控制室腐蝕性氣體的防治

沈奕峰

(浙江省天正設計工程有限公司,浙江 杭州 310012)

控制室作為工廠自動化的中心,其安全性越來越被重視。本文主要討論空氣中氣態污染物對控制室內過程測量和控制設備如電子辦公設備、服務器、網絡設備等的腐蝕影響和防治要求。

1 防治要求

1985年,美國儀器儀表學會(ISA)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》,兩年后,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》,中國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。

2013年,已改名為國際自動化協會的ISA修訂并頒布了ISA 71.04: 2013《過程測量和控制系統的環境條件: 大氣污染物》[1]。2013版采用“反應性檢測方法”,根據腐蝕分級試片CCC(corrosion classification coupon)暴露在空氣中一段時間(通常30 d)后生成的腐蝕膜總厚度,來評價環境中氣態污染物嚴重程度。反應性環境分級見表1所列。

表1 反應性環境分級 ?

環境中的腐蝕性氣體,主要分為三大類: 酸性氣體,如H2S,Cl2,HF,以及硫和氮的氧化物,如SO2,SO3,NOx;堿性氣體,如NH3;氧化性氣體,如O3。其中,酸性氣體的危害性通常最大。例如:φ(Cl2)=1.0×10-8時,產生的腐蝕就與φ(NH3)=2.5×10-5時的相當;氮氧化物NOx(NO,NO2,N2O4)在氯元素和硫元素腐蝕金屬時,可起到催化的作用。

文獻[1]附錄B在說明依據氣體體積分數確定環境級別具有局限性的前提下,提供了相對濕度50%以下時供參考的相應氣體體積分數,氣態污染物體積分數與嚴重級別的參考關系見表2所列。

表2 氣態污染物體積分數與嚴重級別的參考關系

為方便直觀理解,本文用文獻[1]附錄B中的氣體體積分數對比日常生活中的環境空氣質量指數(AQI)[2],環境常見氣體體積分數要求比較見表3所列。由表3可以看出,文獻[1]即使對常見氣體的體積分數要求也是很高的。控制室面臨工廠環境中的酸性氣體,一般比日常生活環境污染嚴重,甚至不考慮工藝裝置產生的氣態污染物時也是如此。例如: 中心控制室附近常布置有冷卻水塔,而冷卻水塔產生的水蒸氣,會使周圍空氣中Cl2含量大幅上升。

表3 環境常見氣體體積分數要求比較 nL/L

2 環境評估

為了保證控制室內過程測量和控制設備的長期可靠性,需要量化各種腐蝕可能性,有針對性地提供防治氣態污染物的工程解決方案。文獻[1]推薦根據美國材料試驗協會(ASTM)標準ASTM B825-02: 2008《利用庫倫分析法測量金屬試樣表面膜的標準試驗方法》,利用電化學原理測量CCC成膜厚度。利用該分析法,不但可以測量試片腐蝕成膜總厚度,還可以根據銅、銀與不同氣態污染物腐蝕反應產物的不同電化學電位,測得其中各組分腐蝕成膜厚度,從而判斷檢測場所空氣中存在的腐蝕性氣體成分。

1)當銀試片腐蝕成膜中檢測到硫化銀(Ag2S)膜,而相應的銅試片上未檢測到硫化亞銅(Cu2S)膜,通常意味著空氣中存在硫的氧化物,例如SO2和SO3。SO2本身與銅試片只會產生氧化亞銅(Cu2O)膜。硫的氧化物通常來源于含硫化石燃料的燃燒產物。體積分數在1×10-9數量級的氧化硫可鈍化活性金屬,從而延緩腐蝕。高體積分數時,該類污染物可腐蝕某些磚石、金屬、合成橡膠和塑料。

2)當Ag2S和Cu2S膜均被檢測到時,通常表示檢測場所空氣中存在著活性硫化物,例如S,H2S,有機硫化合物(如硫醇)。當兩種膜均被檢測且Cu2S超過總腐蝕成膜的50%時,可進一步確定檢測環境中存在活性硫化物。體積分數低至1×10-9數量級的活性硫化物對銅、銀、鋁和鐵合金的腐蝕速度很快。水分和少量無機氯化物的存在可大幅加速活性硫化物的腐蝕作用。值得注意的是,即使在低相對濕度的環境下,仍然會發生腐蝕。

3)氯離子腐蝕成膜(如AgCl)表明一種或多種無機氯化物的存在,例如Cl2,ClO2,HCl。體積分數高的氯(鹵素)化腐蝕產物還能有效地掩蓋相應銅試片上的硫化腐蝕產物,并導致大塊“未知”銅腐蝕成膜的出現。無機氯化物會溶解于濕氣產生氯離子,與銅、錫、銀和鐵合金快速反應。即使體積分數低至1×10-9數量級,腐蝕反應仍然明顯。例如,w(Cl2)為1×10-9的大氣環境腐蝕性就可被劃為“中”等的G2級,1.0×10-8可達到G3或GX級。在干燥大氣環境中,這種腐蝕性不明顯。當暴露于更高體積分數的氯環境時,許多合成橡膠和一些塑料也會被氧化。所以必須對那些暴露于含無機氯化物環境下的設備給予特別關注。活性硫化物和無機氯化物被列為過程工業大氣腐蝕的主要來源。

國內因標準的原因,“反應性檢測”起步較晚,國外有長期積累的工廠CCC數據[3]。以造紙廠CCC測試數據為例,各國造紙廠CCC測試數據見表4所列。

表4 不同國家造紙廠CCC測試數據 ?

