典型海洋大氣環境當量加速試驗環境譜研究

劉元海，任三元

（中國特種飛行器研究所，湖北 荊門 448035）

目前，我軍大多數機種的年均飛行強度僅為日歷時間年的1%～3%，飛機在地面停放時間一般占到服役時間的97%以上，地面停放環境是導致飛機結構腐蝕損傷的主要因素。飛機地面停放環境譜描述了飛機在整個日歷壽命期間停放所經歷的真實自然環境歷程，采用該環境譜來開展飛機結構服役環境的腐蝕試驗，在時間、經費和技術條件上都是難以實現的。為正確確定真實自然環境對飛機結構的腐蝕影響，需建立地面停放環境譜與實驗室加速環境譜的當量關系，從而在較短時間內獲得飛機材料、結構、防護體系在真實地面停放環境下飛機的腐蝕損傷規律，為實現飛機結構日歷壽命評定工程化提供背景數據與設計輸入[1]。

1 加速環境譜的當量原則

飛機地面停放環境譜當量為地面停放加速試驗環境譜，應遵循以下2個原則：

1）實驗室加速試驗環境譜對飛機材料、結構、防護體系的腐蝕效應與飛機的真實服役環境所造成的腐蝕效應相當；

2）當量腐蝕環境加速譜應盡量簡化，以保證試驗環境易于實現。

2 當量折算實施方法[2—3]

工程上通常是測定不同溫度、濕度下典型金屬材料腐蝕電流來建立不同組合對應的當量折算系數。對應折算系數α1見表1，同時測量不同濃度的鹽、酸溶液與水介質下的腐蝕電流，建立當量折算系數，對應折算系數α2，α3見表2和表3。

當量折算法的實施步驟如下：

1）編制地面停放環境譜，選定加速試驗環境譜；

2）將每年地面環境譜的作用時間折算為θ=40 ℃，RH為90%的標準潮濕空氣的作用時間t1；

3）將每小時加速試驗環境譜的作用時間折算為θ=40 ℃，RH為90%的標準潮濕空氣的作用時間t2；

4）t1/t2為當量加速關系β，即加速試驗環境譜作用β相當于實際環境中使用1 a。

表1 潮濕空氣與標準潮濕空氣的折算系數Table 1 Conversion coefficient between moist air and standard moist air

表2 不同質量分數的NaCl溶液與水介質的折算系數Table 2 Conversion coefficient between different mass fraction NaCl solution and water

表3 不同質量濃度酸與水介質的折算系數Table 3 Conversion coefficient between different concentration acid and water

3 典型海洋大氣環境譜

表4、表5為國防科技工業自然環境試驗研究中心在統計、分析沿海某試驗站近10 a 環境數據的基礎上編制的雨、霧、濕度累積年譜（低于20 ℃的雨、霧、濕度作用時間均按20 ℃考慮）及大氣環境年譜。

表4 沿海某試驗站雨、霧和濕度累積年譜Table 4 Rain，fog and humidity accumulative spectrum of certain marine exposure station

4 海洋大氣環境加速試驗環境譜

4.1 海洋大氣腐蝕因素分析

海洋大氣的一個主要特點是空氣中含有以鹽粒或飽和鹽水水滴形態存在的氯化物，含量受溫度、海浪、海風等多種因素的影響，易變性很大。一方面，由于海洋大氣中鹽水水滴的存在，相對濕度較高，易在表面凝結成較厚的液膜，溶解更多的氧和其他腐蝕性物質，從而加速腐蝕。同時，若氯化物沉降在機體金屬表面，由于它具有吸濕性及增大表面液膜的電導作用，Cl-又具有很強的侵蝕性，因而加重了機體結構腐蝕。太陽輻射是影響腐蝕行為的另一因素，它促使金屬表面的光能腐蝕反應及真菌之類生物的活動，進而有利于腐蝕性鹽塵/鹽霧在金屬表面的沉積。

表5 沿海某試驗站大氣環境譜（1 a）Table 5 Atmospheric environment spectrum of certain marine exposure station（one year）

4.2 海洋大氣環境加速試驗環境譜

通過以上海洋大氣腐蝕環境因素分析，采用紫外照射和周期浸潤兩個子試驗構成的循環加速試驗環境譜模擬光照、溫度、濕度以及海洋大氣環境中氯離子的影響。

1）紫外照射子試驗。為有效縮短試驗周期，同時考慮到常規紫外照射（老化）試驗箱的技術指標，確定試驗箱紫外線輻射強度Q=（60±10）W/m2，紫外照射時環境溫度依據文獻[4]，取為θ=（55±10）℃。

