海洋大气环境多因素组合/综合试验 及方法现状分析

李茜，胡涛，孙茂钧，邹锦辉，李景育

（1.西南技术工程研究所，重庆 400039；2.海南万宁大气环境材料腐蚀国家野外科学观测研究站，海南 万宁 571522；3.黑龙江北方工具有限公司，黑龙江 牡丹江 157013）

海洋大气环境因素有温度、湿度、盐雾和太阳辐 射等多种环境因素，而某海域大气环境常具有高温、高湿、高盐雾和强太阳辐射的特点，在海洋大气环境中长期服役的装备常易出现各种复杂的环境效应，从而引起装备的故障[1-5]。例如应用于飞机蒙皮带涂层的连接件在光照和温湿共同作用下，表面涂层发生老化，当氯离子穿透涂层表面进入内部，涂层的腐蚀老化扩展到基材，腐蚀程度加剧，在振动因素的协同作用中，使连接处出现松动，甚至加速涂层的脱落。然而现有标准多为单因素或少因素综合环境试验方法，如常见的盐雾试验、湿热试验以及太阳辐射试验方法中，涉及的环境影响因素单一，且综合化程度相对较低，缺乏将服役环境中的多种海洋大气环境主要因素融合在同一试验中的试验方法。在实际使用过程中，通常只能优先选用对装备影响最为敏感的环境因子来进行单因素试验或少因素的组合试验，因而很难准确模拟装备在海洋大气环境下使用的真实复杂环境，导致部分通过了试验考核的装备在外场使用中仍出现性能表现不佳、腐蚀严重、寿命不达标等问题。因此，本文根据海洋大气主要环境因素温度、湿度、盐雾、太阳辐射和诱发环境因素振动的影响，分析装备在海洋大气环境中多因素组合/综合试验及方法现状，实现装备在海洋大气环境中的多种试验程序组合/综合环境试验技术研究，为提升装备“适海性”提供了重要的支撑手段。

1 海洋大气主要环境因素影响及组合分析

1.1 海洋大气主要环境因素影响

海洋大气主要环境因素的组合/综合作用在某种程度上可加速装备的腐蚀效应。某海域大气环境“三高一强”的特点之一是高盐雾，即在高相对湿度的空气中含有NaCl 盐颗粒或盐形式存在的氯化物，且距离海岸越近，含量越高，其对装备的主要影响为腐蚀生锈。其中，金属材料对盐雾十分敏感，而非金属材料（如橡胶、塑料等）的耐盐雾性相对较好。另外，因Cl-本身具有较强的侵蚀性（即穿透能力），在腐蚀效应过程中，可加重基体结构的腐蚀。高湿度环境在这一过程可溶解更多的氧和其他腐蚀性物质，易于在装备表面形成较厚的液膜。当相对湿度大于金属的腐蚀临界值时，腐蚀效应则变得尤为明显，且腐蚀进程加快。海洋大气的高温环境也可加速装备的腐蚀效应，据不完全统计，由温度引起装备产生的故障约占40%[6-7]。影响装备腐蚀行为的另一主要环境因素即太阳辐射，可直接对装备产生热效应和光化学效应，并促进金属表面真菌类的生物活动，有利于腐蚀性盐尘或盐雾颗粒在金属表面的沉积，共同促进腐蚀效应[8-9]。另外，振动诱发环境因素，可能引起如螺栓、连接等部位的松动、位移运动乃至微裂纹等[10-11]，在其他几种环境因素的共同作用下，可加速装备的腐蚀效应。

1.2 海洋大气主要环境因素组合分析

海洋大气主要环境因素影响复杂，且组合形式多种多样，针对温度、湿度、盐雾、振动和太阳辐射等5 种海洋大气主要环境因素，采用不同形式的环境因素组合分析可知，形成环境因素两两组合的形式理论上有10 种，如图1 所示；形成环境因素三三组合的形式理论上也有10 种，如图2 所示；形成环境因素四四组合的形式理论上有5 种，如图3 所示；形成5种环境因素组合的形式理论上有1 种，如图4 所示，共形成海洋大气环境因素组合形式26 种。若将每种 组合中的环境因素进行逐一排列组合来形成海洋大气环境试验方法中的组合/综合环境试验程序，这些组合/综合环境试验程序的数目总计将超过100 种，且试验方式分门别类，难以形成统一的试验程序。因此，根据海洋大气环境因素的主要特点和装备在该种环境下受主要环境因素产生环境叠加效应，选取适当的剪裁原则，优先关注4、5 种环境因素组合或少数（如常见的温-湿-振3 种）环境因素的组合，实现多环境因素的组合/综合环境试验方法的研究。

图1 海洋大气主要环境因素两两组合 Fig.1 Combination of any two main environmental factors of marine atmosphere

图2 海洋大气主要环境因素三三组合 Fig.2 Combination of any three main environmental factors of marine atmosphere

