万宁滨海与西沙群岛大气腐蚀性对比研究

唐其环，李军念 ，代红

（1.中国兵器工业第五九研究所，重庆 400039；2.重庆市环境腐蚀与防护工程技术研究中心，重庆 400039）

西沙群岛是我国南海四大群岛之一，有大量的钢结构设施，对大气腐蚀性的评估有着急迫的需求。万宁试验站地处海南岛东部海边，几十年来，开展了大量的自然环境试验，积累了大量的工艺、材料、产品的海洋大气环境适应性数据，应用这些数据可为腐蚀性不强于万宁试验站的地区解决产品环境适应性的相关问题。文中采用环境因素法、标准金属法比较分析了两地的大气腐蚀性，同时结合多种工艺材料在两地的腐蚀情况对评定结果加以验证。

1 地理环境

西沙群岛由永乐群岛和宣德群岛组成，位于北纬15°40′到17°10′、东经111°到113°，共有22 个岛屿、7 个沙洲、10 多个暗礁暗滩，海域 30 000余平方千米。永兴岛和珊瑚岛分属于永乐群岛和宣德群岛，国家气象局在此建有气象站。图1 为永兴岛，该岛距三亚榆林港和文昌清澜港均为330 km，面积为2.1 km2，是西沙群岛中最大的岛屿，岛上建有各种设施。珊瑚岛位于永兴岛西南40 n mile，面积为0.31 km2。

图1 永兴岛Fig.1 Yongxing island

万宁试验站位于海南岛东线中部，临海。海南岛面积为32 200 km2。海拔100 m 以下的台地、平原占全岛总面积的2/3，主要分布在北部和沿海，地势由西南向东北倾斜，东北部地势平坦，多属于平原，海拔在50 m 以下。万宁试验站位置如图2所示。

图2 万宁试验站位置Fig.2 Location of Wanning test station

2 环境因素法对比分析

根据ISO 9223 标准[1]，可采用润湿时间、空气中二氧化硫和氯离子沉积速率评估大气的腐蚀等级。由于西沙群岛没有氯离子沉积速率数据，只有氯离子含量数据，难以采用环境因素法评出该地区的绝对大气腐蚀等级，但可以通过与万宁试验站的氯离子含量数据进行比较，定性地评估西沙群岛与万宁试验站的大气腐蚀性。

2.1 空气中二氧化硫含量

空气中二氧化硫主要来源于工业燃煤排放，万宁试验站和西沙群岛均无工业污染，万宁试验站近海场实测二氧化硫的沉降速率为0.061 5 mg/（100 cm2·d），空气中二氧化硫的含量都很低，污染等级均为P0级，依据文献[1]，两地二氧化硫对金属的大气腐蚀可忽略。

2.2 空气中氯离子含量

空气中氯离子的含量随离海距离的增加而迅速降低，地形地貌对氯离子的影响很大，万宁试验站内暴露场的氯离子含量比近海暴露场低1 个数量级。估算大气腐蚀性时至少需要1 a 时间对空气中的氯离子含量进行长期不断的监测，监测方法分为连续法和瞬时法。

万宁试验站对近海暴露场的氯离子含量进行了长期监测，测试点距海边170 m左右。2009年，累积法测试值为3.210 4 mg/（100 cm2·d），氯离子污染等级达到ISO标准的最高级（S3），而同年瞬时法测试值的均值为0.072 4 mg/m3。

西沙群岛没有对氯离子含量进行长期监测，只有几次短期的测试数据，数据相差很大。广东省热带海洋气象研究所在永兴岛距海边40 m的瞭望塔上监测了西南季风期[2]和东北季风期[3]空气中的氯离子含量，每次测试时间为半个月，每天监测6～8次，平均质量浓度分别为0.057 2，0.105 4 mg/m3。信息产业部电子研究所吴国华、廖国栋[4]提出西沙地区空气中盐雾的质量浓度在0.3～1.5 mg/m3之间，但该文献没明确测试地点、测试时间、测试方法等相关内容。影响氯离子含量的因素很多，如离海边距离、地形条件、遮挡情况、风向风速、气象条件、采样方法等，在充分考虑这些因素的基础上，1999年4月，中国兵器工业第五九研究所监测了万宁试验站、永兴岛两地的海边各2个点的空气中的氯离子质量浓度，万宁站为0.396 6，0.557 0 mg/m3，永兴岛为0.253 2，0.227 8 mg/m3。

西沙群岛没有氯离子质量浓度的长期监测数据，难以准确评定西沙群岛与万宁试验站海滨氯离子质量浓度高低，但从现有的少量数据推测，万宁试验站海滨比西沙群岛的空气氯离子质量浓度大。由于几次瞬时法测试值都远高于万宁2009 年瞬时法测试值，可判定万宁试验站滨海、西沙群岛的氯离子污染等级均达到S3级。

2.3 润湿时间

当空气中相对湿度达到临界值时，金属表面会形成液膜，温度高于临界值时金属就会发生明显的大气腐蚀，金属发生大气腐蚀所经历的时间即为润湿时间。ISO 9223认为润湿时间是全年中温度大于0 ℃，相对湿度大于80%的时间。

根据气象台站观测的4次温湿度日记数据可以统计润湿时间[5]，笔者收集了琼海、永兴岛、珊瑚岛气象台站1991—2005 年的温湿度日记数据，统计的润湿时间如图3所示。各气象台站润湿时间的平均值和标准差分别为：琼海6 247 h，440 h；永兴岛5 208 h，792 h；珊瑚岛5 968 h，315 h。

图3 琼海、永兴岛、珊瑚岛润湿时间Fig.3 TOW of Qionghai，Yongxing island，and Shanhu island.

