楊曉然，袁藝，李迪凡，羅勇，楊萬均，封先河

　　中國兵器工業第五九研究所，重慶，中國，400039

　　Email: yxr59@126.com；重慶市2331信箱

       作者簡介

　　楊曉然，男，1962年7月出生于廣東省揭西縣。1982年7月畢業于華南工學院腐蝕與防護專業，工學學士。現工作單位為中國兵器工業第五九研究所，職稱為研究員級高級工程師。是兵裝集團內部培訓師，兵裝集團理化檢測考核與監督委員會委員、特種專業技術組成員、環境試驗專業主要培訓老師。主要從事環境試驗技術研究、環境試驗技術培訓、裝備腐蝕控制研究和電化學測試工作。主持或參與總裝、科工局(委)和科技部多項科研項目的研究和開發工作。承擔并完成多批次兵裝集團環境試驗技術專業的大規模培訓和理化檢測人員培訓任務。獲得部級二等獎二項，部級三等獎一項。獲得國家發明專利二項(第一發明人)。公開發表論文7篇(第一作者)。目前的工作重點是裝備環境適應性和服役壽命的快速試驗和評價。

　　摘 要：本文介紹我所自主研制的高加速自然環境試驗系統的相關理論、設計思想、系統結構、及各子系統功能。該系統能同時強化太陽輻射、氯離子(或其它污染物)、溫度和干濕循環等影響材料大氣腐蝕的主要環境因素，從而解決了現行自然加速試驗技術存在的強化因素片面的技術缺陷。我們提出了表面濕潤度理論，在此基礎上自主研發了表面濕潤傳感器，實現干濕循環的智能控制和優化強化，提高了加速倍率。通過在萬寧站1年的試驗運行，發現并解決了設計缺陷，從而提高了該系統的環境適應性和可靠性。我們在高加速自然環境試驗系統、遠海暴露場和海洋平臺開展暴露試驗。結果表明：與遠海暴露場戶外暴露試驗相比，鋼、鋁、鋅、銅的加速倍率分別為11.8、11.5、9.3和3.7倍；對涂層的加速效果明顯；PE和PVC抗拉強度的加速倍率分別為1.3和1.1；相對海洋平臺暴露，金屬材料加速倍率約為遠海暴露場暴露的一半。腐蝕產物分析結果為：金屬材料腐蝕產物成分和結構基本相同。試驗驗證的結論為：該系統適用于金屬、涂層、塑料及其構件的自然加速試驗。

　　關鍵詞：自然環境試驗；自然加速試驗；太陽輻射；氯離子；干濕循環

　　資助信息：國防技術基礎項目(H102009A002)。

1 引言

　　自然加速試驗是在自然環境條件強化某些主要環境因素，從而加速材料腐蝕的一種試驗，例如周期噴淋、周期浸潤、跟蹤太陽反射聚能、跟蹤太陽暴露等。其特點是：相對于鹽霧試驗，光老化試驗等實驗室加速試驗而言，自然加速試驗與傳統的自然環境試驗有更好的相關性。因而，自然加速試驗技術是自然環境試驗技術發展的重點方向之一。

　　美國阿特拉斯耐候集團在20世紀60年代研制了跟蹤太陽暴露試驗機，廣泛應用于有機高分子材料及制品的自然加速暴露試驗，得出了涂層材料自然加速暴露14周等于朝南45°角自然暴露三年的結論^[1]。之后，又相繼開發了EMMA-UG、EMMAQUA、EMMAQUA-NTW系列跟蹤太陽暴露試驗技術和裝備。ISO、ASM、SAE、JIS等標準化組織也相繼發布了相關標準，并得到積極采用。澳大利亞的Allunga自然環境試驗研究所、美國肯尼迪太空中心等機構也都積極參與并開展相關的自然加速試驗研究。