图3 海洋大气主要环境因素四四组合 Fig.3 Combination of any four main environmental factors of marine atmosphere

图4 海洋大气主要环境因素五五组合 Fig.4 Combination of any five main environmental factors of marine atmosphere

2 组合/综合环境试验能力

2.1 国外环境试验能力

国外环境试验的起步较早，从19 世纪开始至今，得到了长足的发展，展现出较强的环境试验能力。其中，英国在19 世纪40 年代就开始了环境试验的研究，1905 年美国相继开始了材料试样的大气环境试验[12]。另外，受历次战争中暴露出武器装备大量的环境适应性问题的影响，第一次世界大战和第二次世界大战后，美、英与前苏联等相继在本国和世界其他地区建立了大气环境试验站，系统地加强了其环境试验能力。其中美国建有世界闻名且公认最大的麦金利实验室，实验室位于美国佛罗里达坦帕湾，在Eglin 空军基地内，于1947 年投入使用，1971 年更名为麦金利实验室。该实验室为大型综合气候环境试验室，拥有模拟地球上大部分自然环境的能力，其设施通常不仅可开展常规的单项气候模拟试验，其大尺寸的空间实验室还可进行大型武器装备的整机气候模拟实验[13]。如开展美国第四代战斗机F/A-22“猛禽”的大雨冲洗、湿化和风吹等组合/综合环境试验。另外，1912年成立的ATLAS，由22 个环境试验站组成的强大站网体系，不但可以从事自然环境试验，而且还能进行室内多环境因素的模拟加速试验。总部设在芝加哥，德国和荷兰等均建有基地。ATLAS 实验室可根据客户需求开展不同类型的气候环境试验，其模拟环境试验的设备和试验体系均较为完善，代表了国外先进的综合试验能力。

除美国外，西方其他国家也很非常重视综合环境试验的发展[14-15]。同时期，英国国防部针对环境试验和自身发展的需求，于1974 年斥巨资建立了马可尼雷达试验中心。该中心具有温度、湿度、振动、淋雨、盐雾、太阳辐射等多项试验能力[16]。另外，日本自1951 年起，开始建立战后的武器工业体系，相继建立了札幌、新岛等5 个试验场。可以说国外的组合/综合环境试验能力在历年的发展中逐渐得到了提升和加强。

2.2 国内环境试验能力

国内环境试验研究起始于20 世纪80 年代，晚于国外1 个多世纪，并且国内环境试验的发展主要是借鉴美国、日本和前苏联等国外环境工程的研究成果[17-18]。近年来，随着我国环境试验的综合发展，加速模拟试验方法和试验设备都在向多环境因素综合加速腐蚀的方向发展，以更好地反映装备在真实复杂服役条件下的环境适应性。我国先后建立了以几个岛礁为代表的典型海洋大气自然环境试验站，以开展装备在海洋大气中的环境试验研究；另一方面，受国外试验装置技术的启蒙，以及国内环境试验发展的迫切需求，我国已经形成了较为成熟的盐雾试验装置、交变湿热试验装置、太阳辐射试验装置和温-湿-振三综合试验装置以及少因素的综合试验装置。

随着我国向海洋强国的推进，亟需更贴近实战、更真实有效的综合环境试验手段来尽早暴露装备环境适应性的薄弱环节，为装备进行高水平的环境适应性质量把关。国内某些研究所和大学陆续开展了三因素或四因素的综合环境试验设备和方法研究[19]，如航空工业三零一所、三零三所、工信部电子五所和北京航空航天大学等。2004 年，航空工业三零一所研制了一种CET2000 型综合环境试验机[20-21]，该试验机可以控制温度、湿度、雨水、光照、盐雾、振动等6个因素，遗憾的是在后来近20 年的发展中，该试验设备暂时还没能得到广泛应用和进一步推广。另外，我国航空工业强度研究所仿制美国的麦金利试验实验室建造了飞机强度研究所气候环境实验室，实验室于2012 年3 月立项批复，是我国规模最大、系统组成最复杂、模拟环境因素最多的大型综合气候环境实验室，具备进行高温、低温、湿度/温度、太阳辐射、淋雨、降雪、冻雾、冻雨/结冰和吹风等典型气候环境的试验能力，标志着我国装备的室内组合/综合环境试验能力得到了实质性的发展。

