控制室腐蝕性氣體的防治

沈奕峰

(浙江省天正設(shè)計(jì)工程有限公司,浙江 杭州 310012)

控制室作為工廠自動(dòng)化的中心,其安全性越來(lái)越被重視。本文主要討論空氣中氣態(tài)污染物對(duì)控制室內(nèi)過(guò)程測(cè)量和控制設(shè)備如電子辦公設(shè)備、服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等的腐蝕影響和防治要求。

1 防治要求

1985年,美國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)(ISA)頒布ISA S71.04: 1985《過(guò)程測(cè)量和控制系統(tǒng)的環(huán)境條件: 大氣污染物》,兩年后,IEC頒布IEC 60654-4: 1987《工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制裝置的工作條件 第4部分: 腐蝕和侵蝕影響》,中國(guó)GB/T 17214.4—2005《工業(yè)過(guò)程測(cè)量和控制裝置的工作條件 第4部分: 腐蝕和侵蝕影響》等同采用IEC 60504-4: 1987。

2013年,已改名為國(guó)際自動(dòng)化協(xié)會(huì)的ISA修訂并頒布了ISA 71.04: 2013《過(guò)程測(cè)量和控制系統(tǒng)的環(huán)境條件: 大氣污染物》[1]。2013版采用“反應(yīng)性檢測(cè)方法”,根據(jù)腐蝕分級(jí)試片CCC(corrosion classification coupon)暴露在空氣中一段時(shí)間(通常30 d)后生成的腐蝕膜總厚度,來(lái)評(píng)價(jià)環(huán)境中氣態(tài)污染物嚴(yán)重程度。反應(yīng)性環(huán)境分級(jí)見(jiàn)表1所列。

表1 反應(yīng)性環(huán)境分級(jí) ?

環(huán)境中的腐蝕性氣體,主要分為三大類(lèi): 酸性氣體,如H2S,Cl2,HF,以及硫和氮的氧化物,如SO2,SO3,NOx;堿性氣體,如NH3;氧化性氣體,如O3。其中,酸性氣體的危害性通常最大。例如:φ(Cl2)=1.0×10-8時(shí),產(chǎn)生的腐蝕就與φ(NH3)=2.5×10-5時(shí)的相當(dāng);氮氧化物NOx(NO,NO2,N2O4)在氯元素和硫元素腐蝕金屬時(shí),可起到催化的作用。

文獻(xiàn)[1]附錄B在說(shuō)明依據(jù)氣體體積分?jǐn)?shù)確定環(huán)境級(jí)別具有局限性的前提下,提供了相對(duì)濕度50%以下時(shí)供參考的相應(yīng)氣體體積分?jǐn)?shù),氣態(tài)污染物體積分?jǐn)?shù)與嚴(yán)重級(jí)別的參考關(guān)系見(jiàn)表2所列。

表2 氣態(tài)污染物體積分?jǐn)?shù)與嚴(yán)重級(jí)別的參考關(guān)系

為方便直觀理解,本文用文獻(xiàn)[1]附錄B中的氣體體積分?jǐn)?shù)對(duì)比日常生活中的環(huán)境空氣質(zhì)量指數(shù)(AQI)[2],環(huán)境常見(jiàn)氣體體積分?jǐn)?shù)要求比較見(jiàn)表3所列。由表3可以看出,文獻(xiàn)[1]即使對(duì)常見(jiàn)氣體的體積分?jǐn)?shù)要求也是很高的。控制室面臨工廠環(huán)境中的酸性氣體,一般比日常生活環(huán)境污染嚴(yán)重,甚至不考慮工藝裝置產(chǎn)生的氣態(tài)污染物時(shí)也是如此。例如: 中心控制室附近常布置有冷卻水塔,而冷卻水塔產(chǎn)生的水蒸氣,會(huì)使周?chē)諝庵蠧l2含量大幅上升。

