湿热盐雾大气环境典型局部环境监测与防腐对策

2021-03-08王洪伦张东玖王俊张邦双涂齐勇

装备环境工程 2021年2期

王洪伦，张东玖，王俊，张邦双，涂齐勇

（1.中国人民解放军63790部队，海口 571126；2.中国电器科学研究院股份有限公司，广州 510663）

由于海洋中海水剧烈地扰动，风浪破碎，产生大量的泡沫、气泡，破裂时一部分随气流升入空中，形成大气盐核。其直径一般较小，大多在2 μm以下，有90%以上小于5 μm，其组成主要是氯化物、钠和硫酸盐离子[1]。因此，频海区域盐雾浓度距海岸距离呈现一定的分布规律，增加了自然环境对材料的腐蚀性，特别是在高温、高湿环境的融合加强下，使大气的腐蚀性更加严酷，给我国南海频海区域材料使用及设备的腐蚀防护带来很大的挑战[2-3]。

濒海区域使用的材料和设备因为工作位置的不同会有着不同的局部环境，而局部环境的不同会对材料设备的腐蚀影响有很大不同。例如室内、室内机电柜的局部环境与室外完全不同，室外也有自然暴露区、棚下区等不同环境，因此不同局部环境下设备对腐蚀防护的需求大不相同[4-7]。文中通过对不同局部环境的数据监测和分析，评估湿热盐雾海洋大气环境的不同工作环境下设备腐蚀程度和环境等级，根据濒海区域不同服役环境设备防腐需求，提出应采取的防腐措施，为设备的腐蚀防护技术手段的选择提供参考，从而在有限经费条件下达到良好的防腐效果。

1 环境及腐蚀的监测

1.1 监测地点

在高温、高湿、高盐雾的自然大气环境中，由于人工建筑物的存在，设备的局部环境也有很大不同。根据设备使用位置的不同，局部环境可分为室外自然暴露区、建筑棚下区、室内区、机电柜内区等不同环境。因此，在选择监测地点时，主要分为自然暴露区、棚下区、室内区等局部环境进行监测。同时，考虑到离海岸线的远近、高大建筑物的垂直高度，共设置试验点21处。

1.2 监测内容

腐蚀环境因素包括大气环境因素和大气污染环境因素。大气环境因素主要包括温度、湿度、太阳辐射、风速风向及雨、露等天气现象，大气污染环境因素主要包括Cl-、SO2、NOx、雨水pH值及降尘等[8-9]。结合前期研究经验和监测点实际局部环境条件情况，文中监测内容主要包括温度、相对湿度、盐雾沉降量以及金属测试片腐蚀等因素[10]。

1.3 监测方法

对于温度和相对湿度（以下简称湿度），采用带有长期记录功能的温湿度记录仪监测。对于盐雾沉降量，采用滤膜法进行监测，现场放置海盐粒子双层滤膜，每月定期取回实验室用分光光度计测量。对于金属腐蚀程度，采用高精度测试片和传统金属挂片相结合的方式来监测[11-13]。由于室内设备服役环境的腐蚀性比较微弱，金属表面形成的腐蚀产物膜厚度一般在10～200 nm。传统金属挂片的质量变化在0.001 g量级，通过计算质量损失测量腐蚀速率，误差较大，而且周期长，因此传统腐蚀性表征方法在室内使用存在一定的局限性。文中以铜作为表征材料，采用电解还原法测量铜表面形成腐蚀产物膜的速率，来更加精确地评价服役环境的腐蚀性[13]。经综合考虑，在配电柜、控制柜、阀控箱等封闭空间内部放置温湿度记录仪、高精度测试片，在室内房间放置温湿度记录仪、高精度测试片、滤膜，在室外自然暴露区和棚下区放置温湿度记录仪、高精度测试片、滤膜以及金属挂片，以监测局部不同环境的相关参数，如图1所示。

2 监测数据及分析

2.1 温度

试验点不同局部环境下每月平均温度的变化趋势及相关比较如图2所示。从全部试验点来看，室内外环境温度曲线基本一致，6—9月份温度最高，2月份温度最低，但是月平均温度几乎全年处于20 ℃以上。室内温度受设备运行及空调环境影响较大，如图2a中，相对于室外和房间来说，室内控制柜温度要高一些，且温度变化较小，是因为控制柜内电子设备长期处于工作状态，散发热量使柜内温度升高。图2c中，某机房月平均温度明显高于其他试验点，是因为室内机房很多大型设备常年工作，散发出大量热量，最高月平均温度超过33 ℃。图2d中，某机房月平均温度变化不大，这是因为该机房长期处于空调环境。

