郭贊洪，唐其環(huán)，劉聰，萬(wàn)軍，田豐源，李旭

（西南技術(shù)工程研究所，重慶 400000）

引言

隨著建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略深入實(shí)施，大批海洋工程和海洋裝備陸續(xù)建設(shè)、投用，大量的工程、裝備長(zhǎng)期暴露于高鹽霧的海洋大氣環(huán)境下，面臨嚴(yán)重的腐蝕威脅，給我國(guó)造成了巨大的經(jīng)濟(jì)和軍事?lián)p失[1]。影響大氣腐蝕的因素復(fù)雜眾多，主要大氣環(huán)境因素包括溫度、濕度、降水、污染介質(zhì)等，其中，大氣中鹽霧（含氯離子）是影響金屬腐蝕的主要介質(zhì)因子，也是評(píng)估大氣腐蝕的一個(gè)重要環(huán)境因子[2,3]。特別是沿海地區(qū)大氣、海面大氣和島礁大氣中，鹽霧含量較內(nèi)陸多得多?？諝庵宣}霧要對(duì)金屬材料造成腐蝕，需要在一定溫度和濕度的條件下，當(dāng)溫度和濕度滿足金屬腐蝕條件前提下，溫度越高、濕度越高、鹽霧越高，均會(huì)加快金屬材料腐蝕，造成材料性能下降，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品造成影響。在一定的相對(duì)濕度下，如果金屬表面不均勻或沉積有可溶性鹽粒，則水蒸氣優(yōu)先在表面上的這些活性部位發(fā)生凝聚或吸附，進(jìn)而形成電解液膜或液滴，這種液膜或液滴的存在加速了金屬的大氣腐蝕過(guò)程金屬的腐蝕愈加嚴(yán)重[4-9]。

因此，針對(duì)金屬腐蝕而言，溫度、濕度和鹽霧是影響金屬腐蝕其中最重要的環(huán)境因素。本文通過(guò)分析當(dāng)前的氣候環(huán)境分類(lèi)，引出濕熱海洋大氣環(huán)境，而濕熱海洋大氣環(huán)境的特點(diǎn)主要是以“濕熱”和“鹽霧”特征為主，通過(guò)選取濕熱海洋性氣候的典型環(huán)境觀測(cè)站觀測(cè)溫度、濕度、鹽霧等數(shù)據(jù)，分析濕熱海洋性氣候環(huán)境的“濕熱”特征和“鹽霧”特征；再根據(jù)碳鋼的腐蝕速率數(shù)據(jù)，分析濕熱海洋大氣環(huán)境的大氣嚴(yán)酷度。

1 氣候環(huán)境分類(lèi)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)和方法

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17297-1998《中國(guó)氣候區(qū)劃名稱(chēng)與代碼 氣候帶和氣候大區(qū)》[10]根據(jù)中國(guó)各地區(qū)的氣溫指標(biāo)和年干燥度指標(biāo)，采用線分類(lèi)法對(duì)全國(guó)氣候區(qū)域進(jìn)行劃分，該標(biāo)準(zhǔn)氣候帶是指將多年5天滑動(dòng)平均氣溫穩(wěn)定通過(guò)（≥）10 ℃的天數(shù)作為劃分氣候帶的主要指標(biāo)，在邊緣熱帶、中熱帶和赤道熱帶用≥10 ℃積溫作進(jìn)一步劃分指標(biāo)。主要分為寒溫帶、中溫帶、暖溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶、南亞熱帶、邊緣熱帶、中熱帶、赤道熱帶、高原寒帶、高原亞寒帶、高原亞溫帶、高原溫帶等13個(gè)氣候帶。

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4797.1-2018《電工電子產(chǎn)品自然環(huán)境條件 溫度和濕度》根據(jù)197個(gè)臺(tái)站1961～1980年的氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，以溫度和濕度日平均值的年極值的平均值、年極值、絕對(duì)年極值為依據(jù)，將我國(guó)氣候劃分為寒冷、寒溫Ⅰ、寒溫Ⅱ、暖溫、干熱、亞濕熱、濕熱七種氣候類(lèi)型。

