列车表面涂层光老化试验加速因子建模研究

宿兴涛，陈凯锋

（1.北京应用气象研究所，北京 100029；2.中国船舶重工集团公司第七二五研究所厦门分部，福建 厦门 361101）

目前，利用有机涂层防腐是普遍应用的防腐技术。在大气环境中，有机涂层受环境因素影响，发生老化，是引起涂层失效的主要因素之一，可造成大量资源消耗和严重的经济损失，甚至酿成恶性事故，给设备和生命财产安全带来威胁。用于涂层评价的气候环境试验包括自然环境试验和实验室模拟加速环境试验。自然环境试验相对可靠，但是试验周期长、耗资大、可控性差，难以满足产品研制、试验和快速评价的需求。实验室模拟加速试验具有试验周期短、重现性好的优点[1]，能对涂层体系进行快速有效的评价，是目前广泛应用的气候环境试验技术。

阳光是有机涂层实验室加速试验设计中必须考虑的环境变量。到达地面的太阳光所含紫外线能量一般介于314~419 kJ/mol 之间，而大部分聚合物的化学键离解能一般为200~500 kJ/mol[2]。可见，紫外线具有破坏有机涂层化学键的能量，可引发涂层的自动氧化反应，从而造成老化分解。因此，对涂层的光老化研究主要集中在紫外光老化研究。一般情况下，将自然环境下紫外辐射总量与光老化加速试验箱光辐射能量进行对比，即可得到实验室加速试验的加速因子。国内关于光老化试验加速因子建模研究方面开展过一些工作。叶美琪等[3]根据厦门海域大气海洋环境条件，通过研究实验室紫外辐射灯模拟的紫外辐射当量与实际太阳紫外辐射的关系，建立了厦门地区实验室加速试验的倍率模型。苏艳等[4]在江津地区湿热环境下开展跟踪太阳反射聚能自然加速试验与朝南45°角自然暴露试验，计算了高日辐射季节的加速因子。王艳艳等[5]采用金属卤素灯对聚苯乙烯进行实验室光源暴露试验，研究了相对于敦煌环境试验站户外自然暴露试验的加速因子。闫杰等[6]在拉萨试验站研究了涂层太阳跟踪反射聚光户外加速试验相对于自然暴露试验的加速因子。何德洪等[7]在江津地区对丙烯酸涂料开展的黑箱加速大气暴露试验和朝南45°角大气暴露试验结果表明，黑箱在该地区夏季使用与朝南45°角大气暴露试验相关性良好，并得出加速倍率在3倍左右。张勇等[8]采用腐蚀程度对比方法，将有机涂层加速腐蚀试验与自然曝晒试验进行对比分析，证实了研究采用的加速试验环境谱模拟性好，并具有约2个周期当量自然曝晒1 a 的相关性。朱玉琴等[9]对美国阿特拉斯研发的紫外加速试验系统（UAWS）的跟踪研究表明，在美国佛罗里达朝南45°方向，UAWS的紫外强化倍率约为63 倍。

在进行列车这种具有大范围运行区间的装备表面涂层光老化试验加速因子建模方面，以上研究还存在一些不足之处：加速因子的研究仅是针对某一特定地区[3-9]；自然环境下太阳辐射数据来源于经验公式，相对于观测数据准确性不足[3]；加速因子来自于与自然环境试验或自然环境加速试验的对比，工程上实施难度大、周期长、花费高[4-8]。针对上述情况，文中提出一种涂层紫外光老化试验加速因子的计算方法，旨在解决列车这种跨越大范围区域装备的表面防护涂层紫外光老化试验加速因子的计算问题。

