浅析典型湿热海洋大气环境严酷度及盐雾与湿热特征

郭赞洪，唐其环，刘聪，万军，田丰源，李旭

（西南技术工程研究所，重庆 400000）

引言

随着建设海洋强国战略深入实施，大批海洋工程和海洋装备陆续建设、投用，大量的工程、装备长期暴露于高盐雾的海洋大气环境下，面临严重的腐蚀威胁，给我国造成了巨大的经济和军事损失[1]。影响大气腐蚀的因素复杂众多，主要大气环境因素包括温度、湿度、降水、污染介质等，其中，大气中盐雾（含氯离子）是影响金属腐蚀的主要介质因子，也是评估大气腐蚀的一个重要环境因子[2,3]。特别是沿海地区大气、海面大气和岛礁大气中，盐雾含量较内陆多得多。空气中盐雾要对金属材料造成腐蚀，需要在一定温度和湿度的条件下，当温度和湿度满足金属腐蚀条件前提下，温度越高、湿度越高、盐雾越高，均会加快金属材料腐蚀，造成材料性能下降，进而对产品造成影响。在一定的相对湿度下，如果金属表面不均匀或沉积有可溶性盐粒，则水蒸气优先在表面上的这些活性部位发生凝聚或吸附，进而形成电解液膜或液滴，这种液膜或液滴的存在加速了金属的大气腐蚀过程金属的腐蚀愈加严重[4-9]。

因此，针对金属腐蚀而言，温度、湿度和盐雾是影响金属腐蚀其中最重要的环境因素。本文通过分析当前的气候环境分类，引出湿热海洋大气环境，而湿热海洋大气环境的特点主要是以“湿热”和“盐雾”特征为主，通过选取湿热海洋性气候的典型环境观测站观测温度、湿度、盐雾等数据，分析湿热海洋性气候环境的“湿热”特征和“盐雾”特征；再根据碳钢的腐蚀速率数据，分析湿热海洋大气环境的大气严酷度。

1 气候环境分类现有标准和方法

我国国家标准GB/T 17297-1998《中国气候区划名称与代码 气候带和气候大区》[10]根据中国各地区的气温指标和年干燥度指标，采用线分类法对全国气候区域进行划分，该标准气候带是指将多年5天滑动平均气温稳定通过（≥）10 ℃的天数作为划分气候带的主要指标，在边缘热带、中热带和赤道热带用≥10 ℃积温作进一步划分指标。主要分为寒温带、中温带、暖温带、北亚热带、中亚热带、南亚热带、边缘热带、中热带、赤道热带、高原寒带、高原亚寒带、高原亚温带、高原温带等13个气候带。

我国国家标准GB/T 4797.1-2018《电工电子产品自然环境条件 温度和湿度》根据197个台站1961～1980年的气象数据统计结果，以温度和湿度日平均值的年极值的平均值、年极值、绝对年极值为依据，将我国气候划分为寒冷、寒温Ⅰ、寒温Ⅱ、暖温、干热、亚湿热、湿热七种气候类型。

GJB 8893.1-2017《军用装备自然环境试验方法 第1部分：通用要求》中，给出了湿热海洋大气环境各类环境因素的数值范围。

此外，还有按照地理特征分类，将我国内陆大气环境分为高原大气环境、沙漠大气环境、丘陵大气环境、平原大气环境、雨林大气环境。

2 盐雾湿热大气环境典型环境特征分析

2.1 湿热特征

2.1.1 国家标准中湿热特征

根据GB/T 4797.1-2018标准中湿热气候的划分原则，湿热气候温度和湿度日平均值的年极值的平均值、年极值、绝对年极值见表1所示。

表1 湿热气候的温湿度特征

根据GB/T 4797.1-2018标准，我国海南省整个岛屿全部属于湿热气候环境地区。

2.1.2 观测站湿热特征分析

根据GB/T 4797.1-2018中提供的湿热气候区域范围，选取了海南岛东线、西线、中线等7个气象观测站，具体包括海口、万宁、三亚、东方、白沙、琼中、屯昌等七个气象站。收集这7个气象站1个自然年的整点温度、相对湿度数据。

根据收集的温度和相对湿度整点数据，统计分析各个气象站的年度湿热时间和季度湿热时间，具体包20℃& 70 %、20 ℃& 80 %、20 ℃& 90 %、25 ℃& 70 %、25 ℃& 80 %和25 ℃& 90 %条件下的湿热时间，“20 ℃& 70 %”是指温度高于20 ℃且相对湿度不低于70 %的时间，其他条件也是类似条件。

1）年度湿热时间

统计海南省海口、万宁、三亚、东方、白沙、琼中、屯昌等七个气象站20 ℃& 70 %、20 ℃& 80 %、20 ℃& 90 %、25 ℃& 70 %、25 ℃& 80 %和25 ℃& 90 %条件下的年湿热时间，见表2所示，根据表2绘制的年湿热时间柱状图见图1所示。