GJB 8893.1-2017《軍用裝備自然環(huán)境試驗(yàn)方法 第1部分：通用要求》中，給出了濕熱海洋大氣環(huán)境各類(lèi)環(huán)境因素的數(shù)值范圍。

此外，還有按照地理特征分類(lèi)，將我國(guó)內(nèi)陸大氣環(huán)境分為高原大氣環(huán)境、沙漠大氣環(huán)境、丘陵大氣環(huán)境、平原大氣環(huán)境、雨林大氣環(huán)境。

2 鹽霧濕熱大氣環(huán)境典型環(huán)境特征分析

2.1 濕熱特征

2.1.1 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中濕熱特征

根據(jù)GB/T 4797.1-2018標(biāo)準(zhǔn)中濕熱氣候的劃分原則，濕熱氣候溫度和濕度日平均值的年極值的平均值、年極值、絕對(duì)年極值見(jiàn)表1所示。

表1 濕熱氣候的溫濕度特征

根據(jù)GB/T 4797.1-2018標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)海南省整個(gè)島嶼全部屬于濕熱氣候環(huán)境地區(qū)。

2.1.2 觀測(cè)站濕熱特征分析

根據(jù)GB/T 4797.1-2018中提供的濕熱氣候區(qū)域范圍，選取了海南島東線、西線、中線等7個(gè)氣象觀測(cè)站，具體包括?？凇⑷f(wàn)寧、三亞、東方、白沙、瓊中、屯昌等七個(gè)氣象站。收集這7個(gè)氣象站1個(gè)自然年的整點(diǎn)溫度、相對(duì)濕度數(shù)據(jù)。

根據(jù)收集的溫度和相對(duì)濕度整點(diǎn)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)分析各個(gè)氣象站的年度濕熱時(shí)間和季度濕熱時(shí)間，具體包20℃& 70 %、20 ℃& 80 %、20 ℃& 90 %、25 ℃& 70 %、25 ℃& 80 %和25 ℃& 90 %條件下的濕熱時(shí)間，“20 ℃& 70 %”是指溫度高于20 ℃且相對(duì)濕度不低于70 %的時(shí)間，其他條件也是類(lèi)似條件。

1）年度濕熱時(shí)間

統(tǒng)計(jì)海南省?？?、萬(wàn)寧、三亞、東方、白沙、瓊中、屯昌等七個(gè)氣象站20 ℃& 70 %、20 ℃& 80 %、20 ℃& 90 %、25 ℃& 70 %、25 ℃& 80 %和25 ℃& 90 %條件下的年濕熱時(shí)間，見(jiàn)表2所示，根據(jù)表2繪制的年濕熱時(shí)間柱狀圖見(jiàn)圖1所示。

根據(jù)表2和圖1中給出的?？凇⑷f(wàn)寧、三亞、東方、白沙、瓊中、屯昌等七個(gè)氣象站的年濕熱時(shí)間，20 ℃& 70 %的年濕熱時(shí)間在[4 873，7 246]范圍內(nèi)，20 ℃& 80 %的年濕熱時(shí)間在[3 168，6 156]范圍內(nèi)，20 ℃& 90 %的年濕熱時(shí)間在[810，4 217]范圍內(nèi)，25 ℃& 70 %的年濕熱時(shí)間在[1 925，4 356]范圍內(nèi)，25 ℃& 80 %的年濕熱時(shí)間在[1 149，2 868]范圍內(nèi)，25 ℃& 90 %的年濕熱時(shí)間在[330，1 497]范圍內(nèi)。

圖1 海南省東、中、西線7個(gè)氣象站年濕熱時(shí)間數(shù)據(jù)柱狀圖

表2 海南省東、中、西線7個(gè)氣象站年濕熱時(shí)間 單位：h

在20 ℃條件下，不同相對(duì)濕度的年濕熱時(shí)間最多前兩位為三亞和萬(wàn)寧，其他站點(diǎn)交替排序，且東方站20 ℃& 90 %的年濕熱時(shí)間下降迅速，為其他試驗(yàn)站的50 %，甚至20 %。在25 ℃條件下，25 ℃& 70 %條件下東方站的年濕熱時(shí)間比萬(wàn)寧站略多，其他小件下萬(wàn)寧站最多，其他站點(diǎn)交替排序。相同濕度條件下，25 ℃的年濕熱時(shí)間比20 ℃的年濕熱時(shí)間少一半以上。

