某產(chǎn)品大氣腐蝕環(huán)境因素監(jiān)測與環(huán)境數(shù)據(jù)應(yīng)用模式研究

劉聰，李思蓓，李旭，周堃，吳帥，王莞，王曉輝，郭贊洪，孫有美,4

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 401329；2.環(huán)境效應(yīng)與防護(hù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 401329；3.四川大學(xué)，成都 610065；4.海南萬寧大氣環(huán)境材料腐蝕國家野外科學(xué)觀測研究站，海南 萬寧 571522）

服役環(huán)境條件及環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)對產(chǎn)品壽命期內(nèi)性能及功能存在重要影響[1-7]，是產(chǎn)品論證、設(shè)計(jì)、研制及試驗(yàn)考核的重要基礎(chǔ)[8]。結(jié)合壽命期環(huán)境剖面，全面、系統(tǒng)、準(zhǔn)確地監(jiān)測其各環(huán)節(jié)主要影響因素，是挖掘環(huán)境數(shù)據(jù)應(yīng)用價(jià)值的前提。我國相關(guān)部門和單位在環(huán)境因素?cái)?shù)據(jù)監(jiān)測和環(huán)境條件分析上持續(xù)投入，已形成GB/T 4798《電工電子產(chǎn)品環(huán)境條件》[9]、GJB 1172《軍用設(shè)備氣候極值》[10]、GJB 8894《自然環(huán)境因素測定方法》[11]等系列指導(dǎo)環(huán)境條件分析以及環(huán)境因素觀測的標(biāo)準(zhǔn)，為我國各行業(yè)產(chǎn)品在自然環(huán)境因素監(jiān)測規(guī)范化和全壽命周期環(huán)境適應(yīng)性提升提供了支撐。但由于我國針對產(chǎn)品服役環(huán)境的監(jiān)測起步晚、積累少，僅開展過高速列車動態(tài)服役環(huán)境腐蝕在線監(jiān)測[12]、海上風(fēng)電機(jī)組服役環(huán)境條件監(jiān)測方案[13]等研究，依然存在著產(chǎn)品類型和監(jiān)測因素覆蓋不全面的問題，對于部分服役環(huán)境條件較特殊的重要產(chǎn)品，有必要在環(huán)境監(jiān)測與數(shù)據(jù)應(yīng)用方面提供更多定制服務(wù)。

某產(chǎn)品長期貯存、運(yùn)行于熱帶沿海庫房或封閉艙室內(nèi)，根據(jù)熱帶海洋大氣環(huán)境特征[14-16]，該產(chǎn)品可能經(jīng)受高溫、高濕以及鹽霧等環(huán)境因素的綜合作用，對其可靠性及使用壽命存在影響。因該產(chǎn)品價(jià)值昂貴、可靠性要求高，研制單位及使用部門對其服役環(huán)境條件特別是腐蝕危害極為關(guān)注。本文以某產(chǎn)品服役環(huán)境為對象，對其關(guān)鍵場所的主要腐蝕環(huán)境因素進(jìn)行為期3 a的系統(tǒng)監(jiān)測，挖掘、探討環(huán)境數(shù)據(jù)的應(yīng)用模式，通過監(jiān)測分析得到的溫度、相對濕度、鹽霧變化規(guī)律，為本型產(chǎn)品的維護(hù)保養(yǎng)及后續(xù)產(chǎn)品的改進(jìn)升級提供環(huán)境數(shù)據(jù)支撐。研究思路可為類似產(chǎn)品的環(huán)境監(jiān)測及數(shù)據(jù)應(yīng)用定制服務(wù)提供參考。

1 腐蝕環(huán)境因素監(jiān)測

1.1 監(jiān)測場所、點(diǎn)位和監(jiān)測項(xiàng)目

根據(jù)某產(chǎn)品壽命期環(huán)境剖面，其在廠房生產(chǎn)組裝和裝箱運(yùn)輸階段，嚴(yán)格控制溫度、濕度、空氣潔凈度，環(huán)境條件理想，且這一階段占壽命期比例少，腐蝕影響可忽略。因此，監(jiān)測場所定為其服役時(shí)具有潛在腐蝕危害的熱帶沿海庫房、艙室以及短期戶外暴露區(qū)。

監(jiān)測點(diǎn)位綜合考慮環(huán)境代表性和區(qū)域重要性，需覆蓋環(huán)境條件較優(yōu)處（密閉性好、空調(diào)保障到位）、較劣處（與戶外空氣對流頻繁、空調(diào)保障困難）；需包括精密設(shè)備較多處、產(chǎn)品暴露時(shí)間較長處。根據(jù)這一原則，在某產(chǎn)品壽命期經(jīng)歷的熱帶沿海庫房、艙室、戶外共選取了近30個(gè)測量點(diǎn)位。

