杨晓然，袁艺，李迪凡，罗勇，杨万均，封先河

　　中国兵器工业第五九研究所，重庆，中国，400039

　　Email: yxr59@126.com；重庆市2331信箱

       作者简介

　　杨晓然，男，1962年7月出生于广东省揭西县。1982年7月毕业于华南工学院腐蚀与防护专业，工学学士。现工作单位为中国兵器工业第五九研究所，职称为研究员级高级工程师。是兵装集团内部培训师，兵装集团理化检测考核与监督委员会委员、特种专业技术组成员、环境试验专业主要培训老师。主要从事环境试验技术研究、环境试验技术培训、装备腐蚀控制研究和电化学测试工作。主持或参与总装、科工局(委)和科技部多项科研项目的研究和开发工作。承担并完成多批次兵装集团环境试验技术专业的大规模培训和理化检测人员培训任务。获得部级二等奖二项，部级三等奖一项。获得国家发明专利二项(第一发明人)。公开发表论文7篇(第一作者)。目前的工作重点是装备环境适应性和服役寿命的快速试验和评价。

　　摘 要：本文介绍我所自主研制的高加速自然环境试验系统的相关理论、设计思想、系统结构、及各子系统功能。该系统能同时强化太阳辐射、氯离子(或其它污染物)、温度和干湿循环等影响材料大气腐蚀的主要环境因素，从而解决了现行自然加速试验技术存在的强化因素片面的技术缺陷。我们提出了表面湿润度理论，在此基础上自主研发了表面湿润传感器，实现干湿循环的智能控制和优化强化，提高了加速倍率。通过在万宁站1年的试验运行，发现并解决了设计缺陷，从而提高了该系统的环境适应性和可靠性。我们在高加速自然环境试验系统、远海暴露场和海洋平台开展暴露试验。结果表明：与远海暴露场户外暴露试验相比，钢、铝、锌、铜的加速倍率分别为11.8、11.5、9.3和3.7倍；对涂层的加速效果明显；PE和PVC抗拉强度的加速倍率分别为1.3和1.1；相对海洋平台暴露，金属材料加速倍率约为远海暴露场暴露的一半。腐蚀产物分析结果为：金属材料腐蚀产物成分和结构基本相同。试验验证的结论为：该系统适用于金属、涂层、塑料及其构件的自然加速试验。

　　关键词：自然环境试验；自然加速试验；太阳辐射；氯离子；干湿循环

　　资助信息：国防技术基础项目(H102009A002)。

1 引言

　　自然加速试验是在自然环境条件强化某些主要环境因素，从而加速材料腐蚀的一种试验，例如周期喷淋、周期浸润、跟踪太阳反射聚能、跟踪太阳暴露等。其特点是：相对于盐雾试验，光老化试验等实验室加速试验而言，自然加速试验与传统的自然环境试验有更好的相关性。因而，自然加速试验技术是自然环境试验技术发展的重点方向之一。

　　美国阿特拉斯耐候集团在20世纪60年代研制了跟踪太阳暴露试验机，广泛应用于有机高分子材料及制品的自然加速暴露试验，得出了涂层材料自然加速暴露14周等于朝南45°角自然暴露三年的结论^[1]。之后，又相继开发了EMMA-UG、EMMAQUA、EMMAQUA-NTW系列跟踪太阳暴露试验技术和装备。ISO、ASM、SAE、JIS等标准化组织也相继发布了相关标准，并得到积极采用。澳大利亚的Allunga自然环境试验研究所、美国肯尼迪太空中心等机构也都积极参与并开展相关的自然加速试验研究。

　　我国自上个世纪八十年代开始开展了跟踪太阳反射聚能自然环境加速、周期喷淋试验、C形环恒应变、周期喷雾、黑箱暴露试验和玻璃框暴露试验等自然加速试验。这些方法的共同特征是在自然环境条件下，通过适当强化某些环境因子，从而加速材料或装备性能劣化的试验方法;它们综合了自然环境试验和实验室模拟环境试验的优点，具有真实、可靠和试验周期短的特点。但因为没有综合强化多种主要环境因素，存在加速倍率(和/或)相关性较低的缺陷。例如，“十五”到“十一五”期间，船舶725所和兵器59所分别研制了海水和模拟雨水周期喷淋暴露试验装置，并开展相关的试验研究工作;该周期喷淋试验技术是采用一种敞开式、周期性喷淋的试验装置，通过强化润湿时间和污染物的浓度而加速腐蚀，存在喷淋不均匀、定时喷淋等问题，造成加速试验效果低，重现性差等缺陷，且在气温较低的条件下(如0℃以下)，喷淋液结冰无法喷淋，限制了其适用地域范围。