根據(jù)?？凇⑷f(wàn)寧、三亞、東方、白沙、瓊中、屯昌等七個(gè)氣象站的年均濕熱時(shí)間統(tǒng)計(jì)分析，20 ℃& 70 %的年均濕熱時(shí)間全年占比為約為69 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差10 %；20 ℃& 80 %的年均濕熱時(shí)間全年占比為約為51 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差12 %；20 ℃& 90 %的年均濕熱時(shí)間全年占比為約為28 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差12 %；25 ℃& 70 %的年均濕熱時(shí)間全年占比為約為35 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差11 %；25 ℃& 80 %的年均濕熱時(shí)間全年占比為約為21 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差7 %；25 ℃& 90 %的年均濕熱時(shí)間全年占比為約為9 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差5 %。

2）季度濕熱時(shí)間

統(tǒng)計(jì)海南省?？?、萬(wàn)寧、三亞、東方、白沙、瓊中、屯昌等七個(gè)氣象站20 ℃& 80 %和25 ℃& 80 %條件下的春季（3月～5月）、夏季（6月～8月）、秋季（9月～11月）和冬季（1月、2月和12月）的季度濕熱時(shí)間，見(jiàn)表3所示，根據(jù)表3繪制的20 ℃& 80 %和25 ℃& 80 %季度濕熱時(shí)間柱狀圖見(jiàn)圖2和圖3所示。

根據(jù)表3和圖2中給出的?？?、萬(wàn)寧、三亞、東方、白沙、瓊中、屯昌等七個(gè)氣象站20 ℃& 80 %的季度濕熱時(shí)間，春季濕熱時(shí)間在[842，1 831]范圍內(nèi)，夏季濕熱時(shí)間在[629，1 907]范圍內(nèi)，秋季濕熱時(shí)間在[605，1 128]范圍內(nèi)，冬季濕熱時(shí)間在[416，1 076]范圍內(nèi)。其中，萬(wàn)寧站和三亞站的春季和夏季的濕熱時(shí)間明顯高于秋季和冬季的，東方站四季的濕熱時(shí)間變化波動(dòng)小，較為平穩(wěn)；其他四個(gè)站點(diǎn)春季和夏季的濕熱時(shí)間略高于秋季和冬季的。

圖2 海南省東、中、西線7個(gè)氣象站20 ℃& 80 %季度濕熱時(shí)間數(shù)據(jù)柱狀圖

表3 海南省東、中、西線7個(gè)氣象站季度濕熱時(shí)間 單位：h

七個(gè)氣象站20 ℃& 80 %的季度濕熱時(shí)間春季占全年31 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差1 %；夏季占29 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差4 %；秋季占21 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差3 %；冬季占19 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差6 %。

根據(jù)表3和圖3中給出的?？?、萬(wàn)寧、三亞、東方、白沙、瓊中、屯昌等七個(gè)氣象站25 ℃& 80 %的季度濕熱時(shí)間，春季濕熱時(shí)間在[262，941]范圍內(nèi)，夏季濕熱時(shí)間在[627，1 417]范圍內(nèi)，秋季濕熱時(shí)間在[148，486]范圍內(nèi)，冬季濕熱時(shí)間在[0，45]范圍內(nèi)。相較于20 ℃ & 80 %的季度濕熱時(shí)間，25 ℃& 80 %的季度濕熱時(shí)間的季節(jié)性非常明顯，夏季高溫使得25 ℃& 80 %的季度濕熱時(shí)間占比最多，其次是春季、秋季，冬季最少，大部分站點(diǎn)均沒(méi)有濕熱時(shí)間。七個(gè)氣象站25 ℃& 80 %的季度濕熱時(shí)間夏季占全年55 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差10 %；春季占27 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差4 %；秋季占18 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差6 %；冬季占1 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差1 %。

