極地裝備環(huán)境試驗(yàn)的思考

孫 偉 傅學(xué)慶 孟大禹

（海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018）

0 引 言

北極地區(qū)是指北緯66°34′北極圈以內(nèi)的區(qū)域，中心是浮冰覆蓋的北冰洋，周圍的歐亞大陸、北美大陸與格陵蘭島將北冰洋圍成“地中?！?。北極地區(qū)氣候惡劣、終年嚴(yán)寒且多暴雪烈風(fēng)，但油氣資源豐富。北極原油儲(chǔ)量達(dá)900 億桶，占全球13%；天然氣儲(chǔ)量超過47 萬億m3，占全球30%[1]。隨著全球氣候變暖， 北冰洋海冰融化的速度不斷加快，經(jīng)由北冰洋的北極航道可通航窗口期不斷延長(zhǎng)，將大幅節(jié)省跨洲航行的時(shí)間和成本。這不僅會(huì)改變世界航運(yùn)格局，還可能大幅提升北極地區(qū)的戰(zhàn)略地位，并引起全球地緣政治格局的變化。

我國(guó)在地理位置上雖不屬于北極國(guó)家的范疇，但仍是北極事務(wù)的重要利益攸關(guān)方。2018年1月，國(guó)務(wù)院新聞辦公室發(fā)布的《中國(guó)的北極政策》白皮書中指出：中國(guó)在地緣上是近北極國(guó)家，北極的自然狀況及其變化對(duì)中國(guó)的氣候系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境有著直接影響，進(jìn)而關(guān)系到中國(guó)在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)和海洋等領(lǐng)域的經(jīng)濟(jì)利益[2]。北極航道的開通和利用將大大縮短我國(guó)與歐洲、北美等國(guó)的貿(mào)易航運(yùn)距離，未來北極地區(qū)將會(huì)對(duì)我國(guó)的地緣安全和海外利益產(chǎn)生重大影響。

要參與北極地區(qū)的資源開發(fā)，更好地利用北極航道，保護(hù)我國(guó)在北極地區(qū)的利益，需大力發(fā)展極地裝備與技術(shù)。目前，以美俄為代表的北極圈國(guó)家正積極發(fā)展極地裝備，主要以船舶、監(jiān)視和通信裝備為主[3]。極地船舶是專門在極區(qū)海域內(nèi)進(jìn)行海洋科考活動(dòng)的專業(yè)海洋調(diào)查船，擁有結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大、破冰能力強(qiáng)、極區(qū)適航性突出以及續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)[4]。極地監(jiān)視、通信等裝備環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，具備高耐寒性、防風(fēng)性能好等優(yōu)勢(shì)。在極地環(huán)境中，服役裝備要經(jīng)受低溫、積冰、氯離子和微生物等多種因素影響，失效情況非常嚴(yán)重。我國(guó)在建造新一代極地裝備時(shí)，必須注重環(huán)境試驗(yàn)，確保極地裝備的可靠性。

1 各國(guó)極地裝備發(fā)展情況

北極地區(qū)的油氣、航道資源具備重大開發(fā)價(jià)值。俄羅斯是北極油氣開發(fā)的主要推動(dòng)者，其國(guó)家戰(zhàn)略視北極為能源戰(zhàn)略基地[5]，挪威、加拿大等國(guó)也已在北極建立油田[6]。北極航道是連接?xùn)|亞地區(qū)與歐洲國(guó)家的最短海上運(yùn)輸通道（如圖1 所示），對(duì)于貿(mào)易安全和供應(yīng)鏈穩(wěn)定的價(jià)值在不斷上升。

圖1 北極航線示意圖

美國(guó)、俄羅斯和歐洲等近北極國(guó)家和地區(qū)，正積極布局極地裝備，全面構(gòu)建極地監(jiān)視、通信及破冰航行能力，提升極地科學(xué)考察、商業(yè)航運(yùn)及資源開發(fā)能力，保障其未來在北極地區(qū)的資源開發(fā)活動(dòng)[7]。各國(guó)極地裝備具體發(fā)展情況如表1 所示。

表1 各國(guó)極地裝備發(fā)展情況

目前，我國(guó)極地觀測(cè)/勘測(cè)、通信裝備匱乏，并且能力不足，對(duì)極地的認(rèn)識(shí)尚不能滿足極地開發(fā)利用與保護(hù)的需求。因此，亟需研發(fā)極區(qū)海洋環(huán)境觀測(cè)、航行與資源勘探裝備，提升認(rèn)識(shí)極地的能力，為極地的可持續(xù)開發(fā)利用提供保障[2]。

2 極地環(huán)境對(duì)裝備的影響

極地環(huán)境惡劣且復(fù)雜多變，服役的極地裝備要經(jīng)受低溫、積冰/凍雨、氯離子和微生物等自然環(huán)境因素影響，裝備失效情況非常嚴(yán)重。

