海洋大氣環境多因素組合/綜合試驗 及方法現狀分析

李茜，胡濤，孫茂鈞，鄒錦輝，李景育

（1.西南技術工程研究所，重慶 400039；2.海南萬寧大氣環境材料腐蝕國家野外科學觀測研究站，海南 萬寧 571522；3.黑龍江北方工具有限公司，黑龍江 牡丹江 157013）

海洋大氣環境因素有溫度、濕度、鹽霧和太陽輻 射等多種環境因素，而某海域大氣環境常具有高溫、高濕、高鹽霧和強太陽輻射的特點，在海洋大氣環境中長期服役的裝備常易出現各種復雜的環境效應，從而引起裝備的故障[1-5]。例如應用于飛機蒙皮帶涂層的連接件在光照和溫濕共同作用下，表面涂層發生老化，當氯離子穿透涂層表面進入內部，涂層的腐蝕老化擴展到基材，腐蝕程度加劇，在振動因素的協同作用中，使連接處出現松動，甚至加速涂層的脫落。然而現有標準多為單因素或少因素綜合環境試驗方法，如常見的鹽霧試驗、濕熱試驗以及太陽輻射試驗方法中，涉及的環境影響因素單一，且綜合化程度相對較低，缺乏將服役環境中的多種海洋大氣環境主要因素融合在同一試驗中的試驗方法。在實際使用過程中，通常只能優先選用對裝備影響最為敏感的環境因子來進行單因素試驗或少因素的組合試驗，因而很難準確模擬裝備在海洋大氣環境下使用的真實復雜環境，導致部分通過了試驗考核的裝備在外場使用中仍出現性能表現不佳、腐蝕嚴重、壽命不達標等問題。因此，本文根據海洋大氣主要環境因素溫度、濕度、鹽霧、太陽輻射和誘發環境因素振動的影響，分析裝備在海洋大氣環境中多因素組合/綜合試驗及方法現狀，實現裝備在海洋大氣環境中的多種試驗程序組合/綜合環境試驗技術研究，為提升裝備“適海性”提供了重要的支撐手段。

1 海洋大氣主要環境因素影響及組合分析

1.1 海洋大氣主要環境因素影響

海洋大氣主要環境因素的組合/綜合作用在某種程度上可加速裝備的腐蝕效應。某海域大氣環境“三高一強”的特點之一是高鹽霧，即在高相對濕度的空氣中含有NaCl 鹽顆?；螓}形式存在的氯化物，且距離海岸越近，含量越高，其對裝備的主要影響為腐蝕生銹。其中，金屬材料對鹽霧十分敏感，而非金屬材料（如橡膠、塑料等）的耐鹽霧性相對較好。另外，因Cl-本身具有較強的侵蝕性（即穿透能力），在腐蝕效應過程中，可加重基體結構的腐蝕。高濕度環境在這一過程可溶解更多的氧和其他腐蝕性物質，易于在裝備表面形成較厚的液膜。當相對濕度大于金屬的腐蝕臨界值時，腐蝕效應則變得尤為明顯，且腐蝕進程加快。海洋大氣的高溫環境也可加速裝備的腐蝕效應，據不完全統計，由溫度引起裝備產生的故障約占40%[6-7]。影響裝備腐蝕行為的另一主要環境因素即太陽輻射，可直接對裝備產生熱效應和光化學效應，并促進金屬表面真菌類的生物活動，有利于腐蝕性鹽塵或鹽霧顆粒在金屬表面的沉積，共同促進腐蝕效應[8-9]。另外，振動誘發環境因素，可能引起如螺栓、連接等部位的松動、位移運動乃至微裂紋等[10-11]，在其他幾種環境因素的共同作用下，可加速裝備的腐蝕效應。

