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自然大气环境结构材料试验装置可行性研究
文章出处：本站责任编辑：admin人气：401发表时间：2019-01-07 07:19:53
对于结构材料在大气环境中使用的安全性的研究目前主要有两种形式，其一是在自然大气环境中暴露，其二是用人工模拟大气环境对材料进行加速试验。
自然暴露具有真实性，由于材料使用常常是在各种不同的自然环境中，它可能是干热、高温潮湿、含盐雾的海上、化工厂内腐蚀性环境，高原低气压环境及风沙较大的沙漠环境等。要对它们进行自然暴露试验通常要在这些不同环境的地区建立自然暴露试验场，因此规模较大耗费较高，同时各种气候条件经常变化，而且变化是不规则的，试验的一致性、重现性常常不能满足要求，更为重要的是材料自然暴露失效时间和材料服役时间是一致的，因此对它们的安全服役的研究失去了意义。
二战前美军的武器装备由于未面对全球气候条件进行充分试验，导致二战期间用于南太平洋地区作战的武器装备，在运输贮存期大量损坏和失效。战后美军花了20多年时间对全球气候进行调查统计制订了“MIL-HDKB-310研制军用产品用全球气候数据”，在此基础上制定了美国军用标准“MIL-STD-810国防部试验方法标准”。北大西洋公约组织也公布了一系列环境试验方法及标准，STANGT2895、STANGT4242、STANGT4370及AECT100、AECTP200、AECTP300、AECTP400。同时国际电工委员会IEC68-1出版物也公布了“基本环境规程”。这些方法规程适用于人工模拟自然环境因素对材料装备进行加速试验。
一、关于大气腐蚀环境试验
对于工程材料而言，它们总是暴露在大气腐蚀气氛中，为了减少对材料的腐蚀，通常对其表面进行防护处理，而这些防护不可避免地也将受到大气环境的影响而失效。另外环境温度的变化对材料会形成温度应力，使其变形，造成运动部件卡死从而导致装备失效。
从大气腐蚀的效果看，为了在短期内取得试验结果，必须加速腐蚀过程。通常采用的方法有增加试验温度，增加相对湿度，增加凝露程度，增加腐蚀介质浓度，增加试验时间，增加机械应力，使温度周期变化等。
温度变化将促进物质的其他变化，一般来讲，温度升高10℃，化学反应速度增加2~3倍。在正常情况下，腐蚀物在金属表面形成保护层，在较高温度下可能不形成保护层，使腐蚀过程加快。一般而言，增加相对湿度腐蚀速度会加快。在多数气候里都有凝露期，只是凝露的时间和程度不同而已，有凝露的腐蚀速度较无凝露要快。
大气中存在各种不同的腐蚀物质，加速试验的腐蚀介质应当是经常出现的物质，一般是NaCL，SO2，H2S及酸性大气。
盐雾腐蚀大气环境的影响主要分为腐蚀影响，电气影响和物理影响。腐蚀影响有电化学引起的腐蚀，加速应力腐蚀，盐在水中电离后形成酸或碱溶液；电气影响主要表现在由于盐沉积引起电子装备的损坏，导电层的产生，绝缘材料和金属的腐蚀。物理影响出现在机械部分和组件的活动部分阻塞和粘结，由于电解作用导致漆层起泡。
盐雾试验主要由盐液浓度，暴露持续时间、温度、空气循环、盐雾沉降率等因素决定。从美国军标及国际电工委员会的试验方法看，盐浓度都定在5±0.1%，温度为35±2℃，气流速度基本为零，盐雾沉降单位在80cm2收集器上收集到溶液为1-2ml/n，暴露时间为48h，但是经验表明对于至少4个24h的干燥条件，比连续暴露于盐雾大气中更接近真实的暴露，具有更高的破坏潜力，关键是控制干燥速率和增加循环次数。
