造成的。在實際應用中，如果有些地區(qū)靠近兩個大氣腐蝕分區(qū)的交界處，建議具體問題具體分析。如果實在不能得到具體結(jié)論，建議從偏于安全的角度出發(fā)，以腐蝕較嚴重的分區(qū)情況處理。

4）隨著我國南海島礁機場的建成以及航母訓練任務的推進，我國飛機的服役環(huán)境已向遠海延伸。文中統(tǒng)計分析的數(shù)據(jù)主要限于大陸及靠近沿海的島嶼大氣數(shù)據(jù)，未對更加靠南的島礁環(huán)境數(shù)據(jù)與艦載環(huán)境數(shù)據(jù)進行分析。飛機在這些環(huán)境下的服役環(huán)境如何，是否有必要劃分全國的“第六大分區(qū)”等問題還有待下一步開展深入研究。

5 結(jié)論

1）收集了我國大氣環(huán)境17個典型地區(qū)的氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，介紹了氣象環(huán)境要素的簡化處理方法，編制了各地區(qū)的氣候、化學環(huán)境總譜，并根據(jù)腐蝕的電荷當量原理，以鋁合金、合金鋼兩種材料的折算系數(shù)，將各地區(qū)的大氣環(huán)境向標準潮濕空氣作用時間進行了折算。

2）基于系統(tǒng)聚類的方法，根據(jù)大氣腐蝕的差異性，將17個典型地區(qū)進行了分類，確定了我國大氣腐蝕分區(qū)個數(shù)和各分區(qū)的劃分標準。

3）根據(jù)收集的數(shù)據(jù)資料與參考文獻中提供的數(shù)據(jù)資料，結(jié)合我國氣候環(huán)境、降水量與大氣污染的分布情況，通過綜合分析給出了我國大氣腐蝕分區(qū)結(jié)果，繪制了我國大氣腐蝕分區(qū)圖。

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Atmospheric Environment Demarcation of China Based on Corrosion of Aeronautic Metallic Materials

ZHANG Teng, ZHANG Sheng, HE Yu-ting, MA Bin-lin, ZHANG Tian-yu

(Air Force Engineering University, Xi′an 710038, China)

Aiming at the corrosion problem of aircraft in service in China, the paper aims to release regional prediction and refined management of the aircraft structure calendar life. Meteorological environment data for 17 typical regions of China's atmospheric environment were collected. Climate and chemical environment spectra were compiled for each region. According to the principle of corrosion charge equivalence, the atmospheric environment in each region was converted to the standard humid air action time with the conversion coefficient of aluminum alloy and alloy steel. According to the differences in atmospheric corrosion, 17 typical regions were classified based on the systematic clustering method. The demarcation criteria of each subregion and then the number of atmospheric corrosion demarcations were determined. Additionally, the data of other regions available in the current literature and the distribution of climate, precipitation and air pollution in China were taken into account in the atmospheric environment corrosion demarcation of China. According to the corrosion characteristics of aluminum alloy and alloy steel, the atmospheric environment in China can be demarcated into five regions. The map of China's atmospheric environment corrosion demarcation was drawn, in which the environmental characteristics, geographical distribution and representative cities of each region were given. By applyingthe demarcation result of China's atmospheric environment regions, the severity of corrosion in different service environments of aircraft in China can be directly grasped, which lays a foundation for establishment of accelerated corrosion environment spectrum, assessment of aircraft structure calendar life, and formulation of targeted maintenance plan and flight plan.

aluminum alloy; alloy steel; corrosion; atmospheric environment demarcation; standard humid air; systematic clustering

2020-03-21；

2020-04-15

10.7643/ issn.1672-9242.2020.05.001

TG172.3

A

1672-9242(2020)05-0001-09

2020-03-21；

2020-04-15

陜西省自然科學基礎研究計劃（2018JQ5012）；中國博士后科學基金（2017M623418）

Supported by the Basic Research Project of Natural Science in Shaanxi Province (2018JQ5012) and the China Postdoctoral Science Foundation (2017M623418)

張騰（1987—），男，博士，講師，主要研究方向為結(jié)構(gòu)完整性。

ZHANG Teng (1987—), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: structural integrity.