淺析典型濕熱海洋大氣環(huán)境嚴(yán)酷度及鹽霧與濕熱特征

郭贊洪，唐其環(huán)，劉聰，萬軍，田豐源，李旭

（西南技術(shù)工程研究所，重慶 400000）

引言

隨著建設(shè)海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略深入實施，大批海洋工程和海洋裝備陸續(xù)建設(shè)、投用，大量的工程、裝備長期暴露于高鹽霧的海洋大氣環(huán)境下，面臨嚴(yán)重的腐蝕威脅，給我國造成了巨大的經(jīng)濟(jì)和軍事?lián)p失[1]。影響大氣腐蝕的因素復(fù)雜眾多，主要大氣環(huán)境因素包括溫度、濕度、降水、污染介質(zhì)等，其中，大氣中鹽霧（含氯離子）是影響金屬腐蝕的主要介質(zhì)因子，也是評估大氣腐蝕的一個重要環(huán)境因子[2,3]。特別是沿海地區(qū)大氣、海面大氣和島礁大氣中，鹽霧含量較內(nèi)陸多得多?？諝庵宣}霧要對金屬材料造成腐蝕，需要在一定溫度和濕度的條件下，當(dāng)溫度和濕度滿足金屬腐蝕條件前提下，溫度越高、濕度越高、鹽霧越高，均會加快金屬材料腐蝕，造成材料性能下降，進(jìn)而對產(chǎn)品造成影響。在一定的相對濕度下，如果金屬表面不均勻或沉積有可溶性鹽粒，則水蒸氣優(yōu)先在表面上的這些活性部位發(fā)生凝聚或吸附，進(jìn)而形成電解液膜或液滴，這種液膜或液滴的存在加速了金屬的大氣腐蝕過程金屬的腐蝕愈加嚴(yán)重[4-9]。

因此，針對金屬腐蝕而言，溫度、濕度和鹽霧是影響金屬腐蝕其中最重要的環(huán)境因素。本文通過分析當(dāng)前的氣候環(huán)境分類，引出濕熱海洋大氣環(huán)境，而濕熱海洋大氣環(huán)境的特點主要是以“濕熱”和“鹽霧”特征為主，通過選取濕熱海洋性氣候的典型環(huán)境觀測站觀測溫度、濕度、鹽霧等數(shù)據(jù)，分析濕熱海洋性氣候環(huán)境的“濕熱”特征和“鹽霧”特征；再根據(jù)碳鋼的腐蝕速率數(shù)據(jù)，分析濕熱海洋大氣環(huán)境的大氣嚴(yán)酷度。

1 氣候環(huán)境分類現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和方法

我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17297-1998《中國氣候區(qū)劃名稱與代碼 氣候帶和氣候大區(qū)》[10]根據(jù)中國各地區(qū)的氣溫指標(biāo)和年干燥度指標(biāo)，采用線分類法對全國氣候區(qū)域進(jìn)行劃分，該標(biāo)準(zhǔn)氣候帶是指將多年5天滑動平均氣溫穩(wěn)定通過（≥）10 ℃的天數(shù)作為劃分氣候帶的主要指標(biāo)，在邊緣熱帶、中熱帶和赤道熱帶用≥10 ℃積溫作進(jìn)一步劃分指標(biāo)。主要分為寒溫帶、中溫帶、暖溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶、南亞熱帶、邊緣熱帶、中熱帶、赤道熱帶、高原寒帶、高原亞寒帶、高原亞溫帶、高原溫帶等13個氣候帶。

我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4797.1-2018《電工電子產(chǎn)品自然環(huán)境條件 溫度和濕度》根據(jù)197個臺站1961～1980年的氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，以溫度和濕度日平均值的年極值的平均值、年極值、絕對年極值為依據(jù)，將我國氣候劃分為寒冷、寒溫Ⅰ、寒溫Ⅱ、暖溫、干熱、亞濕熱、濕熱七種氣候類型。

GJB 8893.1-2017《軍用裝備自然環(huán)境試驗方法 第1部分：通用要求》中，給出了濕熱海洋大氣環(huán)境各類環(huán)境因素的數(shù)值范圍。

此外，還有按照地理特征分類，將我國內(nèi)陸大氣環(huán)境分為高原大氣環(huán)境、沙漠大氣環(huán)境、丘陵大氣環(huán)境、平原大氣環(huán)境、雨林大氣環(huán)境。

