濕熱鹽霧大氣環(huán)境典型局部環(huán)境監(jiān)測與防腐對策

王洪倫，張東玖，王俊，張邦雙，涂齊勇

（1.中國人民解放軍63790部隊，?？?571126；2.中國電器科學(xué)研究院股份有限公司，廣州 510663）

由于海洋中海水劇烈地擾動，風(fēng)浪破碎，產(chǎn)生大量的泡沫、氣泡，破裂時一部分隨氣流升入空中，形成大氣鹽核。其直徑一般較小，大多在2 μm以下，有90%以上小于5 μm，其組成主要是氯化物、鈉和硫酸鹽離子[1]。因此，頻海區(qū)域鹽霧濃度距海岸距離呈現(xiàn)一定的分布規(guī)律，增加了自然環(huán)境對材料的腐蝕性，特別是在高溫、高濕環(huán)境的融合加強下，使大氣的腐蝕性更加嚴(yán)酷，給我國南海頻海區(qū)域材料使用及設(shè)備的腐蝕防護(hù)帶來很大的挑戰(zhàn)[2-3]。

瀕海區(qū)域使用的材料和設(shè)備因為工作位置的不同會有著不同的局部環(huán)境，而局部環(huán)境的不同會對材料設(shè)備的腐蝕影響有很大不同。例如室內(nèi)、室內(nèi)機電柜的局部環(huán)境與室外完全不同，室外也有自然暴露區(qū)、棚下區(qū)等不同環(huán)境，因此不同局部環(huán)境下設(shè)備對腐蝕防護(hù)的需求大不相同[4-7]。文中通過對不同局部環(huán)境的數(shù)據(jù)監(jiān)測和分析，評估濕熱鹽霧海洋大氣環(huán)境的不同工作環(huán)境下設(shè)備腐蝕程度和環(huán)境等級，根據(jù)瀕海區(qū)域不同服役環(huán)境設(shè)備防腐需求，提出應(yīng)采取的防腐措施，為設(shè)備的腐蝕防護(hù)技術(shù)手段的選擇提供參考，從而在有限經(jīng)費條件下達(dá)到良好的防腐效果。

1 環(huán)境及腐蝕的監(jiān)測

1.1 監(jiān)測地點

在高溫、高濕、高鹽霧的自然大氣環(huán)境中，由于人工建筑物的存在，設(shè)備的局部環(huán)境也有很大不同。根據(jù)設(shè)備使用位置的不同，局部環(huán)境可分為室外自然暴露區(qū)、建筑棚下區(qū)、室內(nèi)區(qū)、機電柜內(nèi)區(qū)等不同環(huán)境。因此，在選擇監(jiān)測地點時，主要分為自然暴露區(qū)、棚下區(qū)、室內(nèi)區(qū)等局部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測。同時，考慮到離海岸線的遠(yuǎn)近、高大建筑物的垂直高度，共設(shè)置試驗點21處。

1.2 監(jiān)測內(nèi)容

腐蝕環(huán)境因素包括大氣環(huán)境因素和大氣污染環(huán)境因素。大氣環(huán)境因素主要包括溫度、濕度、太陽輻射、風(fēng)速風(fēng)向及雨、露等天氣現(xiàn)象，大氣污染環(huán)境因素主要包括Cl-、SO2、NOx、雨水pH值及降塵等[8-9]。結(jié)合前期研究經(jīng)驗和監(jiān)測點實際局部環(huán)境條件情況，文中監(jiān)測內(nèi)容主要包括溫度、相對濕度、鹽霧沉降量以及金屬測試片腐蝕等因素[10]。

1.3 監(jiān)測方法

對于溫度和相對濕度（以下簡稱濕度），采用帶有長期記錄功能的溫濕度記錄儀監(jiān)測。對于鹽霧沉降量，采用濾膜法進(jìn)行監(jiān)測，現(xiàn)場放置海鹽粒子雙層濾膜，每月定期取回實驗室用分光光度計測量。對于金屬腐蝕程度，采用高精度測試片和傳統(tǒng)金屬掛片相結(jié)合的方式來監(jiān)測[11-13]。由于室內(nèi)設(shè)備服役環(huán)境的腐蝕性比較微弱，金屬表面形成的腐蝕產(chǎn)物膜厚度一般在10～200 nm。傳統(tǒng)金屬掛片的質(zhì)量變化在0.001 g量級，通過計算質(zhì)量損失測量腐蝕速率，誤差較大，而且周期長，因此傳統(tǒng)腐蝕性表征方法在室內(nèi)使用存在一定的局限性。文中以銅作為表征材料，采用電解還原法測量銅表面形成腐蝕產(chǎn)物膜的速率，來更加精確地評價服役環(huán)境的腐蝕性[13]。經(jīng)綜合考慮，在配電柜、控制柜、閥控箱等封閉空間內(nèi)部放置溫濕度記錄儀、高精度測試片，在室內(nèi)房間放置溫濕度記錄儀、高精度測試片、濾膜，在室外自然暴露區(qū)和棚下區(qū)放置溫濕度記錄儀、高精度測試片、濾膜以及金屬掛片，以監(jiān)測局部不同環(huán)境的相關(guān)參數(shù)，如圖1所示。

