萬寧濱海與西沙群島大氣腐蝕性對比研究

唐其環，李軍念 ，代紅

（1.中國兵器工業第五九研究所，重慶 400039；2.重慶市環境腐蝕與防護工程技術研究中心，重慶 400039）

西沙群島是我國南海四大群島之一，有大量的鋼結構設施，對大氣腐蝕性的評估有著急迫的需求。萬寧試驗站地處海南島東部海邊，幾十年來，開展了大量的自然環境試驗，積累了大量的工藝、材料、產品的海洋大氣環境適應性數據，應用這些數據可為腐蝕性不強于萬寧試驗站的地區解決產品環境適應性的相關問題。文中采用環境因素法、標準金屬法比較分析了兩地的大氣腐蝕性，同時結合多種工藝材料在兩地的腐蝕情況對評定結果加以驗證。

1 地理環境

西沙群島由永樂群島和宣德群島組成，位于北緯15°40′到17°10′、東經111°到113°，共有22 個島嶼、7 個沙洲、10 多個暗礁暗灘，海域 30 000余平方千米。永興島和珊瑚島分屬于永樂群島和宣德群島，國家氣象局在此建有氣象站。圖1 為永興島，該島距三亞榆林港和文昌清瀾港均為330 km，面積為2.1 km2，是西沙群島中最大的島嶼，島上建有各種設施。珊瑚島位于永興島西南40 n mile，面積為0.31 km2。

圖1 永興島Fig.1 Yongxing island

萬寧試驗站位于海南島東線中部，臨海。海南島面積為32 200 km2。海拔100 m 以下的臺地、平原占全島總面積的2/3，主要分布在北部和沿海，地勢由西南向東北傾斜，東北部地勢平坦，多屬于平原，海拔在50 m 以下。萬寧試驗站位置如圖2所示。

圖2 萬寧試驗站位置Fig.2 Location of Wanning test station

2 環境因素法對比分析

根據ISO 9223 標準[1]，可采用潤濕時間、空氣中二氧化硫和氯離子沉積速率評估大氣的腐蝕等級。由于西沙群島沒有氯離子沉積速率數據，只有氯離子含量數據，難以采用環境因素法評出該地區的絕對大氣腐蝕等級，但可以通過與萬寧試驗站的氯離子含量數據進行比較，定性地評估西沙群島與萬寧試驗站的大氣腐蝕性。

2.1 空氣中二氧化硫含量

空氣中二氧化硫主要來源于工業燃煤排放，萬寧試驗站和西沙群島均無工業污染，萬寧試驗站近海場實測二氧化硫的沉降速率為0.061 5 mg/（100 cm2·d），空氣中二氧化硫的含量都很低，污染等級均為P0級，依據文獻[1]，兩地二氧化硫對金屬的大氣腐蝕可忽略。

2.2 空氣中氯離子含量

空氣中氯離子的含量隨離海距離的增加而迅速降低，地形地貌對氯離子的影響很大，萬寧試驗站內暴露場的氯離子含量比近海暴露場低1 個數量級。估算大氣腐蝕性時至少需要1 a 時間對空氣中的氯離子含量進行長期不斷的監測，監測方法分為連續法和瞬時法。

萬寧試驗站對近海暴露場的氯離子含量進行了長期監測，測試點距海邊170 m左右。2009年，累積法測試值為3.210 4 mg/（100 cm2·d），氯離子污染等級達到ISO標準的最高級（S3），而同年瞬時法測試值的均值為0.072 4 mg/m3。

西沙群島沒有對氯離子含量進行長期監測，只有幾次短期的測試數據，數據相差很大。廣東省熱帶海洋氣象研究所在永興島距海邊40 m的瞭望塔上監測了西南季風期[2]和東北季風期[3]空氣中的氯離子含量，每次測試時間為半個月，每天監測6～8次，平均質量濃度分別為0.057 2，0.105 4 mg/m3。信息產業部電子研究所吳國華、廖國棟[4]提出西沙地區空氣中鹽霧的質量濃度在0.3～1.5 mg/m3之間，但該文獻沒明確測試地點、測試時間、測試方法等相關內容。影響氯離子含量的因素很多，如離海邊距離、地形條件、遮擋情況、風向風速、氣象條件、采樣方法等，在充分考慮這些因素的基礎上，1999年4月，中國兵器工業第五九研究所監測了萬寧試驗站、永興島兩地的海邊各2個點的空氣中的氯離子質量濃度，萬寧站為0.396 6，0.557 0 mg/m3，永興島為0.253 2，0.227 8 mg/m3。

西沙群島沒有氯離子質量濃度的長期監測數據，難以準確評定西沙群島與萬寧試驗站海濱氯離子質量濃度高低，但從現有的少量數據推測，萬寧試驗站海濱比西沙群島的空氣氯離子質量濃度大。由于幾次瞬時法測試值都遠高于萬寧2009 年瞬時法測試值，可判定萬寧試驗站濱海、西沙群島的氯離子污染等級均達到S3級。

2.3 潤濕時間

當空氣中相對濕度達到臨界值時，金屬表面會形成液膜，溫度高于臨界值時金屬就會發生明顯的大氣腐蝕，金屬發生大氣腐蝕所經歷的時間即為潤濕時間。ISO 9223認為潤濕時間是全年中溫度大于0 ℃，相對濕度大于80%的時間。

根據氣象臺站觀測的4次溫濕度日記數據可以統計潤濕時間[5]，筆者收集了瓊海、永興島、珊瑚島氣象臺站1991—2005 年的溫濕度日記數據，統計的潤濕時間如圖3所示。各氣象臺站潤濕時間的平均值和標準差分別為：瓊海6 247 h，440 h；永興島5 208 h，792 h；珊瑚島5 968 h，315 h。

圖3 瓊海、永興島、珊瑚島潤濕時間Fig.3 TOW of Qionghai，Yongxing island，and Shanhu island.

