萬寧濱海與西沙群島大氣腐蝕性對(duì)比研究

唐其環(huán)，李軍念 ，代紅

（1.中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039；2.重慶市環(huán)境腐蝕與防護(hù)工程技術(shù)研究中心，重慶 400039）

西沙群島是我國(guó)南海四大群島之一，有大量的鋼結(jié)構(gòu)設(shè)施，對(duì)大氣腐蝕性的評(píng)估有著急迫的需求。萬寧試驗(yàn)站地處海南島東部海邊，幾十年來，開展了大量的自然環(huán)境試驗(yàn)，積累了大量的工藝、材料、產(chǎn)品的海洋大氣環(huán)境適應(yīng)性數(shù)據(jù)，應(yīng)用這些數(shù)據(jù)可為腐蝕性不強(qiáng)于萬寧試驗(yàn)站的地區(qū)解決產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性的相關(guān)問題。文中采用環(huán)境因素法、標(biāo)準(zhǔn)金屬法比較分析了兩地的大氣腐蝕性，同時(shí)結(jié)合多種工藝材料在兩地的腐蝕情況對(duì)評(píng)定結(jié)果加以驗(yàn)證。

1 地理環(huán)境

西沙群島由永樂群島和宣德群島組成，位于北緯15°40′到17°10′、東經(jīng)111°到113°，共有22 個(gè)島嶼、7 個(gè)沙洲、10 多個(gè)暗礁暗灘，海域 30 000余平方千米。永興島和珊瑚島分屬于永樂群島和宣德群島，國(guó)家氣象局在此建有氣象站。圖1 為永興島，該島距三亞榆林港和文昌清瀾港均為330 km，面積為2.1 km2，是西沙群島中最大的島嶼，島上建有各種設(shè)施。珊瑚島位于永興島西南40 n mile，面積為0.31 km2。

圖1 永興島Fig.1 Yongxing island

萬寧試驗(yàn)站位于海南島東線中部，臨海。海南島面積為32 200 km2。海拔100 m 以下的臺(tái)地、平原占全島總面積的2/3，主要分布在北部和沿海，地勢(shì)由西南向東北傾斜，東北部地勢(shì)平坦，多屬于平原，海拔在50 m 以下。萬寧試驗(yàn)站位置如圖2所示。

圖2 萬寧試驗(yàn)站位置Fig.2 Location of Wanning test station

2 環(huán)境因素法對(duì)比分析

根據(jù)ISO 9223 標(biāo)準(zhǔn)[1]，可采用潤(rùn)濕時(shí)間、空氣中二氧化硫和氯離子沉積速率評(píng)估大氣的腐蝕等級(jí)。由于西沙群島沒有氯離子沉積速率數(shù)據(jù)，只有氯離子含量數(shù)據(jù)，難以采用環(huán)境因素法評(píng)出該地區(qū)的絕對(duì)大氣腐蝕等級(jí)，但可以通過與萬寧試驗(yàn)站的氯離子含量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，定性地評(píng)估西沙群島與萬寧試驗(yàn)站的大氣腐蝕性。

2.1 空氣中二氧化硫含量

空氣中二氧化硫主要來源于工業(yè)燃煤排放，萬寧試驗(yàn)站和西沙群島均無工業(yè)污染，萬寧試驗(yàn)站近海場(chǎng)實(shí)測(cè)二氧化硫的沉降速率為0.061 5 mg/（100 cm2·d），空氣中二氧化硫的含量都很低，污染等級(jí)均為P0級(jí)，依據(jù)文獻(xiàn)[1]，兩地二氧化硫?qū)饘俚拇髿飧g可忽略。

2.2 空氣中氯離子含量

空氣中氯離子的含量隨離海距離的增加而迅速降低，地形地貌對(duì)氯離子的影響很大，萬寧試驗(yàn)站內(nèi)暴露場(chǎng)的氯離子含量比近海暴露場(chǎng)低1 個(gè)數(shù)量級(jí)。估算大氣腐蝕性時(shí)至少需要1 a 時(shí)間對(duì)空氣中的氯離子含量進(jìn)行長(zhǎng)期不斷的監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)方法分為連續(xù)法和瞬時(shí)法。

萬寧試驗(yàn)站對(duì)近海暴露場(chǎng)的氯離子含量進(jìn)行了長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，測(cè)試點(diǎn)距海邊170 m左右。2009年，累積法測(cè)試值為3.210 4 mg/（100 cm2·d），氯離子污染等級(jí)達(dá)到ISO標(biāo)準(zhǔn)的最高級(jí)（S3），而同年瞬時(shí)法測(cè)試值的均值為0.072 4 mg/m3。