　　我國自上個世紀八十年代開始開展了跟蹤太陽反射聚能自然環境加速、周期噴淋試驗、C形環恒應變、周期噴霧、黑箱暴露試驗和玻璃框暴露試驗等自然加速試驗。這些方法的共同特征是在自然環境條件下，通過適當強化某些環境因子，從而加速材料或裝備性能劣化的試驗方法;它們綜合了自然環境試驗和實驗室模擬環境試驗的優點，具有真實、可靠和試驗周期短的特點。但因為沒有綜合強化多種主要環境因素，存在加速倍率(和/或)相關性較低的缺陷。例如，“十五”到“十一五”期間，船舶725所和兵器59所分別研制了海水和模擬雨水周期噴淋暴露試驗裝置，并開展相關的試驗研究工作;該周期噴淋試驗技術是采用一種敞開式、周期性噴淋的試驗裝置，通過強化潤濕時間和污染物的濃度而加速腐蝕，存在噴淋不均勻、定時噴淋等問題，造成加速試驗效果低，重現性差等缺陷，且在氣溫較低的條件下(如0℃以下)，噴淋液結冰無法噴淋，限制了其適用地域范圍。

　　為了解決現有自然加速試驗技術的缺陷，我們自主研發了一種高加速自然環境試驗系統并申報了多項發明專利，其中“一種大氣環境綜合自然加速試驗系統，CN 101718676 A”已獲得授權^[2～4]。該系統能夠綜合強化太陽輻射、干濕循環、污染物、和溫度等主要環境因素。初步驗證試驗結果表明該系統具有高的加速倍率。

2 相關理論和總體設計思想

　　2.1表面濕潤控制理論

　　研究表明，表面濕潤持續時間和干濕循環是決定金屬腐蝕速度的關鍵因素。因此，在設計自然加速或實驗室加速試驗設備時就必須對上述參數進行測量和控制。很明顯，問題的焦點在于表面濕潤程度的測量。ISO 9223采用溫度大于0℃和相對濕度大于80%的時間來估算表面的潤濕時間，認為在這種條件下金屬表面是濕潤的。但是，有證據表明，這種假定在有太陽或其它輻射源照射的情況下是不成立的，風的影響也會使這種假設產生偏差。簡單的例子是：雖然相對濕度超過80%，在太陽的照射下物體表面將被曬干，同時風向和風速也對物體表面的干濕狀態產生較大的影響。

　　“濕潤-干燥”循環過程是大氣腐蝕的特點，根據這一特點，研究者把“濕潤-干燥”循環作為一個重要因素引入到綜合加速試驗設備中[5]。但是，到目前為止，如何正確簡便地引入這一重要因素的問題還沒有得到很好的解決。例如，在現行的周期噴淋試驗機上，采用定期噴鹽霧的方法實現干濕循環，它不管晴天還是陰天都是定時噴，產生的效果是在大晴天的時候，樣品表面早就干了，由于沒有連續水膜，金屬腐蝕早就停止了;而在陰天的時候，樣品表面沒有干的時候就繼續噴淋，在金屬表面形成厚水膜，沒有得到腐蝕速率最大的薄液膜的效果。為了解決這一問題，我們提出了“表面濕潤度”的概念，并在此基礎上研制了表面濕潤傳感器。

　　本文所指的表面濕潤度是從大氣腐蝕的角度提出的。當在這種大氣環境中，四種標準金屬(ISO 9223規定的標準金屬)的腐蝕可以忽略不計時，這一環境中的物體表面定義為干燥，即表面濕潤度為零。隨著表面水膜從不連續到連續，從薄到厚，金屬的大氣腐蝕速率達到一個最大值，這時表面濕潤度為100%，即完全濕潤。因此，為了便于分析計算，我們可以把表面濕潤度定義為：表面濕潤傳感器輸出電壓與其最大值的比值，用百分數表示。

　　其計算公式為：

　　W=V/Vmax×100% (1)

　　式中：

　　W——表面濕潤度;

　　V——傳感器輸出電壓;

