南海海島自動氣象站對海洋環境的適應性和性能

黃應邦 林錫坤 馬勝偉 陳余海 潘灶林 吳洽兒

摘 要：本文結合南海海島自動氣象站高濕、高溫、強輻射、高鹽霧、強風等環境特點，對南海海島自動氣象站出現的故障進行分析總結，然后從南海海島自動氣象結構和防護要求出發，提出了金屬防銹防腐等防護措施，延長南海海島自動氣象站對海洋環境的適應性和設備的使用年限。

關鍵詞：南海海島;海洋氣象站適應性;防護措施

中圖分類號：P415.1+2? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）09-0110-02

1引言

由于南海海島所處海域為熱帶季風氣候區域，北緯10°，為比較典型的海洋性氣候，加上南海距離陸地海岸線比較遠、海島交通不便、維修難度比較大，受特殊地理環境因素的影響，結構材料極易被腐蝕，為提高設備運行的可靠性和穩定性，需對自動氣象站對海洋環境的適應性進行分析。

2 南海海島氣象站海洋環境的適應性

南海海島站包括采集器、傳感器、供電和通信系統、結構安設附件、標準緊固件及管道線纜等，海南氣象局會每年定期對南海海島站的設施進行巡檢。2015年6月，海南氣象局對包括南沙、西沙海島在內的12個站點共計24套設施進行巡檢，檢查結果發現，南海海島站點共計237處設備故障點，誘因是設備材料、制作技術等，表現為金屬材料的腐銹蝕鹽化、非金屬材料的設備老化、設備對海洋環境的適應性等;設備有結構件、傳感器、電纜機箱及緊固件等;構件是風桿、拉索、相應的橫臂支架，結合對檢查結果及故障原因分析可知，南海海島站因受到海洋環境“兩強、三高”影響，平均壽命降低，情況嚴重的只占普通氣象站的1/3～1/2，基于目前南海海島特殊自然環境條件、制作工藝及生產技術情況，提升新建的南海海島站在海洋環境適應性和穩定運行期，由半年升到一年，基本符合海洋設備的應用要求[1]。

3 南海海島氣象站的防護技術

當下南海海島站設備材料分為金屬鋼鐵材料和非金屬材料，南海海島站集成性的影響因素為鋼鐵結構的腐蝕、鹽化及非金屬材料老化等。在進行南海海島站具體防護設計時要結合部件特點選取相應的防腐材料，如鋁、鈦合金、不銹鋼金屬材料、聚碳酸酯等非金屬材料，南海海島站設備材料需選用一定的鍍涂工藝，降低材料因環境因素而引起的變化性。

3.1 金屬材料的防銹蝕方法

海洋環境會引起金屬材料的腐蝕、銹蝕，主要是由于金屬和海洋環境周圍介質直接接觸，因海水作用而發生化學、電化學反應，造成金屬材料的損壞，從以下入手：

（1）阻隔金屬和介質的直接接觸，通過一定的措施使得金屬表面生產一層氧化保護膜，阻隔金屬和介質的直接接觸，達到防腐蝕效果;

（2）陽極保護，于金屬表面涂刷一層活性材料，以此為陽極，因涂刷層電位低于金屬基體而呈現負極性，故在電化學反應中以陽極的形式遭到腐蝕，而作為陰極的金屬材料則被保護，金屬表面涂刷層的消耗使得金屬材料得到保護。

鑒于上述兩種方式，選取金屬材料時，結合試驗結果，最佳金屬材料為316不銹鋼，其防腐方法以阻隔金屬材料和介質為主，通過在材料中摻入Cr、Mo等易氧化元素，在金屬材料表層生成致密的Cr2O3等保護膜，進而阻隔金屬材料和周圍環境介質的接觸，實現在一般大氣、酸堿鹽等環境中的金屬材料防腐;陽極保護措施中，可在風塔、結構件、緊固件等金屬設施表層涂刷一層Zn、Al等，鋼鐵金屬材料為基底，Zn、Al鍍層為陽極，電化學反應時，陽極鍍層因氧化腐蝕而形成致密的氧化保護膜，進而有效保護基底材料，實現金屬材料的防腐。

3.2 南海海島線纜的老化、腐蝕防御

南海海島站建筑結構及施工環境特殊，如長期高溫、強濕度、輻射環境的作用等，使得多數南海海島站電纜線路呈現裸露狀態，降低了設備性能，引發設備故障，電纜所用橡膠材料包括丁苯橡膠、天然橡膠、乙丙橡膠等;塑料材料包括聚乙烯、聚丙、烯聚氯乙烯等，以上均不符合高溫、高濕、強輻射等特殊環境的使用需求，故在保證南海海島站電氣設備的性能的前期下，需盡可能選取耐高溫、耐高濕、耐強輻射等復合橡膠材料，有效抵御紫外線，確保線纜不會出現因日照腐蝕而引起損壞[2]，同時電纜還需具有一定的耐磨、抗酸堿腐蝕、不易撕裂等特性及銅網屏蔽線等材料。

3.3 焊接工藝的預防處理

金屬材料的防腐性能和金屬件的焊接技術有一定的關系。金屬件在焊接時需選用氬弧焊的方式，由于氬氣的波紋很細，且成型非常美觀，故將氬氣作為保護氣體，可有效保護焊縫，焊接質量也得以保障。此外由于氬弧焊的能量較集中，焊接時熱影響的區域很小，有效降低其變形和變性，選取焊接材料時，性能需優于焊接母材料，這樣可有效保證焊縫的材料和母體材料成分一致[3]。氬弧焊工藝可有效保障焊縫性能及化學成分，使得焊縫成分和機械性能保持和母體材料一致，避免晶界處的腐蝕，有效提升設備的防腐性能。

