耐候材料戶外曝曬試驗(yàn)方法研究及試驗(yàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)

曹宏瑋 張 鵬，2 孫 力 馬 成 梅淑文 于程福

（1. 河鋼集團(tuán)鋼研總院，河北 石家莊 050023；2. 中國(guó)鋼研科技集團(tuán)有限公司先進(jìn)金屬材料涂鍍國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3. 河鋼集團(tuán)唐鋼公司，河北 唐山 063000）

0 引言

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因?yàn)楦g造成的經(jīng)濟(jì)損失占國(guó)民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值的5%，其中由于大氣環(huán)境下的腐蝕行為所造成的損失占一半以上[1,2]，約為地震、颶風(fēng)、洪水、水災(zāi)等自然災(zāi)害所造成的經(jīng)濟(jì)損失之和的6倍。許多設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施在大氣環(huán)境中服役，由于材料的腐蝕會(huì)降低這些設(shè)備和設(shè)施的可靠性和安全性，甚至威脅到公共安全和環(huán)境安全。材料的耐候性是決定材料服役壽命和確保其可靠性的關(guān)鍵因素，通過大氣曝曬腐蝕試驗(yàn)，可以得到某一環(huán)境的氣象數(shù)據(jù)和材料在該環(huán)境下的耐候性能數(shù)據(jù)。大氣曝曬腐蝕試驗(yàn)可以檢驗(yàn)材料在大氣環(huán)境中的適用性，所得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)是實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)所需要的重要信息。

大氣環(huán)境按照特征，主要可以分為4類[3,4]：（1）大氣相對(duì)濕度小于60%或者在60%～75%之間，屬于鄉(xiāng)村大氣、城市大氣或者工業(yè)大氣環(huán)境，是弱腐蝕類大氣環(huán)境；（2）大氣相對(duì)濕度可能在60%～75%之間或者大于75%，屬于鄉(xiāng)村大氣、工業(yè)大氣以及城市大氣環(huán)境，是中腐蝕類大氣環(huán)境；（3）大氣相對(duì)濕度大于75%，屬于典型工業(yè)大氣環(huán)境，是強(qiáng)腐蝕類大氣環(huán)境；（4）大氣相對(duì)濕度加大，屬于海洋大氣環(huán)境，是強(qiáng)腐蝕類大氣環(huán)境。

1 曝曬試驗(yàn)方法的分類

材料的曝曬試驗(yàn)主要考慮服役地區(qū)的氣候條件，選擇特定氣候條件，也就是選擇特定的曝曬地點(diǎn)。考慮到接收太陽(yáng)光輻射的方式，一般可分為直接曝曬試驗(yàn)法和玻璃下的間接試驗(yàn)法[5,6]，具體試驗(yàn)方法如表1所示。

表1 曝曬試驗(yàn)方法

2 曝曬試驗(yàn)的原理及影響因素

曝曬試驗(yàn)是將被測(cè)試的樣品置于大氣環(huán)境中暴露，在陽(yáng)光、雨雪、氣溫、氣體污染物等自然環(huán)境因素作用下，通過定期的表觀檢測(cè)和理化性能分析，測(cè)定材料耐候性[7,8]。相比于人工模擬環(huán)境，曝曬試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果可靠性更高，能夠真實(shí)反映材料的耐候性能。按不同環(huán)境因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，可以將影響因素分為一級(jí)影響因素和二級(jí)影響因素，具體如表2所示。

表2 影響因素

3 曝曬試驗(yàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)

3.1 國(guó)內(nèi)外曝曬試驗(yàn)場(chǎng)現(xiàn)狀

美國(guó)佛羅里達(dá)曝曬試驗(yàn)場(chǎng)是目前世界最大曝曬測(cè)試中心，占地24公頃[9]，是國(guó)際公認(rèn)的基準(zhǔn)戶外曝曬試驗(yàn)場(chǎng)，陽(yáng)光輻照強(qiáng)度大、紫外線強(qiáng)，一年的陽(yáng)光輻照量是其他地方的好幾倍，曝曬產(chǎn)品的老化速度也是其他地方的好幾倍。

銚子暴露試驗(yàn)場(chǎng)位于日本千葉縣銚子市，試驗(yàn)場(chǎng)始建于1970年，占地11萬(wàn)平米，可承接各種材料的氣候試驗(yàn)、加速試驗(yàn)和天然暴露試驗(yàn)，并對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試和評(píng)價(jià)[10]。銚子暴露試驗(yàn)場(chǎng)中大氣暴露試驗(yàn)與人工加速氣候試驗(yàn)同場(chǎng)進(jìn)行，因而具備有兩種試驗(yàn)手段，可獲得兩組試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)。