圖3 海南省東、中、西線7個(gè)氣象站25 ℃& 80 %季度濕熱時(shí)間數(shù)據(jù)柱狀圖

2.2 鹽霧特征

鹽霧主要源于海洋，是通過(guò)激浪和碎浪霧化產(chǎn)生的海鹽粒子隨氣流上升至數(shù)千米的高空，在氣流的作用下使得海鹽粒子飄向內(nèi)陸地。到目前為止，有眾多學(xué)者研究了鹽霧沉積率采集方法和分布特征等研究[11-15]。

1）鹽霧的季節(jié)分布特征

收集了海南地區(qū)某地春季、夏季、秋季、冬季的鹽霧沉積率數(shù)據(jù)，繪制了鹽霧沉積率季節(jié)分布柱狀圖，見(jiàn)圖4所示。

根據(jù)圖4分析，冬季的鹽霧沉積率最高，夏季的最低，冬季是夏季的約3倍，秋季的鹽霧沉積率略高于春季的。從全年鹽霧沉積量分析，秋冬季鹽霧沉積量占全年近70 %。

圖4 鹽霧沉積率季節(jié)分布規(guī)律的擬合曲線

2）隨距海距離的鹽霧分布特征

收集了海南地區(qū)不同距海距離的鹽霧沉積率數(shù)據(jù)，繪制了鹽霧沉積率隨距海距離的分布規(guī)律的擬合曲線圖，見(jiàn)圖5所示。

圖5 鹽霧沉積率隨距海距離分布規(guī)律的擬合曲線

鹽霧沉積率隨距海距離總體呈“L”形變化規(guī)律。鹽霧沉積率在一定距海距離范圍內(nèi)會(huì)快速下降，隨著距海距離的增加，鹽霧沉積率下降緩慢。不同地區(qū)，鹽霧沉積率快速下降的距海距離會(huì)有所不同。

3）距地面高度的鹽霧分布特征

收集了海南地區(qū)不同高度陽(yáng)臺(tái)的鹽霧沉積率數(shù)據(jù)，繪制隨著不同高度的變化規(guī)律圖，見(jiàn)圖6所示。根據(jù)圖6分析可知，鹽霧沉積率隨高度的增加總體呈現(xiàn)“W”的變化規(guī)律。具體為：鹽霧沉積率隨著距離地面高度的增加先呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，在距離地面15 m處達(dá)到最小，再在距離地面高度為42 m處達(dá)到階段極值，在隨著距地面高度的增加鹽霧沉積率下降，再在距離地面73～95 m開(kāi)始上升。

圖6 不同塔架高度陽(yáng)臺(tái)氯離子沉積速率

3 大氣嚴(yán)酷度特征分析

收集了海南地區(qū)不同距離海岸線Q235鋼、鋁、鋅、銅4種標(biāo)準(zhǔn)金屬第1年的腐蝕速率數(shù)據(jù)，根據(jù)GB/T 19292.1-2018《金屬和合金的腐蝕大氣腐蝕性 第1部分分類(lèi)、測(cè)定和評(píng)估》中對(duì)Q235鋼、純鋅、純鋁、純銅等4種標(biāo)準(zhǔn)金屬材料腐蝕等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)對(duì)Q235鋼、鋁、鋅、銅4種標(biāo)準(zhǔn)金屬進(jìn)行評(píng)級(jí)，見(jiàn)表4所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)金屬的腐蝕等級(jí)評(píng)估所處地區(qū)的大氣腐蝕嚴(yán)酷度等級(jí)。