某產(chǎn)品服役環(huán)境化學(xué)排放少。監(jiān)測項(xiàng)目為3項(xiàng)影響其腐蝕的主要環(huán)境因素：溫度、相對濕度、鹽霧。

1.2 監(jiān)測方法

1.2.1 溫度、相對濕度監(jiān)測方法

采用UX100-011溫濕度記錄儀，監(jiān)測儀器經(jīng)計(jì)量檢定合格，且在有效期內(nèi)，采集頻次為每10 min 1次。溫度量程為–20～70 ℃，精度為±0.21 ℃（0～50 ℃）。相對濕度量程為1%～95%，精度為±2.5%（1%～90%）。

1.2.2 鹽霧監(jiān)測方法

鹽霧監(jiān)測參數(shù)包括濃度和沉積速率，為準(zhǔn)確監(jiān)測庫房、艙室復(fù)雜氣氛中的微量鹽霧，需借鑒其他領(lǐng)域先進(jìn)方法對現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)方法改進(jìn)[17-18]。

1）鹽霧濃度監(jiān)測。樣本采集參照GB/T 10593.2[19]溶液富集法，以0.5 L/min流量采樣60 min，獲鹽霧濃度樣本。樣本分析參照HJ 549離子色譜法[20]。該方法原理先進(jìn)、操作簡單，對溶液中氯離子的檢出限達(dá)到0.2 μg/10 mL，相比GB/T 10593.2、WJ 2360[21]、ISO 9225[22]等現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)推薦的汞液滴定法和分光光度法低1個(gè)數(shù)量級，適用于鹽霧含量較低的內(nèi)陸地區(qū)或室內(nèi)環(huán)境。

2）鹽霧沉積速率監(jiān)測。采樣方法參照WJ 2360標(biāo)準(zhǔn)掛片法，樣品同樣采用離子色譜法分析。

1.2.3 監(jiān)測時(shí)機(jī)

1）正常工況監(jiān)測。溫度、相對濕度為持續(xù)監(jiān)測。鹽霧監(jiān)測考慮季節(jié)影響，每個(gè)季度擇期開展至少1個(gè)周期，每個(gè)周期各點(diǎn)位鹽霧濃度監(jiān)測2～3 d，每天9:00和16:00各測1次，單次采樣60 min。每個(gè)周期監(jiān)測鹽霧沉積速率1次，連續(xù)采樣30 d[23]。

2）模擬空調(diào)故障狀態(tài)監(jiān)測。某產(chǎn)品所處艙室中空調(diào)有備份系統(tǒng)，可靠性極高，不考慮空調(diào)故障影響。對庫房環(huán)境，在溫度條件相對嚴(yán)酷的5月、7月，在大型庫房、小型庫房，分別關(guān)閉空調(diào)10 d?？照{(diào)關(guān)閉前3 d、關(guān)閉期間、重啟后3 d，溫度、濕度持續(xù)監(jiān)測，鹽霧濃度每天采集2次。鹽霧沉積速率在空調(diào)關(guān)閉前、關(guān)閉期間、重啟后分別采樣10 d。

3）戶外不涉及使用空調(diào)，參考正常工況監(jiān)測時(shí)機(jī)。

2 測量結(jié)果與討論

2.1 溫度、相對濕度測量結(jié)果

2.1.1 艙室溫度、相對濕度

測量期間艙室空調(diào)均保持開啟，艙室各點(diǎn)溫度在20～25 ℃小幅波動，平均溫度約22.8 ℃。相對濕度均在45%～65%小幅波動，平均相對濕度約52%。

2.1.2 庫房溫度、相對濕度

1）正常工況。庫房內(nèi)正常工況下，各點(diǎn)溫度在20～25 ℃小幅波動，平均溫度約23.2 ℃，絕大部分點(diǎn)位相對濕度在50%～70%。試驗(yàn)人員進(jìn)出庫房開展試驗(yàn)時(shí)，庫房大門打開，與戶外存在短期空氣交換，此期間濕度在75%～80%。

2）空調(diào)故障狀態(tài)。庫房內(nèi)空調(diào)狀態(tài)對溫度的影響較小，關(guān)閉空調(diào)后，各房間氣溫略有上升，但均穩(wěn)定在25 ℃以下。相對濕度波動較大，如圖1所示。某小型庫房關(guān)閉空調(diào)后，相對濕度在3 h內(nèi)從55%左右迅速上升至75%以上，在96 h后上升至80%左右，期間最高可達(dá)84%?？照{(diào)重啟后，庫房相對濕度在3 h內(nèi)恢復(fù)正常水平，并在55%～65%波動。大型庫房相對濕度變化稍緩，相對濕度90 h內(nèi)從40%升高到70%，隨后穩(wěn)定在73%～75%，空調(diào)重啟后3 h內(nèi)可恢復(fù)正常水平。

