海洋大氣環(huán)境多因素組合/綜合試驗(yàn) 及方法現(xiàn)狀分析

李茜，胡濤，孫茂鈞，鄒錦輝，李景育

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.海南萬寧大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，海南 萬寧 571522；3.黑龍江北方工具有限公司，黑龍江 牡丹江 157013）

海洋大氣環(huán)境因素有溫度、濕度、鹽霧和太陽輻 射等多種環(huán)境因素，而某海域大氣環(huán)境常具有高溫、高濕、高鹽霧和強(qiáng)太陽輻射的特點(diǎn)，在海洋大氣環(huán)境中長(zhǎng)期服役的裝備常易出現(xiàn)各種復(fù)雜的環(huán)境效應(yīng)，從而引起裝備的故障[1-5]。例如應(yīng)用于飛機(jī)蒙皮帶涂層的連接件在光照和溫濕共同作用下，表面涂層發(fā)生老化，當(dāng)氯離子穿透涂層表面進(jìn)入內(nèi)部，涂層的腐蝕老化擴(kuò)展到基材，腐蝕程度加劇，在振動(dòng)因素的協(xié)同作用中，使連接處出現(xiàn)松動(dòng)，甚至加速涂層的脫落。然而現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)多為單因素或少因素綜合環(huán)境試驗(yàn)方法，如常見的鹽霧試驗(yàn)、濕熱試驗(yàn)以及太陽輻射試驗(yàn)方法中，涉及的環(huán)境影響因素單一，且綜合化程度相對(duì)較低，缺乏將服役環(huán)境中的多種海洋大氣環(huán)境主要因素融合在同一試驗(yàn)中的試驗(yàn)方法。在實(shí)際使用過程中，通常只能優(yōu)先選用對(duì)裝備影響最為敏感的環(huán)境因子來進(jìn)行單因素試驗(yàn)或少因素的組合試驗(yàn)，因而很難準(zhǔn)確模擬裝備在海洋大氣環(huán)境下使用的真實(shí)復(fù)雜環(huán)境，導(dǎo)致部分通過了試驗(yàn)考核的裝備在外場(chǎng)使用中仍出現(xiàn)性能表現(xiàn)不佳、腐蝕嚴(yán)重、壽命不達(dá)標(biāo)等問題。因此，本文根據(jù)海洋大氣主要環(huán)境因素溫度、濕度、鹽霧、太陽輻射和誘發(fā)環(huán)境因素振動(dòng)的影響，分析裝備在海洋大氣環(huán)境中多因素組合/綜合試驗(yàn)及方法現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)裝備在海洋大氣環(huán)境中的多種試驗(yàn)程序組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)研究，為提升裝備“適海性”提供了重要的支撐手段。

1 海洋大氣主要環(huán)境因素影響及組合分析

1.1 海洋大氣主要環(huán)境因素影響

海洋大氣主要環(huán)境因素的組合/綜合作用在某種程度上可加速裝備的腐蝕效應(yīng)。某海域大氣環(huán)境“三高一強(qiáng)”的特點(diǎn)之一是高鹽霧，即在高相對(duì)濕度的空氣中含有NaCl 鹽顆?；螓}形式存在的氯化物，且距離海岸越近，含量越高，其對(duì)裝備的主要影響為腐蝕生銹。其中，金屬材料對(duì)鹽霧十分敏感，而非金屬材料（如橡膠、塑料等）的耐鹽霧性相對(duì)較好。另外，因Cl-本身具有較強(qiáng)的侵蝕性（即穿透能力），在腐蝕效應(yīng)過程中，可加重基體結(jié)構(gòu)的腐蝕。高濕度環(huán)境在這一過程可溶解更多的氧和其他腐蝕性物質(zhì)，易于在裝備表面形成較厚的液膜。當(dāng)相對(duì)濕度大于金屬的腐蝕臨界值時(shí)，腐蝕效應(yīng)則變得尤為明顯，且腐蝕進(jìn)程加快。海洋大氣的高溫環(huán)境也可加速裝備的腐蝕效應(yīng)，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，由溫度引起裝備產(chǎn)生的故障約占40%[6-7]。影響裝備腐蝕行為的另一主要環(huán)境因素即太陽輻射，可直接對(duì)裝備產(chǎn)生熱效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)，并促進(jìn)金屬表面真菌類的生物活動(dòng)，有利于腐蝕性鹽塵或鹽霧顆粒在金屬表面的沉積，共同促進(jìn)腐蝕效應(yīng)[8-9]。另外，振動(dòng)誘發(fā)環(huán)境因素，可能引起如螺栓、連接等部位的松動(dòng)、位移運(yùn)動(dòng)乃至微裂紋等[10-11]，在其他幾種環(huán)境因素的共同作用下，可加速裝備的腐蝕效應(yīng)。

