列車表面涂層光老化試驗加速因子建模研究

宿興濤，陳凱鋒

（1.北京應用氣象研究所，北京 100029；2.中國船舶重工集團公司第七二五研究所廈門分部，福建 廈門 361101）

目前，利用有機涂層防腐是普遍應用的防腐技術。在大氣環境中，有機涂層受環境因素影響，發生老化，是引起涂層失效的主要因素之一，可造成大量資源消耗和嚴重的經濟損失，甚至釀成惡性事故，給設備和生命財產安全帶來威脅。用于涂層評價的氣候環境試驗包括自然環境試驗和實驗室模擬加速環境試驗。自然環境試驗相對可靠，但是試驗周期長、耗資大、可控性差，難以滿足產品研制、試驗和快速評價的需求。實驗室模擬加速試驗具有試驗周期短、重現性好的優點[1]，能對涂層體系進行快速有效的評價，是目前廣泛應用的氣候環境試驗技術。

陽光是有機涂層實驗室加速試驗設計中必須考慮的環境變量。到達地面的太陽光所含紫外線能量一般介于314~419 kJ/mol 之間，而大部分聚合物的化學鍵離解能一般為200~500 kJ/mol[2]。可見，紫外線具有破壞有機涂層化學鍵的能量，可引發涂層的自動氧化反應，從而造成老化分解。因此，對涂層的光老化研究主要集中在紫外光老化研究。一般情況下，將自然環境下紫外輻射總量與光老化加速試驗箱光輻射能量進行對比，即可得到實驗室加速試驗的加速因子。國內關于光老化試驗加速因子建模研究方面開展過一些工作。葉美琪等[3]根據廈門海域大氣海洋環境條件，通過研究實驗室紫外輻射燈模擬的紫外輻射當量與實際太陽紫外輻射的關系，建立了廈門地區實驗室加速試驗的倍率模型。蘇艷等[4]在江津地區濕熱環境下開展跟蹤太陽反射聚能自然加速試驗與朝南45°角自然暴露試驗，計算了高日輻射季節的加速因子。王艷艷等[5]采用金屬鹵素燈對聚苯乙烯進行實驗室光源暴露試驗，研究了相對于敦煌環境試驗站戶外自然暴露試驗的加速因子。閆杰等[6]在拉薩試驗站研究了涂層太陽跟蹤反射聚光戶外加速試驗相對于自然暴露試驗的加速因子。何德洪等[7]在江津地區對丙烯酸涂料開展的黑箱加速大氣暴露試驗和朝南45°角大氣暴露試驗結果表明，黑箱在該地區夏季使用與朝南45°角大氣暴露試驗相關性良好，并得出加速倍率在3倍左右。張勇等[8]采用腐蝕程度對比方法，將有機涂層加速腐蝕試驗與自然曝曬試驗進行對比分析，證實了研究采用的加速試驗環境譜模擬性好，并具有約2個周期當量自然曝曬1 a 的相關性。朱玉琴等[9]對美國阿特拉斯研發的紫外加速試驗系統（UAWS）的跟蹤研究表明，在美國佛羅里達朝南45°方向，UAWS的紫外強化倍率約為63 倍。

在進行列車這種具有大范圍運行區間的裝備表面涂層光老化試驗加速因子建模方面，以上研究還存在一些不足之處：加速因子的研究僅是針對某一特定地區[3-9]；自然環境下太陽輻射數據來源于經驗公式，相對于觀測數據準確性不足[3]；加速因子來自于與自然環境試驗或自然環境加速試驗的對比，工程上實施難度大、周期長、花費高[4-8]。針對上述情況，文中提出一種涂層紫外光老化試驗加速因子的計算方法，旨在解決列車這種跨越大范圍區域裝備的表面防護涂層紫外光老化試驗加速因子的計算問題。