從表4中可以看出,銀的腐蝕速率平均約是銅的10倍;無論是硫的氧化物還是活性硫化物均是目前對電子設備的最大威脅。多項CCC測試數據均指向同一結果。

2009年,國際電子生產商聯盟(iNEMI)組織Alcatel-Lucent(阿爾卡特—朗訊)、Cisco(思科)、HP(惠普)、華為(HUAWEI)、聯想(Lenovo)等公司進行了一項研究,發現高硫環境會導致印刷電路板、連接器和電子元件產生爬行腐蝕現象,可使電子產品提前失效,從而影響產品的壽命與可靠度。HP的研究報告認為,對于電子產品,環境中H2S的質量濃度最高不能超過4.2 μg/m3,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》中3C1L級環境H2S的質量濃度最大值要求是10 mg/m3[4]。

所以2012年iNEMI發布了聲明,對服務器和電信機房的溫度、濕度、氣態污染物提出了控制建議,以避免印刷電路板的爬行腐蝕[5]。

3 防治對策

如果控制室環境達到了G1級,則認為幾乎沒有經濟上可行的其他方法可用于進一步改善環境。當檢測到銅/銀試片的腐蝕成膜厚度高于 G1級,設計人員應采取適當措施處理控制室內空氣,以盡可能除去氣態污染物,防止腐蝕的發生。

除了通風系統,對過程測量和控制設備有害的氣態污染物還有多種途徑可進入操作環境。例如: 當DCS柜內溫度過高時,帶PVC絕緣層的電線和電纜可釋放出氯。但是進入控制室的室外大氣仍然是腐蝕性氣體的主要來源。所以設計人員需要重點關注控制室的空調通風措施。

1)房間密閉。如果控制室不能嚴格密閉,則后面提到的控制措施很難達到預期的效果,或造成非常大的浪費。所以控制室防腐蝕的設計基礎就是關鍵區域必須有合適的密閉保證。為達到密閉要求,可采取的措施包括: 進出時使用氣閘;門窗框與門窗之間要求尺寸嚴絲合縫或使用密封條;密封所有孔洞、裂縫、墻壁和天花板的接縫、電纜和管道進出的空隙。另外,需注意吊頂、活動地板下面的密封。

2)溫度控制。溫度每升高10 ℃,可能導致腐蝕反應速率成倍以上的增長。溫度波動會明顯影響相對濕度并導致局部冷凝。

美國采暖,制冷與空調工程師學會(ASHRAE)關鍵任務設施、技術空間和電子設備技術委員會(ASHRAE Technical Committee of Mission Critical Facilities, Technology Space, and Electronic Equipment)2008年發布了ASHRAE 2008《數據通訊設備環境指南》,建議數據中心溫度范圍為18～27 ℃。HG/T 20508—2014《控制室設計規定》[6]和SH/T 3006—2012《石油化工控制室設計規范》[7]均要求: 控制室的操作室、機柜室、工程師室等室溫為冬季(20±2)℃,夏季(26±2)℃,溫度變化率小于5 ℃/h。其他一些規范要求相同。

3)濕度控制。高相對濕度會使氣態污染物產生的腐蝕作用以指數級增大。水分加速設備腐蝕主要有三種途徑: 直接與金屬或塑料發生反應;與其他大氣組分相互作用,多數情況下會形成一種更活潑的物質,如SO2與水合成硫酸;電化學作用——許多物質溶于水形成導電溶液,在兩種不同金屬之間形成電勢差時,會產生電解或電池腐蝕作用。ASHRAE 2008建議數據中心的相對濕度小于60%,露點范圍為5.5～15.0 ℃;HG/T 20508—2014,SH/T 3006—2012均要求相對濕度范圍為40%～60%,濕度變化率小于6%/h。其他一些規范要求也相同。

4)空氣循環。如果控制室密閉良好,內源性污染很少,室內空氣的再循環可大幅節省空調能源,減少化學過濾處理量。但考慮室內人員的需要,適當的做法是控制室內空氣的再循環率。GB/T 50779—2022《石油化工建筑物抗爆設計標準》[8]要求抗爆控制室空調系統的新風量取以下3項中的最大值: 按工作人員計算,每人50 m3/h;總送風量的10%;維持室內正壓所需新風量。HG/T 20698—2009《化工采暖通風與空氣調節設計規范》[9]要求以下2項中的最大值: 補償排風并保持正壓所需的風量;操作室、工程師室及其他人員經常停留的輔助房間,其新鮮空氣供應量不少于每人40 m3/h。

5)正壓。為了防止外部污染的空氣滲入控制室,控制室宜保持微正壓。HG/T 20698—2009要求控制室保持正壓值范圍一般為10～30 Pa,不大于50 Pa;SH/T 3004—2011《石油化工采暖通風與空氣調節設計規范》[10]要求保持正壓,不大于50 Pa。

6)化學過濾。為了減少空氣中的氣態污染物,需要對控制室內的空氣進行化學過濾。利用被稱為“濾料”的干式氣相過濾介質,盡可能增加與空氣分子的接觸面積,最大程度吸附腐蝕性氣體,將氣態污染物轉化為無害的固體鹽留在濾料內部。

化學過濾和灰塵過濾結合的復合式過濾器是一種非常有效的去除控制室大氣污染物的手段,可以同時達到對氣態污染物和固態污染物的控制目標。GB/T 50779—2022要求控制室新風及回風應過濾,其中供給主要功能性房間的新風應設置化學過濾器。

4 結束語

各項研究表明,即使是“優良”環境下的氣態污染物仍然可能腐蝕電子設備,影響電子設備長期穩定工作。國內外標準對控制室的環境條件規定了越來越嚴格的要求。設計人員需要通過密閉、溫濕度控制、正壓通風、化學過濾等綜合措施防治控制室內的腐蝕性氣體。