　　为了解决现有自然加速试验技术的缺陷，我们自主研发了一种高加速自然环境试验系统并申报了多项发明专利，其中“一种大气环境综合自然加速试验系统，CN 101718676 A”已获得授权^[2～4]。该系统能够综合强化太阳辐射、干湿循环、污染物、和温度等主要环境因素。初步验证试验结果表明该系统具有高的加速倍率。

2 相关理论和总体设计思想

　　2.1表面湿润控制理论

　　研究表明，表面湿润持续时间和干湿循环是决定金属腐蚀速度的关键因素。因此，在设计自然加速或实验室加速试验设备时就必须对上述参数进行测量和控制。很明显，问题的焦点在于表面湿润程度的测量。ISO 9223采用温度大于0℃和相对湿度大于80%的时间来估算表面的润湿时间，认为在这种条件下金属表面是湿润的。但是，有证据表明，这种假定在有太阳或其它辐射源照射的情况下是不成立的，风的影响也会使这种假设产生偏差。简单的例子是：虽然相对湿度超过80%，在太阳的照射下物体表面将被晒干，同时风向和风速也对物体表面的干湿状态产生较大的影响。

　　“湿润-干燥”循环过程是大气腐蚀的特点，根据这一特点，研究者把“湿润-干燥”循环作为一个重要因素引入到综合加速试验设备中[5]。但是，到目前为止，如何正确简便地引入这一重要因素的问题还没有得到很好的解决。例如，在现行的周期喷淋试验机上，采用定期喷盐雾的方法实现干湿循环，它不管晴天还是阴天都是定时喷，产生的效果是在大晴天的时候，样品表面早就干了，由于没有连续水膜，金属腐蚀早就停止了;而在阴天的时候，样品表面没有干的时候就继续喷淋，在金属表面形成厚水膜，没有得到腐蚀速率最大的薄液膜的效果。为了解决这一问题，我们提出了“表面湿润度”的概念，并在此基础上研制了表面湿润传感器。

　　本文所指的表面湿润度是从大气腐蚀的角度提出的。当在这种大气环境中，四种标准金属(ISO 9223规定的标准金属)的腐蚀可以忽略不计时，这一环境中的物体表面定义为干燥，即表面湿润度为零。随着表面水膜从不连续到连续，从薄到厚，金属的大气腐蚀速率达到一个最大值，这时表面湿润度为100%，即完全湿润。因此，为了便于分析计算，我们可以把表面湿润度定义为：表面湿润传感器输出电压与其最大值的比值，用百分数表示。

　　其计算公式为：

　　W=V/Vmax×100% (1)

　　式中：

　　W——表面湿润度;

　　V——传感器输出电压;

　　Vmax——传感器输出电压最大值。

　　2.2总体设计思想

　　该试验系统的总体设计思想是综合强化太阳辐射、干湿循环、污染物、和温度，形成具有高加速性、高相关性的自然环境试验系统。通过跟踪太阳，使试验箱正面一直正对太阳，从而强化太阳辐射;通过研制表面湿润传感器，检测样品表面湿润度，再根据样品表面湿润度控制喷雾，从而强化干湿循环;通过在喷雾溶液中加入可溶性大气污染物(包括海洋性大气中的氯化物、工业大气中的二氧化硫等)，实现污染物的强化;通过强化太阳辐射和设计加热系统，实现温度强化。这种设计可以克服概述中所描述的现有自然环境试验技术的缺陷。

3 系统结构及各子系统功能

　　3.1 总体结构

　　本系统由带高透光玻璃顶盖的智能喷雾试验箱、日点轨迹双轴跟踪平台和综合控制柜三部分组成，如图1 所示。试验箱的外形尺寸为1800mm×1200mm×400mm，安装在双轴跟踪平台上，内部设置有智能喷雾机构和加热装置。双轴跟踪平台根据日点轨迹函数，进行方位角和高度角的同时跟踪，双轴的跟踪精度均优于±0.5º。综合控制柜由PLC、触摸屏和控制电路组成，实时控制跟踪、喷雾、加热、报警、数据采集等动作。