　　Vmax——傳感器輸出電壓最大值。

　　2.2總體設計思想

　　該試驗系統的總體設計思想是綜合強化太陽輻射、干濕循環、污染物、和溫度，形成具有高加速性、高相關性的自然環境試驗系統。通過跟蹤太陽，使試驗箱正面一直正對太陽，從而強化太陽輻射;通過研制表面濕潤傳感器，檢測樣品表面濕潤度，再根據樣品表面濕潤度控制噴霧，從而強化干濕循環;通過在噴霧溶液中加入可溶性大氣污染物(包括海洋性大氣中的氯化物、工業大氣中的二氧化硫等)，實現污染物的強化;通過強化太陽輻射和設計加熱系統，實現溫度強化。這種設計可以克服概述中所描述的現有自然環境試驗技術的缺陷。

3 系統結構及各子系統功能

　　3.1 總體結構

　　本系統由帶高透光玻璃頂蓋的智能噴霧試驗箱、日點軌跡雙軸跟蹤平臺和綜合控制柜三部分組成，如圖1 所示。試驗箱的外形尺寸為1800mm×1200mm×400mm，安裝在雙軸跟蹤平臺上，內部設置有智能噴霧機構和加熱裝置。雙軸跟蹤平臺根據日點軌跡函數，進行方位角和高度角的同時跟蹤，雙軸的跟蹤精度均優于±0.5º。綜合控制柜由PLC、觸摸屏和控制電路組成，實時控制跟蹤、噴霧、加熱、報警、數據采集等動作。

　　從功能上劃分為：噴霧子系統、太陽跟蹤子系統、加熱通風子系統、安全保護及報警子系統和數據采集子系統。#p#副標題#e#

　　圖1. 高加速自然環境試驗系統

　　3.2 噴霧子系統

　　噴霧子系統由表面濕潤檢測和噴霧控制機構、噴嘴移動機構、和供液機構組成，其核心是表面濕潤傳感器;其功能是根據表面濕潤傳感器檢測到的表面濕潤程度控制噴霧，使樣品表面形成薄液膜，同時產生快速的干濕循環過程。現有的表面濕潤傳感器是由異種金屬間存在電位差并產生電偶腐蝕電流的原理制成的，它缺點是電極材料易消耗而導致在同種條件下輸出電流有較大的波動;電偶腐蝕使薄液膜的成分產生變化，會使測量結果失真。為了實現表面濕潤度的檢測和自動噴霧控制，我們自主研制了一種主動式表面濕潤傳感器并申報了發明專利，其總體結構如圖2。它包括信號源(1)、表面濕潤傳感單元(2)和檢測輸出單元(3)。表面濕潤傳感單元結構如圖3。通過電化學測試，確定了信號源的最佳參數。

　　圖2. 表面濕潤傳感器結構示意圖

　　圖3. 表面濕潤傳感單元的結構示意圖

　　采用3.5%NaCl浸潤表面濕潤傳感器，取出后在實驗室連續檢測其輸出電壓，繪制濕潤度隨干燥時間的變化曲線(見圖4)。從圖4中可以看出，傳感器的電壓輸出隨表面濕潤度的降低而下降，整個過程單調連續，說明傳感器的輸出能夠正確地反映其表面濕潤程度。

　　圖4. 表面濕潤傳感器輸出電壓隨干燥時間變化

　　本表面濕潤傳感器具有如下特性：

　　(1) 表面濕潤傳感單元由兩根平行纏繞在高穩定性絕緣材料上的高耐蝕金屬絲構成，如聚四氟乙烯棒上繞鉑金絲，保證傳感器在使用環境中長期不腐蝕、不老化、不消耗，從而使傳感器參數穩定，測量果重現性好;

　　(2) 傳感器結構簡單可靠，且頭部較小，便于在狹小空間使用，其結構尺寸如圖5;

　　(3) 表面濕潤傳感單元采用低壓交流脈沖信號源，避免了測量引起的液膜中的物質消耗，使測量結果更真實;

