极地装备环境试验的思考

孙 伟 傅学庆 孟大禹

（海军大连舰艇学院 大连 116018）

0 引 言

北极地区是指北纬66°34′北极圈以内的区域，中心是浮冰覆盖的北冰洋，周围的欧亚大陆、北美大陆与格陵兰岛将北冰洋围成“地中海”。北极地区气候恶劣、终年严寒且多暴雪烈风，但油气资源丰富。北极原油储量达900 亿桶，占全球13%；天然气储量超过47 万亿m3，占全球30%[1]。随着全球气候变暖， 北冰洋海冰融化的速度不断加快，经由北冰洋的北极航道可通航窗口期不断延长，将大幅节省跨洲航行的时间和成本。这不仅会改变世界航运格局，还可能大幅提升北极地区的战略地位，并引起全球地缘政治格局的变化。

我国在地理位置上虽不属于北极国家的范畴，但仍是北极事务的重要利益攸关方。2018年1月，国务院新闻办公室发布的《中国的北极政策》白皮书中指出：中国在地缘上是近北极国家，北极的自然状况及其变化对中国的气候系统和生态环境有着直接影响，进而关系到中国在农业、林业、渔业和海洋等领域的经济利益[2]。北极航道的开通和利用将大大缩短我国与欧洲、北美等国的贸易航运距离，未来北极地区将会对我国的地缘安全和海外利益产生重大影响。

要参与北极地区的资源开发，更好地利用北极航道，保护我国在北极地区的利益，需大力发展极地装备与技术。目前，以美俄为代表的北极圈国家正积极发展极地装备，主要以船舶、监视和通信装备为主[3]。极地船舶是专门在极区海域内进行海洋科考活动的专业海洋调查船，拥有结构强度大、破冰能力强、极区适航性突出以及续航时间长等特点[4]。极地监视、通信等装备环境适应性强，具备高耐寒性、防风性能好等优势。在极地环境中，服役装备要经受低温、积冰、氯离子和微生物等多种因素影响，失效情况非常严重。我国在建造新一代极地装备时，必须注重环境试验，确保极地装备的可靠性。

1 各国极地装备发展情况

北极地区的油气、航道资源具备重大开发价值。俄罗斯是北极油气开发的主要推动者，其国家战略视北极为能源战略基地[5]，挪威、加拿大等国也已在北极建立油田[6]。北极航道是连接东亚地区与欧洲国家的最短海上运输通道（如图1 所示），对于贸易安全和供应链稳定的价值在不断上升。

图1 北极航线示意图

美国、俄罗斯和欧洲等近北极国家和地区，正积极布局极地装备，全面构建极地监视、通信及破冰航行能力，提升极地科学考察、商业航运及资源开发能力，保障其未来在北极地区的资源开发活动[7]。各国极地装备具体发展情况如表1 所示。

表1 各国极地装备发展情况

目前，我国极地观测/勘测、通信装备匮乏，并且能力不足，对极地的认识尚不能满足极地开发利用与保护的需求。因此，亟需研发极区海洋环境观测、航行与资源勘探装备，提升认识极地的能力，为极地的可持续开发利用提供保障[2]。

