某產品大氣腐蝕環境因素監測與環境數據應用模式研究

劉聰，李思蓓，李旭，周堃，吳帥，王莞，王曉輝，郭贊洪，孫有美,4

（1.西南技術工程研究所，重慶 401329；2.環境效應與防護重慶市重點實驗室，重慶 401329；3.四川大學，成都 610065；4.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）

服役環境條件及環境因素數據對產品壽命期內性能及功能存在重要影響[1-7]，是產品論證、設計、研制及試驗考核的重要基礎[8]。結合壽命期環境剖面，全面、系統、準確地監測其各環節主要影響因素，是挖掘環境數據應用價值的前提。我國相關部門和單位在環境因素數據監測和環境條件分析上持續投入，已形成GB/T 4798《電工電子產品環境條件》[9]、GJB 1172《軍用設備氣候極值》[10]、GJB 8894《自然環境因素測定方法》[11]等系列指導環境條件分析以及環境因素觀測的標準，為我國各行業產品在自然環境因素監測規范化和全壽命周期環境適應性提升提供了支撐。但由于我國針對產品服役環境的監測起步晚、積累少，僅開展過高速列車動態服役環境腐蝕在線監測[12]、海上風電機組服役環境條件監測方案[13]等研究，依然存在著產品類型和監測因素覆蓋不全面的問題，對于部分服役環境條件較特殊的重要產品，有必要在環境監測與數據應用方面提供更多定制服務。

某產品長期貯存、運行于熱帶沿海庫房或封閉艙室內，根據熱帶海洋大氣環境特征[14-16]，該產品可能經受高溫、高濕以及鹽霧等環境因素的綜合作用，對其可靠性及使用壽命存在影響。因該產品價值昂貴、可靠性要求高，研制單位及使用部門對其服役環境條件特別是腐蝕危害極為關注。本文以某產品服役環境為對象，對其關鍵場所的主要腐蝕環境因素進行為期3 a的系統監測，挖掘、探討環境數據的應用模式，通過監測分析得到的溫度、相對濕度、鹽霧變化規律，為本型產品的維護保養及后續產品的改進升級提供環境數據支撐。研究思路可為類似產品的環境監測及數據應用定制服務提供參考。

1 腐蝕環境因素監測

1.1 監測場所、點位和監測項目

根據某產品壽命期環境剖面，其在廠房生產組裝和裝箱運輸階段，嚴格控制溫度、濕度、空氣潔凈度，環境條件理想，且這一階段占壽命期比例少，腐蝕影響可忽略。因此，監測場所定為其服役時具有潛在腐蝕危害的熱帶沿海庫房、艙室以及短期戶外暴露區。

監測點位綜合考慮環境代表性和區域重要性，需覆蓋環境條件較優處（密閉性好、空調保障到位）、較劣處（與戶外空氣對流頻繁、空調保障困難）；需包括精密設備較多處、產品暴露時間較長處。根據這一原則，在某產品壽命期經歷的熱帶沿海庫房、艙室、戶外共選取了近30個測量點位。

某產品服役環境化學排放少。監測項目為3項影響其腐蝕的主要環境因素：溫度、相對濕度、鹽霧。

1.2 監測方法

1.2.1 溫度、相對濕度監測方法

采用UX100-011溫濕度記錄儀，監測儀器經計量檢定合格，且在有效期內，采集頻次為每10 min 1次。溫度量程為–20～70 ℃，精度為±0.21 ℃（0～50 ℃）。相對濕度量程為1%～95%，精度為±2.5%（1%～90%）。

1.2.2 鹽霧監測方法

鹽霧監測參數包括濃度和沉積速率，為準確監測庫房、艙室復雜氣氛中的微量鹽霧，需借鑒其他領域先進方法對現行標準方法改進[17-18]。

1）鹽霧濃度監測。樣本采集參照GB/T 10593.2[19]溶液富集法，以0.5 L/min流量采樣60 min，獲鹽霧濃度樣本。樣本分析參照HJ 549離子色譜法[20]。該方法原理先進、操作簡單，對溶液中氯離子的檢出限達到0.2 μg/10 mL，相比GB/T 10593.2、WJ 2360[21]、ISO 9225[22]等現行標準推薦的汞液滴定法和分光光度法低1個數量級，適用于鹽霧含量較低的內陸地區或室內環境。