在进行二氧化硫腐蚀试验中，主要的试验参数有SO2的浓度，相对湿度，温度，气流速度试验持续时间，根据大量经验和数年的试验数据及国际相关试验方法，选择SO2的浓度为25±5ppm是合适的，该浓度足以对试验产生合理的加速性而又不致于改变使用时的腐蚀机理，当相对湿度低于70%RH时，几乎不发生腐蚀，当湿度超过85%RH时腐蚀物质的结构显著改变，选取75%RH湿度时大多数情况下腐蚀物质的性质与现场自然暴露的物质相拟，试验选取相对湿度为75%RH。试验温度高于30℃时，就有改变自然腐蚀的倾向，当温度过低时，试验时间又过长，因此选取25±2℃的试验温度较为合适，使用连续气流流经试验箱，这样既可使SO2浓度恒定，又不会因箱内吸附表面吸附气体而使浓度降低。试验持续时间可根据试验的严酷程度而定，一般应不低于4天。
H2S腐蚀试验的试验参数与SO2试验相似。
酸性大气试验的试验参数与盐雾试验相似，温度为35±2℃，沉降在80cm2收集器收集1~2ml/n喷雾用的试验溶液是每4L去离子水中含11.9MG浓度，95~98%的硫酸。用每4L去离子水中含8.8mg浓度68~71%的硝酸，配置成PH值为4.17的溶液。
综合以上腐蚀试验方法，得到腐蚀环境综合试验仓的主要技术参数如下：
仓体内胆采用耐盐雾和酸的聚氯乙烯硬质板材，仓内两侧安装均流板，保温层与仓体内胆靠内胆侧安装加热和制冷装置。SO2和H2S经过滤与空调箱的空气混合后通过管道进入仓内，气流通过均流板水平流入另一侧的均流板，气流再经中合洗涤，再经流量计和水环真空泵将气体排空，空调箱完成对仓内气体的温湿度调节。
盐雾的产生由盐雾喷塔完成，仓内设置××个喷雾塔，喷雾塔的数量和位置根据试验要求增减和位置移动。
虽然现行试验标准推荐了腐蚀性气体的浓度和盐雾沉降量的要求。但本试验仓可以在一定范围内增加腐蚀浓度，只要增加浓度后不改变材料的腐蚀机理，即可做其它腐蚀目的的试验。
大气腐蚀试验仓的技术难点主要是结构材料的兼容性和对大气滞后系统的温湿度控制。
二、关于温度、湿度、日照、淋雨综合气候环境试验
装备长时间在高温环境下暴露可能会出现不同材料膨胀，不仅使零部件相互咬死，润滑剂粘度变低及外流影响润滑效果，还可导致材料尺寸改变，密封材料老化失效，防护涂层龟裂，合成材料放气等影响。低温暴露可能会使装备材料硬化和脆化，润滑油粘度增加，影响润滑效果，水的结冰。高低温的变化产生温度应力使设备变形，防护层硬化变脆脱落。在温度较高的环境中暴露，可能使装备的金属发生氧化和电蚀，加速电化学反应，破坏防护涂层，电气绝缘和电性能变坏，润滑剂性能下降，吸湿材料性能下降，产生凝露改变材料的性能。装备长时间暴露在太阳光下，会产生材料及防护涂层产生光化学反应，特别是紫外光的量子能很高，它能直接破坏碳碳键或使材料发生水解反应。降雨的作用表现在冲蚀材料表面，增大腐蚀作用、促进霉菌生长。
试验环境参数的选择，美军标选择最高诱发温度为71℃，低温为-51℃，试验温度确定为-55~88℃，升降温速率不大于2℃/min。太阳辐射按现行国际和国家标准均规定辐照强度为1.12KW/m2。降雨强度国际标准按降雨严酷程度分为10mm/min、100mm/min、400mm/min，美军标则推荐采用100mm/min的降雨强度。湿度范围的选取，建议低湿选取IEC要求的空气中含湿量不大于20gm3，相当于在35℃温度下湿度不大50%R.H，高湿选取在于95%R.H。考虑到辐照强度的灯距试品的距离不能太远，否则会影响到对试品的照射强度或增大灯的功率，因此建议仓体高度约×M较为合适。
试验仓的主要技术参数及结构如下：
技术难点：主要是节能，如何排出降雨水，水在蒸发器上结霜影响制冷效果等。
三、关于高原环境试验
高原环境综合试验仓主要模拟高原条件下的低气压和较强的紫外光，低气压可能会造成装备气体或液体流出密封不严的壳体，密封容器变形破损，低密材料物理化学性能的改变，空气密度下降使导热性变差引起装备过热，润滑剂蒸发，电弧或电晕放电等，强的紫外光量子能量很大，加快高分子材料及防护涂料裂解失效。