2 极地环境对装备的影响

极地环境恶劣且复杂多变，服役的极地装备要经受低温、积冰/冻雨、氯离子和微生物等自然环境因素影响，装备失效情况非常严重。

低温几乎对所有的基体材料都有一定影响，低温条件导致极地装备产生的常见问题包括：

（1）材料的硬化和脆化；

（2）异种材料制成的零件因温度降低时收缩率不同，导致零件咬死、干涉；

（3）润滑油之类的流体在低温下流动性降低、黏度增加，润滑作用有所降低；

（4）减震系统刚性增加，影响减震效果；

（5）密闭空间内压力降低，导致某些部件受压不均或承受负压，密闭空间内的相对湿度会大幅上升等。

积冰/冻雨环境可能导致装备产生以下影响：

（1）运动部件冻结在一起；

（2）增加雷达天线、气动控制表面和直升机旋翼的质量；

（3）引起结构故障；

（4）降低冷却系统或过滤器中的气流效率；

（5）因使用机械、人工或化学除冰方法，对装备带来可能的损害来源；

（6）降低气动提升和控制表面效率；

（7）影响电磁辐射传输。

极地地区盐雾分布广泛，大气、海水中含有大量的钠离子、氯离子，当浓度和温度达到一定值时，会对金属材料造成严重腐蚀。腐蚀一般有3 种形式：

（1）电化学反应引起的腐蚀；

（2）加速应力腐蚀；

（3）盐在水中电离后形成的酸/碱溶液，造成腐蚀。

此外，装备的电气、物理特性也会受盐雾影响：

（1）盐的沉积使电气功能失常；

（2）产生导电层；

（3）降低绝缘材料的绝缘电阻和增大电接触元件的压降；

（4）盐的沉积使机械部件及组合件活动部分阻塞或卡死；

（5）由于电解作用导致漆层起泡。

极地低温微生物腐蚀的机理十分复杂，具有独特的影响因素，如抗冻蛋白、胞外多糖和细菌色素的参与，或与极地外部条件的耦合等，都会使材料的腐蚀机理更加复杂。焊缝是装备最薄弱环节，尤其是微生物对焊缝的腐蚀可导致腐蚀速率最高增加1 000 倍[8]。微生物环境对装备的影响主要有：

（1）降低绝缘材料的电性能；

（2）造成电子或电气产品失灵；

（3）破坏密封，尤其焊缝更易被腐蚀；

（4）使金属件腐蚀；

（5）破坏有机涂层。

3 极地装备环境试验

环境试验是为了保证极地装备在规定的寿命期内，在预期的使用、运输和贮存等所有环境下保持功能可靠性而进行的活动。在环境试验中，可将极地装备暴露在自然的或人工的环境条件下经受其作用，以评价极地装备在实际使用、运输和贮存等环境条件下的性能，并分析研究环境因素对极地装备的影响程度及作用机制。极地装备应当根据GJB 4239-2001《装备环境工程通用要求》、GJB 150A-2009《军用装备实验室环境试验方法》等标准的相关要求，并结合装备在使用、运输和贮存期间环境剖面开展环境试验。

3.1 低温试验

低温试验对极地装备而言必不可少。开展低温试验的目的是考核极地装备在低温条件下贮存、工作及拆装操作的适应性，深入了解低温条件对极地装备工作性能、安全性及完整性的影响。

试验温度的确定，由装备使用地域的气候条件和暴露条件决定。表2 列出了世界范围内的低温循环范围摘要，表3 列出了低温极值出现的概率。

表2 低温循环范围摘要

表3 低温极值出现概率

虽然低温环境通常是周期变化的，但多数情况下只进行恒定低温试验。除非在设计评估时认为装备暴露于低温变化环境下的性能非常关键，才选用循环低温试验。由于极地装备常用于极地地区贮存和工作，需要同时参考表1 和表2，因为仅仅考虑低温极值而不考虑概率，可能会造成过试验条件。温度还与产品贮存与工作状态下的暴露条件有关，完全暴露、有遮挡、密封舱内等环境直接影响其环境条件，这些因素也要详加考虑。试验时间与装备实际使用的环境条件相关，也与装备自身特点相关。如无特殊要求，极地装备的低温贮存试验持续时间为24 h，低温工作试验持续时间为2 h。

3.2 积冰/冻雨试验

积冰/冻雨试验主要适用于地面或舰船装备受到积冰/冻雨（主要是雨冰）的影响。对于暴露在由冻雨或细雨产生的积冰条件下的装备，以及由海水溅沫或雾状物而引起冰积聚的装备，必须进行积冰/冻雨试验，以考核装备能否耐受积冰/冻雨环境并在该环境下工作，或者验证装备自身消除积冰和预防冻雨措施的有效性。

积冰/冻雨试验在试验箱内进行，采用辅助仪器来控制试验条件，例如试验温度、降水速率、水滴尺寸和积冰厚度等。试验温度用于产生所要求的环境条件，包括试验箱的温度、水温和试件温度。试验箱和水的温度应按不同尺寸的试件进行调整，以防水滴在与试件接触前过早地结冰；为了允许水在结冰前渗入裂口、接缝等，不应采用0 ℃以下的初始试件温度。GJB 150.22A 中推荐的试验箱温度为 -10 ℃，水温为0 ～ 3℃，试件初始温度不应低于 0 ℃。可采用能产生纯净、均匀雨冰层的任何降水速率，GJB 150.22A 中建议采用25 mm/h 的降水速率。对于不同试件，可以使水滴直径在1.0 ～ 1.5 mm 范围内进行调节，这样会产生需要的结冰。积冰厚度在GJB 150.22A-2009 中的推荐值见表4。