2）鹽霧沉積速率監測。采樣方法參照WJ 2360標準掛片法，樣品同樣采用離子色譜法分析。

1.2.3 監測時機

1）正常工況監測。溫度、相對濕度為持續監測。鹽霧監測考慮季節影響，每個季度擇期開展至少1個周期，每個周期各點位鹽霧濃度監測2～3 d，每天9:00和16:00各測1次，單次采樣60 min。每個周期監測鹽霧沉積速率1次，連續采樣30 d[23]。

2）模擬空調故障狀態監測。某產品所處艙室中空調有備份系統，可靠性極高，不考慮空調故障影響。對庫房環境，在溫度條件相對嚴酷的5月、7月，在大型庫房、小型庫房，分別關閉空調10 d。空調關閉前3 d、關閉期間、重啟后3 d，溫度、濕度持續監測，鹽霧濃度每天采集2次。鹽霧沉積速率在空調關閉前、關閉期間、重啟后分別采樣10 d。

3）戶外不涉及使用空調，參考正常工況監測時機。

2 測量結果與討論

2.1 溫度、相對濕度測量結果

2.1.1 艙室溫度、相對濕度

測量期間艙室空調均保持開啟，艙室各點溫度在20～25 ℃小幅波動，平均溫度約22.8 ℃。相對濕度均在45%～65%小幅波動，平均相對濕度約52%。

2.1.2 庫房溫度、相對濕度

1）正常工況。庫房內正常工況下，各點溫度在20～25 ℃小幅波動，平均溫度約23.2 ℃，絕大部分點位相對濕度在50%～70%。試驗人員進出庫房開展試驗時，庫房大門打開，與戶外存在短期空氣交換，此期間濕度在75%～80%。

2）空調故障狀態。庫房內空調狀態對溫度的影響較小，關閉空調后，各房間氣溫略有上升，但均穩定在25 ℃以下。相對濕度波動較大，如圖1所示。某小型庫房關閉空調后，相對濕度在3 h內從55%左右迅速上升至75%以上，在96 h后上升至80%左右，期間最高可達84%。空調重啟后，庫房相對濕度在3 h內恢復正常水平，并在55%～65%波動。大型庫房相對濕度變化稍緩，相對濕度90 h內從40%升高到70%，隨后穩定在73%～75%，空調重啟后3 h內可恢復正常水平。

圖1 某小型庫房不同空調狀態下的溫濕度變化Fig.1 Temperature and humidity changes in a small warehouse under different air conditioning

2.1.3 戶外溫濕度

某產品戶外暴露區域全年氣溫較高，年均氣溫達25 ℃，最高氣溫35.8 ℃，單日35 ℃以上氣溫持續時間可達3h。年均相對濕度達80%，相對濕度超過90%的時間比例達到1 800 h。

2.2 鹽霧測量結果

各區域鹽霧測量結果見表1。

表1 各區域鹽霧測量結果Tab.1 Measurement results of salt spray in each area

在正常工況下，3個測量區域內，戶外的氯離子濃度值、氯離子沉積速率最高。其次，庫房的氯離子濃度值較5艙室略高，氯離子沉積速率較5艙室顯著偏小。這是因為戶外區域靠海，鹽霧顆粒可直接擴散于戶外的空氣中，相比于密閉的庫房以及艙室環境，氯離子濃度更高，加上戶外溫度高、濕度大，氯離子沉積速率更大[24]。在模擬空調故障的情況下，庫房溫度、相對濕度升高，氯離子濃度值和氯離子沉積速率有明顯增大。

按JJF 1059.1[25]對測量方法的不確定度進行評估，氯離子濃度測量結果的相對擴展不確定度U=33.8%（k=2）。氯離子沉積速率測量結果的相對擴展不確定度U=7.0%（k=2）。

2.3 數據應用模式

2.3.1 環境符合性評估

某產品正常工況下溫度、相對濕度均控制在要求范圍內。鹽霧中氯離子濃度最大值較系統要求的2 mg/m3低1個數量級，考慮測量不確定度后依然滿足要求。庫房空調故障對溫度、氯離子濃度的影響較小，但相對濕度在空調故障期間短期超標。

2.3.2 大氣腐蝕嚴酷度評估

按GB/T 19292.1[26-27]，某產品庫房及艙室貯存環境均屬于鹽霧污染最低的S0級，戶外暴露區域為鹽霧污染較低的S1級。庫房及艙室均屬于大氣腐蝕最輕微的C1級，戶外屬于大氣腐蝕等級中等的C3級。

