浅析控制室腐蚀性气体的控制标准

沈奕峰

(浙江省天正设计工程有限公司，浙江 杭州 310030)

中国制造“2025”为制造过程智能化提出了行动纲领，下一步随着人工智能技术向工厂控制、管理进一步延展，工业过程测量和控制设备将会得到越来越多应用。控制室内过程测量和控制系统作为生产过程数据处理的核心，其安全性和可靠性愈发引起重视。控制室设计规范越来越完善，防爆、抗爆、防火、防雷、温湿度控制等，从各种角度对控制室内人和设备的保护越来越严密。而对控制室内工业过程测量和控制设备、电子办公设备、数据中心、网络设备等的腐蚀防护需要引起设计人员进一步关注。

1 常见腐蚀性污染物

对工业过程测量和控制设备的腐蚀是指金属因与环境反应而变质。空气中可能造成电子设备腐蚀的污染物可分为以下几种，其常见来源见表1所列。

1) 液态污染物，包括一些腐蚀性液滴、溶剂蒸气、气溶胶、海盐雾等。

2) 固态污染物，空气中的粉尘颗粒可以吸收气态污染物和湿气，从而成为腐蚀介质。这些粉尘干燥时可能不具有腐蚀性，但在一定湿度环境中潮解而变得具有腐蚀性。

3) 气态污染物，主要指无机氯化物、活性硫化物、氧化硫、氮氧化物、氟化氢、氨及其衍生物、光化学物质(例： O3)等强氧化剂。

4) 动植物的影响，比较特殊，难以归纳。

表1 腐蚀性污染物的常见来源

金属腐蚀主要由气态污染物腐蚀引起，腐蚀性气体和水蒸气与金属接触导致各种化学反应产物积聚。随着持续的化学反应，这些腐蚀产物会在电路表面形成绝缘层，从而导致绝热效应或电路短路，同时伴随着锈斑和金属损耗。高温高湿环境会加速金属腐蚀，温度或湿度变化还可能导致电子元件局部电路低于露点温度，从而局部出现冷凝液。相对湿度(RH)超过50%会在电子元件小范围区域形成导电溶液从而加速腐蚀。冷凝液吸收气态污染物形成电解液，生成晶体，产生电镀现象。不管污染物浓度如何，只要湿度超过80%，电子腐蚀破坏就发生。

以下讨论对控制室内气态污染物的控制标准。

2 国内现行相关标准

国内现行的控制室设计规范虽然未系统地提到腐蚀性气态污染物的控制，但对控制室内空气中的一些有害物质浓度提出了限制要求[1-2]，多采用了GB/T 4798.3—2007《电工电子产品应用环境条件 第三部分： 有气候防护场所固定使用》[3]，等同采用IEC 60721-3-3： 2002中3C1L级对各类化学活性物质的最大值要求。而GB/T 17214.4—2005《工业过程测量和控制装置的工作条件 第4部分： 腐蚀和侵蚀影响》，等同采用IEC 60504-4： 1987，按照气态污染物严酷度将环境分为1到4级(常用1～3级)，对各类化学活性物质体积分数平均值和峰值也作出了定量限制要求[4]，见表2所列。

表2中，GB/T 4798.3—2007中的3C1R表示该等级适用于空气受到严格检测和控制的场所,如净化室等；3C1L表示除3C1R包括的条件外，该等级适用于气候连续控制场所。GB/T 17214.4—2005中，1级为工业清洁空气，受到严格控制的环境，在确定装置的可靠性时不必考虑腐蚀因素；2级为中等污染，可以测到腐蚀影响的环境，在确定装置的可靠性时可能需要考虑腐蚀因素；3级为严重污染，发生腐蚀可能性很大的环境，因其严重程度而需要作进一步评估，以便对环境加以控制或者对装置进行特殊设计和包装。

从规范出发，国内大部分控制室对H2S，SO2，Cl2等气态污染物的限制，基本介于IEC 60504-4： 1987的1级和2级之间，在判断工业过程测量和控制系统的可靠性时需要考虑腐蚀因素。