低溫幾乎對(duì)所有的基體材料都有一定影響，低溫條件導(dǎo)致極地裝備產(chǎn)生的常見問題包括：

（1）材料的硬化和脆化；

（2）異種材料制成的零件因溫度降低時(shí)收縮率不同，導(dǎo)致零件咬死、干涉；

（3）潤(rùn)滑油之類的流體在低溫下流動(dòng)性降低、黏度增加，潤(rùn)滑作用有所降低；

（4）減震系統(tǒng)剛性增加，影響減震效果；

（5）密閉空間內(nèi)壓力降低，導(dǎo)致某些部件受壓不均或承受負(fù)壓，密閉空間內(nèi)的相對(duì)濕度會(huì)大幅上升等。

積冰/凍雨環(huán)境可能導(dǎo)致裝備產(chǎn)生以下影響：

（1）運(yùn)動(dòng)部件凍結(jié)在一起；

（2）增加雷達(dá)天線、氣動(dòng)控制表面和直升機(jī)旋翼的質(zhì)量；

（3）引起結(jié)構(gòu)故障；

（4）降低冷卻系統(tǒng)或過濾器中的氣流效率；

（5）因使用機(jī)械、人工或化學(xué)除冰方法，對(duì)裝備帶來可能的損害來源；

（6）降低氣動(dòng)提升和控制表面效率；

（7）影響電磁輻射傳輸。

極地地區(qū)鹽霧分布廣泛，大氣、海水中含有大量的鈉離子、氯離子，當(dāng)濃度和溫度達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)對(duì)金屬材料造成嚴(yán)重腐蝕。腐蝕一般有3 種形式：

（1）電化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕；

（2）加速應(yīng)力腐蝕；

（3）鹽在水中電離后形成的酸/堿溶液，造成腐蝕。

此外，裝備的電氣、物理特性也會(huì)受鹽霧影響：

（1）鹽的沉積使電氣功能失常；

（2）產(chǎn)生導(dǎo)電層；

（3）降低絕緣材料的絕緣電阻和增大電接觸元件的壓降；

（4）鹽的沉積使機(jī)械部件及組合件活動(dòng)部分阻塞或卡死；

（5）由于電解作用導(dǎo)致漆層起泡。

極地低溫微生物腐蝕的機(jī)理十分復(fù)雜，具有獨(dú)特的影響因素，如抗凍蛋白、胞外多糖和細(xì)菌色素的參與，或與極地外部條件的耦合等，都會(huì)使材料的腐蝕機(jī)理更加復(fù)雜。焊縫是裝備最薄弱環(huán)節(jié)，尤其是微生物對(duì)焊縫的腐蝕可導(dǎo)致腐蝕速率最高增加1 000 倍[8]。微生物環(huán)境對(duì)裝備的影響主要有：

（1）降低絕緣材料的電性能；

（2）造成電子或電氣產(chǎn)品失靈；

（3）破壞密封，尤其焊縫更易被腐蝕；

（4）使金屬件腐蝕；

（5）破壞有機(jī)涂層。

3 極地裝備環(huán)境試驗(yàn)

環(huán)境試驗(yàn)是為了保證極地裝備在規(guī)定的壽命期內(nèi)，在預(yù)期的使用、運(yùn)輸和貯存等所有環(huán)境下保持功能可靠性而進(jìn)行的活動(dòng)。在環(huán)境試驗(yàn)中，可將極地裝備暴露在自然的或人工的環(huán)境條件下經(jīng)受其作用，以評(píng)價(jià)極地裝備在實(shí)際使用、運(yùn)輸和貯存等環(huán)境條件下的性能，并分析研究環(huán)境因素對(duì)極地裝備的影響程度及作用機(jī)制。極地裝備應(yīng)當(dāng)根據(jù)GJB 4239-2001《裝備環(huán)境工程通用要求》、GJB 150A-2009《軍用裝備實(shí)驗(yàn)室環(huán)境試驗(yàn)方法》等標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，并結(jié)合裝備在使用、運(yùn)輸和貯存期間環(huán)境剖面開展環(huán)境試驗(yàn)。

3.1 低溫試驗(yàn)

低溫試驗(yàn)對(duì)極地裝備而言必不可少。開展低溫試驗(yàn)的目的是考核極地裝備在低溫條件下貯存、工作及拆裝操作的適應(yīng)性，深入了解低溫條件對(duì)極地裝備工作性能、安全性及完整性的影響。

試驗(yàn)溫度的確定，由裝備使用地域的氣候條件和暴露條件決定。表2 列出了世界范圍內(nèi)的低溫循環(huán)范圍摘要，表3 列出了低溫極值出現(xiàn)的概率。