西沙群島沒有對(duì)氯離子含量進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，只有幾次短期的測(cè)試數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)相差很大。廣東省熱帶海洋氣象研究所在永興島距海邊40 m的瞭望塔上監(jiān)測(cè)了西南季風(fēng)期[2]和東北季風(fēng)期[3]空氣中的氯離子含量，每次測(cè)試時(shí)間為半個(gè)月，每天監(jiān)測(cè)6～8次，平均質(zhì)量濃度分別為0.057 2，0.105 4 mg/m3。信息產(chǎn)業(yè)部電子研究所吳國(guó)華、廖國(guó)棟[4]提出西沙地區(qū)空氣中鹽霧的質(zhì)量濃度在0.3～1.5 mg/m3之間，但該文獻(xiàn)沒明確測(cè)試地點(diǎn)、測(cè)試時(shí)間、測(cè)試方法等相關(guān)內(nèi)容。影響氯離子含量的因素很多，如離海邊距離、地形條件、遮擋情況、風(fēng)向風(fēng)速、氣象條件、采樣方法等，在充分考慮這些因素的基礎(chǔ)上，1999年4月，中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所監(jiān)測(cè)了萬寧試驗(yàn)站、永興島兩地的海邊各2個(gè)點(diǎn)的空氣中的氯離子質(zhì)量濃度，萬寧站為0.396 6，0.557 0 mg/m3，永興島為0.253 2，0.227 8 mg/m3。

西沙群島沒有氯離子質(zhì)量濃度的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，難以準(zhǔn)確評(píng)定西沙群島與萬寧試驗(yàn)站海濱氯離子質(zhì)量濃度高低，但從現(xiàn)有的少量數(shù)據(jù)推測(cè)，萬寧試驗(yàn)站海濱比西沙群島的空氣氯離子質(zhì)量濃度大。由于幾次瞬時(shí)法測(cè)試值都遠(yuǎn)高于萬寧2009 年瞬時(shí)法測(cè)試值，可判定萬寧試驗(yàn)站濱海、西沙群島的氯離子污染等級(jí)均達(dá)到S3級(jí)。

2.3 潤(rùn)濕時(shí)間

當(dāng)空氣中相對(duì)濕度達(dá)到臨界值時(shí)，金屬表面會(huì)形成液膜，溫度高于臨界值時(shí)金屬就會(huì)發(fā)生明顯的大氣腐蝕，金屬發(fā)生大氣腐蝕所經(jīng)歷的時(shí)間即為潤(rùn)濕時(shí)間。ISO 9223認(rèn)為潤(rùn)濕時(shí)間是全年中溫度大于0 ℃，相對(duì)濕度大于80%的時(shí)間。

根據(jù)氣象臺(tái)站觀測(cè)的4次溫濕度日記數(shù)據(jù)可以統(tǒng)計(jì)潤(rùn)濕時(shí)間[5]，筆者收集了瓊海、永興島、珊瑚島氣象臺(tái)站1991—2005 年的溫濕度日記數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)的潤(rùn)濕時(shí)間如圖3所示。各氣象臺(tái)站潤(rùn)濕時(shí)間的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差分別為：瓊海6 247 h，440 h；永興島5 208 h，792 h；珊瑚島5 968 h，315 h。

圖3 瓊海、永興島、珊瑚島潤(rùn)濕時(shí)間Fig.3 TOW of Qionghai，Yongxing island，and Shanhu island.

在同一地區(qū)，距海邊越近，潤(rùn)濕時(shí)間越高。瓊海距海邊15 km，萬寧試驗(yàn)站近海場(chǎng)距海邊170 m，萬寧試驗(yàn)站的潤(rùn)濕時(shí)間不低于瓊海。因此，可以肯定萬寧試驗(yàn)站的潤(rùn)濕時(shí)間比西沙群島要高，但都達(dá)到ISO標(biāo)準(zhǔn)的τ5級(jí)。

2.4 環(huán)境因素法綜合評(píng)級(jí)

由上述分析結(jié)果可知，萬寧試驗(yàn)站近海場(chǎng)氯離子質(zhì)量濃度和潤(rùn)濕時(shí)間高于西沙群島，因此萬寧試驗(yàn)站近海場(chǎng)的大氣腐蝕性比西沙群島嚴(yán)酷。西沙群島地區(qū)潤(rùn)濕時(shí)間等級(jí)為S3級(jí)，大氣中二氧化硫和氯離子污染等級(jí)分別為P0級(jí)、τ5級(jí),根據(jù)ISO 9223，西沙群島地區(qū)的腐蝕等級(jí)為C5級(jí)。

3 標(biāo)準(zhǔn)金屬法對(duì)比分析

信息產(chǎn)業(yè)部電子第五研究所于1999 年1 月—2000 年7 月在西沙永興島、海南瓊海、廣州開展了Q235鋼的戶外暴露試驗(yàn)[6]，試驗(yàn)時(shí)間為18個(gè)月，樣品南向45°放置。樣品在永興島、瓊海、廣州的腐蝕速率分別為0.126 4 ，0.049 3，0.039 6 mm/a。