1 方案設計

為客觀、定量地建立針對列車表面防護涂層的實驗室紫外輻射燈對太陽光中紫外輻射的加速因子模型，以蘭新高鐵為例，設計了如下技術方案。主要步驟包括：選取建模列車站點；確定站點氣象地理區劃；計算站點環境變量影響距離；建立站點太陽輻射環境譜；建立二級氣象地理區劃（以下簡稱二級區劃）太陽輻射環境譜；建立一級氣象地理區劃（以下簡稱一級區劃）太陽輻射環境譜；建立蘭新高鐵全線太陽輻射環境譜；建立加速因子模型。

文中太陽輻射數據采用美國國家航空航天局（NASA）Surface meteorology and Solar Energy（SSE）數據庫資料，關于該資料的詳細介紹見參考文獻[10]。

1.1 選取建模列車站點

蘭新高鐵橫跨甘肅、青海和新疆3 省（自治區），全長1777 km，其中新疆段正線全長710 km，甘肅段全長799 km，青海段全長約268 km。根據蘭新高鐵途經站點地理位置，選取蘭州、西寧、門源、張掖、高臺、酒泉、哈密、吐魯番和烏魯木齊9 站作為參與建模的列車站點。

1.2 確定站點氣象地理區劃

根據《中國氣象地理區劃手冊》[11]，蘭新高鐵全線均位于全國一級區劃——西北地區以內。進一步細化，位于西北地區中部和西北地區西部兩個二級區劃內，并且大致以酒泉為界，酒泉以西部分（包括酒泉、哈密、吐魯番和烏魯木齊4 站）位于西北地區西部區劃內，以東部分（包括蘭州、西寧、門源、張掖和高臺5 站）位于西北地區中部區劃內。

1.3 計算站點環境變量影響距離

采用公式（1）確定列車站點環境變量在所處二級區劃內的影響距離：

式中：Xm表示列車站點環境變量在所處二級區劃內的影響距離；m 表示沿列車運行方向自始發站開始經過的站點序號，1 為始發站，N 為終點站；Sm,m+1表示m 站和m+1 站之間距離，同理Sm-1,m表示m-1站和m 站之間距離；Am表示位于m-1 站和m 站之間的二級區劃邊界與m 站的距離；Bm表示位于m+1站和m 站之間的二級區劃邊界與m 站的距離。

根據蘭新線站點里程表，9 個站點之間，蘭州-西寧、西寧-門源、門源-張掖、張掖-高臺、高臺-酒泉、酒泉-哈密、哈密-吐魯番、吐魯番-烏魯木齊的距離分別為188、98、199、71、120、571、372、158 km。由于酒泉位于西北地區西部和西北地區中部兩個二級區劃邊界上，在兩個二級區劃內分別計算其影響距離。由式（1）計算酒泉在西北地區中部和西北地區西部的影響距離分別為60、285.5 km，蘭州、西寧、門源、張掖、高臺、哈密、吐魯番和烏魯木齊其他8個站點的影響距離分別為94、143、148.5、135、95.5、471.5、265、79 km。

1.4 建立站點太陽輻射環境譜

利用NASA SSE 地面太陽輻射資料，統計蘭州等9 站月平均地面太陽輻射分布，如圖1 所示。

圖1 站點月平均地面太陽輻射Fig.1 Monthly average ground solar radiation of the station: a) Lanzhou; b) Xining; c) Menyuan; d) Zhangye; e) Gaotai;f) Jiuquan; g) Hami; h) Tulufan; i) Wulumuqi

1.5 建立二級區劃太陽輻射環境譜

根據1.3 節信息，可得到蘭新線全線位于二級區劃西北地區中部和西北地區西部內列車運行區間的長度分別為676、1101 km。計算二級區劃內列車運行區間的月平均地面太陽輻射環境譜，具體為：

式中：U 為二級區劃內列車運行區間的月平均地面太陽輻射；Wm為m 站的地面太陽輻射；m 在此二級區劃內的取值范圍為P≤m≤Q，P≥1，Q≤N。

根據站點月平均地面太陽輻射數據和站點環境變量影響距離，由式（2）計算得到西北地區中部和西北地區西部兩個二級區劃的月平均地面太陽輻射環境譜，如圖2 所示。

圖2 二級區劃內列車運行區間的月平均地面太陽輻射Fig.2 Monthly average ground solar radiation of train operation section in the secondary division: a) central part of northwest China; b) west of northwest China