1.2 海洋大氣主要環(huán)境因素組合分析

海洋大氣主要環(huán)境因素影響復(fù)雜，且組合形式多種多樣，針對(duì)溫度、濕度、鹽霧、振動(dòng)和太陽輻射等5 種海洋大氣主要環(huán)境因素，采用不同形式的環(huán)境因素組合分析可知，形成環(huán)境因素兩兩組合的形式理論上有10 種，如圖1 所示；形成環(huán)境因素三三組合的形式理論上也有10 種，如圖2 所示；形成環(huán)境因素四四組合的形式理論上有5 種，如圖3 所示；形成5種環(huán)境因素組合的形式理論上有1 種，如圖4 所示，共形成海洋大氣環(huán)境因素組合形式26 種。若將每種 組合中的環(huán)境因素進(jìn)行逐一排列組合來形成海洋大氣環(huán)境試驗(yàn)方法中的組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)程序，這些組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)程序的數(shù)目總計(jì)將超過100 種，且試驗(yàn)方式分門別類，難以形成統(tǒng)一的試驗(yàn)程序。因此，根據(jù)海洋大氣環(huán)境因素的主要特點(diǎn)和裝備在該種環(huán)境下受主要環(huán)境因素產(chǎn)生環(huán)境疊加效應(yīng)，選取適當(dāng)?shù)募舨迷瓌t，優(yōu)先關(guān)注4、5 種環(huán)境因素組合或少數(shù)（如常見的溫-濕-振3 種）環(huán)境因素的組合，實(shí)現(xiàn)多環(huán)境因素的組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)方法的研究。

圖1 海洋大氣主要環(huán)境因素兩兩組合 Fig.1 Combination of any two main environmental factors of marine atmosphere

圖2 海洋大氣主要環(huán)境因素三三組合 Fig.2 Combination of any three main environmental factors of marine atmosphere

圖3 海洋大氣主要環(huán)境因素四四組合 Fig.3 Combination of any four main environmental factors of marine atmosphere

圖4 海洋大氣主要環(huán)境因素五五組合 Fig.4 Combination of any five main environmental factors of marine atmosphere

2 組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰?/h2>

2.1 國外環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰?/h3>

國外環(huán)境試驗(yàn)的起步較早，從19 世紀(jì)開始至今，得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，展現(xiàn)出較強(qiáng)的環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰ΑＦ渲?，英國?9 世紀(jì)40 年代就開始了環(huán)境試驗(yàn)的研究，1905 年美國相繼開始了材料試樣的大氣環(huán)境試驗(yàn)[12]。另外，受歷次戰(zhàn)爭(zhēng)中暴露出武器裝備大量的環(huán)境適應(yīng)性問題的影響，第一次世界大戰(zhàn)和第二次世界大戰(zhàn)后，美、英與前蘇聯(lián)等相繼在本國和世界其他地區(qū)建立了大氣環(huán)境試驗(yàn)站，系統(tǒng)地加強(qiáng)了其環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰ΑＦ渲忻绹ㄓ惺澜缏劽夜J(rèn)最大的麥金利實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室位于美國佛羅里達(dá)坦帕灣，在Eglin 空軍基地內(nèi)，于1947 年投入使用，1971 年更名為麥金利實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室為大型綜合氣候環(huán)境試驗(yàn)室，擁有模擬地球上大部分自然環(huán)境的能力，其設(shè)施通常不僅可開展常規(guī)的單項(xiàng)氣候模擬試驗(yàn)，其大尺寸的空間實(shí)驗(yàn)室還可進(jìn)行大型武器裝備的整機(jī)氣候模擬實(shí)驗(yàn)[13]。如開展美國第四代戰(zhàn)斗機(jī)F/A-22“猛禽”的大雨沖洗、濕化和風(fēng)吹等組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)。另外，1912年成立的ATLAS，由22 個(gè)環(huán)境試驗(yàn)站組成的強(qiáng)大站網(wǎng)體系，不但可以從事自然環(huán)境試驗(yàn)，而且還能進(jìn)行室內(nèi)多環(huán)境因素的模擬加速試驗(yàn)。總部設(shè)在芝加哥，德國和荷蘭等均建有基地。ATLAS 實(shí)驗(yàn)室可根據(jù)客戶需求開展不同類型的氣候環(huán)境試驗(yàn)，其模擬環(huán)境試驗(yàn)的設(shè)備和試驗(yàn)體系均較為完善，代表了國外先進(jìn)的綜合試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