图1 部分监测点监测设备 Fig.1 Monitoring equipment for some monitoring points: a) indoor; b) inside the control cabinet; c) outdoor; d) high-precision test piece; e) temperature and humidity recorder; f) metal hanging plate

图2 温度监测数据及其分析 Fig.2 Temperature monitoring data and analysis: a) indoor and outdoor temperature trends at the same altitude 0.8 km from the coastline; b) indoor and outdoor temperature trends at different altitudes 0.8 km from the coastline; c) indoor and outdoor temperature trends at different distances from coastline; d) indoor and outdoor temperature trend of 3.5 km from coastline

2.2 湿度

试验点在不同局部环境下每月平均相对湿度的变化趋势及相关比较如图3所示。从全部试验点来看，室内控制柜、室内、室外湿度依次升高，监测点月平均相对湿度全年基本在70%以上，室外棚下区全年湿度85%以上，多数月份甚至90%以上，其中12—2月份的相对湿度较高。室内试验点，特别是室内控制柜内，保持相对较低的湿度。室内湿度受设备运行及空调环境影响明显，如图3b中，90 m高度室内机房湿度起伏较大，可能是除湿机断续工作。图3d中，有两个室内试验点湿度明显低于其他试验点，这是因为0 m高度机房大型设备常年处于工作状态，而30 m高度微机房常年有空调、除湿环境保障。需要说明的是，室外监测点最大相对湿度均达到了100%，室内某些监测点湿度波动比较大，具有干湿交替的特点。

图3 相对湿度监测数据及其分析 Fig.3 Relative humidity monitoring data and analysis: a) indoor and outdoor humidity at the same height 0.8 km from the coastline; b) indoor and outdoor humidity 0.8 km from coastline; c) indoor and outdoor humidity trends at different distances from coastline; d) indoor and outdoor humidity 3.5 km from coastline

2.3 盐雾沉降

试验点不同局部环境下的盐雾沉降量数据变化趋势及相关比较如图4所示。其中图4a为距海岸线0.8 km室内外盐雾沉降率对比，图4b为距海岸线3.5 km室内外盐雾沉降率对比。可以看出，室外盐雾沉降速率比室内高得多，有着数倍、数十倍甚至数百倍的差距。相对来说，距海岸线3.5 km的盐雾沉降率比距海岸线0.8 km的盐雾沉降率略低一些，且曲线趋势较为一致。距海岸线0.8 km的某一试验点盐雾沉降率趋势与其他试验略不一致，这是因为距海岸线比较近的区域受风向、潮汐等因素影响较大。

2.4 高精度测试片

采用电解还原法测量计算无氧铜片表面形成的腐蚀产物膜的厚度，根据ISA 71.04-2013[14]中对环境腐蚀性的分级，对设备服役环境的腐蚀性进行评价，见表1。高精度测试片监测前后的宏观形貌表面对比如图5所示，可以看出，室内外宏观形貌有明显差别。

21个试验点高精度测试片通过测量腐蚀产物得到的局部环境下的腐蚀程度及其环境分级见表2。可以看出：1）距海岸线不同距离的室外试验点，其腐蚀程度比室内试验严重得多，至少是室内机房的10倍以上，且环境分级几乎均为最严酷的GX级；2）室内房间试验点比室内控制柜试验点腐蚀程度要高，室内房间约1/2试验点环境分级为G2，有的甚至达到G3，其他环境分级为G1，而室内控制柜或机电柜内环境分级几乎全部为G1级；3）各试验点1—3月腐蚀程度相对较高，除有空调保障外，室内机房或大厅的环境分级也均达到G2以上。主要是因为此时间段环境湿度较大，薄液膜厚度增大，有助于腐蚀介质的溶解和离子的迁移。

图4 盐雾沉降率监测数据及其分析 Fig.4 Monitoring data of salt spray sedimentation rate and analysis: a) 0.8 km from coastline; b) 3.5 km from coastline

表1 ISA 71.04-2013标准中对环境腐蚀性的分级 Tab.1 Classification of environmental corrosivity in standards ISA 71.04-2013