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)及分析

2.1 溫度

試驗點不同局部環(huán)境下每月平均溫度的變化趨勢及相關(guān)比較如圖2所示。從全部試驗點來看，室內(nèi)外環(huán)境溫度曲線基本一致，6—9月份溫度最高，2月份溫度最低，但是月平均溫度幾乎全年處于20 ℃以上。室內(nèi)溫度受設(shè)備運行及空調(diào)環(huán)境影響較大，如圖2a中，相對于室外和房間來說，室內(nèi)控制柜溫度要高一些，且溫度變化較小，是因為控制柜內(nèi)電子設(shè)備長期處于工作狀態(tài)，散發(fā)熱量使柜內(nèi)溫度升高。圖2c中，某機房月平均溫度明顯高于其他試驗點，是因為室內(nèi)機房很多大型設(shè)備常年工作，散發(fā)出大量熱量，最高月平均溫度超過33 ℃。圖2d中，某機房月平均溫度變化不大，這是因為該機房長期處于空調(diào)環(huán)境。

圖1 部分監(jiān)測點監(jiān)測設(shè)備 Fig.1 Monitoring equipment for some monitoring points: a) indoor; b) inside the control cabinet; c) outdoor; d) high-precision test piece; e) temperature and humidity recorder; f) metal hanging plate

圖2 溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)及其分析 Fig.2 Temperature monitoring data and analysis: a) indoor and outdoor temperature trends at the same altitude 0.8 km from the coastline; b) indoor and outdoor temperature trends at different altitudes 0.8 km from the coastline; c) indoor and outdoor temperature trends at different distances from coastline; d) indoor and outdoor temperature trend of 3.5 km from coastline

2.2 濕度

試驗點在不同局部環(huán)境下每月平均相對濕度的變化趨勢及相關(guān)比較如圖3所示。從全部試驗點來看，室內(nèi)控制柜、室內(nèi)、室外濕度依次升高，監(jiān)測點月平均相對濕度全年基本在70%以上，室外棚下區(qū)全年濕度85%以上，多數(shù)月份甚至90%以上，其中12—2月份的相對濕度較高。室內(nèi)試驗點，特別是室內(nèi)控制 柜內(nèi)，保持相對較低的濕度。室內(nèi)濕度受設(shè)備運行及空調(diào)環(huán)境影響明顯，如圖3b中，90 m高度室內(nèi)機房濕度起伏較大，可能是除濕機斷續(xù)工作。圖3d中，有兩個室內(nèi)試驗點濕度明顯低于其他試驗點，這是因為0 m高度機房大型設(shè)備常年處于工作狀態(tài)，而30 m高度微機房常年有空調(diào)、除濕環(huán)境保障。需要說明的是，室外監(jiān)測點最大相對濕度均達(dá)到了100%，室內(nèi)某些監(jiān)測點濕度波動比較大，具有干濕交替的特點。

圖3 相對濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)及其分析 Fig.3 Relative humidity monitoring data and analysis: a) indoor and outdoor humidity at the same height 0.8 km from the coastline; b) indoor and outdoor humidity 0.8 km from coastline; c) indoor and outdoor humidity trends at different distances from coastline; d) indoor and outdoor humidity 3.5 km from coastline

2.3 鹽霧沉降

試驗點不同局部環(huán)境下的鹽霧沉降量數(shù)據(jù)變化趨勢及相關(guān)比較如圖4所示。其中圖4a為距海岸線0.8 km室內(nèi)外鹽霧沉降率對比，圖4b為距海岸線3.5 km室內(nèi)外鹽霧沉降率對比。可以看出，室外鹽霧沉降速率比室內(nèi)高得多，有著數(shù)倍、數(shù)十倍甚至數(shù)百倍的差距。相對來說，距海岸線3.5 km的鹽霧沉降率比距海岸線0.8 km的鹽霧沉降率略低一些，且曲線趨勢較為一致。距海岸線0.8 km的某一試驗點鹽霧沉降率趨勢與其他試驗略不一致，這是因為距海岸線比較近的區(qū)域受風(fēng)向、潮汐等因素影響較大。

2.4 高精度測試片

采用電解還原法測量計算無氧銅片表面形成的腐蝕產(chǎn)物膜的厚度，根據(jù)ISA 71.04-2013[14]中對環(huán)境腐蝕性的分級，對設(shè)備服役環(huán)境的腐蝕性進(jìn)行評價，見表1。高精度測試片監(jiān)測前后的宏觀形貌表面對比如圖5所示，可以看出，室內(nèi)外宏觀形貌有明顯差別。