2 鹽霧濕熱大氣環(huán)境典型環(huán)境特征分析

2.1 濕熱特征

2.1.1 國家標(biāo)準(zhǔn)中濕熱特征

根據(jù)GB/T 4797.1-2018標(biāo)準(zhǔn)中濕熱氣候的劃分原則，濕熱氣候溫度和濕度日平均值的年極值的平均值、年極值、絕對年極值見表1所示。

表1 濕熱氣候的溫濕度特征

根據(jù)GB/T 4797.1-2018標(biāo)準(zhǔn)，我國海南省整個島嶼全部屬于濕熱氣候環(huán)境地區(qū)。

2.1.2 觀測站濕熱特征分析

根據(jù)GB/T 4797.1-2018中提供的濕熱氣候區(qū)域范圍，選取了海南島東線、西線、中線等7個氣象觀測站，具體包括?？凇⑷f寧、三亞、東方、白沙、瓊中、屯昌等七個氣象站。收集這7個氣象站1個自然年的整點溫度、相對濕度數(shù)據(jù)。

根據(jù)收集的溫度和相對濕度整點數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析各個氣象站的年度濕熱時間和季度濕熱時間，具體包20℃& 70 %、20 ℃& 80 %、20 ℃& 90 %、25 ℃& 70 %、25 ℃& 80 %和25 ℃& 90 %條件下的濕熱時間，“20 ℃& 70 %”是指溫度高于20 ℃且相對濕度不低于70 %的時間，其他條件也是類似條件。

1）年度濕熱時間

統(tǒng)計海南省?？?、萬寧、三亞、東方、白沙、瓊中、屯昌等七個氣象站20 ℃& 70 %、20 ℃& 80 %、20 ℃& 90 %、25 ℃& 70 %、25 ℃& 80 %和25 ℃& 90 %條件下的年濕熱時間，見表2所示，根據(jù)表2繪制的年濕熱時間柱狀圖見圖1所示。

根據(jù)表2和圖1中給出的海口、萬寧、三亞、東方、白沙、瓊中、屯昌等七個氣象站的年濕熱時間，20 ℃& 70 %的年濕熱時間在[4 873，7 246]范圍內(nèi)，20 ℃& 80 %的年濕熱時間在[3 168，6 156]范圍內(nèi)，20 ℃& 90 %的年濕熱時間在[810，4 217]范圍內(nèi)，25 ℃& 70 %的年濕熱時間在[1 925，4 356]范圍內(nèi)，25 ℃& 80 %的年濕熱時間在[1 149，2 868]范圍內(nèi)，25 ℃& 90 %的年濕熱時間在[330，1 497]范圍內(nèi)。

圖1 海南省東、中、西線7個氣象站年濕熱時間數(shù)據(jù)柱狀圖

表2 海南省東、中、西線7個氣象站年濕熱時間 單位：h

在20 ℃條件下，不同相對濕度的年濕熱時間最多前兩位為三亞和萬寧，其他站點交替排序，且東方站20 ℃& 90 %的年濕熱時間下降迅速，為其他試驗站的50 %，甚至20 %。在25 ℃條件下，25 ℃& 70 %條件下東方站的年濕熱時間比萬寧站略多，其他小件下萬寧站最多，其他站點交替排序。相同濕度條件下，25 ℃的年濕熱時間比20 ℃的年濕熱時間少一半以上。

根據(jù)海口、萬寧、三亞、東方、白沙、瓊中、屯昌等七個氣象站的年均濕熱時間統(tǒng)計分析，20 ℃& 70 %的年均濕熱時間全年占比為約為69 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差10 %；20 ℃& 80 %的年均濕熱時間全年占比為約為51 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差12 %；20 ℃& 90 %的年均濕熱時間全年占比為約為28 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差12 %；25 ℃& 70 %的年均濕熱時間全年占比為約為35 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差11 %；25 ℃& 80 %的年均濕熱時間全年占比為約為21 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差7 %；25 ℃& 90 %的年均濕熱時間全年占比為約為9 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差5 %。

2）季度濕熱時間

統(tǒng)計海南省?？?、萬寧、三亞、東方、白沙、瓊中、屯昌等七個氣象站20 ℃& 80 %和25 ℃& 80 %條件下的春季（3月～5月）、夏季（6月～8月）、秋季（9月～11月）和冬季（1月、2月和12月）的季度濕熱時間，見表3所示，根據(jù)表3繪制的20 ℃& 80 %和25 ℃& 80 %季度濕熱時間柱狀圖見圖2和圖3所示。