　　从功能上划分为：喷雾子系统、太阳跟踪子系统、加热通风子系统、安全保护及报警子系统和数据采集子系统。#p#副标题#e#

　　图1. 高加速自然环境试验系统

　　3.2 喷雾子系统

　　喷雾子系统由表面湿润检测和喷雾控制机构、喷嘴移动机构、和供液机构组成，其核心是表面湿润传感器;其功能是根据表面湿润传感器检测到的表面湿润程度控制喷雾，使样品表面形成薄液膜，同时产生快速的干湿循环过程。现有的表面湿润传感器是由异种金属间存在电位差并产生电偶腐蚀电流的原理制成的，它缺点是电极材料易消耗而导致在同种条件下输出电流有较大的波动;电偶腐蚀使薄液膜的成分产生变化，会使测量结果失真。为了实现表面湿润度的检测和自动喷雾控制，我们自主研制了一种主动式表面湿润传感器并申报了发明专利，其总体结构如图2。它包括信号源(1)、表面湿润传感单元(2)和检测输出单元(3)。表面湿润传感单元结构如图3。通过电化学测试，确定了信号源的最佳参数。

　　图2. 表面湿润传感器结构示意图

　　图3. 表面湿润传感单元的结构示意图

　　采用3.5%NaCl浸润表面湿润传感器，取出后在实验室连续检测其输出电压，绘制湿润度随干燥时间的变化曲线(见图4)。从图4中可以看出，传感器的电压输出随表面湿润度的降低而下降，整个过程单调连续，说明传感器的输出能够正确地反映其表面湿润程度。

　　图4. 表面湿润传感器输出电压随干燥时间变化

　　本表面湿润传感器具有如下特性：

　　(1) 表面湿润传感单元由两根平行缠绕在高稳定性绝缘材料上的高耐蚀金属丝构成，如聚四氟乙烯棒上绕铂金丝，保证传感器在使用环境中长期不腐蚀、不老化、不消耗，从而使传感器参数稳定，测量果重现性好;

　　(2) 传感器结构简单可靠，且头部较小，便于在狭小空间使用，其结构尺寸如图5;

　　(3) 表面湿润传感单元采用低压交流脉冲信号源，避免了测量引起的液膜中的物质消耗，使测量结果更真实;

　　(4) 由于使用高耐蚀材料制造，故可以在严酷的环境(如各种加速腐蚀试验设备)中长期使用而不用维护。

　　图5. 表面湿润传感单元照片

　　3.3太阳跟踪子系统

　　太阳跟踪子系统包括水平跟踪装置和俯仰跟踪装置，通过检测水平编码器与俯仰编码器的值，调整相应的驱动水平减速机的电机和驱动俯仰减速机的电机的转动分别对水平跟踪装置和俯仰跟踪装置进行调节，使水平跟踪和俯仰跟踪精度优于±0.5º。该子系统使试验箱正面(以及与其平行的样品表面)一直与太阳处于垂直状态。

　　太阳轨迹跟踪模型是本系统工作的基础，地球绕太阳运动轨迹见图6。

　　图6. 地球绕太阳运动轨迹

　　跟踪太阳的技术核心是建立不同位置、不同时刻的太阳高度和太阳方位的数学模型。计算出太阳高度角和方位角;根据计算出的太阳高度角和方位角，再与读取俯仰和水平位置传感器的实际值进行对比，据此控制跟踪平台的高度角和方位角转动。#p#副标题#e#

　　3.4 加热通风子系统

　　加热通风子系统的功能是提高试验箱内部的环境温度和控制试验箱与外界的空气流通速度。提高温度的目的是提高腐蚀和老化速度;控制空气流通的目的是使试验箱内部环境因素除强化的因素外，其余环境因素尽量接近外界环境因素。

　　3.5 安全报警子系统

　　在设备运行过程中，对环境和设备的各种异常进行检测、保护和报警。试验箱温度高于设定温度5℃时进行离焦保护;当风力大于7级时，开启大风保护;当开始喷雾而表面湿润传感器(或部分表面湿润传感器)没有检测到时，开启喷淋系统故障报警;当加热系统启动而没有检测到试验箱空气温度上升时，开启空气加热系统故障报警;当试验设备启动2分钟后，设备未转动到规定位置时启动跟踪系统故障报警。