表3 環(huán)境常見(jiàn)氣體體積分?jǐn)?shù)要求比較 nL/L

2 環(huán)境評(píng)估

為了保證控制室內(nèi)過(guò)程測(cè)量和控制設(shè)備的長(zhǎng)期可靠性,需要量化各種腐蝕可能性,有針對(duì)性地提供防治氣態(tài)污染物的工程解決方案。文獻(xiàn)[1]推薦根據(jù)美國(guó)材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)標(biāo)準(zhǔn)ASTM B825-02: 2008《利用庫(kù)倫分析法測(cè)量金屬試樣表面膜的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》,利用電化學(xué)原理測(cè)量CCC成膜厚度。利用該分析法,不但可以測(cè)量試片腐蝕成膜總厚度,還可以根據(jù)銅、銀與不同氣態(tài)污染物腐蝕反應(yīng)產(chǎn)物的不同電化學(xué)電位,測(cè)得其中各組分腐蝕成膜厚度,從而判斷檢測(cè)場(chǎng)所空氣中存在的腐蝕性氣體成分。

1)當(dāng)銀試片腐蝕成膜中檢測(cè)到硫化銀(Ag2S)膜,而相應(yīng)的銅試片上未檢測(cè)到硫化亞銅(Cu2S)膜,通常意味著空氣中存在硫的氧化物,例如SO2和SO3。SO2本身與銅試片只會(huì)產(chǎn)生氧化亞銅(Cu2O)膜。硫的氧化物通常來(lái)源于含硫化石燃料的燃燒產(chǎn)物。體積分?jǐn)?shù)在1×10-9數(shù)量級(jí)的氧化硫可鈍化活性金屬,從而延緩腐蝕。高體積分?jǐn)?shù)時(shí),該類(lèi)污染物可腐蝕某些磚石、金屬、合成橡膠和塑料。

2)當(dāng)Ag2S和Cu2S膜均被檢測(cè)到時(shí),通常表示檢測(cè)場(chǎng)所空氣中存在著活性硫化物,例如S,H2S,有機(jī)硫化合物(如硫醇)。當(dāng)兩種膜均被檢測(cè)且Cu2S超過(guò)總腐蝕成膜的50%時(shí),可進(jìn)一步確定檢測(cè)環(huán)境中存在活性硫化物。體積分?jǐn)?shù)低至1×10-9數(shù)量級(jí)的活性硫化物對(duì)銅、銀、鋁和鐵合金的腐蝕速度很快。水分和少量無(wú)機(jī)氯化物的存在可大幅加速活性硫化物的腐蝕作用。值得注意的是,即使在低相對(duì)濕度的環(huán)境下,仍然會(huì)發(fā)生腐蝕。

3)氯離子腐蝕成膜(如AgCl)表明一種或多種無(wú)機(jī)氯化物的存在,例如Cl2,ClO2,HCl。體積分?jǐn)?shù)高的氯(鹵素)化腐蝕產(chǎn)物還能有效地掩蓋相應(yīng)銅試片上的硫化腐蝕產(chǎn)物,并導(dǎo)致大塊“未知”銅腐蝕成膜的出現(xiàn)。無(wú)機(jī)氯化物會(huì)溶解于濕氣產(chǎn)生氯離子,與銅、錫、銀和鐵合金快速反應(yīng)。即使體積分?jǐn)?shù)低至1×10-9數(shù)量級(jí),腐蝕反應(yīng)仍然明顯。例如,w(Cl2)為1×10-9的大氣環(huán)境腐蝕性就可被劃為“中”等的G2級(jí),1.0×10-8可達(dá)到G3或GX級(jí)。在干燥大氣環(huán)境中,這種腐蝕性不明顯。當(dāng)暴露于更高體積分?jǐn)?shù)的氯環(huán)境時(shí),許多合成橡膠和一些塑料也會(huì)被氧化。所以必須對(duì)那些暴露于含無(wú)機(jī)氯化物環(huán)境下的設(shè)備給予特別關(guān)注?；钚粤蚧锖蜔o(wú)機(jī)氯化物被列為過(guò)程工業(yè)大氣腐蝕的主要來(lái)源。

國(guó)內(nèi)因標(biāo)準(zhǔn)的原因,“反應(yīng)性檢測(cè)”起步較晚,國(guó)外有長(zhǎng)期積累的工廠CCC數(shù)據(jù)[3]。以造紙廠CCC測(cè)試數(shù)據(jù)為例,各國(guó)造紙廠CCC測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表4所列。

表4 不同國(guó)家造紙廠CCC測(cè)試數(shù)據(jù) ?

