控制室腐蚀性气体的防治

沈奕峰

(浙江省天正设计工程有限公司,浙江 杭州 310012)

控制室作为工厂自动化的中心,其安全性越来越被重视。本文主要讨论空气中气态污染物对控制室内过程测量和控制设备如电子办公设备、服务器、网络设备等的腐蚀影响和防治要求。

1 防治要求

1985年,美国仪器仪表学会(ISA)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》,两年后,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》,中国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。

2013年,已改名为国际自动化协会的ISA修订并颁布了ISA 71.04: 2013《过程测量和控制系统的环境条件: 大气污染物》[1]。2013版采用“反应性检测方法”,根据腐蚀分级试片CCC(corrosion classification coupon)暴露在空气中一段时间(通常30 d)后生成的腐蚀膜总厚度,来评价环境中气态污染物严重程度。反应性环境分级见表1所列。

表1 反应性环境分级 Å

环境中的腐蚀性气体,主要分为三大类: 酸性气体,如H2S,Cl2,HF,以及硫和氮的氧化物,如SO2,SO3,NOx;碱性气体,如NH3;氧化性气体,如O3。其中,酸性气体的危害性通常最大。例如:φ(Cl2)=1.0×10-8时,产生的腐蚀就与φ(NH3)=2.5×10-5时的相当;氮氧化物NOx(NO,NO2,N2O4)在氯元素和硫元素腐蚀金属时,可起到催化的作用。

文献[1]附录B在说明依据气体体积分数确定环境级别具有局限性的前提下,提供了相对湿度50%以下时供参考的相应气体体积分数,气态污染物体积分数与严重级别的参考关系见表2所列。

表2 气态污染物体积分数与严重级别的参考关系

为方便直观理解,本文用文献[1]附录B中的气体体积分数对比日常生活中的环境空气质量指数(AQI)[2],环境常见气体体积分数要求比较见表3所列。由表3可以看出,文献[1]即使对常见气体的体积分数要求也是很高的。控制室面临工厂环境中的酸性气体,一般比日常生活环境污染严重,甚至不考虑工艺装置产生的气态污染物时也是如此。例如: 中心控制室附近常布置有冷却水塔,而冷却水塔产生的水蒸气,会使周围空气中Cl2含量大幅上升。

表3 环境常见气体体积分数要求比较 nL/L

2 环境评估

为了保证控制室内过程测量和控制设备的长期可靠性,需要量化各种腐蚀可能性,有针对性地提供防治气态污染物的工程解决方案。文献[1]推荐根据美国材料试验协会(ASTM)标准ASTM B825-02: 2008《利用库伦分析法测量金属试样表面膜的标准试验方法》,利用电化学原理测量CCC成膜厚度。利用该分析法,不但可以测量试片腐蚀成膜总厚度,还可以根据铜、银与不同气态污染物腐蚀反应产物的不同电化学电位,测得其中各组分腐蚀成膜厚度,从而判断检测场所空气中存在的腐蚀性气体成分。

1)当银试片腐蚀成膜中检测到硫化银(Ag2S)膜,而相应的铜试片上未检测到硫化亚铜(Cu2S)膜,通常意味着空气中存在硫的氧化物,例如SO2和SO3。SO2本身与铜试片只会产生氧化亚铜(Cu2O)膜。硫的氧化物通常来源于含硫化石燃料的燃烧产物。体积分数在1×10-9数量级的氧化硫可钝化活性金属,从而延缓腐蚀。高体积分数时,该类污染物可腐蚀某些砖石、金属、合成橡胶和塑料。

2)当Ag2S和Cu2S膜均被检测到时,通常表示检测场所空气中存在着活性硫化物,例如S,H2S,有机硫化合物(如硫醇)。当两种膜均被检测且Cu2S超过总腐蚀成膜的50%时,可进一步确定检测环境中存在活性硫化物。体积分数低至1×10-9数量级的活性硫化物对铜、银、铝和铁合金的腐蚀速度很快。水分和少量无机氯化物的存在可大幅加速活性硫化物的腐蚀作用。值得注意的是,即使在低相对湿度的环境下,仍然会发生腐蚀。

3)氯离子腐蚀成膜(如AgCl)表明一种或多种无机氯化物的存在,例如Cl2,ClO2,HCl。体积分数高的氯(卤素)化腐蚀产物还能有效地掩盖相应铜试片上的硫化腐蚀产物,并导致大块“未知”铜腐蚀成膜的出现。无机氯化物会溶解于湿气产生氯离子,与铜、锡、银和铁合金快速反应。即使体积分数低至1×10-9数量级,腐蚀反应仍然明显。例如,w(Cl2)为1×10-9的大气环境腐蚀性就可被划为“中”等的G2级,1.0×10-8可达到G3或GX级。在干燥大气环境中,这种腐蚀性不明显。当暴露于更高体积分数的氯环境时,许多合成橡胶和一些塑料也会被氧化。所以必须对那些暴露于含无机氯化物环境下的设备给予特别关注。活性硫化物和无机氯化物被列为过程工业大气腐蚀的主要来源。