根據(jù)表4數(shù)據(jù)分析可知，從距海距離170～350 m，Q235鋼的腐蝕評(píng)估等級(jí)從c6降低至c3，下降了3個(gè)等級(jí)；銅的腐蝕評(píng)估等級(jí)從c6降低至c4，下降了2個(gè)等級(jí)；鋅和鋁的腐蝕評(píng)估等級(jí)從c5降低至c4，下降了1個(gè)等級(jí)；從環(huán)境特征分析，距海距離170和350 m的監(jiān)測(cè)點(diǎn)的濕熱時(shí)間、輻射量、降水均不會(huì)有明顯變化，而鹽霧沉積率卻存在數(shù)量級(jí)的差距，反映了當(dāng)鹽霧沉積率達(dá)到一定量值后會(huì)加快金屬腐蝕，會(huì)加重金屬腐蝕程度。根據(jù)王振堯發(fā)表的“海南省的大氣腐蝕性調(diào)查”一文中指出[16]，采用標(biāo)準(zhǔn)金屬法評(píng)估海南多個(gè)監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的大氣腐蝕性，評(píng)估結(jié)標(biāo)表明大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的大氣腐蝕性為c3級(jí)，部分為c4級(jí)。表明在濕熱海洋大氣環(huán)境下，采用標(biāo)準(zhǔn)金屬評(píng)估大氣腐蝕嚴(yán)酷度基本從c3級(jí)開(kāi)始，且隨著距離海岸線很近的地方，大氣腐蝕嚴(yán)酷度嚴(yán)重顯著。

表4 不同距海距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)的4種標(biāo)準(zhǔn)金屬腐蝕評(píng)估等級(jí)

4 結(jié)論

根據(jù)前述分析，濕熱海洋大氣環(huán)境的特征為：

1）濕熱特征

根據(jù)?？?、萬(wàn)寧、三亞、東方、白沙、瓊中、屯昌等七個(gè)氣象站的濕熱特征為：

①20 ℃& 70 %的年濕熱時(shí)間在[4 873，7 246]范圍內(nèi)，年均濕熱時(shí)間全年占比為約為69 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差10 %。

②20 ℃& 80 %的年濕熱時(shí)間在[3 168，6 156]范圍內(nèi)，年均濕熱時(shí)間全年占比為約為51 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差12 %；其中，春季占全年31 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差1 %；夏季占29 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差4 %；秋季占21 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差3 %；冬季占19 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差6 %。

③20 ℃& 90 %的年濕熱時(shí)間在[810，4 217]范圍內(nèi)，年均濕熱時(shí)間全年占比為約為28 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差12 %。

④2 5℃& 70 %的年濕熱時(shí)間在[1 925，4 356]范圍內(nèi)，年均濕熱時(shí)間全年占比為約為35 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差11 %。

⑤25 ℃& 80 %的年濕熱時(shí)間在[1 149，2 868]范圍內(nèi)，年均濕熱時(shí)間全年占比為約為21 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差7 %；其中，夏季占全年55 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差10 %；春季占27 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差4 %；秋季占18 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差6 %；冬季占1 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差1 %。

⑥25 ℃& 90 %的年濕熱時(shí)間在[330，1 497]范圍內(nèi)，年均濕熱時(shí)間全年占比為約為9 %，標(biāo)準(zhǔn)偏差5 %。

2）鹽霧特征

①季節(jié)性特征為：冬季的鹽霧沉積率最高，夏季的最低；秋冬季鹽霧沉積量占全年近70 %。

②距海岸線分布特征為：鹽霧沉積率隨距海距離總體呈“L”形變化規(guī)律。鹽霧沉積率在一定距海距離范圍內(nèi)會(huì)快速下降，隨著距海距離的增加，鹽霧沉積率下降緩慢。不同地區(qū)，鹽霧沉積率快速下降的距海距離會(huì)有所不同。

③距離地面高度分布特征：鹽霧沉積率隨高度的增加總體呈現(xiàn)“W”的變化規(guī)律。不同地區(qū)呈現(xiàn)“W”變化中“拐點(diǎn)”的距地面高度不同。

3）大氣嚴(yán)酷度

基于標(biāo)準(zhǔn)金屬腐蝕第1年腐蝕率評(píng)估大氣腐蝕等級(jí)，海南大部分地區(qū)的大氣腐蝕嚴(yán)酷度均從c3開(kāi)始，臨近海岸線很近的地方，大氣腐蝕嚴(yán)酷度增加明顯。