低气压选择在4000M左右的高度约52Kpa，紫外光强度选择在1-3个太阳常数下的紫外光分量，波长选取在200-500nm。本试验仓不打算将砂尘试验引入箱内，因为如果沙尘清理不彻底时，可能造成真空泵的损坏。
自然暴露具有真实性，由于材料使用常常是在各种不同的自然环境中，它可能是干热、高温潮湿、含盐雾的海上、化工厂内腐蚀性环境，高原低气压环境及风沙较大的沙漠环境等。要对它们进行自然暴露试验通常要在这些不同环境的地区建立自然暴露试验场，因此规模较大耗费较高，同时各种气候条件经常变化，而且变化是不规则的，试验的一致性、重现性常常不能满足要求，更为重要的是材料自然暴露失效时间和材料服役时间是一致的，因此对它们的安全服役的研究失去了意义。
二战前美军的武器装备由于未面对全球气候条件进行充分试验，导致二战期间用于南太平洋地区作战的武器装备，在运输贮存期大量损坏和失效。战后美军花了20多年时间对全球气候进行调查统计制订了“MIL-HDKB-310研制军用产品用全球气候数据”，在此基础上制定了美国军用标准“MIL-STD-810国防部试验方法标准”。北大西洋公约组织也公布了一系列环境试验方法及标准，STANGT2895、STANGT4242、STANGT4370及AECT100、AECTP200、AECTP300、AECTP400。同时国际电工委员会IEC68-1出版物也公布了“基本环境规程”。这些方法规程适用于人工模拟自然环境因素对材料装备进行加速试验。
一、关于大气腐蚀环境试验
对于工程材料而言，它们总是暴露在大气腐蚀气氛中，为了减少对材料的腐蚀，通常对其表面进行防护处理，而这些防护不可避免地也将受到大气环境的影响而失效。另外环境温度的变化对材料会形成温度应力，使其变形，造成运动部件卡死从而导致装备失效。
从大气腐蚀的效果看，为了在短期内取得试验结果，必须加速腐蚀过程。通常采用的方法有增加试验温度，增加相对湿度，增加凝露程度，增加腐蚀介质浓度，增加试验时间，增加机械应力，使温度周期变化等。
温度变化将促进物质的其他变化，一般来讲，温度升高10℃，化学反应速度增加2~3倍。在正常情况下，腐蚀物在金属表面形成保护层，在较高温度下可能不形成保护层，使腐蚀过程加快。一般而言，增加相对湿度腐蚀速度会加快。在多数气候里都有凝露期，只是凝露的时间和程度不同而已，有凝露的腐蚀速度较无凝露要快。
大气中存在各种不同的腐蚀物质，加速试验的腐蚀介质应当是经常出现的物质，一般是NaCL，SO2，H2S及酸性大气。
盐雾腐蚀大气环境的影响主要分为腐蚀影响，电气影响和物理影响。腐蚀影响有电化学引起的腐蚀，加速应力腐蚀，盐在水中电离后形成酸或碱溶液；电气影响主要表现在由于盐沉积引起电子装备的损坏，导电层的产生，绝缘材料和金属的腐蚀。物理影响出现在机械部分和组件的活动部分阻塞和粘结，由于电解作用导致漆层起泡。
盐雾试验主要由盐液浓度，暴露持续时间、温度、空气循环、盐雾沉降率等因素决定。从美国军标及国际电工委员会的试验方法看，盐浓度都定在5±0.1%，温度为35±2℃，气流速度基本为零，盐雾沉降单位在80cm2收集器上收集到溶液为1-2ml/n，暴露时间为48h，但是经验表明对于至少4个24h的干燥条件，比连续暴露于盐雾大气中更接近真实的暴露，具有更高的破坏潜力，关键是控制干燥速率和增加循环次数。
在进行二氧化硫腐蚀试验中，主要的试验参数有SO2的浓度，相对湿度，温度，气流速度试验持续时间，根据大量经验和数年的试验数据及国际相关试验方法，选择SO2的浓度为25±5ppm是合适的，该浓度足以对试验产生合理的加速性而又不致于改变使用时的腐蚀机理，当相对湿度低于70%RH时，几乎不发生腐蚀，当湿度超过85%RH时腐蚀物质的结构显著改变，选取75%RH湿度时大多数情况下腐蚀物质的性质与现场自然暴露的物质相拟，试验选取相对湿度为75%RH。试验温度高于30℃时，就有改变自然腐蚀的倾向，当温度过低时，试验时间又过长，因此选取25±2℃的试验温度较为合适，使用连续气流流经试验箱，这样既可使SO2浓度恒定，又不会因箱内吸附表面吸附气体而使浓度降低。试验持续时间可根据试验的严酷程度而定，一般应不低于4天。