表2 低溫循環(huán)范圍摘要

表3 低溫極值出現(xiàn)概率

雖然低溫環(huán)境通常是周期變化的，但多數(shù)情況下只進(jìn)行恒定低溫試驗(yàn)。除非在設(shè)計(jì)評(píng)估時(shí)認(rèn)為裝備暴露于低溫變化環(huán)境下的性能非常關(guān)鍵，才選用循環(huán)低溫試驗(yàn)。由于極地裝備常用于極地地區(qū)貯存和工作，需要同時(shí)參考表1 和表2，因?yàn)閮H僅考慮低溫極值而不考慮概率，可能會(huì)造成過試驗(yàn)條件。溫度還與產(chǎn)品貯存與工作狀態(tài)下的暴露條件有關(guān)，完全暴露、有遮擋、密封艙內(nèi)等環(huán)境直接影響其環(huán)境條件，這些因素也要詳加考慮。試驗(yàn)時(shí)間與裝備實(shí)際使用的環(huán)境條件相關(guān)，也與裝備自身特點(diǎn)相關(guān)。如無特殊要求，極地裝備的低溫貯存試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為24 h，低溫工作試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為2 h。

3.2 積冰/凍雨試驗(yàn)

積冰/凍雨試驗(yàn)主要適用于地面或艦船裝備受到積冰/凍雨（主要是雨冰）的影響。對(duì)于暴露在由凍雨或細(xì)雨產(chǎn)生的積冰條件下的裝備，以及由海水濺沫或霧狀物而引起冰積聚的裝備，必須進(jìn)行積冰/凍雨試驗(yàn)，以考核裝備能否耐受積冰/凍雨環(huán)境并在該環(huán)境下工作，或者驗(yàn)證裝備自身消除積冰和預(yù)防凍雨措施的有效性。

積冰/凍雨試驗(yàn)在試驗(yàn)箱內(nèi)進(jìn)行，采用輔助儀器來控制試驗(yàn)條件，例如試驗(yàn)溫度、降水速率、水滴尺寸和積冰厚度等。試驗(yàn)溫度用于產(chǎn)生所要求的環(huán)境條件，包括試驗(yàn)箱的溫度、水溫和試件溫度。試驗(yàn)箱和水的溫度應(yīng)按不同尺寸的試件進(jìn)行調(diào)整，以防水滴在與試件接觸前過早地結(jié)冰；為了允許水在結(jié)冰前滲入裂口、接縫等，不應(yīng)采用0 ℃以下的初始試件溫度。GJB 150.22A 中推薦的試驗(yàn)箱溫度為 -10 ℃，水溫為0 ～ 3℃，試件初始溫度不應(yīng)低于 0 ℃?？刹捎媚墚a(chǎn)生純凈、均勻雨冰層的任何降水速率，GJB 150.22A 中建議采用25 mm/h 的降水速率。對(duì)于不同試件，可以使水滴直徑在1.0 ～ 1.5 mm 范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣會(huì)產(chǎn)生需要的結(jié)冰。積冰厚度在GJB 150.22A-2009 中的推薦值見表4。

表4 GJB 150.22A-2009 積冰厚度

積冰/凍雨試驗(yàn)應(yīng)考慮裝備用途和壽命周期環(huán)境來確定試驗(yàn)條件。GJB 150.22A 中根據(jù)裝備的工作目的和壽命周期選擇程序的可變部分（冰的形成方式和冰的類型）。

標(biāo)準(zhǔn)中提供了4 種冰的形成方式和2 種冰的類型，見表5。

表5 GJB 150.22A 中提供的冰的形成方式和類型

試驗(yàn)前后對(duì)裝備的功能、性能要仔細(xì)檢查。如果裝備確定必須在不除冰環(huán)境中工作，則必須在不除冰條件下檢查裝備工作性能，否則可以除冰后再檢查，并注意除冰過程中是否對(duì)裝備造成了傷害。

3.3 鹽霧試驗(yàn)

鹽霧試驗(yàn)主要是為考核裝備耐鹽霧環(huán)境的能力。通過試驗(yàn)來確定產(chǎn)品保護(hù)層或裝飾層材料選擇的正確性，檢測(cè)評(píng)估鹽沉積物對(duì)裝備物理和電氣性能的影響，定位潛在問題區(qū)域，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量控制缺陷和設(shè)計(jì)缺陷等。

鹽溶液的濃度一般取5%±1%，務(wù)必注意用水質(zhì)量。鹽霧試驗(yàn)采用噴霧和干燥循環(huán)的方式進(jìn)行，噴鹽霧24 h、干燥24 h，2 種狀態(tài)交替進(jìn)行，共進(jìn)行96 h（2 個(gè)噴霧階段和2 個(gè)干燥階段），如果有特殊要求或需要加嚴(yán)考核，可以適當(dāng)延長(zhǎng)。噴霧階段的試驗(yàn)溫度為35 ℃±2 ℃，如有特殊要求，則可使用其他適合的溫度。鹽霧沉降率可通過試驗(yàn)箱（室）進(jìn)行調(diào)節(jié)，每個(gè)收集器在80 cm2的水平收集區(qū)內(nèi)（直徑10 cm）的收集溶液量為1 ～ 3 mL/h。