中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所于2002 年11 月—2003年10月在東南沿海66個(gè)地點(diǎn)進(jìn)行了鋼、鋁、鋅、銅的戶外暴露試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)間為12 個(gè)月，樣品南向45°放置。試驗(yàn)表明，萬寧試驗(yàn)站近海暴露場(chǎng)的腐蝕性在東南沿海是最強(qiáng)的。在萬寧試驗(yàn)站不同離海距離設(shè)置了5 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，Q235 鋼在這5 個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)結(jié)果：近海場(chǎng)（距海邊170 m）為0.327 4 mm/a，內(nèi)暴露場(chǎng)（距海邊350 m）為0.041 9 mm/a，距海邊1 000 m 處為0.036 2 mm/a，距海邊3 000 m處為0.041 9 mm/a，距海邊8 000 m處為0.047 0 mm/a。近海場(chǎng)氯離子質(zhì)量濃度比內(nèi)暴露場(chǎng)高1個(gè)數(shù)量級(jí)，腐蝕率與氯離子的沉降速率隨離海距離的變化規(guī)律高度一致。

用標(biāo)準(zhǔn)金屬法判斷，在瓊海的腐蝕性與萬寧內(nèi)暴露場(chǎng)相當(dāng)，在永興島的腐蝕性弱于萬寧近海場(chǎng)。根據(jù)ISO 9223，萬寧站內(nèi)暴露場(chǎng)的腐蝕性為C3級(jí)，外暴露場(chǎng)的腐蝕等級(jí)超過了C5級(jí)，而西沙群島的腐蝕性為C5級(jí)。評(píng)級(jí)結(jié)果與環(huán)境因素法一致。

4 相關(guān)工藝材料腐蝕

信息產(chǎn)業(yè)部電子第五研究所在西沙永興島對(duì)20種鍍層材料進(jìn)行了戶外暴露試驗(yàn)[7]，其中有鍍鎳鋼、鍍鉻鋼、鈍化不銹鋼。中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所在萬寧試驗(yàn)站近海場(chǎng)對(duì)這3種產(chǎn)品也開展了戶外暴露試驗(yàn)[8]。表1 為鍍鎳鋼、鍍鉻鋼、鈍化不銹鋼件在兩地的試驗(yàn)情況。

表1 西沙、萬寧試驗(yàn)點(diǎn)鍍層戶外暴露試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Open air exposure test result of plating at Wanning and Xisha islands

圖4 30 μm鍍鉻層萬寧近海場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 30 μm chromeplating on steel at Wanning seashore

試驗(yàn)結(jié)果表明3 種產(chǎn)品在兩地的腐蝕形態(tài)一致，萬寧近海場(chǎng)的大氣腐蝕性比西沙群島略強(qiáng)。

5 結(jié)語

由于環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)考慮的是小概率極值環(huán)境條件，萬寧近海場(chǎng)的大氣腐蝕性比西沙群島稍嚴(yán)酷，表明萬寧試驗(yàn)站近海場(chǎng)積累的大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)都可應(yīng)用于西沙群島，能為西沙群島各種設(shè)施和產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供參考。萬寧試驗(yàn)站的內(nèi)暴露場(chǎng)的大氣腐蝕性要弱于西沙群島，內(nèi)暴露場(chǎng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)若要應(yīng)用于西沙群島則須設(shè)置一定的限制。

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

[2]吳兌，毛偉康，甘春玲，等.西沙永興島西南季風(fēng)期大氣中 Cl-和 SO42-的分布特征[J]. 熱帶氣象學(xué)，1990，6（4）：357—364.

[3]吳兌，游積平，關(guān)越堅(jiān).西沙群島大氣中海鹽粒子的分布特征[J].熱帶氣象學(xué)，1996，12（2）：122—129.

[4]吳國(guó)華，廖國(guó)棟，蘇少燕.我國(guó)典型的海洋環(huán)境試驗(yàn)基地——西沙群島[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2005（增刊）：25—27.

[5]唐其環(huán).潤(rùn)濕時(shí)間統(tǒng)計(jì)方法研究[J].環(huán)境技術(shù)，2003，21（2）：18—20.

[6]廖國(guó)棟，吳國(guó)華，蘇少燕.金屬材料曝露試驗(yàn)與人工加速試驗(yàn)腐蝕速率的研究[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2005（增刊）：13—15.

[7]蘇少燕，廖國(guó)棟.幾種鍍層材料在西沙海洋大氣環(huán)境中的腐蝕對(duì)比[J].材料保護(hù)，2009，42（5）：68—70.

[8]劉聰，唐其環(huán).Cr-SiC 納米陶瓷復(fù)合電沉積層海洋大氣環(huán)境下耐腐蝕能力研究[R].重慶：中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所，2010.