3 国外相关标准的由来

1985年，美国仪器仪表学会(ISA)(现国际自动化协会)颁布ISA S71.04—1985《过程测量和控制系统的环境条件： 大气污染物》[5]；随后1987年，IEC颁布IEC 60654-4： 1987《工业过程测量和控制装置的工作条件 第4部分： 腐蚀和侵蚀影响》；1990年，日本电子工业发展协会(JEIDA)修订并颁布了JEIDA-29—1990《标准操作条件下的工业计算机控制系统》。工业过程测量和控制系统所处环境开始有了控制标准，对前2个标准中不同等级环境的气态污染物体积分数的比较见表3所列。

表2 不同环境等级下的气态污染物的体积分数限制 cm3/m3

注： 1) 最大值是限制值或峰值，每天不超过30 min；

2) 峰值是被测或预计的1年中最大的0.5 h平均值。

表3 不同环境等级下的气态污染物体积分数限制 mm3/m3

但是，直接检测气态污染物的体积分数在实际操作中是非常困难且没有必要的，有以下几方面原因：

1) 有腐蚀作用的气体多种多样。

2) 污染物体积分数可能接近正常环境的浓度，或控制要求达到0.1 mm3/m3级。

3) 污染物体积分数随时间波动，变化可能达100倍甚至更多。

4) 污染物之间可能存在复杂的相互作用，可大幅加速或延缓单种气态污染物的腐蚀作用。例： 活性硫化物虽然在低相对湿度环境下也会腐蚀金属，但活性硫与无机氯化物的共同作用才是加速大气腐蚀作用的主要原因；而氮氧化物NOx在氯元素和硫元素腐蚀金属时，可起到催化的作用。

在特定场合，污染物组分分析可提供短期估算。含量高说明环境存在严重污染，但反之并不能证明环境不存在污染。人们又转向根据腐蚀结果——“反应性检测”来判断环境。ISA S71.4—1985附录C(IEC 60654-4： 1987附录B)中介绍了一种根据污染物与铜的反应速率来确定工业环境等级的方法： 将特制的无氧高导电性铜试片暴露在环境中1个月后，根据铜试片表面产生的腐蚀成膜厚度来判断环境污染严重程度。上述2个标准中不同环境级别的铜试片腐蚀膜厚指标见表4所列，不同环境级别下铜的腐蚀现象如图1所示。

环境污染严重程度ISAS71.4—1985IEC60654-4:1987G1G2G3GX1级2级3级腐蚀成膜厚度<300<1000<2000≥2000<300<1500>1500

图1 不同环境级别下铜的腐蚀

图1中，从左至右的腐蚀现象为G2环境下暴露60 d被腐蚀的铜试片；G3环境下被腐蚀的电路其表面孔隙腐蚀和蠕变；GX环境下被腐蚀电路的严重的孔隙腐蚀、蠕变和物理降解，腐蚀移动造成短路。

4 国外相关标准的变化

进一步的研究发现，铜对一些工业环境中普遍存在的污染物不够敏感，尤其是铜试片不能检测氯的存在，而氯是一种对金属特别有害的污染物。

欧盟指令2002/95/EC 《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》(on the Restriction of the Use of Certain Hazardous Substances in Electrical and Electronic Equipment，简称RoHS)，限制在电气和电子设备中使用有害成分： 汞(Hg)、铅(Pb)、铬(Cr6+)、镉(Cd)、多溴联苯(PBB)和多溴联苯醚(PBDE)。中国法规《电子信息产品污染防治管理办法》要求与RoHS类似。为适应RoHS“无铅”要求，印刷电路板(PCB)表面处理需要改用无铅工艺，主要有化学浸银(ImmAg)和其他诸如化学浸锡(ImmSn)、化学镀镍浸金(ENIG)、有机保焊膜(OSP)等工艺，这给电子设备的腐蚀控制带来了意想不到的挑战。