21個試驗點高精度測試片通過測量腐蝕產(chǎn)物得到的局部環(huán)境下的腐蝕程度及其環(huán)境分級見表2?？梢钥闯觯?）距海岸線不同距離的室外試驗點，其腐蝕程度比室內(nèi)試驗嚴(yán)重得多，至少是室內(nèi)機房的10倍以上，且環(huán)境分級幾乎均為最嚴(yán)酷的GX級；2）室內(nèi)房間試驗點比室內(nèi)控制柜試驗點腐蝕程度要高，室內(nèi)房間約1/2試驗點環(huán)境分級為G2，有的甚至達(dá)到G3，其他環(huán)境分級為G1，而室內(nèi)控制柜或機電柜內(nèi)環(huán)境分級幾乎全部為G1級；3）各試驗點1—3月腐蝕程度相對較高，除有空調(diào)保障外，室內(nèi)機房或大廳的環(huán)境分級也均達(dá)到G2以上。主要是因為此時間段環(huán)境濕度較大，薄液膜厚度增大，有助于腐蝕介質(zhì)的溶解和離子的遷移。

圖4 鹽霧沉降率監(jiān)測數(shù)據(jù)及其分析 Fig.4 Monitoring data of salt spray sedimentation rate and analysis: a) 0.8 km from coastline; b) 3.5 km from coastline

表1 ISA 71.04-2013標(biāo)準(zhǔn)中對環(huán)境腐蝕性的分級 Tab.1 Classification of environmental corrosivity in standards ISA 71.04-2013

表2 試驗點局部環(huán)境下腐蝕程度及環(huán)境分級 Tab.2 Corrosion degree and environmental classification in local environment of test site

圖5 高精度測試片監(jiān)測前后的宏觀形貌表面對比 Fig.5 The surface comparison of macroscopical morphology before and after the monitoring of high precision test sheet: a) before monitoring; b) after monitoring at indoor monitoring points; c) after monitoring at outdoor monitoring points

2.5 金屬掛樣

室外的純銅、純鋅、A3鋼、純鋁金屬掛片試驗

3、6個月及1年分三批進(jìn)行取樣檢測[15-16]。純銅、純鋅、A3鋼為均勻腐蝕，表面形成較厚的腐蝕產(chǎn)物膜，而純鋁則為局部腐蝕，如圖6所示。

室外金屬掛片進(jìn)行腐蝕試驗后進(jìn)行檢測，得到掛片腐蝕速率及環(huán)境腐蝕分級的情況（見表3）。需說明的是，根據(jù)GB/T 19292.1—2003大氣腐蝕等級劃分標(biāo)準(zhǔn)，在5個室外監(jiān)測點中，距海岸線3.5 km環(huán)境腐蝕等級一般為C3—C4，距海岸線0.8 km環(huán)境腐蝕等級一般為C4—C5。在這4種標(biāo)準(zhǔn)金屬掛片中，大氣對純銅的腐蝕性最嚴(yán)重，其中兩個監(jiān)測點已超出評級標(biāo)準(zhǔn)范圍。

圖6 某室外試驗點金屬掛片取樣記錄 Fig.6 Metal hanging plate sampling record of an outdoor test site: a) copper; b) zinc; c) A3 steel; d) aluminium

表3 室外金屬掛片腐蝕速率及環(huán)境腐蝕分級 Tab.3 Corrosion rate and environmental corrosion classification of outdoor metal hanging plate

3 腐蝕防護(hù)需求與對策

本項目通過對濕熱鹽霧海洋大氣環(huán)境下裝備不同的局部服役環(huán)境進(jìn)行了監(jiān)測，其溫度、濕度、鹽霧沉降率不同，腐蝕嚴(yán)酷度等級大不相同。因此，其防腐需求也不同，區(qū)別室外、室內(nèi)不同使用環(huán)境，不同材質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)備實際防腐手段執(zhí)行過程中，需分別制訂防腐對策，采取不同的防腐手段[17-20]。

3.1 室外環(huán)境

室外環(huán)境使用的設(shè)備設(shè)施，必須采取重防腐手段。特別是棚下區(qū)環(huán)境下使用的設(shè)備，在濕潤無陽光或少陽光的環(huán)境下設(shè)備表面經(jīng)常長期結(jié)露，大大促進(jìn)了腐蝕的產(chǎn)生和發(fā)展。