2）周期浸潤子試驗。海洋大氣環境中鹽霧的作用采用質量分數為5%的NaCl溶液（添加少量稀硫酸調節pH=4）作為腐蝕溶液來模擬。潮濕空氣和霧/凝露作用采用溫濕環境下表面溶液的烘烤過程來模擬，烘烤條件：溫度θ=40 ℃，相對濕度取95%。浸潤周期為30 min，其中試件在溶液中浸潤7.5 min，在溶液外烘烤22.5 min。

5 典型海洋大氣環境當量加速譜

5.1 紫外照射子試驗作用時間的確定

根據文獻[2]，1個周期紫外照射時間取決于紫外試驗箱中試驗件表面上的紫外輻射強度和外場真實環境中1 a接受的紫外輻射量。當試驗箱紫外線輻射強度為K，外場真實環境的年均紫外輻射量為Q′z時，每個周期所需的紫外線照射時間可表示為：

由表5 可知，典型海洋大氣環境譜中的年均紫外輻射量Q=259.6 MJ/m2，計算得紫外照射子試驗作用時間為1 200 h。

5.2 周期浸潤子試驗作用時間的確定

周期浸潤作用時間參照典型海洋環境年譜（見表4，5），按以下當量折算法確定。

5.2.1 典型海洋大氣環境譜與標準潮濕空氣的當量折算

5.2.1.1 潮濕空氣作用時間的當量折算

根據表4中的環境和表1的折算系數，計算潮濕空氣相當于θ=40 ℃（低于20 ℃時一律按20 ℃計算），RH為90%的標準潮濕空氣的作用時間：

ta鋁合金=1 960.8 h

ta鋼=1 289.3 h

5.2.1.2 環境介質的影響分析

1）SO2的影響。SO2的質量濃度為0.121 mg/m3，SO2與大氣中的氧氣作用形成SO3（無粉塵催化時只有體積分數為1%的SO2生成SO3，有粉塵催化時只有體積分數為5%的SO2生成SO3），SO3與大氣中的水作用 形 成 H2SO4，計 算 得 0.121 mg/m3的 SO2可 生 成9.26×10-6mg/L的H2SO4。由表3可見，SO2的影響可以忽略不計。

2）NOx的影響。NOx的質量濃度為0.012 2 mg/m3，假設均能產生腐蝕能力較強的HNO3和NO，根據累積化學反應可知1 mol/L的NO2能產生8/9 mol/L的HNO3，計算得0.012 2 mg/m3的NOx可生成質量濃度為1.49×10-5mg/L的HNO3。由表3可見，NOx的影響可以忽略不計。

3）Cl-的影響。雨及霧中Cl-的質量濃度為0.028 2 mg/m3，可生成 2.9×10-3mg/L 的 HCl。由表 3可見，Cl-的影響可忽略不計。

4）CO 的影響。CO 和 O2反應產生 CO2，再與水反應產生碳酸。碳酸酸性極低，其影響忽略不計。

5）鹽霧的影響。鹽霧質量濃度為0.48 mg/m3，質量濃度極低，其影響亦忽略不計。

6）pH 值的影響。雨、霧作用時的pH 值為5.3，故雨、霧作用時考慮pH值的影響。考慮到酸雨的主要成分為硫酸，因此，pH 值為5.3 的雨、霧相當于0.245 mg/L的H2SO4。對于鋁合金對應的折算系數為0.589；對于鋼對應的折算系數為0.869。

5.2.1.3 霧作用時間的當量折算

根據表4中的環境和表1的折算系數，將霧作用小時數折算為θ=40 ℃（低于20 ℃時一律按20 ℃計算），RH為90%的標準潮濕空氣的作用時間為：

考慮pH值的影響，則霧相當于標準潮濕空氣的作用時間為：

tb鋁合金=288.1 h

tb鋼=238.2 h

5.2.1.4 降雨作用時間的當量折算

根據表4中的環境和表1的折算系數，將降雨作用小時數折算為θ=40 ℃（低于20 ℃時一律按20 ℃計算，相對濕度按90%考慮），RH為90%的標準潮濕空氣的作用時間為：

