模擬鹽霧氣氛濕熱綜合試驗設備研制

向江濤，吳護林，李鴻飛，李軍念，楊小奎，王茂川，王曉輝

(1.西南技術工程研究所， 重慶 400039； 2.國防科技工業自然環境試驗研究中心， 重慶 400039)

1 引言

我國擁有較長海岸線，每年海洋大氣環境造成的腐蝕、老化非常嚴重，而熱帶海洋環境具有高溫、高濕和高鹽霧的特點，對產品、金屬和高分子材料等的腐蝕、老化行為更為嚴重。例如：據調查發現，沿海所有電子產品的故障，海洋大氣環境引起的腐蝕、老化等故障占73%，金屬構件在海南的腐蝕速率是內陸的2～4倍，由此可見，提高產品的海洋大氣環境適應性試驗水平，對保障產品性能、外觀完好性有重要意義。

環境適應性試驗主要有自然環境試驗和實驗室模擬加速試驗，自然環境試驗是目前最可靠、最精確的環境適應性試驗方法，但是，不同的區域試驗結果不同，而且試驗周期長，不利于試驗結果推廣于產品的環境適應性設計，因此，實驗室模擬加速試驗技術受到產品研制、生產方的重視。針對海洋大氣環境，主要試驗方法有鹽霧試驗、濕熱試驗、周期浸潤試驗以及復合鹽霧腐蝕試驗等，這些試驗方法主要針對自然環境中某一因素開展加速試驗或多因素循環加速試驗，并沒有模擬自然環境將各因素綜合施加到試驗樣品上，導致試驗結果與實際情況差異較大。GJB 6117—2007《裝備環境工程術語》規定在“一定的時間內將2個或2個以上的環境因素同時施加到受試產品上，從而使受試產品經受這些環境疊加產生的、更為嚴重的破壞作用，以更真實地模擬實際環境影響的試驗”。目前，針對海洋大氣環境實現綜合試驗技術需解決的問題是：鹽霧試驗箱產生的鹽霧狀態與自然環境相差太大，同時，鹽霧試驗過程中溫度、濕度、干燥和噴霧不能同時施加。

針對現有試驗技術的缺點，本所研制了一種能同時或順序施加鹽霧氣氛、溫度、濕度和風等因素的模擬鹽霧氣氛濕熱綜合試驗設備。

2 設計

2.1 設計原理

1) 設備外接鹽霧發生器，該鹽霧發生器通過精細化噴霧技術產生鹽霧；然后通過程序控制風機將規定量的鹽霧抽入一個鹽霧空氣調和室；鹽霧空氣調和室通過內循環方式將鹽霧中的水滴沉降，剩余鹽霧與鹽霧空氣調和室內的空氣充分混合形成鹽霧氣氛；進一步將鹽霧氣氛抽入試驗箱體，其中鹽霧氣氛進入試驗箱體的量值由程序控制。當鹽霧氣氛進入試驗箱體后，控制試驗箱體內空氣溫度、相對濕度保持在規定誤差范圍內；采用掛片法檢測試驗箱體內鹽霧沉積量，當達到規定鹽霧沉積量時，即可開始試驗。

2) 針對不同模擬環境，本設備的鹽霧空氣調和室和試驗箱接受的鹽霧量、鹽霧濃度和鹽霧氣氛量可能不同。鹽霧量、鹽霧濃度和鹽霧氣氛量由確定模擬環境時檢測確定，并固化相關技術參數保存進設備存儲器。

3) 本設備采用兩級控制的方式控制試驗箱內的鹽霧沉積量。第一級控制進入鹽霧空氣調和室的鹽霧量，使鹽霧空氣調和室形成規定濃度的鹽霧氣氛；第二級控制進入試驗箱體的鹽霧氣氛量，達到規定的鹽霧沉積量。

4) 空氣調和室安裝有溫度傳感器、濕度傳感器和鹽霧噴霧塔等，可實時監測試驗箱中的溫度、濕度變化，并通過風機將規定溫度、濕度的空氣與鹽霧氣氛混合后吹入試驗箱，實現施加鹽霧沉降同時，實時改變溫度、濕度值，試驗條件更符合自然環境的真實情況。

5) 無需綜合鹽霧氣氛試驗時，試驗箱可單獨開展濕熱試驗和溫度試驗等。

模擬海洋大氣氣氛試驗設備原理如圖1所示。

圖1 模擬鹽霧氣氛濕熱綜合試驗設備原理示意圖Fig.1 Principle diagram of comprehensive test equipment for simulating salt-fog atmosphere and humidity