国内因标准的原因,“反应性检测”起步较晚,国外有长期积累的工厂CCC数据[3]。以造纸厂CCC测试数据为例,各国造纸厂CCC测试数据见表4所列。

表4 不同国家造纸厂CCC测试数据 Å

从表4中可以看出,银的腐蚀速率平均约是铜的10倍;无论是硫的氧化物还是活性硫化物均是目前对电子设备的最大威胁。多项CCC测试数据均指向同一结果。

2009年,国际电子生产商联盟(iNEMI)组织Alcatel-Lucent(阿尔卡特—朗讯)、Cisco(思科)、HP(惠普)、华为(HUAWEI)、联想(Lenovo)等公司进行了一项研究,发现高硫环境会导致印刷电路板、连接器和电子元件产生爬行腐蚀现象,可使电子产品提前失效,从而影响产品的寿命与可靠度。HP的研究报告认为,对于电子产品,环境中H2S的质量浓度最高不能超过4.2 μg/m3,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》中3C1L级环境H2S的质量浓度最大值要求是10 mg/m3[4]。

所以2012年iNEMI发布了声明,对服务器和电信机房的温度、湿度、气态污染物提出了控制建议,以避免印刷电路板的爬行腐蚀[5]。

3 防治对策

如果控制室环境达到了G1级,则认为几乎没有经济上可行的其他方法可用于进一步改善环境。当检测到铜/银试片的腐蚀成膜厚度高于 G1级,设计人员应采取适当措施处理控制室内空气,以尽可能除去气态污染物,防止腐蚀的发生。

除了通风系统,对过程测量和控制设备有害的气态污染物还有多种途径可进入操作环境。例如: 当DCS柜内温度过高时,带PVC绝缘层的电线和电缆可释放出氯。但是进入控制室的室外大气仍然是腐蚀性气体的主要来源。所以设计人员需要重点关注控制室的空调通风措施。

1)房间密闭。如果控制室不能严格密闭,则后面提到的控制措施很难达到预期的效果,或造成非常大的浪费。所以控制室防腐蚀的设计基础就是关键区域必须有合适的密闭保证。为达到密闭要求,可采取的措施包括: 进出时使用气闸;门窗框与门窗之间要求尺寸严丝合缝或使用密封条;密封所有孔洞、裂缝、墙壁和天花板的接缝、电缆和管道进出的空隙。另外,需注意吊顶、活动地板下面的密封。

2)温度控制。温度每升高10 ℃,可能导致腐蚀反应速率成倍以上的增长。温度波动会明显影响相对湿度并导致局部冷凝。

美国采暖,制冷与空调工程师学会(ASHRAE)关键任务设施、技术空间和电子设备技术委员会(ASHRAE Technical Committee of Mission Critical Facilities, Technology Space, and Electronic Equipment)2008年发布了ASHRAE 2008《数据通讯设备环境指南》,建议数据中心温度范围为18～27 ℃。HG/T 20508—2014《控制室设计规定》[6]和SH/T 3006—2012《石油化工控制室设计规范》[7]均要求: 控制室的操作室、机柜室、工程师室等室温为冬季(20±2)℃,夏季(26±2)℃,温度变化率小于5 ℃/h。其他一些规范要求相同。

3)湿度控制。高相对湿度会使气态污染物产生的腐蚀作用以指数级增大。水分加速设备腐蚀主要有三种途径: 直接与金属或塑料发生反应;与其他大气组分相互作用,多数情况下会形成一种更活泼的物质,如SO2与水合成硫酸;电化学作用——许多物质溶于水形成导电溶液,在两种不同金属之间形成电势差时,会产生电解或电池腐蚀作用。ASHRAE 2008建议数据中心的相对湿度小于60%,露点范围为5.5～15.0 ℃;HG/T 20508—2014,SH/T 3006—2012均要求相对湿度范围为40%～60%,湿度变化率小于6%/h。其他一些规范要求也相同。

4)空气循环。如果控制室密闭良好,内源性污染很少,室内空气的再循环可大幅节省空调能源,减少化学过滤处理量。但考虑室内人员的需要,适当的做法是控制室内空气的再循环率。GB/T 50779—2022《石油化工建筑物抗爆设计标准》[8]要求抗爆控制室空调系统的新风量取以下3项中的最大值: 按工作人员计算,每人50 m3/h;总送风量的10%;维持室内正压所需新风量。HG/T 20698—2009《化工采暖通风与空气调节设计规范》[9]要求以下2项中的最大值: 补偿排风并保持正压所需的风量;操作室、工程师室及其他人员经常停留的辅助房间,其新鲜空气供应量不少于每人40 m3/h。

5)正压。为了防止外部污染的空气渗入控制室,控制室宜保持微正压。HG/T 20698—2009要求控制室保持正压值范围一般为10～30 Pa,不大于50 Pa;SH/T 3004—2011《石油化工采暖通风与空气调节设计规范》[10]要求保持正压,不大于50 Pa。

6)化学过滤。为了减少空气中的气态污染物,需要对控制室内的空气进行化学过滤。利用被称为“滤料”的干式气相过滤介质,尽可能增加与空气分子的接触面积,最大程度吸附腐蚀性气体,将气态污染物转化为无害的固体盐留在滤料内部。

化学过滤和灰尘过滤结合的复合式过滤器是一种非常有效的去除控制室大气污染物的手段,可以同时达到对气态污染物和固态污染物的控制目标。GB/T 50779—2022要求控制室新风及回风应过滤,其中供给主要功能性房间的新风应设置化学过滤器。

4 结束语

各项研究表明,即使是“优良”环境下的气态污染物仍然可能腐蚀电子设备,影响电子设备长期稳定工作。国内外标准对控制室的环境条件规定了越来越严格的要求。设计人员需要通过密闭、温湿度控制、正压通风、化学过滤等综合措施防治控制室内的腐蚀性气体。