考慮pH值的影響，則降雨相當于標準潮濕空氣的作用時間為：

tc鋁合金=95.6/0.589=162.3 h

tc鋼=124.8/0.869=143.6 h

5.2.1.5 典型海洋大氣環境譜每年相當于標準潮濕空氣作用時間為：

t1鋁合金=ta鋁合金+tb鋁合金+tc鋁合金=2 411.2 h

t1鋼=ta鋼+tb鋼+tc鋼=1 671.1 h

5.2.2 周期浸潤加速試驗環境譜與水（標準潮濕空氣）的當量折算

由于加速腐蝕環境譜周期浸潤子試驗的溫度是40 ℃，因此，周期浸潤加速試驗環境譜與標準潮濕空氣的當量折算中只考慮環境對水介質的折算。

1）NaCl溶液的折算系數。

由表4 可知，鋁合金和鋼對質量分數為3.5%和7%的NaCl 相對潮濕空氣的折算系數α鋁合金為0.121和0.096 9，α鋼為0.320和0.310，采用插值法可得質量分數為5%的NaCl相對潮濕空氣的折算系數α1鋁合金=0.106 6；α1鋼=0.314。

2）pH=4的稀硫酸的折算系數。

對pH=4的稀硫酸而言，c（H+）=0.000 1 mol/L，則H2SO4對應的濃度為0.5×0.000 1 mol/L，故硫酸質量濃度為4.904 mg/L。

由表5 可知，鋁合金和鋼對質量濃度為1 mg/L和 2 mg/L 酸與水介質的折算系數α鋁合金=0.348 和0.302，α鋼=0.467 和 0.233，采用插值法可得 4.904 mg/L 酸濃度對應的折算系數α2鋁合金=0.2732；α2鋼=0.152。

3）周期浸潤加速試驗環境譜的綜合折算系數。

周期浸潤加速試驗環境譜的綜合折算系數β*滿足：

可得：β*鋁合金=0.076 68，β*鋼=0.102 4。即對鋁合金而言，加速腐蝕環境譜作用1 h 相當于θ=40 ℃，RH為90%的標準潮濕空氣的作用時間t2鋁合金=13.04 h；對鋼而言，加速腐蝕環境譜作用1 h 相當于θ=40 ℃，RH為90%的標準潮濕空氣的作用時間t2鋼=9.8 h。

5.2.3 周期浸潤加速試驗環境譜與海洋大氣環境譜的當量加速關系

由以上海洋大氣環境譜和周期浸潤加速試驗環境譜的當量折算，當量加速關系為：

β鋁合金=t1鋁合金/t2鋁合金=184.9 h/a

β鋼=t1鋼/t2鋼=170.5 h/a

因此，對鋁合金和結構鋼，周期浸潤的作用時間擬定為180 min，該時間大約相當于外場實際暴露1 a。

綜上所述，鋁合金和鋼結構件典型海洋大氣環境當量加速腐蝕環境譜的組成及實施流程如圖1 所示，該譜塊作用1 個周期，約相當于外場實際暴露1 a。

圖1 海洋大氣環境當量加速腐蝕環境譜Fig. 1 Accelerated corrosion environment spectrum of marine environment

6 結論

1）海洋大氣環境加速腐蝕可選用由“紫外照射”和“周期浸潤”2個環境塊模擬。

2）在具備真實典型海洋大氣環境譜數據、自然環境與加速環境對標準潮濕空氣折算關系基礎上，建立加速試驗環境譜與典型海洋大氣環境譜的當量加速關系，其方法簡便、可行。

3）文中確定的海洋大氣當量加速腐蝕環境譜及當量關系可用于飛機（尤其是海軍飛機/艦載飛機）的結構選材或/和防護體系、腐蝕關鍵結構日歷壽命試驗研究與驗證、設計與評定。

[1]穆志韜，曾本銀.直升機結構疲勞[M].北京：國防工業出版社，2009.

[2]劉文珽，李玉海.飛機結構日歷壽命體系評定技術[M].北京：航空工業出版社，2004：75.

[3]穆志韜. 飛機服役環境當量加速腐蝕折算方法研究[J].海軍航空工程學院學報，2007，22（3）：301—304.

[4]MILLER Robert N，SCHUESSLER R L. Predicting Service Life of Aircraft in Various Environments[J].Corrosion，1989（8）：12—21.