除美國外，西方其他國家也很非常重視綜合環(huán)境試驗(yàn)的發(fā)展[14-15]。同時(shí)期，英國國防部針對(duì)環(huán)境試驗(yàn)和自身發(fā)展的需求，于1974 年斥巨資建立了馬可尼雷達(dá)試驗(yàn)中心。該中心具有溫度、濕度、振動(dòng)、淋雨、鹽霧、太陽輻射等多項(xiàng)試驗(yàn)?zāi)芰16]。另外，日本自1951 年起，開始建立戰(zhàn)后的武器工業(yè)體系，相繼建立了札幌、新島等5 個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)?？梢哉f國外的組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰υ跉v年的發(fā)展中逐漸得到了提升和加強(qiáng)。

2.2 國內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰?/h3>

國內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)研究起始于20 世紀(jì)80 年代，晚于國外1 個(gè)多世紀(jì)，并且國內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)的發(fā)展主要是借鑒美國、日本和前蘇聯(lián)等國外環(huán)境工程的研究成果[17-18]。近年來，隨著我國環(huán)境試驗(yàn)的綜合發(fā)展，加速模擬試驗(yàn)方法和試驗(yàn)設(shè)備都在向多環(huán)境因素綜合加速腐蝕的方向發(fā)展，以更好地反映裝備在真實(shí)復(fù)雜服役條件下的環(huán)境適應(yīng)性。我國先后建立了以幾個(gè)島礁為代表的典型海洋大氣自然環(huán)境試驗(yàn)站，以開展裝備在海洋大氣中的環(huán)境試驗(yàn)研究；另一方面，受國外試驗(yàn)裝置技術(shù)的啟蒙，以及國內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)發(fā)展的迫切需求，我國已經(jīng)形成了較為成熟的鹽霧試驗(yàn)裝置、交變濕熱試驗(yàn)裝置、太陽輻射試驗(yàn)裝置和溫-濕-振三綜合試驗(yàn)裝置以及少因素的綜合試驗(yàn)裝置。

隨著我國向海洋強(qiáng)國的推進(jìn)，亟需更貼近實(shí)戰(zhàn)、更真實(shí)有效的綜合環(huán)境試驗(yàn)手段來盡早暴露裝備環(huán)境適應(yīng)性的薄弱環(huán)節(jié)，為裝備進(jìn)行高水平的環(huán)境適應(yīng)性質(zhì)量把關(guān)。國內(nèi)某些研究所和大學(xué)陸續(xù)開展了三因素或四因素的綜合環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備和方法研究[19]，如航空工業(yè)三零一所、三零三所、工信部電子五所和北京航空航天大學(xué)等。2004 年，航空工業(yè)三零一所研制了一種CET2000 型綜合環(huán)境試驗(yàn)機(jī)[20-21]，該試驗(yàn)機(jī)可以控制溫度、濕度、雨水、光照、鹽霧、振動(dòng)等6個(gè)因素，遺憾的是在后來近20 年的發(fā)展中，該試驗(yàn)設(shè)備暫時(shí)還沒能得到廣泛應(yīng)用和進(jìn)一步推廣。另外，我國航空工業(yè)強(qiáng)度研究所仿制美國的麥金利試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室建造了飛機(jī)強(qiáng)度研究所氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)室于2012 年3 月立項(xiàng)批復(fù)，是我國規(guī)模最大、系統(tǒng)組成最復(fù)雜、模擬環(huán)境因素最多的大型綜合氣候環(huán)境實(shí)驗(yàn)室，具備進(jìn)行高溫、低溫、濕度/溫度、太陽輻射、淋雨、降雪、凍霧、凍雨/結(jié)冰和吹風(fēng)等典型氣候環(huán)境的試驗(yàn)?zāi)芰?，?biāo)志著我國裝備的室內(nèi)組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)?zāi)芰Φ玫搅藢?shí)質(zhì)性的發(fā)展。