1.2 海洋大氣主要環境因素組合分析

海洋大氣主要環境因素影響復雜，且組合形式多種多樣，針對溫度、濕度、鹽霧、振動和太陽輻射等5 種海洋大氣主要環境因素，采用不同形式的環境因素組合分析可知，形成環境因素兩兩組合的形式理論上有10 種，如圖1 所示；形成環境因素三三組合的形式理論上也有10 種，如圖2 所示；形成環境因素四四組合的形式理論上有5 種，如圖3 所示；形成5種環境因素組合的形式理論上有1 種，如圖4 所示，共形成海洋大氣環境因素組合形式26 種。若將每種 組合中的環境因素進行逐一排列組合來形成海洋大氣環境試驗方法中的組合/綜合環境試驗程序，這些組合/綜合環境試驗程序的數目總計將超過100 種，且試驗方式分門別類，難以形成統一的試驗程序。因此，根據海洋大氣環境因素的主要特點和裝備在該種環境下受主要環境因素產生環境疊加效應，選取適當的剪裁原則，優先關注4、5 種環境因素組合或少數（如常見的溫-濕-振3 種）環境因素的組合，實現多環境因素的組合/綜合環境試驗方法的研究。

圖1 海洋大氣主要環境因素兩兩組合 Fig.1 Combination of any two main environmental factors of marine atmosphere

圖2 海洋大氣主要環境因素三三組合 Fig.2 Combination of any three main environmental factors of marine atmosphere

圖3 海洋大氣主要環境因素四四組合 Fig.3 Combination of any four main environmental factors of marine atmosphere

圖4 海洋大氣主要環境因素五五組合 Fig.4 Combination of any five main environmental factors of marine atmosphere

2 組合/綜合環境試驗能力

2.1 國外環境試驗能力

國外環境試驗的起步較早，從19 世紀開始至今，得到了長足的發展，展現出較強的環境試驗能力。其中，英國在19 世紀40 年代就開始了環境試驗的研究，1905 年美國相繼開始了材料試樣的大氣環境試驗[12]。另外，受歷次戰爭中暴露出武器裝備大量的環境適應性問題的影響，第一次世界大戰和第二次世界大戰后，美、英與前蘇聯等相繼在本國和世界其他地區建立了大氣環境試驗站，系統地加強了其環境試驗能力。其中美國建有世界聞名且公認最大的麥金利實驗室，實驗室位于美國佛羅里達坦帕灣，在Eglin 空軍基地內，于1947 年投入使用，1971 年更名為麥金利實驗室。該實驗室為大型綜合氣候環境試驗室，擁有模擬地球上大部分自然環境的能力，其設施通常不僅可開展常規的單項氣候模擬試驗，其大尺寸的空間實驗室還可進行大型武器裝備的整機氣候模擬實驗[13]。如開展美國第四代戰斗機F/A-22“猛禽”的大雨沖洗、濕化和風吹等組合/綜合環境試驗。另外，1912年成立的ATLAS，由22 個環境試驗站組成的強大站網體系，不但可以從事自然環境試驗，而且還能進行室內多環境因素的模擬加速試驗?？偛吭O在芝加哥，德國和荷蘭等均建有基地。ATLAS 實驗室可根據客戶需求開展不同類型的氣候環境試驗，其模擬環境試驗的設備和試驗體系均較為完善，代表了國外先進的綜合試驗能力。

除美國外，西方其他國家也很非常重視綜合環境試驗的發展[14-15]。同時期，英國國防部針對環境試驗和自身發展的需求，于1974 年斥巨資建立了馬可尼雷達試驗中心。該中心具有溫度、濕度、振動、淋雨、鹽霧、太陽輻射等多項試驗能力[16]。另外，日本自1951 年起，開始建立戰后的武器工業體系，相繼建立了札幌、新島等5 個試驗場?？梢哉f國外的組合/綜合環境試驗能力在歷年的發展中逐漸得到了提升和加強。