1）碳鋼、合金鋼大型結(jié)構(gòu)件。應(yīng)采用重防腐涂料，例如丙烯酸類、聚氨酯類、富鋅類涂料，可采用5層或3層重防腐涂裝體系，膜厚不得少于280 μm。涂裝施工時，必須嚴(yán)格控制施工環(huán)境、涂裝前基體表面處理、涂裝層數(shù)、單道厚度、膜干時間、涂后防護(hù)等施工工序。

2）不銹鋼設(shè)備。304、321等不銹鋼材料不能在室外環(huán)境裸用，特別是棚下環(huán)境區(qū)域，應(yīng)對其進(jìn)行表面防護(hù)以隔絕水與空氣，建議采用透明疏水涂料防護(hù)，例如納米防腐涂料、水性防護(hù)漆（改性聚氨酯涂料）等。設(shè)備更新?lián)Q代時，可采用耐蝕性能更好的材料，例如316L不銹鋼、鎳基合金、鈦合金等。

3）金屬焊縫部位。在工程現(xiàn)場，由于焊接工藝不佳或涂裝施工困難，碳鋼、合金鋼、不銹鋼等金屬焊縫部位經(jīng)常優(yōu)先發(fā)生腐蝕。碳鋼、合金鋼焊接部位，除重防腐涂裝防護(hù)外，還可采用氧化聚合型包覆等防腐技術(shù)進(jìn)行防護(hù)。不銹鋼焊接部位，除防腐涂裝和包覆技術(shù)等方法外，還應(yīng)改進(jìn)焊接工藝，減小熱影響區(qū)敏化區(qū)的寬度，防止晶粒長大和碳化物析出，以減小焊縫晶間腐蝕傾向。

4）活動件和聯(lián)接件。插銷、行輪、齒輪等活動零部件，為防止銹死無法活動，可采用鍍鋅、鍍鉻、滲鋅等工藝處理，同時涂抹防銹油。螺栓、鉚釘?shù)嚷?lián)接緊固件，涂裝防護(hù)不易施工，涂層容易掉落，可采用滲鋅工藝處理、復(fù)合涂層、包覆技術(shù)等手段防護(hù)，或采用更加耐蝕的材料，例如316L不銹鋼、鈦合金等[21]。緊固件安裝時必須防止電偶腐蝕，采取隔離措施（如增加橡膠墊等）。

5）儀器儀表和電氣控制元器件。傳感器、壓力表等儀器儀表以及變頻器、斷路器、接觸器、輸PLC、接口板等電氣控制元器件應(yīng)采用“三防”設(shè)計和涂鍍層防護(hù)，應(yīng)選用經(jīng)CCS認(rèn)證的產(chǎn)品，儀表和元器件防護(hù)等級應(yīng)達(dá)到IP65以上，且產(chǎn)品對環(huán)境要求不能過高。

3.2 室內(nèi)環(huán)境

室內(nèi)環(huán)境包括機電設(shè)備內(nèi)環(huán)境，可分為無空調(diào)、除濕機保障環(huán)境，空調(diào)、除濕機斷續(xù)保障環(huán)境以及有空調(diào)、除濕機保障環(huán)境。

1）無空調(diào)、除濕機保障環(huán)境。應(yīng)重視設(shè)備防腐，采用略低于室外防腐標(biāo)準(zhǔn)的措施。如涂裝可采用3層涂裝體系，304不銹鋼可選擇鉻鎳含量高、雜質(zhì)含量少的高品質(zhì)材料，緊固件可熱鍍鋅或滲鋅工藝處理，但儀器儀表和電氣控制元器件防護(hù)措施應(yīng)盡量與室外一致。

2）有空調(diào)、除濕機斷續(xù)保障環(huán)境。采取防腐措施應(yīng)與無空調(diào)、除濕機保障的室內(nèi)環(huán)境防腐措施一致。

3）有空調(diào)、除濕機保障環(huán)境。溫濕度、鹽霧濃度要比無空調(diào)、除濕機保障環(huán)境低得多，防腐要求低，可以不采取額外的防腐措施，但是運輸、安裝過程中必須注意設(shè)備的防護(hù)。

降溫除濕措施能有效控制室內(nèi)環(huán)境的溫濕度，降低環(huán)境的腐蝕性，因此重要測試、控制間可采取控溫控濕措施營造良好的工作環(huán)境。

4 結(jié)語

文中對海南東部瀕海區(qū)域不同局部工作環(huán)境的腐蝕性進(jìn)行了研究，分析了不同環(huán)境變化趨勢和腐蝕規(guī)律，提出了腐蝕防護(hù)建議，為瀕海區(qū)域發(fā)射場設(shè)備設(shè)施的防腐和維護(hù)方案制訂提供了科學(xué)依據(jù)?？筛鶕?jù)不同使用環(huán)境的需要，既滿足長期防腐和設(shè)備穩(wěn)定運行的要求，又避免過度防護(hù)，合理有效地利用資源，節(jié)約成本。