3 組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)方法

3.1 國外環(huán)境試驗(yàn)方法發(fā)展

國外有關(guān)海洋大氣環(huán)境試驗(yàn)的方法主要有美軍810 系列標(biāo)準(zhǔn)、英國DEF STAN 00-35、ASTM G85標(biāo)準(zhǔn)等。其中，針對(duì)飛機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，美國空軍制定并應(yīng)用于F-18 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的涂層加速試驗(yàn)環(huán)境譜及試驗(yàn)程序，形成了最早的加速環(huán)境試驗(yàn)譜（CASS 譜）[22-24]，已成為國內(nèi)外學(xué)者后來制定裝備海洋大氣環(huán)境多因素組合/綜合試驗(yàn)及方法借鑒的基礎(chǔ)。另外，根據(jù)現(xiàn)有的研究資料顯示[25-26]，國外對(duì)于海洋大氣環(huán)境試驗(yàn)方法的研究多集中于對(duì)海洋大氣環(huán)境下涂層腐蝕的研究，并形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)的加速腐蝕試驗(yàn)方法，其中涵蓋了ASTM 系列標(biāo)準(zhǔn)，借鑒ISO 標(biāo)準(zhǔn)形成的Norsok M-501 標(biāo)準(zhǔn)，在ASTM 標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上更改形成的NACE TM0304 標(biāo)準(zhǔn)，以及在標(biāo)準(zhǔn)方法的基礎(chǔ)上基于試驗(yàn)本身形成的一些非標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法，其中包括了鹽霧試驗(yàn)、太陽輻射試驗(yàn)等多因素環(huán)境試驗(yàn)的組合/綜合試驗(yàn)方法，見表1。

表1 國外海洋大氣涂層加速腐蝕試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn) Tab.1 Accelerated corrosion test methods and standards for marine atmospheric coatings abroad

自20 世紀(jì)初期以來，根據(jù)裝備環(huán)境試驗(yàn)的發(fā)展需求，國外的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)方法在不斷修訂完善。以應(yīng)用最為廣泛的美軍標(biāo)MIL-STD-810F《環(huán)境工程考慮和實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)》為例，該軍用標(biāo)準(zhǔn)包括環(huán)境工程工作指南和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法2 部分，其中實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)方法包括24 種環(huán)境試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋了溫度、濕度、鹽霧、振動(dòng)、太陽輻射等多種單一環(huán)境因素試驗(yàn)方法和少數(shù)多種環(huán)境因素的試驗(yàn)方法。在環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展中，美軍標(biāo)MIL-STD-810 問世60 多年中，經(jīng)歷了8 次制修訂（具體見表2），從初始的60 多頁豐富到現(xiàn)在的800 多頁。該標(biāo)準(zhǔn)方法在歷年的更新中得到了進(jìn)一步的完善和發(fā)展，這成為國內(nèi)外環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的主要參考和借鑒，參照此標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)形成了GJΒ 150 和更新版GJΒ 150A 標(biāo)準(zhǔn)[27-28]。另外，英國國防部標(biāo)準(zhǔn)DEF STAN 00-35《國防裝備環(huán)境手冊(cè)》（第四版），于2006 年9 月18 日頒布，書中第2 部分“環(huán)境試驗(yàn)程序設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)方法”和第3 部分“環(huán)境試驗(yàn)方法”均成為各界學(xué)者研究環(huán)境試驗(yàn)方法的重要依據(jù)，促進(jìn)了國內(nèi)外環(huán)境試驗(yàn)的發(fā)展。

表2 MIL-STD 810 系列標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程 Tab.2 Development of MIL-STD 810 series standards

