淺析控制室腐蝕性氣體的控制標準

沈奕峰

(浙江省天正設計工程有限公司，浙江 杭州 310030)

中國制造“2025”為制造過程智能化提出了行動綱領，下一步隨著人工智能技術向工廠控制、管理進一步延展，工業過程測量和控制設備將會得到越來越多應用。控制室內過程測量和控制系統作為生產過程數據處理的核心，其安全性和可靠性愈發引起重視。控制室設計規范越來越完善，防爆、抗爆、防火、防雷、溫濕度控制等，從各種角度對控制室內人和設備的保護越來越嚴密。而對控制室內工業過程測量和控制設備、電子辦公設備、數據中心、網絡設備等的腐蝕防護需要引起設計人員進一步關注。

1 常見腐蝕性污染物

對工業過程測量和控制設備的腐蝕是指金屬因與環境反應而變質。空氣中可能造成電子設備腐蝕的污染物可分為以下幾種，其常見來源見表1所列。

1) 液態污染物，包括一些腐蝕性液滴、溶劑蒸氣、氣溶膠、海鹽霧等。

2) 固態污染物，空氣中的粉塵顆粒可以吸收氣態污染物和濕氣，從而成為腐蝕介質。這些粉塵干燥時可能不具有腐蝕性，但在一定濕度環境中潮解而變得具有腐蝕性。

3) 氣態污染物，主要指無機氯化物、活性硫化物、氧化硫、氮氧化物、氟化氫、氨及其衍生物、光化學物質(例： O3)等強氧化劑。

4) 動植物的影響，比較特殊，難以歸納。

表1 腐蝕性污染物的常見來源

金屬腐蝕主要由氣態污染物腐蝕引起，腐蝕性氣體和水蒸氣與金屬接觸導致各種化學反應產物積聚。隨著持續的化學反應，這些腐蝕產物會在電路表面形成絕緣層，從而導致絕熱效應或電路短路，同時伴隨著銹斑和金屬損耗。高溫高濕環境會加速金屬腐蝕，溫度或濕度變化還可能導致電子元件局部電路低于露點溫度，從而局部出現冷凝液。相對濕度(RH)超過50%會在電子元件小范圍區域形成導電溶液從而加速腐蝕。冷凝液吸收氣態污染物形成電解液，生成晶體，產生電鍍現象。不管污染物濃度如何，只要濕度超過80%，電子腐蝕破壞就發生。

以下討論對控制室內氣態污染物的控制標準。

2 國內現行相關標準

國內現行的控制室設計規范雖然未系統地提到腐蝕性氣態污染物的控制，但對控制室內空氣中的一些有害物質濃度提出了限制要求[1-2]，多采用了GB/T 4798.3—2007《電工電子產品應用環境條件 第三部分： 有氣候防護場所固定使用》[3]，等同采用IEC 60721-3-3： 2002中3C1L級對各類化學活性物質的最大值要求。而GB/T 17214.4—2005《工業過程測量和控制裝置的工作條件 第4部分： 腐蝕和侵蝕影響》，等同采用IEC 60504-4： 1987，按照氣態污染物嚴酷度將環境分為1到4級(常用1～3級)，對各類化學活性物質體積分數平均值和峰值也作出了定量限制要求[4]，見表2所列。

表2中，GB/T 4798.3—2007中的3C1R表示該等級適用于空氣受到嚴格檢測和控制的場所,如凈化室等；3C1L表示除3C1R包括的條件外，該等級適用于氣候連續控制場所。GB/T 17214.4—2005中，1級為工業清潔空氣，受到嚴格控制的環境，在確定裝置的可靠性時不必考慮腐蝕因素；2級為中等污染，可以測到腐蝕影響的環境，在確定裝置的可靠性時可能需要考慮腐蝕因素；3級為嚴重污染，發生腐蝕可能性很大的環境，因其嚴重程度而需要作進一步評估，以便對環境加以控制或者對裝置進行特殊設計和包裝。

從規范出發，國內大部分控制室對H2S，SO2，Cl2等氣態污染物的限制，基本介于IEC 60504-4： 1987的1級和2級之間，在判斷工業過程測量和控制系統的可靠性時需要考慮腐蝕因素。