3 组合/综合环境试验方法

3.1 国外环境试验方法发展

国外有关海洋大气环境试验的方法主要有美军810 系列标准、英国DEF STAN 00-35、ASTM G85标准等。其中，针对飞机关键结构，美国空军制定并应用于F-18 飞机结构的涂层加速试验环境谱及试验程序，形成了最早的加速环境试验谱（CASS 谱）[22-24]，已成为国内外学者后来制定装备海洋大气环境多因素组合/综合试验及方法借鉴的基础。另外，根据现有的研究资料显示[25-26]，国外对于海洋大气环境试验方法的研究多集中于对海洋大气环境下涂层腐蚀的研究，并形成了一系列标准和非标准的加速腐蚀试验方法，其中涵盖了ASTM 系列标准，借鉴ISO 标准形成的Norsok M-501 标准，在ASTM 标准基础上更改形成的NACE TM0304 标准，以及在标准方法的基础上基于试验本身形成的一些非标准试验方法，其中包括了盐雾试验、太阳辐射试验等多因素环境试验的组合/综合试验方法，见表1。

表1 国外海洋大气涂层加速腐蚀试验方法及标准 Tab.1 Accelerated corrosion test methods and standards for marine atmospheric coatings abroad

自20 世纪初期以来，根据装备环境试验的发展需求，国外的环境试验标准方法在不断修订完善。以应用最为广泛的美军标MIL-STD-810F《环境工程考虑和实验室环境试验》为例，该军用标准包括环境工程工作指南和实验室试验方法2 部分，其中实验室试验方法包括24 种环境试验方法标准，涵盖了温度、湿度、盐雾、振动、太阳辐射等多种单一环境因素试验方法和少数多种环境因素的试验方法。在环境试验标准的发展中，美军标MIL-STD-810 问世60 多年中，经历了8 次制修订（具体见表2），从初始的60 多页丰富到现在的800 多页。该标准方法在历年的更新中得到了进一步的完善和发展，这成为国内外环境试验标准的主要参考和借鉴，参照此标准国内形成了GJΒ 150 和更新版GJΒ 150A 标准[27-28]。另外，英国国防部标准DEF STAN 00-35《国防装备环境手册》（第四版），于2006 年9 月18 日颁布，书中第2 部分“环境试验程序设计和评价方法”和第3 部分“环境试验方法”均成为各界学者研究环境试验方法的重要依据，促进了国内外环境试验的发展。

表2 MIL-STD 810 系列标准发展历程 Tab.2 Development of MIL-STD 810 series standards

3.2 国内环境试验方法发展

在借鉴美国、日本和前苏联等国外环境工程研究的基础上，我国装备的海洋大气环境适应性研究实现了从无到有的发展，其中对于环境试验方法标准的发 展则主要是国外试验方法、标准的引进和沿用[29]。现阶段国内常用的环境试验标准以国外发达国家的标准为蓝本来进行制修订形成，并没有完全形成由我国独立自主研究的环境试验方法标准。例如较为常用的 GJΒ 150A 则是根据810 系列标准翻译而来，基本等效美军标MIL-STD-810F《环境试验方法和工程导则》中相应部分；1991 年形成的GJΒ 1217 《电连接器试验方法》，涵盖了温度、湿度、盐雾等试验方法，但该方法也主要是在1977 年的美军标MIL-STD-1344A《电连接器试验方法》的基础上翻译和借鉴形成，2009 年修订并形成了GJΒ 1217A 版本；GJΒ 4239《装备环境工程通用要求》的形成也是综合借鉴了810F、0035 手册和GJΒ 450 等为基础的。

研究表明[30]，目前国内已经形成的环境试验方法基本是依托具体的试验对象来建立，与国外相似，均以涂层为对象的研究最为广泛。已有的资料显示[26]，国外环境试验组合/综合试验方法主要有标准和非标准形式，如 ASTM 系列、Norsok M-501、NACE TM0304 标准等。这些标准主要从装备在实际服役过程中的工况和服役中所经历的海洋大气环境因素来进行组合，并根据具体的试验效果开展数据对比后，以此为依据来进行适当的剪裁等，为国内的海洋大气组合/综合环境试验方法的发展提供了借鉴和研究基础。遗憾的是，由于组合/综合试验方法设计的环境因素较多，且在无特定的试验对象和试验目的等情况下，国内学者目前对于该种方法的研究并没有形成一套相对系统的理论和方法原则。

4 结语

综上所述，随着我国军事向深海远海的推进，对海洋大气环境下使用的装备提出了更高的要求，且针对长期服役于多海洋环境因素下的装备易产生复杂的环境效应，依然没有形成系统的组合/综合环境试验方法，因此提出了以下展望：

1）影响装备在海洋大气环境中发生失效和故障的因素较多，基于装备在海洋大气主要环境因素及其组合分析可进一步加强装备环境效应研究。

2）目前国内外均没有系统的装备在海洋大气环境中多因素组合/综合试验方法，为适应装备在海洋大气复杂环境中的适应性考核，需加强对多种环境因素组合/综合环境试验方法的研究。

3）国内环境试验及方法的研究较国外晚，且主要以引进和沿用为主，为了适应装备在本国的服役环境，应学习和借鉴国外试验方法和标准的研究成果，同时结合自身特色形成相应的组合/综合环境试验方法。