　　3.6 安全报警子系统

　　数据采集子系统的功能是采集、记录和储存有关环境和设备运行参数。主要采集的参数包括：时间、黑板温度、白板温度、空气温度、空气湿度、设备状态(正常运行、停机、离焦保护、大风保护、动力系统故障、喷淋系统故障、空气加热系统故障、跟踪系统故障)。数据采集后存储在USB存储设备中。

4 试验验证

　　4.1 运行可靠性验证

　　在一年的运行过程中，该系统出现了几次故障。主要故障包括纬度角跟踪故障、喷雾(喷淋)移动机构故障、高度角跟踪故障和喷嘴堵塞故障。通过分析原因和维修，我们排除了上述故障。这些故障的现象、原因及解决方法见表1。从表1中可以看出，这些故障主要是设计或安装缺陷造成的，解决这些故障就能大大地提高本系统的运行可靠性。

　表1. 历次故障的现象、原因及解决办法

　　4.2 加速性验证

　　为了验证本试验系统的加速性和相关性，我们采用三类样品，即ISO9223规定的标准金属样品、塑料样品和涂料样品，在三种环境，即高加速试验系统的试验箱、远海暴露场(离海岸线350米)和海洋平台，进行试验验证。标准金属腐蚀失重数据见表2。根据表2数据，可以算出该系统相对远海暴露场户外暴露试验，钢、铝、铜、和锌的加速倍率分别为11.8、11.5、9.3和3.7倍;对涂层(见图7)的加速效果明显;两种塑料PE和PVC抗拉强度的加速倍率分别为1.3和1.1;对金属材料来说，海洋平台的加速倍率大约为远海暴露场的一半;对塑料来说，海洋平台与远海暴露场没有明显差异。由于在试验过程中，试验系统停机检修的时间没有从试验时间中扣除，上述加速倍率仅是保守估计。从加速倍率数据上看，本试验系统对塑料的加速效果不够理想，主要原因可能是玻璃顶盖对太阳辐射起了一定的遮挡作用，造成对光的强化不足。由于塑料老化的主要影响因素是太阳辐射，采用本系统进行塑料自然加速试验时可以不加玻璃顶盖和喷淋。

　　X射线光电子能谱腐蚀产物分析结果表明，高加速试验系统的试验箱、远海暴露场和海洋平台上试验的同种金属的腐蚀产物的成分和结构基本相同，说明腐蚀机理基本相同。

　　由于本试验是在自然环境中强化多种主要因素的自然加速试验技术，其相关性应该比实验室加速试验技术好。但是由于验证试验还不充分，未得到足够的支撑数据以说明相关性。因此，相关性问题有待进一步验证。

　　图7. 涂层试验效果对比

　　表2. 标准腐蚀失重数据

5 应用前景

　　由于本系统综合强化多种自然环境因素，具有高的加速性，因而适用于多种材料、工艺、零备件的自然加速试验。根据上述验证结果和分析，本系统有望在以下几方面得到应用：

　　(1)海洋平台、海岛、和舰船甲板上用的材料、工艺及其制品的海洋性大气综合自然加速试验;

　　(2)通过改变喷雾(喷淋)溶液成分，进行工业性大气综合自然加速试验;

　　(3)高耐蚀材料的自然加速试验，如新型耐侯钢和高性能防腐涂层的海洋性大气或工业性大气综合自然加速试验;

　　(4)在温度不低于0℃的条件下(在启用加热系统后，也可以在低于0℃的条件下)，在任何地点开展海洋性大气或工业性大气的综合自然加速试验。

　　开展上述试验的目的可以是材料、工艺的筛选，也可以是服役寿命预测。

References(参考文献)

　　[1] Xiao-ran YANG. Natural accelerated environmental test technology. Equipment Environmental Engineering, 2004, 1(1): 7 –11 (杨晓然等，自然环境加速试验技术，装备环境工程，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 (杨晓然，李迪凡，周学斌，金鑫，陈博·一种大气环境综合自然加速试验系统·中国专利：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(杨晓然，周学斌，李迪凡，杨万均，金鑫·一种加速环境试验箱·中国专利：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 (杨晓然，李迪凡，封先河，王俊芳，李正雄，朱玉琴 ·一种表面湿润传感器·中国专利：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，采用湿/干循环暴露试验方法对铝、镀锌钢和钢进行加速大气腐蚀试验，腐蚀，1987, 43 (12) :719 – 26