某产品大气腐蚀环境因素监测与环境数据应用模式研究

刘聪，李思蓓，李旭，周堃，吴帅，王莞，王晓辉，郭赞洪，孙有美,4

（1.西南技术工程研究所，重庆 401329；2.环境效应与防护重庆市重点实验室，重庆 401329；3.四川大学，成都 610065；4.海南万宁大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，海南 万宁 571522）

服役环境条件及环境因素数据对产品寿命期内性能及功能存在重要影响[1-7]，是产品论证、设计、研制及试验考核的重要基础[8]。结合寿命期环境剖面，全面、系统、准确地监测其各环节主要影响因素，是挖掘环境数据应用价值的前提。我国相关部门和单位在环境因素数据监测和环境条件分析上持续投入，已形成GB/T 4798《电工电子产品环境条件》[9]、GJB 1172《军用设备气候极值》[10]、GJB 8894《自然环境因素测定方法》[11]等系列指导环境条件分析以及环境因素观测的标准，为我国各行业产品在自然环境因素监测规范化和全寿命周期环境适应性提升提供了支撑。但由于我国针对产品服役环境的监测起步晚、积累少，仅开展过高速列车动态服役环境腐蚀在线监测[12]、海上风电机组服役环境条件监测方案[13]等研究，依然存在着产品类型和监测因素覆盖不全面的问题，对于部分服役环境条件较特殊的重要产品，有必要在环境监测与数据应用方面提供更多定制服务。

某产品长期贮存、运行于热带沿海库房或封闭舱室内，根据热带海洋大气环境特征[14-16]，该产品可能经受高温、高湿以及盐雾等环境因素的综合作用，对其可靠性及使用寿命存在影响。因该产品价值昂贵、可靠性要求高，研制单位及使用部门对其服役环境条件特别是腐蚀危害极为关注。本文以某产品服役环境为对象，对其关键场所的主要腐蚀环境因素进行为期3 a的系统监测，挖掘、探讨环境数据的应用模式，通过监测分析得到的温度、相对湿度、盐雾变化规律，为本型产品的维护保养及后续产品的改进升级提供环境数据支撑。研究思路可为类似产品的环境监测及数据应用定制服务提供参考。

1 腐蚀环境因素监测

1.1 监测场所、点位和监测项目

根据某产品寿命期环境剖面，其在厂房生产组装和装箱运输阶段，严格控制温度、湿度、空气洁净度，环境条件理想，且这一阶段占寿命期比例少，腐蚀影响可忽略。因此，监测场所定为其服役时具有潜在腐蚀危害的热带沿海库房、舱室以及短期户外暴露区。

监测点位综合考虑环境代表性和区域重要性，需覆盖环境条件较优处（密闭性好、空调保障到位）、较劣处（与户外空气对流频繁、空调保障困难）；需包括精密设备较多处、产品暴露时间较长处。根据这一原则，在某产品寿命期经历的热带沿海库房、舱室、户外共选取了近30个测量点位。

某产品服役环境化学排放少。监测项目为3项影响其腐蚀的主要环境因素：温度、相对湿度、盐雾。

1.2 监测方法

1.2.1 温度、相对湿度监测方法

采用UX100-011温湿度记录仪，监测仪器经计量检定合格，且在有效期内，采集频次为每10 min 1次。温度量程为–20～70 ℃，精度为±0.21 ℃（0～50 ℃）。相对湿度量程为1%～95%，精度为±2.5%（1%～90%）。

1.2.2 盐雾监测方法

盐雾监测参数包括浓度和沉积速率，为准确监测库房、舱室复杂气氛中的微量盐雾，需借鉴其他领域先进方法对现行标准方法改进[17-18]。

1）盐雾浓度监测。样本采集参照GB/T 10593.2[19]溶液富集法，以0.5 L/min流量采样60 min，获盐雾浓度样本。样本分析参照HJ 549离子色谱法[20]。该方法原理先进、操作简单，对溶液中氯离子的检出限达到0.2 μg/10 mL，相比GB/T 10593.2、WJ 2360[21]、ISO 9225[22]等现行标准推荐的汞液滴定法和分光光度法低1个数量级，适用于盐雾含量较低的内陆地区或室内环境。