在同一地區，距海邊越近，潤濕時間越高。瓊海距海邊15 km，萬寧試驗站近海場距海邊170 m，萬寧試驗站的潤濕時間不低于瓊海。因此，可以肯定萬寧試驗站的潤濕時間比西沙群島要高，但都達到ISO標準的τ5級。

2.4 環境因素法綜合評級

由上述分析結果可知，萬寧試驗站近海場氯離子質量濃度和潤濕時間高于西沙群島，因此萬寧試驗站近海場的大氣腐蝕性比西沙群島嚴酷。西沙群島地區潤濕時間等級為S3級，大氣中二氧化硫和氯離子污染等級分別為P0級、τ5級,根據ISO 9223，西沙群島地區的腐蝕等級為C5級。

3 標準金屬法對比分析

信息產業部電子第五研究所于1999 年1 月—2000 年7 月在西沙永興島、海南瓊海、廣州開展了Q235鋼的戶外暴露試驗[6]，試驗時間為18個月，樣品南向45°放置。樣品在永興島、瓊海、廣州的腐蝕速率分別為0.126 4 ，0.049 3，0.039 6 mm/a。

中國兵器工業第五九研究所于2002 年11 月—2003年10月在東南沿海66個地點進行了鋼、鋁、鋅、銅的戶外暴露試驗，試驗時間為12 個月，樣品南向45°放置。試驗表明，萬寧試驗站近海暴露場的腐蝕性在東南沿海是最強的。在萬寧試驗站不同離海距離設置了5 個試驗點，Q235 鋼在這5 個點的試驗結果：近海場（距海邊170 m）為0.327 4 mm/a，內暴露場（距海邊350 m）為0.041 9 mm/a，距海邊1 000 m 處為0.036 2 mm/a，距海邊3 000 m處為0.041 9 mm/a，距海邊8 000 m處為0.047 0 mm/a。近海場氯離子質量濃度比內暴露場高1個數量級，腐蝕率與氯離子的沉降速率隨離海距離的變化規律高度一致。

用標準金屬法判斷，在瓊海的腐蝕性與萬寧內暴露場相當，在永興島的腐蝕性弱于萬寧近海場。根據ISO 9223，萬寧站內暴露場的腐蝕性為C3級，外暴露場的腐蝕等級超過了C5級，而西沙群島的腐蝕性為C5級。評級結果與環境因素法一致。

4 相關工藝材料腐蝕

信息產業部電子第五研究所在西沙永興島對20種鍍層材料進行了戶外暴露試驗[7]，其中有鍍鎳鋼、鍍鉻鋼、鈍化不銹鋼。中國兵器工業第五九研究所在萬寧試驗站近海場對這3種產品也開展了戶外暴露試驗[8]。表1 為鍍鎳鋼、鍍鉻鋼、鈍化不銹鋼件在兩地的試驗情況。

表1 西沙、萬寧試驗點鍍層戶外暴露試驗結果Table 1 Open air exposure test result of plating at Wanning and Xisha islands

圖4 30 μm鍍鉻層萬寧近海場試驗結果Fig.4 30 μm chromeplating on steel at Wanning seashore

試驗結果表明3 種產品在兩地的腐蝕形態一致，萬寧近海場的大氣腐蝕性比西沙群島略強。

5 結語

由于環境適應性試驗考慮的是小概率極值環境條件，萬寧近海場的大氣腐蝕性比西沙群島稍嚴酷，表明萬寧試驗站近海場積累的大量試驗數據都可應用于西沙群島，能為西沙群島各種設施和產品的環境適應性設計提供參考。萬寧試驗站的內暴露場的大氣腐蝕性要弱于西沙群島，內暴露場的試驗數據若要應用于西沙群島則須設置一定的限制。

[1]ISO 9223，Corrosion of Metals and Alloys-corrosivity of Atm ospheres-classification[S].

[2]吳兌，毛偉康，甘春玲，等.西沙永興島西南季風期大氣中 Cl-和 SO42-的分布特征[J]. 熱帶氣象學，1990，6（4）：357—364.

[3]吳兌，游積平，關越堅.西沙群島大氣中海鹽粒子的分布特征[J].熱帶氣象學，1996，12（2）：122—129.

[4]吳國華，廖國棟，蘇少燕.我國典型的海洋環境試驗基地——西沙群島[J].電子產品可靠性與環境試驗，2005（增刊）：25—27.

[5]唐其環.潤濕時間統計方法研究[J].環境技術，2003，21（2）：18—20.

[6]廖國棟，吳國華，蘇少燕.金屬材料曝露試驗與人工加速試驗腐蝕速率的研究[J].電子產品可靠性與環境試驗，2005（增刊）：13—15.

[7]蘇少燕，廖國棟.幾種鍍層材料在西沙海洋大氣環境中的腐蝕對比[J].材料保護，2009，42（5）：68—70.

[8]劉聰，唐其環.Cr-SiC 納米陶瓷復合電沉積層海洋大氣環境下耐腐蝕能力研究[R].重慶：中國兵器工業第五九研究所，2010.