自然大氣環(huán)境結構材料試驗裝置可行性研究

文章出處：本站責任編輯：admin人氣：444發(fā)表時間：2019-01-07 07:19:53

對于結構材料在大氣環(huán)境中使用的安全性的研究目前主要有兩種形式，其一是在自然大氣環(huán)境中暴露，其二是用人工模擬大氣環(huán)境對材料進行加速試驗。

    自然暴露具有真實性，由于材料使用常常是在各種不同的自然環(huán)境中，它可能是干熱、高溫潮濕、含鹽霧的海上、化工廠內腐蝕性環(huán)境，高原低氣壓環(huán)境及風沙較大的沙漠環(huán)境等。要對它們進行自然暴露試驗通常要在這些不同環(huán)境的地區(qū)建立自然暴露試驗場，因此規(guī)模較大耗費較高，同時各種氣候條件經常變化，而且變化是不規(guī)則的，試驗的一致性、重現性常常不能滿足要求，更為重要的是材料自然暴露失效時間和材料服役時間是一致的，因此對它們的安全服役的研究失去了意義。

    二戰(zhàn)前美軍的武器裝備由于未面對全球氣候條件進行充分試驗，導致二戰(zhàn)期間用于南太平洋地區(qū)作戰(zhàn)的武器裝備，在運輸貯存期大量損壞和失效。戰(zhàn)后美軍花了20多年時間對全球氣候進行調查統(tǒng)計制訂了“MIL-HDKB-310研制軍用產品用全球氣候數據”，在此基礎上制定了美國軍用標準“MIL-STD-810國防部試驗方法標準”。北大西洋公約組織也公布了一系列環(huán)境試驗方法及標準，STANGT2895、STANGT4242、STANGT4370及AECT100、AECTP200、AECTP300、AECTP400。同時國際電工委員會IEC68-1出版物也公布了“基本環(huán)境規(guī)程”。這些方法規(guī)程適用于人工模擬自然環(huán)境因素對材料裝備進行加速試驗。

一、關于大氣腐蝕環(huán)境試驗

    對于工程材料而言，它們總是暴露在大氣腐蝕氣氛中，為了減少對材料的腐蝕，通常對其表面進行防護處理，而這些防護不可避免地也將受到大氣環(huán)境的影響而失效。另外環(huán)境溫度的變化對材料會形成溫度應力，使其變形，造成運動部件卡死從而導致裝備失效。

    從大氣腐蝕的效果看，為了在短期內取得試驗結果，必須加速腐蝕過程。通常采用的方法有增加試驗溫度，增加相對濕度，增加凝露程度，增加腐蝕介質濃度，增加試驗時間，增加機械應力，使溫度周期變化等。

    溫度變化將促進物質的其他變化，一般來講，溫度升高10℃，化學反應速度增加2~3倍。在正常情況下，腐蝕物在金屬表面形成保護層，在較高溫度下可能不形成保護層，使腐蝕過程加快。一般而言，增加相對濕度腐蝕速度會加快。在多數氣候里都有凝露期，只是凝露的時間和程度不同而已，有凝露的腐蝕速度較無凝露要快。

    大氣中存在各種不同的腐蝕物質，加速試驗的腐蝕介質應當是經常出現的物質，一般是NaCL，SO2，H2S及酸性大氣。

    鹽霧腐蝕大氣環(huán)境的影響主要分為腐蝕影響，電氣影響和物理影響。腐蝕影響有電化學引起的腐蝕，加速應力腐蝕，鹽在水中電離后形成酸或堿溶液；電氣影響主要表現在由于鹽沉積引起電子裝備的損壞，導電層的產生，絕緣材料和金屬的腐蝕。物理影響出現在機械部分和組件的活動部分阻塞和粘結，由于電解作用導致漆層起泡。

    鹽霧試驗主要由鹽液濃度，暴露持續(xù)時間、溫度、空氣循環(huán)、鹽霧沉降率等因素決定。從美國軍標及國際電工委員會的試驗方法看，鹽濃度都定在5±0.1%，溫度為35±2℃，氣流速度基本為零，鹽霧沉降單位在80cm2收集器上收集到溶液為1-2ml/n，暴露時間為48h，但是經驗表明對于至少4個24h的干燥條件，比連續(xù)暴露于鹽霧大氣中更接近真實的暴露，具有更高的破壞潛力，關鍵是控制干燥速率和增加循環(huán)次數。

    在進行二氧化硫腐蝕試驗中，主要的試驗參數有SO2的濃度，相對濕度，溫度，氣流速度試驗持續(xù)時間，根據大量經驗和數年的試驗數據及國際相關試驗方法，選擇SO2的濃度為25±5ppm是合適的，該濃度足以對試驗產生合理的加速性而又不致于改變使用時的腐蝕機理，當相對濕度低于70%RH時，幾乎不發(fā)生腐蝕，當濕度超過85%RH時腐蝕物質的結構顯著改變，選取75%RH濕度時大多數情況下腐蝕物質的性質與現場自然暴露的物質相擬，試驗選取相對濕度為75%RH。試驗溫度高于30℃時，就有改變自然腐蝕的傾向，當溫度過低時，試驗時間又過長，因此選取25±2℃的試驗溫度較為合適，使用連續(xù)氣流流經試驗箱，這樣既可使SO2濃度恒定，又不會因箱內吸附表面吸附氣體而使?jié)舛冉档?。試驗持續(xù)時間可根據試驗的嚴酷程度而定，一般應不低于4天。