2.2 技術指標確定

模擬鹽霧氣氛濕熱綜合試驗設備主要針對熱帶海洋大氣環境的庫房、棚等設施的環境條件設計，因此，不模擬太陽輻射條件。其余主要環境因素以我所建立在海南的萬寧大氣自然環境試驗站的庫房、棚等的環境因素監測數據為依據確定設備主要技術指標。具體技術指標如下：

1) 溫度。通過長期溫度監測，萬寧大氣自然環境試驗站的庫房、棚等年最低溫度為10 ℃，年最高溫度40 ℃。因此，溫度最小控制范圍為：10～40 ℃。

2) 濕度。萬寧大氣自然環境試驗站的庫房、棚等月均相對濕度均在70%以上，其中最高相對溫度98%左右；最小相對濕度30%左右，因此，設備的相對濕度最小范圍應為30%RH～98%RH。

3) 鹽霧沉降量。通過統計，萬寧大氣自然環境試驗站不同海岸距離的庫房、棚等的鹽霧沉降量相差很大，為0.01～21.2(mg/100 cm·d)。

綜合以上數據，本設備模擬的主要環境因素應包括溫度、濕度和鹽霧沉降量。結合國軍標相關要求、現有鹽霧設備普遍技術指標以及預計試驗對象，確定主要技術指標：試驗艙尺寸1 200 mm×1 200 mm×1 500 mm(長×深×高)；溫度為10～75 ℃，溫度波動/均勻度：±1 ℃/±2 ℃；相對濕度為20%～98% RH，相對濕度分辨率為0.1%RH；鹽霧氣氛沉降量為0.01～22(mg/100 cm·d)；中心風速為≤2 m/s(速率可調)。

2.3 總體結構設計

設備采用整體式前后結構，設備的前部為試驗艙，試驗艙前端安裝有吸盤式密封膠條；后部為制熱系統、制冷系統以及鹽霧氣氛發生系統；電器控制系統位于箱體前部。設備頂部安裝離心電機；試驗艙箱體正前方為箱體大門，上方為垂直空氣送風系統。設備采用減震腳墊減低試驗時振動。設備的設計三維模型如圖2所示。

圖2 模擬鹽霧氣氛濕熱綜合試驗設備設計 三維模型示意圖Fig.2 Three-dimensional model of comprehensive test equipment design for simulating salt-fog atmosphere humidity and heat

模擬鹽霧氣氛濕熱綜合試驗設備邏輯上由中央控制系統、鹽霧氣氛發生系統、溫度控制系統、濕度控制系統和風循環系統組成。其中主要物理組件包括箱體、控制柜、鹽霧發生器、空氣調和室、制冷壓縮機、加熱器、加濕器、冷凝器和離心風機等，主要輔助設備包括純凈水機和計算機，有關模塊如圖3所示。

圖3 模擬鹽霧氣氛濕熱綜合試驗設備模塊框圖Fig.3 Block diagram of main modules of comprehensive test equipment for simulating salt fog atmosphere humidity and heat

2.4 分系統設計

2.4.1 設備箱體設計

設備箱體設計主要有試驗艙、大門、測試孔、溢流孔、底板和擱板設計。

1) 試驗艙設計。試驗艙內壁采用純鈦板材料，內壁設計有加強筋以提高箱體強度，內壁與外壁之間設計有100 mm保溫層。

2) 大門。采用單開門設計，可以手動從箱體內部打開。采用整體成型的吸盤式硅橡膠密封條密封，具有耐高低溫，抗老化，密封性能好，更換和調節方便等優點。大門上設有一個尺寸：420 mm×620 mm(寬×高)中空電阻膜加熱防霜觀察窗，觀察窗無水凝、結露、結霜現象。觀察窗上設置有一個照明燈，可手動直接開關控制。

3) 測試孔。內膽滿焊拼接，2個100 mm測試孔分布于試驗箱左右兩側、配備2個測試法蘭(帶接線，線數按用戶需求)，法蘭采用卡箍密封。

4) 溢流孔。接水盤位于大門下邊緣，下方安有50 mm溢流孔。

5) 底板。設計在試驗艙底部，由內膽外置加強筋，內膽與外殼之間加SU304不銹鋼方鋼構成。底板承重能力不小于500 kg/m均勻載荷。

6) 擱板。設計帶加強筋鈦板樣品架擱板，樣品架打孔減輕質量，同時便于固定樣品；擱板承重≥50 kg均勻負載。經仿真分析承重≥50 kg。

2.4.2 溫度系統

中央控制系統根據在空氣調和室內的溫度傳感器采集溫度信號，經A/D轉換后，與設定的溫度目標值比較，輸出調節信號自動控制加熱固態繼電器或制冷固態繼電器的通斷，最終達到控制溫度的目的。另外，本設備的中央控制器根據不同的溫度控制點時，設備本身和用戶試品所需冷量，通過調節制冷劑流量的大小來控制制冷能量大小來控制溫度，無需加熱去平衡制冷，保證了設備取得很好的控制精度和均勻度，而且使設備運行始終處于相對低功耗狀態。