根据表2和图1中给出的海口、万宁、三亚、东方、白沙、琼中、屯昌等七个气象站的年湿热时间，20 ℃& 70 %的年湿热时间在[4 873，7 246]范围内，20 ℃& 80 %的年湿热时间在[3 168，6 156]范围内，20 ℃& 90 %的年湿热时间在[810，4 217]范围内，25 ℃& 70 %的年湿热时间在[1 925，4 356]范围内，25 ℃& 80 %的年湿热时间在[1 149，2 868]范围内，25 ℃& 90 %的年湿热时间在[330，1 497]范围内。

图1 海南省东、中、西线7个气象站年湿热时间数据柱状图

表2 海南省东、中、西线7个气象站年湿热时间 单位：h

在20 ℃条件下，不同相对湿度的年湿热时间最多前两位为三亚和万宁，其他站点交替排序，且东方站20 ℃& 90 %的年湿热时间下降迅速，为其他试验站的50 %，甚至20 %。在25 ℃条件下，25 ℃& 70 %条件下东方站的年湿热时间比万宁站略多，其他小件下万宁站最多，其他站点交替排序。相同湿度条件下，25 ℃的年湿热时间比20 ℃的年湿热时间少一半以上。

根据海口、万宁、三亚、东方、白沙、琼中、屯昌等七个气象站的年均湿热时间统计分析，20 ℃& 70 %的年均湿热时间全年占比为约为69 %，标准偏差10 %；20 ℃& 80 %的年均湿热时间全年占比为约为51 %，标准偏差12 %；20 ℃& 90 %的年均湿热时间全年占比为约为28 %，标准偏差12 %；25 ℃& 70 %的年均湿热时间全年占比为约为35 %，标准偏差11 %；25 ℃& 80 %的年均湿热时间全年占比为约为21 %，标准偏差7 %；25 ℃& 90 %的年均湿热时间全年占比为约为9 %，标准偏差5 %。

2）季度湿热时间

统计海南省海口、万宁、三亚、东方、白沙、琼中、屯昌等七个气象站20 ℃& 80 %和25 ℃& 80 %条件下的春季（3月～5月）、夏季（6月～8月）、秋季（9月～11月）和冬季（1月、2月和12月）的季度湿热时间，见表3所示，根据表3绘制的20 ℃& 80 %和25 ℃& 80 %季度湿热时间柱状图见图2和图3所示。

根据表3和图2中给出的海口、万宁、三亚、东方、白沙、琼中、屯昌等七个气象站20 ℃& 80 %的季度湿热时间，春季湿热时间在[842，1 831]范围内，夏季湿热时间在[629，1 907]范围内，秋季湿热时间在[605，1 128]范围内，冬季湿热时间在[416，1 076]范围内。其中，万宁站和三亚站的春季和夏季的湿热时间明显高于秋季和冬季的，东方站四季的湿热时间变化波动小，较为平稳；其他四个站点春季和夏季的湿热时间略高于秋季和冬季的。

图2 海南省东、中、西线7个气象站20 ℃& 80 %季度湿热时间数据柱状图

表3 海南省东、中、西线7个气象站季度湿热时间 单位：h

七个气象站20 ℃& 80 %的季度湿热时间春季占全年31 %，标准偏差1 %；夏季占29 %，标准偏差4 %；秋季占21 %，标准偏差3 %；冬季占19 %，标准偏差6 %。

根据表3和图3中给出的海口、万宁、三亚、东方、白沙、琼中、屯昌等七个气象站25 ℃& 80 %的季度湿热时间，春季湿热时间在[262，941]范围内，夏季湿热时间在[627，1 417]范围内，秋季湿热时间在[148，486]范围内，冬季湿热时间在[0，45]范围内。相较于20 ℃ & 80 %的季度湿热时间，25 ℃& 80 %的季度湿热时间的季节性非常明显，夏季高温使得25 ℃& 80 %的季度湿热时间占比最多，其次是春季、秋季，冬季最少，大部分站点均没有湿热时间。七个气象站25 ℃& 80 %的季度湿热时间夏季占全年55 %，标准偏差10 %；春季占27 %，标准偏差4 %；秋季占18 %，标准偏差6 %；冬季占1 %，标准偏差1 %。

图3 海南省东、中、西线7个气象站25 ℃& 80 %季度湿热时间数据柱状图

2.2 盐雾特征

盐雾主要源于海洋，是通过激浪和碎浪雾化产生的海盐粒子随气流上升至数千米的高空，在气流的作用下使得海盐粒子飘向内陆地。到目前为止，有众多学者研究了盐雾沉积率采集方法和分布特征等研究[11-15]。