H2S腐蝕試驗的試驗參數與SO2試驗相似。

    酸性大氣試驗的試驗參數與鹽霧試驗相似，溫度為35±2℃，沉降在80cm2收集器收集1~2ml/n噴霧用的試驗溶液是每4L去離子水中含11.9MG濃度，95~98%的硫酸。用每4L去離子水中含8.8mg濃度68~71%的硝酸，配置成PH值為4.17的溶液。

綜合以上腐蝕試驗方法，得到腐蝕環(huán)境綜合試驗倉的主要技術參數如下：

    倉體內膽采用耐鹽霧和酸的聚氯乙烯硬質板材，倉內兩側安裝均流板，保溫層與倉體內膽靠內膽側安裝加熱和制冷裝置。SO2和H2S經過濾與空調箱的空氣混合后通過管道進入倉內，氣流通過均流板水平流入另一側的均流板，氣流再經中合洗滌，再經流量計和水環(huán)真空泵將氣體排空，空調箱完成對倉內氣體的溫濕度調節(jié)。

    鹽霧的產生由鹽霧噴塔完成，倉內設置××個噴霧塔，噴霧塔的數量和位置根據試驗要求增減和位置移動。

    雖然現行試驗標準推薦了腐蝕性氣體的濃度和鹽霧沉降量的要求。但本試驗倉可以在一定范圍內增加腐蝕濃度，只要增加濃度后不改變材料的腐蝕機理，即可做其它腐蝕目的的試驗。

大氣腐蝕試驗倉的技術難點主要是結構材料的兼容性和對大氣滯后系統(tǒng)的溫濕度控制。

二、關于溫度、濕度、日照、淋雨綜合氣候環(huán)境試驗

    裝備長時間在高溫環(huán)境下暴露可能會出現不同材料膨脹，不僅使零部件相互咬死，潤滑劑粘度變低及外流影響潤滑效果，還可導致材料尺寸改變，密封材料老化失效，防護涂層龜裂，合成材料放氣等影響。低溫暴露可能會使裝備材料硬化和脆化，潤滑油粘度增加，影響潤滑效果，水的結冰。高低溫的變化產生溫度應力使設備變形，防護層硬化變脆脫落。在溫度較高的環(huán)境中暴露，可能使裝備的金屬發(fā)生氧化和電蝕，加速電化學反應，破壞防護涂層，電氣絕緣和電性能變壞，潤滑劑性能下降，吸濕材料性能下降，產生凝露改變材料的性能。裝備長時間暴露在太陽光下，會產生材料及防護涂層產生光化學反應，特別是紫外光的量子能很高，它能直接破壞碳碳鍵或使材料發(fā)生水解反應。降雨的作用表現在沖蝕材料表面，增大腐蝕作用、促進霉菌生長。

    試驗環(huán)境參數的選擇，美軍標選擇最高誘發(fā)溫度為71℃，低溫為-51℃，試驗溫度確定為-55~88℃，升降溫速率不大于2℃/min。太陽輻射按現行國際和國家標準均規(guī)定輻照強度為1.12KW/m2。降雨強度國際標準按降雨嚴酷程度分為10mm/min、100mm/min、400mm/min，美軍標則推薦采用100mm/min的降雨強度。濕度范圍的選取，建議低濕選取IEC要求的空氣中含濕量不大于20gm3，相當于在35℃溫度下濕度不大50%R.H，高濕選取在于95%R.H。考慮到輻照強度的燈距試品的距離不能太遠，否則會影響到對試品的照射強度或增大燈的功率，因此建議倉體高度約×M較為合適。

試驗倉的主要技術參數及結構如下：

技術難點：主要是節(jié)能，如何排出降雨水，水在蒸發(fā)器上結霜影響制冷效果等。

三、關于高原環(huán)境試驗

    高原環(huán)境綜合試驗倉主要模擬高原條件下的低氣壓和較強的紫外光，低氣壓可能會造成裝備氣體或液體流出密封不嚴的殼體，密封容器變形破損，低密材料物理化學性能的改變，空氣密度下降使導熱性變差引起裝備過熱，潤滑劑蒸發(fā)，電弧或電暈放電等，強的紫外光量子能量很大，加快高分子材料及防護涂料裂解失效。

低氣壓選擇在4000M左右的高度約52Kpa，紫外光強度選擇在1-3個太陽常數下的紫外光分量，波長選取在200-500nm。本試驗倉不打算將砂塵試驗引入箱內，因為如果沙塵清理不徹底時，可能造成真空泵的損壞。

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