根據(jù)表3和圖2中給出的海口、萬寧、三亞、東方、白沙、瓊中、屯昌等七個氣象站20 ℃& 80 %的季度濕熱時間，春季濕熱時間在[842，1 831]范圍內(nèi)，夏季濕熱時間在[629，1 907]范圍內(nèi)，秋季濕熱時間在[605，1 128]范圍內(nèi)，冬季濕熱時間在[416，1 076]范圍內(nèi)。其中，萬寧站和三亞站的春季和夏季的濕熱時間明顯高于秋季和冬季的，東方站四季的濕熱時間變化波動小，較為平穩(wěn)；其他四個站點春季和夏季的濕熱時間略高于秋季和冬季的。

圖2 海南省東、中、西線7個氣象站20 ℃& 80 %季度濕熱時間數(shù)據(jù)柱狀圖

表3 海南省東、中、西線7個氣象站季度濕熱時間 單位：h

七個氣象站20 ℃& 80 %的季度濕熱時間春季占全年31 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差1 %；夏季占29 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差4 %；秋季占21 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差3 %；冬季占19 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差6 %。

根據(jù)表3和圖3中給出的海口、萬寧、三亞、東方、白沙、瓊中、屯昌等七個氣象站25 ℃& 80 %的季度濕熱時間，春季濕熱時間在[262，941]范圍內(nèi)，夏季濕熱時間在[627，1 417]范圍內(nèi)，秋季濕熱時間在[148，486]范圍內(nèi)，冬季濕熱時間在[0，45]范圍內(nèi)。相較于20 ℃ & 80 %的季度濕熱時間，25 ℃& 80 %的季度濕熱時間的季節(jié)性非常明顯，夏季高溫使得25 ℃& 80 %的季度濕熱時間占比最多，其次是春季、秋季，冬季最少，大部分站點均沒有濕熱時間。七個氣象站25 ℃& 80 %的季度濕熱時間夏季占全年55 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差10 %；春季占27 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差4 %；秋季占18 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差6 %；冬季占1 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差1 %。

圖3 海南省東、中、西線7個氣象站25 ℃& 80 %季度濕熱時間數(shù)據(jù)柱狀圖

2.2 鹽霧特征

鹽霧主要源于海洋，是通過激浪和碎浪霧化產(chǎn)生的海鹽粒子隨氣流上升至數(shù)千米的高空，在氣流的作用下使得海鹽粒子飄向內(nèi)陸地。到目前為止，有眾多學(xué)者研究了鹽霧沉積率采集方法和分布特征等研究[11-15]。

1）鹽霧的季節(jié)分布特征

收集了海南地區(qū)某地春季、夏季、秋季、冬季的鹽霧沉積率數(shù)據(jù)，繪制了鹽霧沉積率季節(jié)分布柱狀圖，見圖4所示。

根據(jù)圖4分析，冬季的鹽霧沉積率最高，夏季的最低，冬季是夏季的約3倍，秋季的鹽霧沉積率略高于春季的。從全年鹽霧沉積量分析，秋冬季鹽霧沉積量占全年近70 %。

圖4 鹽霧沉積率季節(jié)分布規(guī)律的擬合曲線

2）隨距海距離的鹽霧分布特征

收集了海南地區(qū)不同距海距離的鹽霧沉積率數(shù)據(jù)，繪制了鹽霧沉積率隨距海距離的分布規(guī)律的擬合曲線圖，見圖5所示。

圖5 鹽霧沉積率隨距海距離分布規(guī)律的擬合曲線

鹽霧沉積率隨距海距離總體呈“L”形變化規(guī)律。鹽霧沉積率在一定距海距離范圍內(nèi)會快速下降，隨著距海距離的增加，鹽霧沉積率下降緩慢。不同地區(qū)，鹽霧沉積率快速下降的距海距離會有所不同。

3）距地面高度的鹽霧分布特征

收集了海南地區(qū)不同高度陽臺的鹽霧沉積率數(shù)據(jù)，繪制隨著不同高度的變化規(guī)律圖，見圖6所示。根據(jù)圖6分析可知，鹽霧沉積率隨高度的增加總體呈現(xiàn)“W”的變化規(guī)律。具體為：鹽霧沉積率隨著距離地面高度的增加先呈現(xiàn)下降趨勢，在距離地面15 m處達(dá)到最小，再在距離地面高度為42 m處達(dá)到階段極值，在隨著距地面高度的增加鹽霧沉積率下降，再在距離地面73～95 m開始上升。