圖1 某小型庫房不同空調(diào)狀態(tài)下的溫濕度變化Fig.1 Temperature and humidity changes in a small warehouse under different air conditioning

2.1.3 戶外溫濕度

某產(chǎn)品戶外暴露區(qū)域全年氣溫較高，年均氣溫達(dá)25 ℃，最高氣溫35.8 ℃，單日35 ℃以上氣溫持續(xù)時(shí)間可達(dá)3h。年均相對濕度達(dá)80%，相對濕度超過90%的時(shí)間比例達(dá)到1 800 h。

2.2 鹽霧測量結(jié)果

各區(qū)域鹽霧測量結(jié)果見表1。

表1 各區(qū)域鹽霧測量結(jié)果Tab.1 Measurement results of salt spray in each area

在正常工況下，3個(gè)測量區(qū)域內(nèi)，戶外的氯離子濃度值、氯離子沉積速率最高。其次，庫房的氯離子濃度值較5艙室略高，氯離子沉積速率較5艙室顯著偏小。這是因?yàn)閼敉鈪^(qū)域靠海，鹽霧顆粒可直接擴(kuò)散于戶外的空氣中，相比于密閉的庫房以及艙室環(huán)境，氯離子濃度更高，加上戶外溫度高、濕度大，氯離子沉積速率更大[24]。在模擬空調(diào)故障的情況下，庫房溫度、相對濕度升高，氯離子濃度值和氯離子沉積速率有明顯增大。

按JJF 1059.1[25]對測量方法的不確定度進(jìn)行評估，氯離子濃度測量結(jié)果的相對擴(kuò)展不確定度U=33.8%（k=2）。氯離子沉積速率測量結(jié)果的相對擴(kuò)展不確定度U=7.0%（k=2）。

2.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用模式

2.3.1 環(huán)境符合性評估

某產(chǎn)品正常工況下溫度、相對濕度均控制在要求范圍內(nèi)。鹽霧中氯離子濃度最大值較系統(tǒng)要求的2 mg/m3低1個(gè)數(shù)量級，考慮測量不確定度后依然滿足要求。庫房空調(diào)故障對溫度、氯離子濃度的影響較小，但相對濕度在空調(diào)故障期間短期超標(biāo)。

2.3.2 大氣腐蝕嚴(yán)酷度評估

按GB/T 19292.1[26-27]，某產(chǎn)品庫房及艙室貯存環(huán)境均屬于鹽霧污染最低的S0級，戶外暴露區(qū)域?yàn)辂}霧污染較低的S1級。庫房及艙室均屬于大氣腐蝕最輕微的C1級，戶外屬于大氣腐蝕等級中等的C3級。

2.3.3 環(huán)境控制要求制定

某產(chǎn)品服役環(huán)境中鹽霧水平低，溫度變化小，材料及器件的腐蝕主要受相對濕度控制。根據(jù)GB/T 19292.1中大氣腐蝕性等級分類，某產(chǎn)品服役時(shí)，為使大氣腐蝕性保持在低嚴(yán)酷度的C1，應(yīng)將年潤濕時(shí)間等級控制在τ1級（相對濕度80%以上時(shí)間低于10 h）。因此，須結(jié)合各點(diǎn)自身環(huán)境條件建立合理的空調(diào)使用、維護(hù)制度。環(huán)境條件較好、密閉性好的大型庫房有充分的維修時(shí)間，環(huán)境條件惡劣的小型庫房應(yīng)限制維修時(shí)間。根據(jù)圖1空調(diào)關(guān)閉時(shí)相對濕度隨時(shí)間變化的分析結(jié)果，每次維修時(shí)間不得超過4 d，即96 h。目前，該系統(tǒng)庫房空調(diào)極少發(fā)生故障，故障維修時(shí)間也符合要求。

2.3.4 環(huán)境試驗(yàn)方法研究

某產(chǎn)品鹽霧試驗(yàn)均參考艦船標(biāo)準(zhǔn)（GJB 4[28]）及通用標(biāo)準(zhǔn)（GJB 150A[29]）執(zhí)行，而實(shí)測環(huán)境條件大大優(yōu)于水面艦船及沿海戶外環(huán)境。為避免“過試驗(yàn)”的巨大耗費(fèi)，促進(jìn)新材料、新工藝的應(yīng)用，可考慮按以下步驟根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)對鹽霧試驗(yàn)方法進(jìn)行改進(jìn)。