從表4中可以看出,銀的腐蝕速率平均約是銅的10倍;無(wú)論是硫的氧化物還是活性硫化物均是目前對(duì)電子設(shè)備的最大威脅。多項(xiàng)CCC測(cè)試數(shù)據(jù)均指向同一結(jié)果。

2009年,國(guó)際電子生產(chǎn)商聯(lián)盟(iNEMI)組織Alcatel-Lucent(阿爾卡特—朗訊)、Cisco(思科)、HP(惠普)、華為(HUAWEI)、聯(lián)想(Lenovo)等公司進(jìn)行了一項(xiàng)研究,發(fā)現(xiàn)高硫環(huán)境會(huì)導(dǎo)致印刷電路板、連接器和電子元件產(chǎn)生爬行腐蝕現(xiàn)象,可使電子產(chǎn)品提前失效,從而影響產(chǎn)品的壽命與可靠度。HP的研究報(bào)告認(rèn)為,對(duì)于電子產(chǎn)品,環(huán)境中H2S的質(zhì)量濃度最高不能超過(guò)4.2 μg/m3,GB/T 4798.3—2007《電工電子產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境條件 第三部分: 有氣候防護(hù)場(chǎng)所固定使用》中3C1L級(jí)環(huán)境H2S的質(zhì)量濃度最大值要求是10 mg/m3[4]。

所以2012年iNEMI發(fā)布了聲明,對(duì)服務(wù)器和電信機(jī)房的溫度、濕度、氣態(tài)污染物提出了控制建議,以避免印刷電路板的爬行腐蝕[5]。

3 防治對(duì)策

如果控制室環(huán)境達(dá)到了G1級(jí),則認(rèn)為幾乎沒(méi)有經(jīng)濟(jì)上可行的其他方法可用于進(jìn)一步改善環(huán)境。當(dāng)檢測(cè)到銅/銀試片的腐蝕成膜厚度高于 G1級(jí),設(shè)計(jì)人員應(yīng)采取適當(dāng)措施處理控制室內(nèi)空氣,以盡可能除去氣態(tài)污染物,防止腐蝕的發(fā)生。

除了通風(fēng)系統(tǒng),對(duì)過(guò)程測(cè)量和控制設(shè)備有害的氣態(tài)污染物還有多種途徑可進(jìn)入操作環(huán)境。例如: 當(dāng)DCS柜內(nèi)溫度過(guò)高時(shí),帶PVC絕緣層的電線和電纜可釋放出氯。但是進(jìn)入控制室的室外大氣仍然是腐蝕性氣體的主要來(lái)源。所以設(shè)計(jì)人員需要重點(diǎn)關(guān)注控制室的空調(diào)通風(fēng)措施。

1)房間密閉。如果控制室不能?chē)?yán)格密閉,則后面提到的控制措施很難達(dá)到預(yù)期的效果,或造成非常大的浪費(fèi)。所以控制室防腐蝕的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)就是關(guān)鍵區(qū)域必須有合適的密閉保證。為達(dá)到密閉要求,可采取的措施包括: 進(jìn)出時(shí)使用氣閘;門(mén)窗框與門(mén)窗之間要求尺寸嚴(yán)絲合縫或使用密封條;密封所有孔洞、裂縫、墻壁和天花板的接縫、電纜和管道進(jìn)出的空隙。另外,需注意吊頂、活動(dòng)地板下面的密封。

2)溫度控制。溫度每升高10 ℃,可能導(dǎo)致腐蝕反應(yīng)速率成倍以上的增長(zhǎng)。溫度波動(dòng)會(huì)明顯影響相對(duì)濕度并導(dǎo)致局部冷凝。

美國(guó)采暖,制冷與空調(diào)工程師學(xué)會(huì)(ASHRAE)關(guān)鍵任務(wù)設(shè)施、技術(shù)空間和電子設(shè)備技術(shù)委員會(huì)(ASHRAE Technical Committee of Mission Critical Facilities, Technology Space, and Electronic Equipment)2008年發(fā)布了ASHRAE 2008《數(shù)據(jù)通訊設(shè)備環(huán)境指南》,建議數(shù)據(jù)中心溫度范圍為18～27 ℃。HG/T 20508—2014《控制室設(shè)計(jì)規(guī)定》[6]和SH/T 3006—2012《石油化工控制室設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]均要求: 控制室的操作室、機(jī)柜室、工程師室等室溫為冬季(20±2)℃,夏季(26±2)℃,溫度變化率小于5 ℃/h。其他一些規(guī)范要求相同。