3 國外相關標準的由來

1985年，美國儀器儀表學會(ISA)(現國際自動化協會)頒布ISA S71.04—1985《過程測量和控制系統的環境條件： 大氣污染物》[5]；隨后1987年，IEC頒布IEC 60654-4： 1987《工業過程測量和控制裝置的工作條件 第4部分： 腐蝕和侵蝕影響》；1990年，日本電子工業發展協會(JEIDA)修訂并頒布了JEIDA-29—1990《標準操作條件下的工業計算機控制系統》。工業過程測量和控制系統所處環境開始有了控制標準，對前2個標準中不同等級環境的氣態污染物體積分數的比較見表3所列。

表2 不同環境等級下的氣態污染物的體積分數限制 cm3/m3

注： 1) 最大值是限制值或峰值，每天不超過30 min；

2) 峰值是被測或預計的1年中最大的0.5 h平均值。

表3 不同環境等級下的氣態污染物體積分數限制 mm3/m3

但是，直接檢測氣態污染物的體積分數在實際操作中是非常困難且沒有必要的，有以下幾方面原因：

1) 有腐蝕作用的氣體多種多樣。

2) 污染物體積分數可能接近正常環境的濃度，或控制要求達到0.1 mm3/m3級。

3) 污染物體積分數隨時間波動，變化可能達100倍甚至更多。

4) 污染物之間可能存在復雜的相互作用，可大幅加速或延緩單種氣態污染物的腐蝕作用。例： 活性硫化物雖然在低相對濕度環境下也會腐蝕金屬，但活性硫與無機氯化物的共同作用才是加速大氣腐蝕作用的主要原因；而氮氧化物NOx在氯元素和硫元素腐蝕金屬時，可起到催化的作用。

在特定場合，污染物組分分析可提供短期估算。含量高說明環境存在嚴重污染，但反之并不能證明環境不存在污染。人們又轉向根據腐蝕結果——“反應性檢測”來判斷環境。ISA S71.4—1985附錄C(IEC 60654-4： 1987附錄B)中介紹了一種根據污染物與銅的反應速率來確定工業環境等級的方法： 將特制的無氧高導電性銅試片暴露在環境中1個月后，根據銅試片表面產生的腐蝕成膜厚度來判斷環境污染嚴重程度。上述2個標準中不同環境級別的銅試片腐蝕膜厚指標見表4所列，不同環境級別下銅的腐蝕現象如圖1所示。

環境污染嚴重程度ISAS71.4—1985IEC60654-4:1987G1G2G3GX1級2級3級腐蝕成膜厚度<300<1000<2000≥2000<300<1500>1500

圖1 不同環境級別下銅的腐蝕

圖1中，從左至右的腐蝕現象為G2環境下暴露60 d被腐蝕的銅試片；G3環境下被腐蝕的電路其表面孔隙腐蝕和蠕變；GX環境下被腐蝕電路的嚴重的孔隙腐蝕、蠕變和物理降解，腐蝕移動造成短路。

4 國外相關標準的變化

進一步的研究發現，銅對一些工業環境中普遍存在的污染物不夠敏感，尤其是銅試片不能檢測氯的存在，而氯是一種對金屬特別有害的污染物。

歐盟指令2002/95/EC 《關于限制在電子電器設備中使用某些有害成分的指令》(on the Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment，簡稱RoHS)，限制在電氣和電子設備中使用有害成分： 汞(Hg)、鉛(Pb)、鉻(Cr6+)、鎘(Cd)、多溴聯苯(PBB)和多溴聯苯醚(PBDE)。中國法規《電子信息產品污染防治管理辦法》要求與RoHS類似。為適應RoHS“無鉛”要求，印刷電路板(PCB)表面處理需要改用無鉛工藝，主要有化學浸銀(ImmAg)和其他諸如化學浸錫(ImmSn)、化學鍍鎳浸金(ENIG)、有機保焊膜(OSP)等工藝，這給電子設備的腐蝕控制帶來了意想不到的挑戰。