1 方案设计

为客观、定量地建立针对列车表面防护涂层的实验室紫外辐射灯对太阳光中紫外辐射的加速因子模型，以兰新高铁为例，设计了如下技术方案。主要步骤包括：选取建模列车站点；确定站点气象地理区划；计算站点环境变量影响距离；建立站点太阳辐射环境谱；建立二级气象地理区划（以下简称二级区划）太阳辐射环境谱；建立一级气象地理区划（以下简称一级区划）太阳辐射环境谱；建立兰新高铁全线太阳辐射环境谱；建立加速因子模型。

文中太阳辐射数据采用美国国家航空航天局（NASA）Surface meteorology and Solar Energy（SSE）数据库资料，关于该资料的详细介绍见参考文献[10]。

1.1 选取建模列车站点

兰新高铁横跨甘肃、青海和新疆3 省（自治区），全长1777 km，其中新疆段正线全长710 km，甘肃段全长799 km，青海段全长约268 km。根据兰新高铁途经站点地理位置，选取兰州、西宁、门源、张掖、高台、酒泉、哈密、吐鲁番和乌鲁木齐9 站作为参与建模的列车站点。

1.2 确定站点气象地理区划

根据《中国气象地理区划手册》[11]，兰新高铁全线均位于全国一级区划——西北地区以内。进一步细化，位于西北地区中部和西北地区西部两个二级区划内，并且大致以酒泉为界，酒泉以西部分（包括酒泉、哈密、吐鲁番和乌鲁木齐4 站）位于西北地区西部区划内，以东部分（包括兰州、西宁、门源、张掖和高台5 站）位于西北地区中部区划内。

1.3 计算站点环境变量影响距离

采用公式（1）确定列车站点环境变量在所处二级区划内的影响距离：

式中：Xm表示列车站点环境变量在所处二级区划内的影响距离；m 表示沿列车运行方向自始发站开始经过的站点序号，1 为始发站，N 为终点站；Sm,m+1表示m 站和m+1 站之间距离，同理Sm-1,m表示m-1站和m 站之间距离；Am表示位于m-1 站和m 站之间的二级区划边界与m 站的距离；Bm表示位于m+1站和m 站之间的二级区划边界与m 站的距离。

根据兰新线站点里程表，9 个站点之间，兰州-西宁、西宁-门源、门源-张掖、张掖-高台、高台-酒泉、酒泉-哈密、哈密-吐鲁番、吐鲁番-乌鲁木齐的距离分别为188、98、199、71、120、571、372、158 km。由于酒泉位于西北地区西部和西北地区中部两个二级区划边界上，在两个二级区划内分别计算其影响距离。由式（1）计算酒泉在西北地区中部和西北地区西部的影响距离分别为60、285.5 km，兰州、西宁、门源、张掖、高台、哈密、吐鲁番和乌鲁木齐其他8个站点的影响距离分别为94、143、148.5、135、95.5、471.5、265、79 km。

1.4 建立站点太阳辐射环境谱

利用NASA SSE 地面太阳辐射资料，统计兰州等9 站月平均地面太阳辐射分布，如图1 所示。

图1 站点月平均地面太阳辐射Fig.1 Monthly average ground solar radiation of the station: a) Lanzhou; b) Xining; c) Menyuan; d) Zhangye; e) Gaotai;f) Jiuquan; g) Hami; h) Tulufan; i) Wulumuqi

1.5 建立二级区划太阳辐射环境谱

根据1.3 节信息，可得到兰新线全线位于二级区划西北地区中部和西北地区西部内列车运行区间的长度分别为676、1101 km。计算二级区划内列车运行区间的月平均地面太阳辐射环境谱，具体为：

式中：U 为二级区划内列车运行区间的月平均地面太阳辐射；Wm为m 站的地面太阳辐射；m 在此二级区划内的取值范围为P≤m≤Q，P≥1，Q≤N。

根据站点月平均地面太阳辐射数据和站点环境变量影响距离，由式（2）计算得到西北地区中部和西北地区西部两个二级区划的月平均地面太阳辐射环境谱，如图2 所示。

图2 二级区划内列车运行区间的月平均地面太阳辐射Fig.2 Monthly average ground solar radiation of train operation section in the secondary division: a) central part of northwest China; b) west of northwest China