2.3.3 環境控制要求制定

某產品服役環境中鹽霧水平低，溫度變化小，材料及器件的腐蝕主要受相對濕度控制。根據GB/T 19292.1中大氣腐蝕性等級分類，某產品服役時，為使大氣腐蝕性保持在低嚴酷度的C1，應將年潤濕時間等級控制在τ1級（相對濕度80%以上時間低于10 h）。因此，須結合各點自身環境條件建立合理的空調使用、維護制度。環境條件較好、密閉性好的大型庫房有充分的維修時間，環境條件惡劣的小型庫房應限制維修時間。根據圖1空調關閉時相對濕度隨時間變化的分析結果，每次維修時間不得超過4 d，即96 h。目前，該系統庫房空調極少發生故障，故障維修時間也符合要求。

2.3.4 環境試驗方法研究

某產品鹽霧試驗均參考艦船標準（GJB 4[28]）及通用標準（GJB 150A[29]）執行，而實測環境條件大大優于水面艦船及沿海戶外環境。為避免“過試驗”的巨大耗費，促進新材料、新工藝的應用，可考慮按以下步驟根據實測數據對鹽霧試驗方法進行改進。

1）編制溫度-相對濕度-鹽霧沉積速率三因素自然環境譜。根據某產品服役期間任務流程特點，按照最嚴酷的環境條件情況編制其溫度-相對濕度-鹽霧沉積速率三因素自然環境譜，見表2。

表2 某產品溫度-相對濕度-鹽霧沉積速率三因素自然環境譜Tab.2 Three-factor natural environment spectrum of temperature-relative humidity-salt spray deposition rate for a product

2）編制鹽霧-濕熱腐蝕試驗環境譜。傳統的鹽霧試驗方法是“持續高濃度噴霧-干燥”循環，適用于暴露于高含鹽量大氣中的產品。某產品的環境特點是低鹽霧水平下極短期高溫高濕、長期常溫低濕的綜合作用，主要表現為低濃度鹽溶液薄膜下的腐蝕。因此，可考慮采用“鹽霧預沉積-濕熱-干燥”的循環試驗模擬其環境歷程。在此，以某產品碳鋼結構件為例，按照1個試驗循環等于實際環境譜下1 a的腐蝕當量換算，對鹽霧-濕熱腐蝕試驗環境譜進行編制。

首先，根據實際環境譜中年沉積量將鹽霧預沉積量定為150 mg/m2。研究表明，低碳鋼在150 mg/m2的鹽沉積量下，試樣腐蝕電流與相對濕度的變化曲線如圖2所示，其腐蝕速率（以腐蝕探測電池電流計）與相對濕度符合式（1）所示關系（相關系數R2=0.978）[30]：

圖2 150 mg/m2鹽霧沉積試樣腐蝕電流與相對濕度的變化關系Fig.2 Relationship between corrosion current and relative humidity of 150 mg/m2 salt spray deposition samples

式中：I為碳鋼穩態腐蝕電流，μA。

為獲得試驗加速性，將濕度條件定為相對濕度95%，將各相對濕度區間的年小時數按腐蝕速率等當量折算（見表2），年總計相當于95%相對濕度下93.9 h。據此，可將高濕時間定為96 h，其中高溫高濕時間根據戶外暴露時間定為8 h，常溫高濕88 h。試驗流程如圖3所示，試驗參數見表3。

表3 某產品碳鋼結構件鹽霧-濕熱腐蝕試驗參數Tab.3 Carbon steel structure salt spray – hot and humid corrosion test parameters of a product

圖3 鹽霧-濕熱腐蝕試驗Fig.3 Salt spray-hot and humid corrosion test: a) test program of GJB 150A[29]; b) test program proposed

3 結論

1）針對某產品關鍵場所監測得到的溫度、相對濕度、鹽霧數據，在“環境符合性評估”“大氣腐蝕性嚴酷度評估”“環境控制要求制定”以及“環境試驗方法研究”方面具有應用前景。

2）某產品正常工況下庫房與艙室內溫度、相對濕度、氯離子濃度均滿足其環境條件要求。空調故障下相對濕度可在短時間超標，特別是小型庫房空調故障后，每次維修時間不得超過96 h。

3）某產品庫房及艙室均屬于大氣腐蝕最輕微的C1級，戶外屬于大氣腐蝕等級中等的C3級。

4）可參考“鹽霧預沉積-濕熱-常溫高濕-干燥”的循環試驗模擬某產品環境歷程。對于低碳鋼結構件，1個試驗循環（120 h）相當于實際環境下1 a。