2）盐雾沉积速率监测。采样方法参照WJ 2360标准挂片法，样品同样采用离子色谱法分析。

1.2.3 监测时机

1）正常工况监测。温度、相对湿度为持续监测。盐雾监测考虑季节影响，每个季度择期开展至少1个周期，每个周期各点位盐雾浓度监测2～3 d，每天9:00和16:00各测1次，单次采样60 min。每个周期监测盐雾沉积速率1次，连续采样30 d[23]。

2）模拟空调故障状态监测。某产品所处舱室中空调有备份系统，可靠性极高，不考虑空调故障影响。对库房环境，在温度条件相对严酷的5月、7月，在大型库房、小型库房，分别关闭空调10 d。空调关闭前3 d、关闭期间、重启后3 d，温度、湿度持续监测，盐雾浓度每天采集2次。盐雾沉积速率在空调关闭前、关闭期间、重启后分别采样10 d。

3）户外不涉及使用空调，参考正常工况监测时机。

2 测量结果与讨论

2.1 温度、相对湿度测量结果

2.1.1 舱室温度、相对湿度

测量期间舱室空调均保持开启，舱室各点温度在20～25 ℃小幅波动，平均温度约22.8 ℃。相对湿度均在45%～65%小幅波动，平均相对湿度约52%。

2.1.2 库房温度、相对湿度

1）正常工况。库房内正常工况下，各点温度在20～25 ℃小幅波动，平均温度约23.2 ℃，绝大部分点位相对湿度在50%～70%。试验人员进出库房开展试验时，库房大门打开，与户外存在短期空气交换，此期间湿度在75%～80%。

2）空调故障状态。库房内空调状态对温度的影响较小，关闭空调后，各房间气温略有上升，但均稳定在25 ℃以下。相对湿度波动较大，如图1所示。某小型库房关闭空调后，相对湿度在3 h内从55%左右迅速上升至75%以上，在96 h后上升至80%左右，期间最高可达84%。空调重启后，库房相对湿度在3 h内恢复正常水平，并在55%～65%波动。大型库房相对湿度变化稍缓，相对湿度90 h内从40%升高到70%，随后稳定在73%～75%，空调重启后3 h内可恢复正常水平。

图1 某小型库房不同空调状态下的温湿度变化Fig.1 Temperature and humidity changes in a small warehouse under different air conditioning

2.1.3 户外温湿度

某产品户外暴露区域全年气温较高，年均气温达25 ℃，最高气温35.8 ℃，单日35 ℃以上气温持续时间可达3h。年均相对湿度达80%，相对湿度超过90%的时间比例达到1 800 h。

2.2 盐雾测量结果

各区域盐雾测量结果见表1。

表1 各区域盐雾测量结果Tab.1 Measurement results of salt spray in each area

在正常工况下，3个测量区域内，户外的氯离子浓度值、氯离子沉积速率最高。其次，库房的氯离子浓度值较5舱室略高，氯离子沉积速率较5舱室显著偏小。这是因为户外区域靠海，盐雾颗粒可直接扩散于户外的空气中，相比于密闭的库房以及舱室环境，氯离子浓度更高，加上户外温度高、湿度大，氯离子沉积速率更大[24]。在模拟空调故障的情况下，库房温度、相对湿度升高，氯离子浓度值和氯离子沉积速率有明显增大。

按JJF 1059.1[25]对测量方法的不确定度进行评估，氯离子浓度测量结果的相对扩展不确定度U=33.8%（k=2）。氯离子沉积速率测量结果的相对扩展不确定度U=7.0%（k=2）。

2.3 数据应用模式

2.3.1 环境符合性评估

某产品正常工况下温度、相对湿度均控制在要求范围内。盐雾中氯离子浓度最大值较系统要求的2 mg/m3低1个数量级，考虑测量不确定度后依然满足要求。库房空调故障对温度、氯离子浓度的影响较小，但相对湿度在空调故障期间短期超标。

2.3.2 大气腐蚀严酷度评估

按GB/T 19292.1[26-27]，某产品库房及舱室贮存环境均属于盐雾污染最低的S0级，户外暴露区域为盐雾污染较低的S1级。库房及舱室均属于大气腐蚀最轻微的C1级，户外属于大气腐蚀等级中等的C3级。