1）盐雾的季节分布特征

收集了海南地区某地春季、夏季、秋季、冬季的盐雾沉积率数据，绘制了盐雾沉积率季节分布柱状图，见图4所示。

根据图4分析，冬季的盐雾沉积率最高，夏季的最低，冬季是夏季的约3倍，秋季的盐雾沉积率略高于春季的。从全年盐雾沉积量分析，秋冬季盐雾沉积量占全年近70 %。

图4 盐雾沉积率季节分布规律的拟合曲线

2）随距海距离的盐雾分布特征

收集了海南地区不同距海距离的盐雾沉积率数据，绘制了盐雾沉积率随距海距离的分布规律的拟合曲线图，见图5所示。

图5 盐雾沉积率随距海距离分布规律的拟合曲线

盐雾沉积率随距海距离总体呈“L”形变化规律。盐雾沉积率在一定距海距离范围内会快速下降，随着距海距离的增加，盐雾沉积率下降缓慢。不同地区，盐雾沉积率快速下降的距海距离会有所不同。

3）距地面高度的盐雾分布特征

收集了海南地区不同高度阳台的盐雾沉积率数据，绘制随着不同高度的变化规律图，见图6所示。根据图6分析可知，盐雾沉积率随高度的增加总体呈现“W”的变化规律。具体为：盐雾沉积率随着距离地面高度的增加先呈现下降趋势，在距离地面15 m处达到最小，再在距离地面高度为42 m处达到阶段极值，在随着距地面高度的增加盐雾沉积率下降，再在距离地面73～95 m开始上升。

图6 不同塔架高度阳台氯离子沉积速率

3 大气严酷度特征分析

收集了海南地区不同距离海岸线Q235钢、铝、锌、铜4种标准金属第1年的腐蚀速率数据，根据GB/T 19292.1-2018《金属和合金的腐蚀大气腐蚀性 第1部分分类、测定和评估》中对Q235钢、纯锌、纯铝、纯铜等4种标准金属材料腐蚀等级划分标准对Q235钢、铝、锌、铜4种标准金属进行评级，见表4所示。根据标准金属的腐蚀等级评估所处地区的大气腐蚀严酷度等级。

根据表4数据分析可知，从距海距离170～350 m，Q235钢的腐蚀评估等级从c6降低至c3，下降了3个等级；铜的腐蚀评估等级从c6降低至c4，下降了2个等级；锌和铝的腐蚀评估等级从c5降低至c4，下降了1个等级；从环境特征分析，距海距离170和350 m的监测点的湿热时间、辐射量、降水均不会有明显变化，而盐雾沉积率却存在数量级的差距，反映了当盐雾沉积率达到一定量值后会加快金属腐蚀，会加重金属腐蚀程度。根据王振尧发表的“海南省的大气腐蚀性调查”一文中指出[16]，采用标准金属法评估海南多个监测地点的大气腐蚀性，评估结标表明大部分监测点的大气腐蚀性为c3级，部分为c4级。表明在湿热海洋大气环境下，采用标准金属评估大气腐蚀严酷度基本从c3级开始，且随着距离海岸线很近的地方，大气腐蚀严酷度严重显著。

表4 不同距海距离监测点的4种标准金属腐蚀评估等级

4 结论

根据前述分析，湿热海洋大气环境的特征为：

1）湿热特征

根据海口、万宁、三亚、东方、白沙、琼中、屯昌等七个气象站的湿热特征为：

①20 ℃& 70 %的年湿热时间在[4 873，7 246]范围内，年均湿热时间全年占比为约为69 %，标准偏差10 %。

②20 ℃& 80 %的年湿热时间在[3 168，6 156]范围内，年均湿热时间全年占比为约为51 %，标准偏差12 %；其中，春季占全年31 %，标准偏差1 %；夏季占29 %，标准偏差4 %；秋季占21 %，标准偏差3 %；冬季占19 %，标准偏差6 %。

③20 ℃& 90 %的年湿热时间在[810，4 217]范围内，年均湿热时间全年占比为约为28 %，标准偏差12 %。

④2 5℃& 70 %的年湿热时间在[1 925，4 356]范围内，年均湿热时间全年占比为约为35 %，标准偏差11 %。

⑤25 ℃& 80 %的年湿热时间在[1 149，2 868]范围内，年均湿热时间全年占比为约为21 %，标准偏差7 %；其中，夏季占全年55 %，标准偏差10 %；春季占27 %，标准偏差4 %；秋季占18 %，标准偏差6 %；冬季占1 %，标准偏差1 %。

⑥25 ℃& 90 %的年湿热时间在[330，1 497]范围内，年均湿热时间全年占比为约为9 %，标准偏差5 %。

2）盐雾特征

①季节性特征为：冬季的盐雾沉积率最高，夏季的最低；秋冬季盐雾沉积量占全年近70 %。

②距海岸线分布特征为：盐雾沉积率随距海距离总体呈“L”形变化规律。盐雾沉积率在一定距海距离范围内会快速下降，随着距海距离的增加，盐雾沉积率下降缓慢。不同地区，盐雾沉积率快速下降的距海距离会有所不同。

③距离地面高度分布特征：盐雾沉积率随高度的增加总体呈现“W”的变化规律。不同地区呈现“W”变化中“拐点”的距地面高度不同。

3）大气严酷度

基于标准金属腐蚀第1年腐蚀率评估大气腐蚀等级，海南大部分地区的大气腐蚀严酷度均从c3开始，临近海岸线很近的地方，大气腐蚀严酷度增加明显。