吐魯番曝曬試驗(yàn)場(chǎng)位于吐魯番盆地的吐魯番市，始建于2005年，占地133公頃，如圖2所示，是我國(guó)目前占地面積和規(guī)模最大的極端環(huán)境暴露試驗(yàn)基地[11]。曝曬試驗(yàn)場(chǎng)位于距離吐魯番市15公里的火焰山下，是典型的大陸性荒漠干旱氣候，日照充足。

3.2 試驗(yàn)場(chǎng)建設(shè)用途

為評(píng)估涂層板、鍍層板及耐候鋼等耐候材料在各類大氣環(huán)境中耐蝕性能，計(jì)劃逐步在在國(guó)內(nèi)工業(yè)城市和沿海城市，以及海外南非、澳大利亞、塞爾維亞、馬其頓、美國(guó)等地建立曝曬試驗(yàn)場(chǎng)，形成全球大氣環(huán)境腐蝕實(shí)驗(yàn)平臺(tái)網(wǎng)，對(duì)產(chǎn)品曝曬試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)研究。通過建設(shè)曝曬試驗(yàn)場(chǎng)，可為研究材料在大氣環(huán)境下的腐蝕行為提供技術(shù)支撐，同時(shí)為下游用戶提供更優(yōu)質(zhì)的選材服務(wù)。

3.3 試驗(yàn)場(chǎng)設(shè)備

建設(shè)包括自動(dòng)氣象數(shù)據(jù)采集設(shè)備、大氣采樣器及配套污染物檢測(cè)設(shè)備、雨水采集與檢測(cè)設(shè)備和試樣耐蝕性檢測(cè)設(shè)備在內(nèi)的模塊化曝曬試驗(yàn)場(chǎng)。其中自動(dòng)氣象采集設(shè)備根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 24516.1-2009《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕 地面氣象因素觀測(cè)方法》和GB/T 24516.2-2009《金屬和合金的腐蝕 大氣腐蝕 跟蹤太陽(yáng)暴露試驗(yàn)方法》可以采集氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、降水量、日照情況，并可以自動(dòng)計(jì)算出溫度、濕度、氣壓的日平均值和極值，降水量和日照的日累計(jì)值。空氣污染物檢測(cè)設(shè)備可以根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 15262、15435、14668進(jìn)行環(huán)境空氣二氧化硫、二氧化氮和氨的濃度測(cè)量，雨水檢測(cè)設(shè)備可以根據(jù)GB/T 13580進(jìn)行pH值和硫酸鹽、氯化物的測(cè)定。試樣架由鐵質(zhì)的底座、鋁合金質(zhì)樣品架與尼龍樣品固定裝置構(gòu)成。

3.4 試驗(yàn)場(chǎng)建設(shè)必要性

曝曬試驗(yàn)是研究材料耐候性最為可靠且有效的手段之一，對(duì)于長(zhǎng)期服役在室外條件下的材料而言，由于曝曬而造成的腐蝕破壞已成為制約其服役壽命、安全可靠性和經(jīng)濟(jì)性的重要因素。曝曬試驗(yàn)場(chǎng)建成后，可對(duì)全壽命周期的涂層板、鍍層板及耐候產(chǎn)品進(jìn)行曝曬試驗(yàn)，通過對(duì)各類大氣環(huán)境參數(shù)收集及樣片腐蝕情況跟蹤，獲得產(chǎn)品可靠性評(píng)估數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

曝曬試驗(yàn)?zāi)軌虮容^真實(shí)準(zhǔn)確的獲得自然環(huán)境下材料的腐蝕特征和數(shù)據(jù)，可以為產(chǎn)品生產(chǎn)和設(shè)計(jì)提供可靠參數(shù)?；趹敉馄貢裨囼?yàn)數(shù)據(jù)，為加速腐蝕試驗(yàn)提供驗(yàn)證與優(yōu)化，將會(huì)是研發(fā)新材料的重要可靠手段。為了獲得產(chǎn)品可靠性評(píng)估數(shù)據(jù)，建立質(zhì)量評(píng)估體系，建造曝曬試驗(yàn)場(chǎng)十分有必要。