2.2 國內環境試驗能力

國內環境試驗研究起始于20 世紀80 年代，晚于國外1 個多世紀，并且國內環境試驗的發展主要是借鑒美國、日本和前蘇聯等國外環境工程的研究成果[17-18]。近年來，隨著我國環境試驗的綜合發展，加速模擬試驗方法和試驗設備都在向多環境因素綜合加速腐蝕的方向發展，以更好地反映裝備在真實復雜服役條件下的環境適應性。我國先后建立了以幾個島礁為代表的典型海洋大氣自然環境試驗站，以開展裝備在海洋大氣中的環境試驗研究；另一方面，受國外試驗裝置技術的啟蒙，以及國內環境試驗發展的迫切需求，我國已經形成了較為成熟的鹽霧試驗裝置、交變濕熱試驗裝置、太陽輻射試驗裝置和溫-濕-振三綜合試驗裝置以及少因素的綜合試驗裝置。

隨著我國向海洋強國的推進，亟需更貼近實戰、更真實有效的綜合環境試驗手段來盡早暴露裝備環境適應性的薄弱環節，為裝備進行高水平的環境適應性質量把關。國內某些研究所和大學陸續開展了三因素或四因素的綜合環境試驗設備和方法研究[19]，如航空工業三零一所、三零三所、工信部電子五所和北京航空航天大學等。2004 年，航空工業三零一所研制了一種CET2000 型綜合環境試驗機[20-21]，該試驗機可以控制溫度、濕度、雨水、光照、鹽霧、振動等6個因素，遺憾的是在后來近20 年的發展中，該試驗設備暫時還沒能得到廣泛應用和進一步推廣。另外，我國航空工業強度研究所仿制美國的麥金利試驗實驗室建造了飛機強度研究所氣候環境實驗室，實驗室于2012 年3 月立項批復，是我國規模最大、系統組成最復雜、模擬環境因素最多的大型綜合氣候環境實驗室，具備進行高溫、低溫、濕度/溫度、太陽輻射、淋雨、降雪、凍霧、凍雨/結冰和吹風等典型氣候環境的試驗能力，標志著我國裝備的室內組合/綜合環境試驗能力得到了實質性的發展。

3 組合/綜合環境試驗方法

3.1 國外環境試驗方法發展

國外有關海洋大氣環境試驗的方法主要有美軍810 系列標準、英國DEF STAN 00-35、ASTM G85標準等。其中，針對飛機關鍵結構，美國空軍制定并應用于F-18 飛機結構的涂層加速試驗環境譜及試驗程序，形成了最早的加速環境試驗譜（CASS 譜）[22-24]，已成為國內外學者后來制定裝備海洋大氣環境多因素組合/綜合試驗及方法借鑒的基礎。另外，根據現有的研究資料顯示[25-26]，國外對于海洋大氣環境試驗方法的研究多集中于對海洋大氣環境下涂層腐蝕的研究，并形成了一系列標準和非標準的加速腐蝕試驗方法，其中涵蓋了ASTM 系列標準，借鑒ISO 標準形成的Norsok M-501 標準，在ASTM 標準基礎上更改形成的NACE TM0304 標準，以及在標準方法的基礎上基于試驗本身形成的一些非標準試驗方法，其中包括了鹽霧試驗、太陽輻射試驗等多因素環境試驗的組合/綜合試驗方法，見表1。

表1 國外海洋大氣涂層加速腐蝕試驗方法及標準 Tab.1 Accelerated corrosion test methods and standards for marine atmospheric coatings abroad