H2S腐蚀试验的试验参数与SO2试验相似。
酸性大气试验的试验参数与盐雾试验相似，温度为35±2℃，沉降在80cm2收集器收集1~2ml/n喷雾用的试验溶液是每4L去离子水中含11.9MG浓度，95~98%的硫酸。用每4L去离子水中含8.8mg浓度68~71%的硝酸，配置成PH值为4.17的溶液。
综合以上腐蚀试验方法，得到腐蚀环境综合试验仓的主要技术参数如下：
仓体内胆采用耐盐雾和酸的聚氯乙烯硬质板材，仓内两侧安装均流板，保温层与仓体内胆靠内胆侧安装加热和制冷装置。SO2和H2S经过滤与空调箱的空气混合后通过管道进入仓内，气流通过均流板水平流入另一侧的均流板，气流再经中合洗涤，再经流量计和水环真空泵将气体排空，空调箱完成对仓内气体的温湿度调节。
盐雾的产生由盐雾喷塔完成，仓内设置××个喷雾塔，喷雾塔的数量和位置根据试验要求增减和位置移动。
虽然现行试验标准推荐了腐蚀性气体的浓度和盐雾沉降量的要求。但本试验仓可以在一定范围内增加腐蚀浓度，只要增加浓度后不改变材料的腐蚀机理，即可做其它腐蚀目的的试验。
大气腐蚀试验仓的技术难点主要是结构材料的兼容性和对大气滞后系统的温湿度控制。
二、关于温度、湿度、日照、淋雨综合气候环境试验
装备长时间在高温环境下暴露可能会出现不同材料膨胀，不仅使零部件相互咬死，润滑剂粘度变低及外流影响润滑效果，还可导致材料尺寸改变，密封材料老化失效，防护涂层龟裂，合成材料放气等影响。低温暴露可能会使装备材料硬化和脆化，润滑油粘度增加，影响润滑效果，水的结冰。高低温的变化产生温度应力使设备变形，防护层硬化变脆脱落。在温度较高的环境中暴露，可能使装备的金属发生氧化和电蚀，加速电化学反应，破坏防护涂层，电气绝缘和电性能变坏，润滑剂性能下降，吸湿材料性能下降，产生凝露改变材料的性能。装备长时间暴露在太阳光下，会产生材料及防护涂层产生光化学反应，特别是紫外光的量子能很高，它能直接破坏碳碳键或使材料发生水解反应。降雨的作用表现在冲蚀材料表面，增大腐蚀作用、促进霉菌生长。
试验环境参数的选择，美军标选择最高诱发温度为71℃，低温为-51℃，试验温度确定为-55~88℃，升降温速率不大于2℃/min。太阳辐射按现行国际和国家标准均规定辐照强度为1.12KW/m2。降雨强度国际标准按降雨严酷程度分为10mm/min、100mm/min、400mm/min，美军标则推荐采用100mm/min的降雨强度。湿度范围的选取，建议低湿选取IEC要求的空气中含湿量不大于20gm3，相当于在35℃温度下湿度不大50%R.H，高湿选取在于95%R.H。考虑到辐照强度的灯距试品的距离不能太远，否则会影响到对试品的照射强度或增大灯的功率，因此建议仓体高度约×M较为合适。
试验仓的主要技术参数及结构如下：
技术难点：主要是节能，如何排出降雨水，水在蒸发器上结霜影响制冷效果等。
三、关于高原环境试验
高原环境综合试验仓主要模拟高原条件下的低气压和较强的紫外光，低气压可能会造成装备气体或液体流出密封不严的壳体，密封容器变形破损，低密材料物理化学性能的改变，空气密度下降使导热性变差引起装备过热，润滑剂蒸发，电弧或电晕放电等，强的紫外光量子能量很大，加快高分子材料及防护涂料裂解失效。
低气压选择在4000M左右的高度约52Kpa，紫外光强度选择在1-3个太阳常数下的紫外光分量，波长选取在200-500nm。本试验仓不打算将砂尘试验引入箱内，因为如果沙尘清理不彻底时，可能造成真空泵的损坏。
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