試驗(yàn)后應(yīng)分別從腐蝕、電氣和物理檢查結(jié)果3個(gè)方面進(jìn)行鹽霧試驗(yàn)結(jié)果綜合分析，最終確定裝備耐鹽霧環(huán)境的能力，具體如表6 所示。

表6 鹽霧試驗(yàn)結(jié)果分析方法

3.4 微生物腐蝕試驗(yàn)

微生物腐蝕試驗(yàn)的目的是考核裝備耐微生物環(huán)境的能力，包括裝備材料是否會(huì)腐蝕。如果腐蝕，速度如何、裝備性能是否會(huì)受到影響、腐蝕以后有沒有簡(jiǎn)單的處理辦法等，這些問題的確定有助于在裝備設(shè)計(jì)時(shí)選擇合適的材料或者合適的耐微生物環(huán)境防腐方法。

試驗(yàn)條件有2 個(gè)重要因素：試件在微生物腐蝕環(huán)境中的暴露時(shí)間以及微生物的菌種類別。前者應(yīng)以裝備實(shí)際使用條件來確定，但由于腐蝕過程比較漫長(zhǎng)，不適合在試驗(yàn)室開展試驗(yàn)。根據(jù)GJB 150A-2009 規(guī)定，最短持續(xù)時(shí)間28 d，根據(jù)要求和需要可以延長(zhǎng)至84 d。菌種類別的選擇與裝備材料直接相關(guān)，不同的菌種對(duì)同一材料的侵蝕能力不同。因此，菌種的選擇要考慮產(chǎn)品材料特性，選擇影響最為惡劣的菌種來進(jìn)行試驗(yàn)。嗜冷菌在極地地區(qū)分布廣泛，對(duì)各種材料的降解顯著，極地裝備微生物腐蝕試驗(yàn)一般選用此菌種。

試驗(yàn)時(shí)，測(cè)試溫度應(yīng)在4 ℃±1 ℃范圍內(nèi)；腐蝕試驗(yàn)試劑選用3.5%NaCl（70%）+2216E 含菌培養(yǎng)液（30%）；含菌培養(yǎng)液推薦養(yǎng)料嗜冷桿菌，25 ℃搖床 （120 r/min）培養(yǎng)24 h，細(xì)菌含量1×106cfu/mL， 也可以根據(jù)實(shí)際海域選用其他典型腐蝕性細(xì)菌； pH 為7.4 ～ 7.6。紫外線滅菌后的試樣放入400 mL 溶液中，連續(xù)浸泡（7 d 為1 個(gè)周期），也可根據(jù)特殊條件要求延長(zhǎng)浸泡時(shí)間，將容器用0.22 μm 微孔封口膜密封。當(dāng)試樣浸泡時(shí)間超出14 d，建議更換新鮮的含菌溶液（整個(gè)換液過程在生物安全柜中完成）。對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的分析包括：失重分析、點(diǎn)蝕分布表征和腐蝕速率計(jì)算等。

4 結(jié) 語

極地裝備是完成極地科考與開發(fā)，維護(hù)我國(guó)在北極地區(qū)利益的依托和保障。本文闡述了我國(guó)發(fā)展極地裝備的緊迫性，梳理了北極地區(qū)低溫、積冰/凍雨、鹽霧和微生物等惡劣環(huán)境對(duì)裝備的影響，論述了極地裝備開展相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)的條件、要求及注意事項(xiàng)。極地地區(qū)的環(huán)境復(fù)雜多變，各種環(huán)境因素對(duì)裝備具有耦合作用，環(huán)境試驗(yàn)應(yīng)盡量達(dá)到多因素同時(shí)作用的情況。本文僅從極地自然環(huán)境角度思考了裝備環(huán)境試驗(yàn)，然而，裝備及材料在低溫、冰載荷等因素作用下的硬度、強(qiáng)度、抗沖擊韌性、疲勞性能和冰載荷摩擦等力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)也要重點(diǎn)關(guān)注，并按照環(huán)境試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)開展試驗(yàn)。因此，后續(xù)應(yīng)進(jìn)一步開展極地地區(qū)環(huán)境條件研究，更新極地裝備環(huán)境試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，加強(qiáng)極地裝備環(huán)境試驗(yàn)測(cè)試研究，為突破極地裝備研制關(guān)鍵點(diǎn)和技術(shù)瓶頸服務(wù)。