Rockwell公司2005年研究报告[6]表明： 按照ISA S71.04—1985的要求，G3环境中，以上4种工艺表面处理的PCB均会发生相关故障——“不能保证可靠运行”；ImmAg，ENIG工艺不能用于G2环境。国内工厂对“反应性检测”研究起步较晚。近年来，国内多地金融机构数据中心的环境测试数据[7]见表5所列。由表5中发现一个共同现象： 银腐蚀率平均是铜腐蚀率的4～5倍，值得注意的是，这些场合均已采取了一定的空气处理措施。

2013年，ISA修订并颁布ISA S71.04—2013[8]，将“污染物浓度与环境级别的关系”从正文移至附录B，仅用于帮助理解直接气体浓度测量的复杂性，又引进了银的反应性作为环境分级的依据，重新提出了用于腐蚀“反应性检测”的标准腐蚀分级试片(corrosion classification coupon，简称CCC)的定义。不同环境级别下腐蚀分级试片的腐蚀成膜厚度条件及效果见表6所示。

地点铜腐蚀成膜Cu2SCu2O未知铜膜合计ISAS71.04—1985环境级别银腐蚀成膜AgClAg2S未知银膜合计修订后ISA环境级别北京1 075075G106360636G2北京2110400150G10168001680G3北京3 02680268G1835 9696 1027G3北京4248670315G20166601666G3北京5426850511G208610861G2天津1 069069G106230623G2天津24151790594G20112201122G3济南 334750409G20183301833G3东营 299800379G20160301603G3上海192880180G10242102421GX上海2701210191G101253145 1398G3上海3 02050205G10130901309G3上海4139900229G104910491G2上海5258890347G20104701047G3上海65871800767G245 174201787G3珠海 04650465G20154901549G3深圳1159910250G109090909G2深圳2265910356G20320003200GX香港1143690212G10143401434G3香港22301210351G20147601476G3

试片类别环境级别G1G2G3GX铜试片腐蚀成膜厚度<300<1000<2000≥2000银试片腐蚀成膜厚度<200<1000<2000≥2000

5 结束语

新的欧盟指令2011/65/EU(RoHS 2.0)的“禁铅”实施范围已扩展到所有电气和电子设备： 工业过程测量和控制设备及其电缆、配件分别从2017年6月22日和2017年7月22日开始，需要 “无铅”。许多电子元件生产商也在改进工艺以适应RoHS要求。因此，设计人员需要重视控制室的腐蚀控制要求，在设计阶段考虑必要的防护措施，以保证控制系统的可靠运行。

参考文献：

[1] 王同尧，严春明，施建设，等. SH/T 3006—2012 石油化工控制室设计规范[S].北京： 中国石化出版社，2012.

[2] 王同尧，严春明，施建设，等. HG/T 20508—2014 控制室设计规范[S].北京： 中国计划出版社，2014.

[3] 张一兵，陆霖，李建瑛，等. GB/T 4798.3—2007 电工电子产品应用环境条件 第3部分： 有气候防护场所固定使用[S].北京： 中国计划出版社，2007.

[4] 王捷，陈思恩，李明华，等. GB/T 17214.4—2005 工业过程测量和控制装置的工作条件 第4部分： 腐蚀和侵蚀影响[S].北京： 中国计划出版社，2005.

[5] The Instrument Society of America. ISA S71.04—1985 Environmental Conditions for Process Measurement and Control Systems： Airborne Contaminants[S].North Carolina： ISA，1986.

[6] Robert Veale, and Rockwell Automation. Reliability of PCB Alternate Surface Finishes in a Harsh Industrial Environment[M].Eden Prairie： SMTA International, 2005.

[7] American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. ASHRAE 2011 Gaseous and Particulate Contamination Guidelines for Data Centers[S].Atlanta： ASHRAE, 2011.

[8] International Society of Automation. ISA S71.04—2013 Environmental Conditions for Process Measurement and Control Systems： Airborne Contaminants[S].North Carolina： ISA, 2013.