1）編制溫度-相對濕度-鹽霧沉積速率三因素自然環(huán)境譜。根據(jù)某產(chǎn)品服役期間任務(wù)流程特點(diǎn)，按照最嚴(yán)酷的環(huán)境條件情況編制其溫度-相對濕度-鹽霧沉積速率三因素自然環(huán)境譜，見表2。

表2 某產(chǎn)品溫度-相對濕度-鹽霧沉積速率三因素自然環(huán)境譜Tab.2 Three-factor natural environment spectrum of temperature-relative humidity-salt spray deposition rate for a product

2）編制鹽霧-濕熱腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜。傳統(tǒng)的鹽霧試驗(yàn)方法是“持續(xù)高濃度噴霧-干燥”循環(huán)，適用于暴露于高含鹽量大氣中的產(chǎn)品。某產(chǎn)品的環(huán)境特點(diǎn)是低鹽霧水平下極短期高溫高濕、長期常溫低濕的綜合作用，主要表現(xiàn)為低濃度鹽溶液薄膜下的腐蝕。因此，可考慮采用“鹽霧預(yù)沉積-濕熱-干燥”的循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M其環(huán)境歷程。在此，以某產(chǎn)品碳鋼結(jié)構(gòu)件為例，按照1個(gè)試驗(yàn)循環(huán)等于實(shí)際環(huán)境譜下1 a的腐蝕當(dāng)量換算，對鹽霧-濕熱腐蝕試驗(yàn)環(huán)境譜進(jìn)行編制。

首先，根據(jù)實(shí)際環(huán)境譜中年沉積量將鹽霧預(yù)沉積量定為150 mg/m2。研究表明，低碳鋼在150 mg/m2的鹽沉積量下，試樣腐蝕電流與相對濕度的變化曲線如圖2所示，其腐蝕速率（以腐蝕探測電池電流計(jì)）與相對濕度符合式（1）所示關(guān)系（相關(guān)系數(shù)R2=0.978）[30]：

圖2 150 mg/m2鹽霧沉積試樣腐蝕電流與相對濕度的變化關(guān)系Fig.2 Relationship between corrosion current and relative humidity of 150 mg/m2 salt spray deposition samples

式中：I為碳鋼穩(wěn)態(tài)腐蝕電流，μA。

為獲得試驗(yàn)加速性，將濕度條件定為相對濕度95%，將各相對濕度區(qū)間的年小時(shí)數(shù)按腐蝕速率等當(dāng)量折算（見表2），年總計(jì)相當(dāng)于95%相對濕度下93.9 h。據(jù)此，可將高濕時(shí)間定為96 h，其中高溫高濕時(shí)間根據(jù)戶外暴露時(shí)間定為8 h，常溫高濕88 h。試驗(yàn)流程如圖3所示，試驗(yàn)參數(shù)見表3。

表3 某產(chǎn)品碳鋼結(jié)構(gòu)件鹽霧-濕熱腐蝕試驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Carbon steel structure salt spray – hot and humid corrosion test parameters of a product

圖3 鹽霧-濕熱腐蝕試驗(yàn)Fig.3 Salt spray-hot and humid corrosion test: a) test program of GJB 150A[29]; b) test program proposed

3 結(jié)論

1）針對某產(chǎn)品關(guān)鍵場所監(jiān)測得到的溫度、相對濕度、鹽霧數(shù)據(jù)，在“環(huán)境符合性評估”“大氣腐蝕性嚴(yán)酷度評估”“環(huán)境控制要求制定”以及“環(huán)境試驗(yàn)方法研究”方面具有應(yīng)用前景。

2）某產(chǎn)品正常工況下庫房與艙室內(nèi)溫度、相對濕度、氯離子濃度均滿足其環(huán)境條件要求?？照{(diào)故障下相對濕度可在短時(shí)間超標(biāo)，特別是小型庫房空調(diào)故障后，每次維修時(shí)間不得超過96 h。

3）某產(chǎn)品庫房及艙室均屬于大氣腐蝕最輕微的C1級，戶外屬于大氣腐蝕等級中等的C3級。

4）可參考“鹽霧預(yù)沉積-濕熱-常溫高濕-干燥”的循環(huán)試驗(yàn)?zāi)M某產(chǎn)品環(huán)境歷程。對于低碳鋼結(jié)構(gòu)件，1個(gè)試驗(yàn)循環(huán)（120 h）相當(dāng)于實(shí)際環(huán)境下1 a。