　　(4) 由于使用高耐蝕材料制造，故可以在嚴酷的環境(如各種加速腐蝕試驗設備)中長期使用而不用維護。

　　圖5. 表面濕潤傳感單元照片

　　3.3太陽跟蹤子系統

　　太陽跟蹤子系統包括水平跟蹤裝置和俯仰跟蹤裝置，通過檢測水平編碼器與俯仰編碼器的值，調整相應的驅動水平減速機的電機和驅動俯仰減速機的電機的轉動分別對水平跟蹤裝置和俯仰跟蹤裝置進行調節，使水平跟蹤和俯仰跟蹤精度優于±0.5º。該子系統使試驗箱正面(以及與其平行的樣品表面)一直與太陽處于垂直狀態。

　　太陽軌跡跟蹤模型是本系統工作的基礎，地球繞太陽運動軌跡見圖6。

　　圖6. 地球繞太陽運動軌跡

　　跟蹤太陽的技術核心是建立不同位置、不同時刻的太陽高度和太陽方位的數學模型。計算出太陽高度角和方位角;根據計算出的太陽高度角和方位角，再與讀取俯仰和水平位置傳感器的實際值進行對比，據此控制跟蹤平臺的高度角和方位角轉動。#p#副標題#e#

　　3.4 加熱通風子系統

　　加熱通風子系統的功能是提高試驗箱內部的環境溫度和控制試驗箱與外界的空氣流通速度。提高溫度的目的是提高腐蝕和老化速度;控制空氣流通的目的是使試驗箱內部環境因素除強化的因素外，其余環境因素盡量接近外界環境因素。

　　3.5 安全報警子系統

　　在設備運行過程中，對環境和設備的各種異常進行檢測、保護和報警。試驗箱溫度高于設定溫度5℃時進行離焦保護;當風力大于7級時，開啟大風保護;當開始噴霧而表面濕潤傳感器(或部分表面濕潤傳感器)沒有檢測到時，開啟噴淋系統故障報警;當加熱系統啟動而沒有檢測到試驗箱空氣溫度上升時，開啟空氣加熱系統故障報警;當試驗設備啟動2分鐘后，設備未轉動到規定位置時啟動跟蹤系統故障報警。

　　3.6 安全報警子系統

　　數據采集子系統的功能是采集、記錄和儲存有關環境和設備運行參數。主要采集的參數包括：時間、黑板溫度、白板溫度、空氣溫度、空氣濕度、設備狀態(正常運行、停機、離焦保護、大風保護、動力系統故障、噴淋系統故障、空氣加熱系統故障、跟蹤系統故障)。數據采集后存儲在USB存儲設備中。

4 試驗驗證

　　4.1 運行可靠性驗證

　　在一年的運行過程中，該系統出現了幾次故障。主要故障包括緯度角跟蹤故障、噴霧(噴淋)移動機構故障、高度角跟蹤故障和噴嘴堵塞故障。通過分析原因和維修，我們排除了上述故障。這些故障的現象、原因及解決方法見表1。從表1中可以看出，這些故障主要是設計或安裝缺陷造成的，解決這些故障就能大大地提高本系統的運行可靠性。

　表1. 歷次故障的現象、原因及解決辦法

　　4.2 加速性驗證

　　為了驗證本試驗系統的加速性和相關性，我們采用三類樣品，即ISO9223規定的標準金屬樣品、塑料樣品和涂料樣品，在三種環境，即高加速試驗系統的試驗箱、遠海暴露場(離海岸線350米)和海洋平臺，進行試驗驗證。標準金屬腐蝕失重數據見表2。根據表2數據，可以算出該系統相對遠海暴露場戶外暴露試驗，鋼、鋁、銅、和鋅的加速倍率分別為11.8、11.5、9.3和3.7倍;對涂層(見圖7)的加速效果明顯;兩種塑料PE和PVC抗拉強度的加速倍率分別為1.3和1.1;對金屬材料來說，海洋平臺的加速倍率大約為遠海暴露場的一半;對塑料來說，海洋平臺與遠海暴露場沒有明顯差異。由于在試驗過程中，試驗系統停機檢修的時間沒有從試驗時間中扣除，上述加速倍率僅是保守估計。從加速倍率數據上看，本試驗系統對塑料的加速效果不夠理想，主要原因可能是玻璃頂蓋對太陽輻射起了一定的遮擋作用，造成對光的強化不足。由于塑料老化的主要影響因素是太陽輻射，采用本系統進行塑料自然加速試驗時可以不加玻璃頂蓋和噴淋。