2.3.3 环境控制要求制定

某产品服役环境中盐雾水平低，温度变化小，材料及器件的腐蚀主要受相对湿度控制。根据GB/T 19292.1中大气腐蚀性等级分类，某产品服役时，为使大气腐蚀性保持在低严酷度的C1，应将年润湿时间等级控制在τ1级（相对湿度80%以上时间低于10 h）。因此，须结合各点自身环境条件建立合理的空调使用、维护制度。环境条件较好、密闭性好的大型库房有充分的维修时间，环境条件恶劣的小型库房应限制维修时间。根据图1空调关闭时相对湿度随时间变化的分析结果，每次维修时间不得超过4 d，即96 h。目前，该系统库房空调极少发生故障，故障维修时间也符合要求。

2.3.4 环境试验方法研究

某产品盐雾试验均参考舰船标准（GJB 4[28]）及通用标准（GJB 150A[29]）执行，而实测环境条件大大优于水面舰船及沿海户外环境。为避免“过试验”的巨大耗费，促进新材料、新工艺的应用，可考虑按以下步骤根据实测数据对盐雾试验方法进行改进。

1）编制温度-相对湿度-盐雾沉积速率三因素自然环境谱。根据某产品服役期间任务流程特点，按照最严酷的环境条件情况编制其温度-相对湿度-盐雾沉积速率三因素自然环境谱，见表2。

表2 某产品温度-相对湿度-盐雾沉积速率三因素自然环境谱Tab.2 Three-factor natural environment spectrum of temperature-relative humidity-salt spray deposition rate for a product

2）编制盐雾-湿热腐蚀试验环境谱。传统的盐雾试验方法是“持续高浓度喷雾-干燥”循环，适用于暴露于高含盐量大气中的产品。某产品的环境特点是低盐雾水平下极短期高温高湿、长期常温低湿的综合作用，主要表现为低浓度盐溶液薄膜下的腐蚀。因此，可考虑采用“盐雾预沉积-湿热-干燥”的循环试验模拟其环境历程。在此，以某产品碳钢结构件为例，按照1个试验循环等于实际环境谱下1 a的腐蚀当量换算，对盐雾-湿热腐蚀试验环境谱进行编制。

首先，根据实际环境谱中年沉积量将盐雾预沉积量定为150 mg/m2。研究表明，低碳钢在150 mg/m2的盐沉积量下，试样腐蚀电流与相对湿度的变化曲线如图2所示，其腐蚀速率（以腐蚀探测电池电流计）与相对湿度符合式（1）所示关系（相关系数R2=0.978）[30]：

图2 150 mg/m2盐雾沉积试样腐蚀电流与相对湿度的变化关系Fig.2 Relationship between corrosion current and relative humidity of 150 mg/m2 salt spray deposition samples

式中：I为碳钢稳态腐蚀电流，μA。

为获得试验加速性，将湿度条件定为相对湿度95%，将各相对湿度区间的年小时数按腐蚀速率等当量折算（见表2），年总计相当于95%相对湿度下93.9 h。据此，可将高湿时间定为96 h，其中高温高湿时间根据户外暴露时间定为8 h，常温高湿88 h。试验流程如图3所示，试验参数见表3。

表3 某产品碳钢结构件盐雾-湿热腐蚀试验参数Tab.3 Carbon steel structure salt spray – hot and humid corrosion test parameters of a product

图3 盐雾-湿热腐蚀试验Fig.3 Salt spray-hot and humid corrosion test: a) test program of GJB 150A[29]; b) test program proposed

3 结论

1）针对某产品关键场所监测得到的温度、相对湿度、盐雾数据，在“环境符合性评估”“大气腐蚀性严酷度评估”“环境控制要求制定”以及“环境试验方法研究”方面具有应用前景。

2）某产品正常工况下库房与舱室内温度、相对湿度、氯离子浓度均满足其环境条件要求。空调故障下相对湿度可在短时间超标，特别是小型库房空调故障后，每次维修时间不得超过96 h。

3）某产品库房及舱室均属于大气腐蚀最轻微的C1级，户外属于大气腐蚀等级中等的C3级。

4）可参考“盐雾预沉积-湿热-常温高湿-干燥”的循环试验模拟某产品环境历程。对于低碳钢结构件，1个试验循环（120 h）相当于实际环境下1 a。