3.4 表面涂覆措施的要點

對于南海海島站的設備機箱及結構件等為實現防腐、隔熱的目標，需在其表面涂刷一層保護膜。調研發現，結構件的表面涂刷可選用靜電噴涂工藝，其原理是借助靜電原理把塑料粉末噴刷至金屬材料表層，靜電作用使得塑料粉末均勻附著在金屬表層，進而呈現粉末狀涂層，經過高溫的烘烤、熔化、固化等過程，粉末狀涂層于金屬表面構成了均勻的保護層，具有較高的機械強度、強附著力、耐老化、耐腐蝕性。南海海島站的設備結構件、機箱等選用表面靜電噴涂制作可有效降低設備的腐蝕，提升設備使用壽命，符合海洋環境下金屬構件的設備防腐。

4 南海海島氣象站組成成分的防護方案

4.1 風桿防護

因南海海島站周圍特殊的氣候條件，使得常規的氣象風桿的安裝、使用及維護過程中出現較多問題。通過試驗對比分析，最終選取由玻璃纖維復合非金屬材料構成的新型風桿，玻璃纖維復合非金屬材料的質量更輕、強度更高、抗腐蝕性能更好，在運輸、安設過程中更便捷，完全滿足海洋特殊環境的應用要求[4]。對于風桿安設的附件，包括拉索、索扣、預埋件等均選用316不銹鋼材料制備，可有效提升設備的抗腐蝕性能。風塔結構的南海海島站，可選用熱鍍鋅技術處理風塔材料：風塔制作時，可在鋼鐵結構表層噴刷一層Zn、Al等陽極性材料，避免電化學反應對鋼鐵材料造成腐蝕，實現設備防腐。

4.2 機箱防護

因南海海島站周圍環境較特殊，為提升南海海島站機箱的特殊環境適應性，增強機箱的吸熱、密封、抗腐蝕等性能，機箱制備時需排除聚熱材料，原因是聚熱材料易吸熱造成機箱溫度增加，溫度太高對采集器的性能和壽命將會產生直接影響。機箱最佳材料為316不銹鋼板或混合橡膠材料，其中316不銹鋼機箱需選用氬弧焊工藝進行焊接、拼裝，并于機箱表層開展靜電噴涂作業，確保機械的抗腐蝕性，提供機械的防護性能。為滿足機箱的防水防塵需求，機箱和門之間的密封條可選用聚氨酯材料，其中聚氨酯材料的材質柔軟、密封性強、結合力好，不易發生脫落，均符合南海海島站機箱制作需求，適用于海洋環境。

4.3 傳感器防腐處理

（1）目前大多數南海海島站風傳感器均為YOUNG風傳感器，安設和更換時需用黃油處理緊固螺絲來降低結構件的腐蝕程度，同時需用電工膠布裹纏引線的線纜接口來降低線纜的老化及腐蝕，選用穿管處理通信線纜，盡可能避免線纜外漏。

（2）溫濕度傳感器主要安設于防輻射罩里，高溫作用使得防輻射罩內外具有較大的溫差，易產生液化的小水珠，并且附著在防輻射罩內，引起濕敏元件出現飽和情況，造成測量誤差。市面上的VISALA公司制造的加熱型溫濕度傳感器HMP155A，可借助加熱器件來處理高濕條件下濕敏元件的飽和情況，同時借助熱轟擊方式處理濕敏元件污染情況，避免設備腐蝕[5]。設備使用時，需用電工膠布裹纏接線航空插頭，避免航空插頭因鹽化而出現腐蝕。

（3）常規雨量傳感器在特殊的海洋環境條件下，高溫、高濕、高鹽霧、強輻射等條件作用均易出現鹽化腐蝕，長期使用會產生堵塞，故使用時盡可能選用非金屬材料生產的雨量筒。

5 結論

綜上所述，本文基于南海海島自動氣象站項目，對其實際運行中存在的防護問題進行詳細分析，為應對海洋環境的特殊條件如南海海島強風、強輻射、高溫、高濕度、高鹽性等，從南海海島站的結構、設備、材料、集成性等方面入手，采用多種電子設備防護工藝及有效防護方案，有效提升海洋特殊環境條件作用下的南海海島站使用性能，延長設備維護使用時間。

參考文獻：

[1]陳亮，王小堅，吳坤悌，等.海南省氣象服務產品分發系統設計與應用[M].海口：氣象出版社，2015.

[2]翁武坤，謝健群，林苗青.淺談海島自動氣象站的防銹措施[C].中國福建廈門，2011.

[3]李瑩，趙彥興，張珍文.地面氣象自動觀測定時數據缺測的處理方法[J].江西農業，2017，（02）：43-45.

[4]陳慧，彭麗娜，韓晶霞，等.自動站觀測數據綜合應用業務系統的設計與實現[J].農業與技術，2017，（04）：71-73.

[5]張遠洪，羅曉松，趙大清，等.淺析移動通信網絡升級對區域自動氣象站GPRS通信的影響[J].貴州氣象，2017，（01）：17-19.

基金項目：農業農村部漁業安全生產管理項目（171721301124112041-01，171721301124112041-02）;農業農村部南海漁業安全應急處置與對策研究（02011020191111）;農業農村部外海漁業開發重點實驗室2018年度開放基金課題（LOF 2018-05）。