通過計算，本設備制冷總負載為2.23 kW·h，乘以修正系數1.2，制冷總負載實際應為2.68 kW·h；制熱總負載為4.76 kW·h，乘以修正系數1.2，制冷總負載實際應為5.71 kW·h。

2.4.3 濕度系統

濕度控制由加濕鍋爐與鹽霧加濕共同控制，當設定濕度值時，鹽霧噴射頻率根據不同的濕度設定值由程序控制在一個固定對應頻率值，同時加濕鍋爐工作，系統根據干濕球濕度計測量試驗艙相對濕度，經A/D轉換后與設定值比較，當測定值大于設定值時除濕固態繼電器閉合，除濕蒸發器除濕，鹽霧噴射頻率不變；當測定值小于設定值時除濕固態繼電器閉合，鍋爐加濕器加濕，鹽霧噴射頻率。通過PID調整占空比保持濕度值穩定。

通過計算，設備最大加濕量2.98 kg/h，設備蒸發鍋爐功率應≥3 kW。

2.4.4 風循環系統

設備的風循環系統由離心風機、風道和風向倒流板組成，離心風機將風吸入風道，經風向倒流板垂直吹向試驗艙的樣品表面，風循環系統結構如圖4所示，風向倒流板如圖5所示。

圖4 風循環系統結構示意圖Fig.4 Structural of air circulation system

圖5 風向導流板三維裝配模型示意圖Fig.5 3D assembly model of wind deflector

通過設計計算驗證，該結構能使受試樣品表面均勻沉降鹽霧氣氛，并保持試驗艙溫度、風速有較好的均勻性。

2.4.5 鹽霧氣氛發生系統

鹽霧氣氛發生系統由鹽霧發生器、伸入空氣調和室的噴霧塔、空氣調和室(U型通道)組成。其中鹽霧發生器為外購成品，獨立放置于設備外，由管道和設備連接，鹽霧由噴霧塔進入空氣調和室形成鹽霧氣氛，鹽霧發生系統主要結構如圖6所示。

圖6 鹽霧發生系統主要結構示意圖Fig.6 Main structure of salt fog generate system

2.4.6 控制系統

控制系統采用PLC控制器控制，觸摸屏為人機交互界面，主要功能包括鹽霧氣氛沉降量、溫度、濕度、風速控制；可記錄鹽霧氣氛沉降量、溫度、濕度、風速、黑板溫度、濕潤度、運行時間、設備狀態；

可自動組合加熱系統、加濕/除濕系統、制冷系統、鹽霧氣氛發生系統等子系統工作；可通過計算機遠程控制系統工作。

3 結論

1) 本設備首先采用傳統的噴鹽霧技術噴出水狀鹽霧，利用空氣調和室使較大顆粒鹽霧沉積，或在風的作用下與其余噴出的小顆粒鹽霧充分混合于空氣中，形成與自然環境類似的鹽霧氣氛(及含鹽分的空氣)。并可更據實際情況增加空氣調和室，使水狀鹽霧與空氣更充分融合；

2) 傳統鹽霧試驗在噴鹽霧過程中，不能控制箱體內濕度和溫度的變化，本設備在設計結構、鹽霧氣氛發生原理上進行了創新，可以實時控制主箱體內空氣溫度、濕度的變化，實現鹽霧、溫度和濕度綜合控制，模擬性進一步得到提升；

3) 本設備在設計上主要針對我國熱帶海洋地區的室內、庫房和棚等環境，因此可用于模擬海洋島礁庫房、棚等環境因素，提高試驗結果的真實性；

4) 設備產生的鹽霧氣氛和自然環境下的鹽霧狀態更為相近，因此，鹽霧沉降產生的腐蝕效果更接近真實情況；

5) 設備產生的鹽霧氣氛和自然環境下的鹽霧狀態更為相近，為含鹽分的空氣，不易在試驗樣品上形成大量積液，因此，設備更易于廣泛推廣應用到光電產品的帶電試驗中。