表2 试验点局部环境下腐蚀程度及环境分级 Tab.2 Corrosion degree and environmental classification in local environment of test site

图5 高精度测试片监测前后的宏观形貌表面对比 Fig.5 The surface comparison of macroscopical morphology before and after the monitoring of high precision test sheet: a) before monitoring; b) after monitoring at indoor monitoring points; c) after monitoring at outdoor monitoring points

2.5 金属挂样

室外的纯铜、纯锌、A3钢、纯铝金属挂片试验

3、6个月及1年分三批进行取样检测[15-16]。纯铜、纯锌、A3钢为均匀腐蚀，表面形成较厚的腐蚀产物膜，而纯铝则为局部腐蚀，如图6所示。

室外金属挂片进行腐蚀试验后进行检测，得到挂片腐蚀速率及环境腐蚀分级的情况（见表3）。需说明的是，根据GB/T 19292.1—2003大气腐蚀等级划分标准，在5个室外监测点中，距海岸线3.5 km环境腐蚀等级一般为C3—C4，距海岸线0.8 km环境腐蚀等级一般为C4—C5。在这4种标准金属挂片中，大气对纯铜的腐蚀性最严重，其中两个监测点已超出评级标准范围。

图6 某室外试验点金属挂片取样记录 Fig.6 Metal hanging plate sampling record of an outdoor test site: a) copper; b) zinc; c) A3 steel; d) aluminium

表3 室外金属挂片腐蚀速率及环境腐蚀分级 Tab.3 Corrosion rate and environmental corrosion classification of outdoor metal hanging plate

3 腐蚀防护需求与对策

本项目通过对湿热盐雾海洋大气环境下装备不同的局部服役环境进行了监测，其温度、湿度、盐雾沉降率不同，腐蚀严酷度等级大不相同。因此，其防腐需求也不同，区别室外、室内不同使用环境，不同材质、结构设备实际防腐手段执行过程中，需分别制订防腐对策，采取不同的防腐手段[17-20]。

3.1 室外环境

室外环境使用的设备设施，必须采取重防腐手段。特别是棚下区环境下使用的设备，在湿润无阳光或少阳光的环境下设备表面经常长期结露，大大促进了腐蚀的产生和发展。

1）碳钢、合金钢大型结构件。应采用重防腐涂料，例如丙烯酸类、聚氨酯类、富锌类涂料，可采用5层或3层重防腐涂装体系，膜厚不得少于280 μm。涂装施工时，必须严格控制施工环境、涂装前基体表面处理、涂装层数、单道厚度、膜干时间、涂后防护等施工工序。

2）不锈钢设备。304、321等不锈钢材料不能在室外环境裸用，特别是棚下环境区域，应对其进行表面防护以隔绝水与空气，建议采用透明疏水涂料防护，例如纳米防腐涂料、水性防护漆（改性聚氨酯涂料）等。设备更新换代时，可采用耐蚀性能更好的材料，例如316L不锈钢、镍基合金、钛合金等。

3）金属焊缝部位。在工程现场，由于焊接工艺不佳或涂装施工困难，碳钢、合金钢、不锈钢等金属焊缝部位经常优先发生腐蚀。碳钢、合金钢焊接部位，除重防腐涂装防护外，还可采用氧化聚合型包覆等防腐技术进行防护。不锈钢焊接部位，除防腐涂装和包覆技术等方法外，还应改进焊接工艺，减小热影响区敏化区的宽度，防止晶粒长大和碳化物析出，以减小焊缝晶间腐蚀倾向。

4）活动件和联接件。插销、行轮、齿轮等活动零部件，为防止锈死无法活动，可采用镀锌、镀铬、渗锌等工艺处理，同时涂抹防锈油。螺栓、铆钉等联接紧固件，涂装防护不易施工，涂层容易掉落，可采用渗锌工艺处理、复合涂层、包覆技术等手段防护，或采用更加耐蚀的材料，例如316L不锈钢、钛合金等[21]。紧固件安装时必须防止电偶腐蚀，采取隔离措施（如增加橡胶垫等）。

5）仪器仪表和电气控制元器件。传感器、压力表等仪器仪表以及变频器、断路器、接触器、输PLC、接口板等电气控制元器件应采用“三防”设计和涂镀层防护，应选用经CCS认证的产品，仪表和元器件防护等级应达到IP65以上，且产品对环境要求不能过高。