自20 世紀初期以來，根據裝備環境試驗的發展需求，國外的環境試驗標準方法在不斷修訂完善。以應用最為廣泛的美軍標MIL-STD-810F《環境工程考慮和實驗室環境試驗》為例，該軍用標準包括環境工程工作指南和實驗室試驗方法2 部分，其中實驗室試驗方法包括24 種環境試驗方法標準，涵蓋了溫度、濕度、鹽霧、振動、太陽輻射等多種單一環境因素試驗方法和少數多種環境因素的試驗方法。在環境試驗標準的發展中，美軍標MIL-STD-810 問世60 多年中，經歷了8 次制修訂（具體見表2），從初始的60 多頁豐富到現在的800 多頁。該標準方法在歷年的更新中得到了進一步的完善和發展，這成為國內外環境試驗標準的主要參考和借鑒，參照此標準國內形成了GJΒ 150 和更新版GJΒ 150A 標準[27-28]。另外，英國國防部標準DEF STAN 00-35《國防裝備環境手冊》（第四版），于2006 年9 月18 日頒布，書中第2 部分“環境試驗程序設計和評價方法”和第3 部分“環境試驗方法”均成為各界學者研究環境試驗方法的重要依據，促進了國內外環境試驗的發展。

表2 MIL-STD 810 系列標準發展歷程 Tab.2 Development of MIL-STD 810 series standards

3.2 國內環境試驗方法發展

在借鑒美國、日本和前蘇聯等國外環境工程研究的基礎上，我國裝備的海洋大氣環境適應性研究實現了從無到有的發展，其中對于環境試驗方法標準的發 展則主要是國外試驗方法、標準的引進和沿用[29]?，F階段國內常用的環境試驗標準以國外發達國家的標準為藍本來進行制修訂形成，并沒有完全形成由我國獨立自主研究的環境試驗方法標準。例如較為常用的 GJΒ 150A 則是根據810 系列標準翻譯而來，基本等效美軍標MIL-STD-810F《環境試驗方法和工程導則》中相應部分；1991 年形成的GJΒ 1217 《電連接器試驗方法》，涵蓋了溫度、濕度、鹽霧等試驗方法，但該方法也主要是在1977 年的美軍標MIL-STD-1344A《電連接器試驗方法》的基礎上翻譯和借鑒形成，2009 年修訂并形成了GJΒ 1217A 版本；GJΒ 4239《裝備環境工程通用要求》的形成也是綜合借鑒了810F、0035 手冊和GJΒ 450 等為基礎的。

研究表明[30]，目前國內已經形成的環境試驗方法基本是依托具體的試驗對象來建立，與國外相似，均以涂層為對象的研究最為廣泛。已有的資料顯示[26]，國外環境試驗組合/綜合試驗方法主要有標準和非標準形式，如 ASTM 系列、Norsok M-501、NACE TM0304 標準等。這些標準主要從裝備在實際服役過程中的工況和服役中所經歷的海洋大氣環境因素來進行組合，并根據具體的試驗效果開展數據對比后，以此為依據來進行適當的剪裁等，為國內的海洋大氣組合/綜合環境試驗方法的發展提供了借鑒和研究基礎。遺憾的是，由于組合/綜合試驗方法設計的環境因素較多，且在無特定的試驗對象和試驗目的等情況下，國內學者目前對于該種方法的研究并沒有形成一套相對系統的理論和方法原則。

4 結語

綜上所述，隨著我國軍事向深海遠海的推進，對海洋大氣環境下使用的裝備提出了更高的要求，且針對長期服役于多海洋環境因素下的裝備易產生復雜的環境效應，依然沒有形成系統的組合/綜合環境試驗方法，因此提出了以下展望：

1）影響裝備在海洋大氣環境中發生失效和故障的因素較多，基于裝備在海洋大氣主要環境因素及其組合分析可進一步加強裝備環境效應研究。

2）目前國內外均沒有系統的裝備在海洋大氣環境中多因素組合/綜合試驗方法，為適應裝備在海洋大氣復雜環境中的適應性考核，需加強對多種環境因素組合/綜合環境試驗方法的研究。

3）國內環境試驗及方法的研究較國外晚，且主要以引進和沿用為主，為了適應裝備在本國的服役環境，應學習和借鑒國外試驗方法和標準的研究成果，同時結合自身特色形成相應的組合/綜合環境試驗方法。