3)濕度控制。高相對(duì)濕度會(huì)使氣態(tài)污染物產(chǎn)生的腐蝕作用以指數(shù)級(jí)增大。水分加速設(shè)備腐蝕主要有三種途徑: 直接與金屬或塑料發(fā)生反應(yīng);與其他大氣組分相互作用,多數(shù)情況下會(huì)形成一種更活潑的物質(zhì),如SO2與水合成硫酸;電化學(xué)作用——許多物質(zhì)溶于水形成導(dǎo)電溶液,在兩種不同金屬之間形成電勢(shì)差時(shí),會(huì)產(chǎn)生電解或電池腐蝕作用。ASHRAE 2008建議數(shù)據(jù)中心的相對(duì)濕度小于60%,露點(diǎn)范圍為5.5～15.0 ℃;HG/T 20508—2014,SH/T 3006—2012均要求相對(duì)濕度范圍為40%～60%,濕度變化率小于6%/h。其他一些規(guī)范要求也相同。

4)空氣循環(huán)。如果控制室密閉良好,內(nèi)源性污染很少,室內(nèi)空氣的再循環(huán)可大幅節(jié)省空調(diào)能源,減少化學(xué)過(guò)濾處理量。但考慮室內(nèi)人員的需要,適當(dāng)?shù)淖龇ㄊ强刂剖覂?nèi)空氣的再循環(huán)率。GB/T 50779—2022《石油化工建筑物抗爆設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[8]要求抗爆控制室空調(diào)系統(tǒng)的新風(fēng)量取以下3項(xiàng)中的最大值: 按工作人員計(jì)算,每人50 m3/h;總送風(fēng)量的10%;維持室內(nèi)正壓所需新風(fēng)量。HG/T 20698—2009《化工采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[9]要求以下2項(xiàng)中的最大值: 補(bǔ)償排風(fēng)并保持正壓所需的風(fēng)量;操作室、工程師室及其他人員經(jīng)常停留的輔助房間,其新鮮空氣供應(yīng)量不少于每人40 m3/h。

5)正壓。為了防止外部污染的空氣滲入控制室,控制室宜保持微正壓。HG/T 20698—2009要求控制室保持正壓值范圍一般為10～30 Pa,不大于50 Pa;SH/T 3004—2011《石油化工采暖通風(fēng)與空氣調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]要求保持正壓,不大于50 Pa。

6)化學(xué)過(guò)濾。為了減少空氣中的氣態(tài)污染物,需要對(duì)控制室內(nèi)的空氣進(jìn)行化學(xué)過(guò)濾。利用被稱(chēng)為“濾料”的干式氣相過(guò)濾介質(zhì),盡可能增加與空氣分子的接觸面積,最大程度吸附腐蝕性氣體,將氣態(tài)污染物轉(zhuǎn)化為無(wú)害的固體鹽留在濾料內(nèi)部。

化學(xué)過(guò)濾和灰塵過(guò)濾結(jié)合的復(fù)合式過(guò)濾器是一種非常有效的去除控制室大氣污染物的手段,可以同時(shí)達(dá)到對(duì)氣態(tài)污染物和固態(tài)污染物的控制目標(biāo)。GB/T 50779—2022要求控制室新風(fēng)及回風(fēng)應(yīng)過(guò)濾,其中供給主要功能性房間的新風(fēng)應(yīng)設(shè)置化學(xué)過(guò)濾器。

4 結(jié)束語(yǔ)

各項(xiàng)研究表明,即使是“優(yōu)良”環(huán)境下的氣態(tài)污染物仍然可能腐蝕電子設(shè)備,影響電子設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對(duì)控制室的環(huán)境條件規(guī)定了越來(lái)越嚴(yán)格的要求。設(shè)計(jì)人員需要通過(guò)密閉、溫濕度控制、正壓通風(fēng)、化學(xué)過(guò)濾等綜合措施防治控制室內(nèi)的腐蝕性氣體。