表4 GJB 150.22A-2009 积冰厚度

积冰/冻雨试验应考虑装备用途和寿命周期环境来确定试验条件。GJB 150.22A 中根据装备的工作目的和寿命周期选择程序的可变部分（冰的形成方式和冰的类型）。

标准中提供了4 种冰的形成方式和2 种冰的类型，见表5。

表5 GJB 150.22A 中提供的冰的形成方式和类型

试验前后对装备的功能、性能要仔细检查。如果装备确定必须在不除冰环境中工作，则必须在不除冰条件下检查装备工作性能，否则可以除冰后再检查，并注意除冰过程中是否对装备造成了伤害。

3.3 盐雾试验

盐雾试验主要是为考核装备耐盐雾环境的能力。通过试验来确定产品保护层或装饰层材料选择的正确性，检测评估盐沉积物对装备物理和电气性能的影响，定位潜在问题区域，发现质量控制缺陷和设计缺陷等。

盐溶液的浓度一般取5%±1%，务必注意用水质量。盐雾试验采用喷雾和干燥循环的方式进行，喷盐雾24 h、干燥24 h，2 种状态交替进行，共进行96 h（2 个喷雾阶段和2 个干燥阶段），如果有特殊要求或需要加严考核，可以适当延长。喷雾阶段的试验温度为35 ℃±2 ℃，如有特殊要求，则可使用其他适合的温度。盐雾沉降率可通过试验箱（室）进行调节，每个收集器在80 cm2的水平收集区内（直径10 cm）的收集溶液量为1 ～ 3 mL/h。

试验后应分别从腐蚀、电气和物理检查结果3个方面进行盐雾试验结果综合分析，最终确定装备耐盐雾环境的能力，具体如表6 所示。

表6 盐雾试验结果分析方法

3.4 微生物腐蚀试验

微生物腐蚀试验的目的是考核装备耐微生物环境的能力，包括装备材料是否会腐蚀。如果腐蚀，速度如何、装备性能是否会受到影响、腐蚀以后有没有简单的处理办法等，这些问题的确定有助于在装备设计时选择合适的材料或者合适的耐微生物环境防腐方法。

试验条件有2 个重要因素：试件在微生物腐蚀环境中的暴露时间以及微生物的菌种类别。前者应以装备实际使用条件来确定，但由于腐蚀过程比较漫长，不适合在试验室开展试验。根据GJB 150A-2009 规定，最短持续时间28 d，根据要求和需要可以延长至84 d。菌种类别的选择与装备材料直接相关，不同的菌种对同一材料的侵蚀能力不同。因此，菌种的选择要考虑产品材料特性，选择影响最为恶劣的菌种来进行试验。嗜冷菌在极地地区分布广泛，对各种材料的降解显著，极地装备微生物腐蚀试验一般选用此菌种。

试验时，测试温度应在4 ℃±1 ℃范围内；腐蚀试验试剂选用3.5%NaCl（70%）+2216E 含菌培养液（30%）；含菌培养液推荐养料嗜冷杆菌，25 ℃摇床 （120 r/min）培养24 h，细菌含量1×106cfu/mL， 也可以根据实际海域选用其他典型腐蚀性细菌； pH 为7.4 ～ 7.6。紫外线灭菌后的试样放入400 mL 溶液中，连续浸泡（7 d 为1 个周期），也可根据特殊条件要求延长浸泡时间，将容器用0.22 μm 微孔封口膜密封。当试样浸泡时间超出14 d，建议更换新鲜的含菌溶液（整个换液过程在生物安全柜中完成）。对试验结果的分析包括：失重分析、点蚀分布表征和腐蚀速率计算等。

4 结 语

极地装备是完成极地科考与开发，维护我国在北极地区利益的依托和保障。本文阐述了我国发展极地装备的紧迫性，梳理了北极地区低温、积冰/冻雨、盐雾和微生物等恶劣环境对装备的影响，论述了极地装备开展相关环境试验的条件、要求及注意事项。极地地区的环境复杂多变，各种环境因素对装备具有耦合作用，环境试验应尽量达到多因素同时作用的情况。本文仅从极地自然环境角度思考了装备环境试验，然而，装备及材料在低温、冰载荷等因素作用下的硬度、强度、抗冲击韧性、疲劳性能和冰载荷摩擦等力学环境试验也要重点关注，并按照环境试验的标准开展试验。因此，后续应进一步开展极地地区环境条件研究，更新极地装备环境试验标准，加强极地装备环境试验测试研究，为突破极地装备研制关键点和技术瓶颈服务。