圖6 不同塔架高度陽臺氯離子沉積速率

3 大氣嚴(yán)酷度特征分析

收集了海南地區(qū)不同距離海岸線Q235鋼、鋁、鋅、銅4種標(biāo)準(zhǔn)金屬第1年的腐蝕速率數(shù)據(jù)，根據(jù)GB/T 19292.1-2018《金屬和合金的腐蝕大氣腐蝕性 第1部分分類、測定和評估》中對Q235鋼、純鋅、純鋁、純銅等4種標(biāo)準(zhǔn)金屬材料腐蝕等級劃分標(biāo)準(zhǔn)對Q235鋼、鋁、鋅、銅4種標(biāo)準(zhǔn)金屬進(jìn)行評級，見表4所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)金屬的腐蝕等級評估所處地區(qū)的大氣腐蝕嚴(yán)酷度等級。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)分析可知，從距海距離170～350 m，Q235鋼的腐蝕評估等級從c6降低至c3，下降了3個等級；銅的腐蝕評估等級從c6降低至c4，下降了2個等級；鋅和鋁的腐蝕評估等級從c5降低至c4，下降了1個等級；從環(huán)境特征分析，距海距離170和350 m的監(jiān)測點的濕熱時間、輻射量、降水均不會有明顯變化，而鹽霧沉積率卻存在數(shù)量級的差距，反映了當(dāng)鹽霧沉積率達(dá)到一定量值后會加快金屬腐蝕，會加重金屬腐蝕程度。根據(jù)王振堯發(fā)表的“海南省的大氣腐蝕性調(diào)查”一文中指出[16]，采用標(biāo)準(zhǔn)金屬法評估海南多個監(jiān)測地點的大氣腐蝕性，評估結(jié)標(biāo)表明大部分監(jiān)測點的大氣腐蝕性為c3級，部分為c4級。表明在濕熱海洋大氣環(huán)境下，采用標(biāo)準(zhǔn)金屬評估大氣腐蝕嚴(yán)酷度基本從c3級開始，且隨著距離海岸線很近的地方，大氣腐蝕嚴(yán)酷度嚴(yán)重顯著。

表4 不同距海距離監(jiān)測點的4種標(biāo)準(zhǔn)金屬腐蝕評估等級

4 結(jié)論

根據(jù)前述分析，濕熱海洋大氣環(huán)境的特征為：

1）濕熱特征

根據(jù)?？凇⑷f寧、三亞、東方、白沙、瓊中、屯昌等七個氣象站的濕熱特征為：

①20 ℃& 70 %的年濕熱時間在[4 873，7 246]范圍內(nèi)，年均濕熱時間全年占比為約為69 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差10 %。

②20 ℃& 80 %的年濕熱時間在[3 168，6 156]范圍內(nèi)，年均濕熱時間全年占比為約為51 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差12 %；其中，春季占全年31 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差1 %；夏季占29 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差4 %；秋季占21 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差3 %；冬季占19 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差6 %。

③20 ℃& 90 %的年濕熱時間在[810，4 217]范圍內(nèi)，年均濕熱時間全年占比為約為28 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差12 %。

④2 5℃& 70 %的年濕熱時間在[1 925，4 356]范圍內(nèi)，年均濕熱時間全年占比為約為35 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差11 %。

⑤25 ℃& 80 %的年濕熱時間在[1 149，2 868]范圍內(nèi)，年均濕熱時間全年占比為約為21 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差7 %；其中，夏季占全年55 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差10 %；春季占27 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差4 %；秋季占18 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差6 %；冬季占1 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差1 %。

⑥25 ℃& 90 %的年濕熱時間在[330，1 497]范圍內(nèi)，年均濕熱時間全年占比為約為9 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差5 %。

2）鹽霧特征

①季節(jié)性特征為：冬季的鹽霧沉積率最高，夏季的最低；秋冬季鹽霧沉積量占全年近70 %。

②距海岸線分布特征為：鹽霧沉積率隨距海距離總體呈“L”形變化規(guī)律。鹽霧沉積率在一定距海距離范圍內(nèi)會快速下降，隨著距海距離的增加，鹽霧沉積率下降緩慢。不同地區(qū)，鹽霧沉積率快速下降的距海距離會有所不同。

③距離地面高度分布特征：鹽霧沉積率隨高度的增加總體呈現(xiàn)“W”的變化規(guī)律。不同地區(qū)呈現(xiàn)“W”變化中“拐點”的距地面高度不同。

3）大氣嚴(yán)酷度

基于標(biāo)準(zhǔn)金屬腐蝕第1年腐蝕率評估大氣腐蝕等級，海南大部分地區(qū)的大氣腐蝕嚴(yán)酷度均從c3開始，臨近海岸線很近的地方，大氣腐蝕嚴(yán)酷度增加明顯。