　　X射線光電子能譜腐蝕產物分析結果表明，高加速試驗系統的試驗箱、遠海暴露場和海洋平臺上試驗的同種金屬的腐蝕產物的成分和結構基本相同，說明腐蝕機理基本相同。

　　由于本試驗是在自然環境中強化多種主要因素的自然加速試驗技術，其相關性應該比實驗室加速試驗技術好。但是由于驗證試驗還不充分，未得到足夠的支撐數據以說明相關性。因此，相關性問題有待進一步驗證。

　　圖7. 涂層試驗效果對比

　　表2. 標準腐蝕失重數據

5 應用前景

　　由于本系統綜合強化多種自然環境因素，具有高的加速性，因而適用于多種材料、工藝、零備件的自然加速試驗。根據上述驗證結果和分析，本系統有望在以下幾方面得到應用：

　　(1)海洋平臺、海島、和艦船甲板上用的材料、工藝及其制品的海洋性大氣綜合自然加速試驗;

　　(2)通過改變噴霧(噴淋)溶液成分，進行工業性大氣綜合自然加速試驗;

　　(3)高耐蝕材料的自然加速試驗，如新型耐侯鋼和高性能防腐涂層的海洋性大氣或工業性大氣綜合自然加速試驗;

　　(4)在溫度不低于0℃的條件下(在啟用加熱系統后，也可以在低于0℃的條件下)，在任何地點開展海洋性大氣或工業性大氣的綜合自然加速試驗。

　　開展上述試驗的目的可以是材料、工藝的篩選，也可以是服役壽命預測。

References(參考文獻)

　　[1] Xiao-ran YANG. Natural accelerated environmental test technology. Equipment Environmental Engineering, 2004, 1(1): 7 –11 (楊曉然等，自然環境加速試驗技術，裝備環境工程，2004年第1期)

　　[2] Xiao-ran YANG, Di-fan LI, Xue-bin ZHOU, Xin JIN, Bo CHEN. A kind of integrated natural accelerated test system for atmospheric environment. Chinese patent: CN 101718676 A，2010.06.02 (楊曉然，李迪凡，周學斌，金鑫，陳博·一種大氣環境綜合自然加速試驗系統·中國專利：CN 101718676 A，2010.06.02)

　　[3] Xiao-ran YANG, Xue-bin ZHOU, Di-fan LI, Wan-jun YANG, Xin JIN. A kind of accelerated environmental test chamber. Chinese patent: CN 101672765 A，2010.03.17(楊曉然，周學斌，李迪凡，楊萬均，金鑫·一種加速環境試驗箱·中國專利：CN 101672765 A，2010.03.17)

　　[4] Xiao-ran YANG, Di-fan LI, Xian-he FENG, Jun-fang WANG, Zheng-xiong LI, Yu-qin ZHU. A kind of surface wetness sensor. Chinese patent: CN 101893544A, 2010.07.02 (楊曉然，李迪凡，封先河，王俊芳，李正雄，朱玉琴 ·一種表面濕潤傳感器·中國專利：CN 101893544A, 2010.07.02)

　　[5] Lyon S B, Thompson G E, Johnson J B, et al. Accelerated atmospheric corrosion testing using a cyclic wet/ dry exposure test: aluminum, galvanized steel, and steel [J]. Corrosion, 1987, 43 (12) :719 – 26 (Lyon S B ,Thompson G E ,Johnson J B 等，采用濕/干循環暴露試驗方法對鋁、鍍鋅鋼和鋼進行加速大氣腐蝕試驗，腐蝕，1987, 43 (12) :719 – 26