在同一地区，距海边越近，润湿时间越高。琼海距海边15 km，万宁试验站近海场距海边170 m，万宁试验站的润湿时间不低于琼海。因此，可以肯定万宁试验站的润湿时间比西沙群岛要高，但都达到ISO标准的τ5级。

2.4 环境因素法综合评级

由上述分析结果可知，万宁试验站近海场氯离子质量浓度和润湿时间高于西沙群岛，因此万宁试验站近海场的大气腐蚀性比西沙群岛严酷。西沙群岛地区润湿时间等级为S3级，大气中二氧化硫和氯离子污染等级分别为P0级、τ5级,根据ISO 9223，西沙群岛地区的腐蚀等级为C5级。

3 标准金属法对比分析

信息产业部电子第五研究所于1999 年1 月—2000 年7 月在西沙永兴岛、海南琼海、广州开展了Q235钢的户外暴露试验[6]，试验时间为18个月，样品南向45°放置。样品在永兴岛、琼海、广州的腐蚀速率分别为0.126 4 ，0.049 3，0.039 6 mm/a。

中国兵器工业第五九研究所于2002 年11 月—2003年10月在东南沿海66个地点进行了钢、铝、锌、铜的户外暴露试验，试验时间为12 个月，样品南向45°放置。试验表明，万宁试验站近海暴露场的腐蚀性在东南沿海是最强的。在万宁试验站不同离海距离设置了5 个试验点，Q235 钢在这5 个点的试验结果：近海场（距海边170 m）为0.327 4 mm/a，内暴露场（距海边350 m）为0.041 9 mm/a，距海边1 000 m 处为0.036 2 mm/a，距海边3 000 m处为0.041 9 mm/a，距海边8 000 m处为0.047 0 mm/a。近海场氯离子质量浓度比内暴露场高1个数量级，腐蚀率与氯离子的沉降速率随离海距离的变化规律高度一致。

用标准金属法判断，在琼海的腐蚀性与万宁内暴露场相当，在永兴岛的腐蚀性弱于万宁近海场。根据ISO 9223，万宁站内暴露场的腐蚀性为C3级，外暴露场的腐蚀等级超过了C5级，而西沙群岛的腐蚀性为C5级。评级结果与环境因素法一致。

4 相关工艺材料腐蚀

信息产业部电子第五研究所在西沙永兴岛对20种镀层材料进行了户外暴露试验[7]，其中有镀镍钢、镀铬钢、钝化不锈钢。中国兵器工业第五九研究所在万宁试验站近海场对这3种产品也开展了户外暴露试验[8]。表1 为镀镍钢、镀铬钢、钝化不锈钢件在两地的试验情况。

表1 西沙、万宁试验点镀层户外暴露试验结果Table 1 Open air exposure test result of plating at Wanning and Xisha islands

图4 30 μm镀铬层万宁近海场试验结果Fig.4 30 μm chromeplating on steel at Wanning seashore

试验结果表明3 种产品在两地的腐蚀形态一致，万宁近海场的大气腐蚀性比西沙群岛略强。

5 结语

由于环境适应性试验考虑的是小概率极值环境条件，万宁近海场的大气腐蚀性比西沙群岛稍严酷，表明万宁试验站近海场积累的大量试验数据都可应用于西沙群岛，能为西沙群岛各种设施和产品的环境适应性设计提供参考。万宁试验站的内暴露场的大气腐蚀性要弱于西沙群岛，内暴露场的试验数据若要应用于西沙群岛则须设置一定的限制。

[1]ISO 9223，Corrosion of Metals and Alloys-corrosivity of Atm ospheres-classification[S].

[2]吴兑，毛伟康，甘春玲，等.西沙永兴岛西南季风期大气中 Cl-和 SO42-的分布特征[J]. 热带气象学，1990，6（4）：357—364.

[3]吴兑，游积平，关越坚.西沙群岛大气中海盐粒子的分布特征[J].热带气象学，1996，12（2）：122—129.

[4]吴国华，廖国栋，苏少燕.我国典型的海洋环境试验基地——西沙群岛[J].电子产品可靠性与环境试验，2005（增刊）：25—27.

[5]唐其环.润湿时间统计方法研究[J].环境技术，2003，21（2）：18—20.

[6]廖国栋，吴国华，苏少燕.金属材料曝露试验与人工加速试验腐蚀速率的研究[J].电子产品可靠性与环境试验，2005（增刊）：13—15.

[7]苏少燕，廖国栋.几种镀层材料在西沙海洋大气环境中的腐蚀对比[J].材料保护，2009，42（5）：68—70.

[8]刘聪，唐其环.Cr-SiC 纳米陶瓷复合电沉积层海洋大气环境下耐腐蚀能力研究[R].重庆：中国兵器工业第五九研究所，2010.