1.6 建立一级区划太阳辐射环境谱

由式（3）计算一级区划内列车运行区间的月平均地面太阳辐射环境谱：

式中：E 为一级区划内列车运行区间的月平均地面太阳辐射；H 表示在此一级区划内的二级区划数量；Ui为在此一级区划内第i 个二级区划的地面太阳辐射；Yi表示在第i 个二级区划内列车运行区间的长度。

根据二级区划内列车运行区间长度和二级区划内月平均地面太阳辐射数据，由式（3）得到一级区划西北地区内列车运行区间月平均地面太阳辐射环境谱，如图3 所示。

图3 一级区划的月平均地面太阳辐射Fig.3 Monthly mean ground solar radiation in the first division

1.7 建立全线太阳辐射环境谱

由式（4）计算列车总运行区间的月平均地面太阳辐射环境谱：

式中：R 为列车总运行区间的月平均地面太阳辐射；G 表示在列车运行区间内一级区划数量；Ej为第j 个一级区划内列车运行区间的地面太阳辐射；Zj表示第j 个一级区划内列车运行区间的长度。

兰新线全线均位于一级区划西北地区以内，因此兰新高铁总运行区间月平均地面太阳辐射环境谱与一级区划西北地区内列车运行区间月平均地面太阳辐射环境谱相同。另外，根据一级区划内列车运行区间长度和一级区划内列车运行区间月平均地面太阳辐射，由式（4）也可计算得到列车总运行区间的月平均地面太阳辐射环境谱。

根据月平均地面太阳辐射，计算列车总运行区间的年平均地面太阳辐射和地面太阳紫外辐射：

式中：Rmean为列车总运行区间的年平均地面太阳辐射；Rk表示k月列车总运行区间的地面太阳辐射；UVmean为列车总运行区间的年平均地面太阳紫外辐射；η 为紫外辐射占太阳总辐射比例，取为7%[3]。

根据列车总运行区间的月平均地面太阳辐射，由式（5）得到兰新线年平均地面太阳辐射为1650 kWh/m2，即5940 MJ/m2。由式（6）可得兰新线年平均地面太阳辐射中紫外辐射为415.8 MJ/m2。

1.8 建立加速因子模型

根据实验室紫外光老化试验条件计算加速因子：

式中：F 为加速因子；t1为涂层自然环境试验时间；t2为涂层在实验室条件下达到与自然环境试验接受相同剂量太阳紫外辐射所需时间。

实验室紫外光老化试验采用 UVB-313 灯，在310 nm 波长辐照度为0.66 W/m2，转换为模拟250~400 nm 紫外波段总辐照度的转换系数为47.91。在加速试验箱内，一个方向上设置4 盏灯，其每天产生的紫外辐射为10.93 MJ/(m2·d)。在紫外加速试验箱内产生相当于兰新高铁全线1 年的紫外辐射量需要的时间为38.04 d。由式（7）得到加速因子为9.5。

2 结语

为客观、定量地建立针对列车表面涂层的实验室紫外辐射灯对太阳光中紫外辐射的加速因子，文中以兰新高铁为例，提供了一种建模思路。主要步骤包括：选取建模列车站点、确定站点气象地理区划、计算站点环境变量影响距离、建立站点太阳辐射环境谱；分别建立二级气象地理区划、一级气象地理区划和全线太阳辐射环境谱；最后，建立加速因子模型。采用上述建模方案，基于NASA Surface Meteorology and Solar Energy（SSE）地面太阳辐射数据，计算了兰新线实验室紫外光老化试验的加速因子。文中提供的加速因子建模思路，解决了列车这种跨越大范围区域的装备光老化试验加速因子的计算问题，简单实用，可推广至飞机、轮船、汽车等相似装备表面涂层以及金属等其他材料的紫外光暴露试验评价。