3.2 國內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)方法發(fā)展

在借鑒美國、日本和前蘇聯(lián)等國外環(huán)境工程研究的基礎(chǔ)上，我國裝備的海洋大氣環(huán)境適應(yīng)性研究實(shí)現(xiàn)了從無到有的發(fā)展，其中對(duì)于環(huán)境試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)的發(fā) 展則主要是國外試驗(yàn)方法、標(biāo)準(zhǔn)的引進(jìn)和沿用[29]。現(xiàn)階段國內(nèi)常用的環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)以國外發(fā)達(dá)國家的標(biāo)準(zhǔn)為藍(lán)本來進(jìn)行制修訂形成，并沒有完全形成由我國獨(dú)立自主研究的環(huán)境試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)。例如較為常用的 GJΒ 150A 則是根據(jù)810 系列標(biāo)準(zhǔn)翻譯而來，基本等效美軍標(biāo)MIL-STD-810F《環(huán)境試驗(yàn)方法和工程導(dǎo)則》中相應(yīng)部分；1991 年形成的GJΒ 1217 《電連接器試驗(yàn)方法》，涵蓋了溫度、濕度、鹽霧等試驗(yàn)方法，但該方法也主要是在1977 年的美軍標(biāo)MIL-STD-1344A《電連接器試驗(yàn)方法》的基礎(chǔ)上翻譯和借鑒形成，2009 年修訂并形成了GJΒ 1217A 版本；GJΒ 4239《裝備環(huán)境工程通用要求》的形成也是綜合借鑒了810F、0035 手冊(cè)和GJΒ 450 等為基礎(chǔ)的。

研究表明[30]，目前國內(nèi)已經(jīng)形成的環(huán)境試驗(yàn)方法基本是依托具體的試驗(yàn)對(duì)象來建立，與國外相似，均以涂層為對(duì)象的研究最為廣泛。已有的資料顯示[26]，國外環(huán)境試驗(yàn)組合/綜合試驗(yàn)方法主要有標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)形式，如 ASTM 系列、Norsok M-501、NACE TM0304 標(biāo)準(zhǔn)等。這些標(biāo)準(zhǔn)主要從裝備在實(shí)際服役過程中的工況和服役中所經(jīng)歷的海洋大氣環(huán)境因素來進(jìn)行組合，并根據(jù)具體的試驗(yàn)效果開展數(shù)據(jù)對(duì)比后，以此為依據(jù)來進(jìn)行適當(dāng)?shù)募舨玫?，為國?nèi)的海洋大氣組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)方法的發(fā)展提供了借鑒和研究基礎(chǔ)。遺憾的是，由于組合/綜合試驗(yàn)方法設(shè)計(jì)的環(huán)境因素較多，且在無特定的試驗(yàn)對(duì)象和試驗(yàn)?zāi)康牡惹闆r下，國內(nèi)學(xué)者目前對(duì)于該種方法的研究并沒有形成一套相對(duì)系統(tǒng)的理論和方法原則。

4 結(jié)語

綜上所述，隨著我國軍事向深海遠(yuǎn)海的推進(jìn)，對(duì)海洋大氣環(huán)境下使用的裝備提出了更高的要求，且針對(duì)長(zhǎng)期服役于多海洋環(huán)境因素下的裝備易產(chǎn)生復(fù)雜的環(huán)境效應(yīng)，依然沒有形成系統(tǒng)的組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)方法，因此提出了以下展望：

1）影響裝備在海洋大氣環(huán)境中發(fā)生失效和故障的因素較多，基于裝備在海洋大氣主要環(huán)境因素及其組合分析可進(jìn)一步加強(qiáng)裝備環(huán)境效應(yīng)研究。

2）目前國內(nèi)外均沒有系統(tǒng)的裝備在海洋大氣環(huán)境中多因素組合/綜合試驗(yàn)方法，為適應(yīng)裝備在海洋大氣復(fù)雜環(huán)境中的適應(yīng)性考核，需加強(qiáng)對(duì)多種環(huán)境因素組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)方法的研究。

3）國內(nèi)環(huán)境試驗(yàn)及方法的研究較國外晚，且主要以引進(jìn)和沿用為主，為了適應(yīng)裝備在本國的服役環(huán)境，應(yīng)學(xué)習(xí)和借鑒國外試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)的研究成果，同時(shí)結(jié)合自身特色形成相應(yīng)的組合/綜合環(huán)境試驗(yàn)方法。