Rockwell公司2005年研究報告[6]表明： 按照ISA S71.04—1985的要求，G3環境中，以上4種工藝表面處理的PCB均會發生相關故障——“不能保證可靠運行”；ImmAg，ENIG工藝不能用于G2環境。國內工廠對“反應性檢測”研究起步較晚。近年來，國內多地金融機構數據中心的環境測試數據[7]見表5所列。由表5中發現一個共同現象： 銀腐蝕率平均是銅腐蝕率的4～5倍，值得注意的是，這些場合均已采取了一定的空氣處理措施。

2013年，ISA修訂并頒布ISA S71.04—2013[8]，將“污染物濃度與環境級別的關系”從正文移至附錄B，僅用于幫助理解直接氣體濃度測量的復雜性，又引進了銀的反應性作為環境分級的依據，重新提出了用于腐蝕“反應性檢測”的標準腐蝕分級試片(corrosion classification coupon，簡稱CCC)的定義。不同環境級別下腐蝕分級試片的腐蝕成膜厚度條件及效果見表6所示。

地點銅腐蝕成膜Cu2SCu2O未知銅膜合計ISAS71.04—1985環境級別銀腐蝕成膜AgClAg2S未知銀膜合計修訂后ISA環境級別北京1 075075G106360636G2北京2110400150G10168001680G3北京3 02680268G1835 9696 1027G3北京4248670315G20166601666G3北京5426850511G208610861G2天津1 069069G106230623G2天津24151790594G20112201122G3濟南 334750409G20183301833G3東營 299800379G20160301603G3上海192880180G10242102421GX上海2701210191G101253145 1398G3上海3 02050205G10130901309G3上海4139900229G104910491G2上海5258890347G20104701047G3上海65871800767G245 174201787G3珠海 04650465G20154901549G3深圳1159910250G109090909G2深圳2265910356G20320003200GX香港1143690212G10143401434G3香港22301210351G20147601476G3

試片類別環境級別G1G2G3GX銅試片腐蝕成膜厚度<300<1000<2000≥2000銀試片腐蝕成膜厚度<200<1000<2000≥2000

5 結束語

新的歐盟指令2011/65/EU(RoHS 2.0)的“禁鉛”實施范圍已擴展到所有電氣和電子設備： 工業過程測量和控制設備及其電纜、配件分別從2017年6月22日和2017年7月22日開始，需要 “無鉛”。許多電子元件生產商也在改進工藝以適應RoHS要求。因此，設計人員需要重視控制室的腐蝕控制要求，在設計階段考慮必要的防護措施，以保證控制系統的可靠運行。

參考文獻：

[1] 王同堯，嚴春明，施建設，等. SH/T 3006—2012 石油化工控制室設計規范[S].北京： 中國石化出版社，2012.

[2] 王同堯，嚴春明，施建設，等. HG/T 20508—2014 控制室設計規范[S].北京： 中國計劃出版社，2014.

[3] 張一兵，陸霖，李建瑛，等. GB/T 4798.3—2007 電工電子產品應用環境條件 第3部分： 有氣候防護場所固定使用[S].北京： 中國計劃出版社，2007.

[4] 王捷，陳思恩，李明華，等. GB/T 17214.4—2005 工業過程測量和控制裝置的工作條件 第4部分： 腐蝕和侵蝕影響[S].北京： 中國計劃出版社，2005.

[5] The Instrument Society of America. ISA S71.04—1985 Environmental Conditions for Process Measurement and Control Systems： Airborne Contaminants[S].North Carolina： ISA，1986.

[6] Robert Veale, and Rockwell Automation. Reliability of PCB Alternate Surface Finishes in a Harsh Industrial Environment[M].Eden Prairie： SMTA International, 2005.

[7] American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. ASHRAE 2011 Gaseous and Particulate Contamination Guidelines for Data Centers[S].Atlanta： ASHRAE, 2011.

[8] International Society of Automation. ISA S71.04—2013 Environmental Conditions for Process Measurement and Control Systems： Airborne Contaminants[S].North Carolina： ISA, 2013.