1.6 建立一級區劃太陽輻射環境譜

由式（3）計算一級區劃內列車運行區間的月平均地面太陽輻射環境譜：

式中：E 為一級區劃內列車運行區間的月平均地面太陽輻射；H 表示在此一級區劃內的二級區劃數量；Ui為在此一級區劃內第i 個二級區劃的地面太陽輻射；Yi表示在第i 個二級區劃內列車運行區間的長度。

根據二級區劃內列車運行區間長度和二級區劃內月平均地面太陽輻射數據，由式（3）得到一級區劃西北地區內列車運行區間月平均地面太陽輻射環境譜，如圖3 所示。

圖3 一級區劃的月平均地面太陽輻射Fig.3 Monthly mean ground solar radiation in the first division

1.7 建立全線太陽輻射環境譜

由式（4）計算列車總運行區間的月平均地面太陽輻射環境譜：

式中：R 為列車總運行區間的月平均地面太陽輻射；G 表示在列車運行區間內一級區劃數量；Ej為第j 個一級區劃內列車運行區間的地面太陽輻射；Zj表示第j 個一級區劃內列車運行區間的長度。

蘭新線全線均位于一級區劃西北地區以內，因此蘭新高鐵總運行區間月平均地面太陽輻射環境譜與一級區劃西北地區內列車運行區間月平均地面太陽輻射環境譜相同。另外，根據一級區劃內列車運行區間長度和一級區劃內列車運行區間月平均地面太陽輻射，由式（4）也可計算得到列車總運行區間的月平均地面太陽輻射環境譜。

根據月平均地面太陽輻射，計算列車總運行區間的年平均地面太陽輻射和地面太陽紫外輻射：

式中：Rmean為列車總運行區間的年平均地面太陽輻射；Rk表示k月列車總運行區間的地面太陽輻射；UVmean為列車總運行區間的年平均地面太陽紫外輻射；η 為紫外輻射占太陽總輻射比例，取為7%[3]。

根據列車總運行區間的月平均地面太陽輻射，由式（5）得到蘭新線年平均地面太陽輻射為1650 kWh/m2，即5940 MJ/m2。由式（6）可得蘭新線年平均地面太陽輻射中紫外輻射為415.8 MJ/m2。

1.8 建立加速因子模型

根據實驗室紫外光老化試驗條件計算加速因子：

式中：F 為加速因子；t1為涂層自然環境試驗時間；t2為涂層在實驗室條件下達到與自然環境試驗接受相同劑量太陽紫外輻射所需時間。

實驗室紫外光老化試驗采用 UVB-313 燈，在310 nm 波長輻照度為0.66 W/m2，轉換為模擬250~400 nm 紫外波段總輻照度的轉換系數為47.91。在加速試驗箱內，一個方向上設置4 盞燈，其每天產生的紫外輻射為10.93 MJ/(m2·d)。在紫外加速試驗箱內產生相當于蘭新高鐵全線1 年的紫外輻射量需要的時間為38.04 d。由式（7）得到加速因子為9.5。

2 結語

為客觀、定量地建立針對列車表面涂層的實驗室紫外輻射燈對太陽光中紫外輻射的加速因子，文中以蘭新高鐵為例，提供了一種建模思路。主要步驟包括：選取建模列車站點、確定站點氣象地理區劃、計算站點環境變量影響距離、建立站點太陽輻射環境譜；分別建立二級氣象地理區劃、一級氣象地理區劃和全線太陽輻射環境譜；最后，建立加速因子模型。采用上述建模方案，基于NASA Surface Meteorology and Solar Energy（SSE）地面太陽輻射數據，計算了蘭新線實驗室紫外光老化試驗的加速因子。文中提供的加速因子建模思路，解決了列車這種跨越大范圍區域的裝備光老化試驗加速因子的計算問題，簡單實用，可推廣至飛機、輪船、汽車等相似裝備表面涂層以及金屬等其他材料的紫外光暴露試驗評價。