馬長李,劉聰,馬瑞萍
某系統(tǒng)貯存環(huán)境中微量鹽霧監(jiān)測
馬長李1,劉聰2,馬瑞萍1
(1.海軍研究院,北京 100161;2.西南技術(shù)工程研究所,重慶 400039)
對某系統(tǒng)貯存環(huán)境中微量鹽霧進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測,掌握其鹽霧污染水平。針對鹽霧濃度和鹽霧沉積速率兩項(xiàng)指標(biāo),對目前的各種監(jiān)測與分析方法進(jìn)行總結(jié)和比較,根據(jù)某系統(tǒng)貯存環(huán)境特點(diǎn)制定監(jiān)測方案并進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測。某系統(tǒng)貯存環(huán)境C區(qū)域鹽霧量值高于A區(qū)域和B區(qū)域。某系統(tǒng)貯存環(huán)境實(shí)測鹽霧濃度較要求低1~2個數(shù)量級,鹽霧污染屬于最低的S0級。
鹽霧濃度;沉積速率;監(jiān)測方法
鹽霧是一種重要的腐蝕介質(zhì),在潮濕環(huán)境下,表面沉積少量鹽分即可使碳鋼大氣腐蝕速率提高一到兩個數(shù)量級[1-2]。除了加速金屬腐蝕,鹽霧還會造成產(chǎn)品表面保護(hù)膜破壞、電子設(shè)備損壞、絕緣表面導(dǎo)電性增加等危害[3]。在近海地區(qū),較高的鹽霧嚴(yán)重影響了各類產(chǎn)品的貯存和使用性能。如某型產(chǎn)品在東南沿海長期貯存過程中,在鹽霧較高的環(huán)境下發(fā)生了銹蝕、電解等破壞,造成機(jī)械強(qiáng)度下降、電氣性能劣化。因此,對于重要產(chǎn)品,有必要監(jiān)測掌握其貯存環(huán)境中的鹽霧水平,為腐蝕預(yù)測和防護(hù)提供參考。如美軍早在20世紀(jì)50—60年代就對巴拿馬謝爾曼堡、尼日尼亞拉各斯等全球沿海美軍基地戶外以及棚庫環(huán)境下的鹽霧進(jìn)行了監(jiān)測普查[4],為其裝備研制與全球部署提供了數(shù)據(jù)支撐。
某系統(tǒng)長期貯存于我國南方沿海庫房內(nèi),可能經(jīng)受鹽霧和濕熱的綜合作用。因該系統(tǒng)價值昂貴、可靠性要求高,研制單位及使用部門對其服役環(huán)境條件特別是鹽霧水平及危害程度極為關(guān)注。文中以某系統(tǒng)貯存環(huán)境為對象,根據(jù)鹽霧監(jiān)測技術(shù)現(xiàn)狀及產(chǎn)品環(huán)境特點(diǎn),結(jié)合環(huán)保領(lǐng)域先進(jìn)分析技術(shù),制定鹽霧監(jiān)測方法和方案,對其重點(diǎn)區(qū)域的鹽霧進(jìn)行了為期2年的系統(tǒng)監(jiān)測。
在環(huán)境工程領(lǐng)域,用來表征鹽霧的指標(biāo)主要有“鹽霧濃度”和“鹽霧沉積速率”。鹽霧濃度又稱鹽霧含量或大氣含鹽量,是指單位體積空氣中所含的海鹽質(zhì)量,單位為mg/m3。該指標(biāo)常用于環(huán)境要求與環(huán)境條件控制。如GJB 1060.2規(guī)定“艦船艙室設(shè)備在2 mg/m3含鹽大氣下可正常工作。外部設(shè)備在5 mg/m3含鹽大氣下可正常工作”。鹽霧沉積速率是指單位時間內(nèi)單位面積上沉積的海鹽質(zhì)量,單位為mg/(100 cm2·d)或mg/(m2·d)。因?yàn)辂}霧是沉積于產(chǎn)品表面后發(fā)生破壞作用,表面沉積量是其對材料或產(chǎn)品危害大小的控制性條件之一,環(huán)境工程上更多地使用沉積速率來評價其污染程度,ISO 9223采用環(huán)境因素法評估大氣腐蝕性時以氯離子沉積速率為評價指標(biāo)之一[5]。GJB 150實(shí)驗(yàn)室鹽霧試驗(yàn)以鹽霧沉降率作為重要控制參數(shù)。
1.2.1 鹽霧濃度
針對鹽霧濃度,目前普遍采用溶液富集法采樣,用注射器或大氣采樣器采集一定體積空氣,用純水作吸收液,充分吸收這部分空氣中的鹽分,然后測定吸收液中氯離子濃度,并根據(jù)氯離子濃度計(jì)算鹽霧濃度(以海鹽或氯化鈉中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)換算)。如GB/T 10593.2—2012根據(jù)下列公式計(jì)算鹽霧濃度。
=1.8065=1.8065[Cl-]·/() (1)
式中:為鹽霧質(zhì)量濃度,mg/m3;為氯離子質(zhì)量濃度,mg/m3;[Cl-]為樣品溶液中氯離子質(zhì)量濃度,mg/L;為樣品溶液總體積,mL;為大氣采樣氣體流速,L/min;為大氣采樣時間,min。
1.2.2 鹽霧沉積速率
針對鹽霧沉積速率,目前主要存在紗布掛片法和濕燭法兩種采樣方式。我國國防科技工業(yè)自然環(huán)境試驗(yàn)站網(wǎng)普遍采用WJ 2360—1995規(guī)定的紗布掛片法(又稱干片法),該方法也為《全國大氣腐蝕網(wǎng)站操作規(guī)程》推薦使用。紗布掛片采樣裝置如圖1所示,是利用固定在方框內(nèi)的雙層紗布暴露于遮雨條件下采集空氣中的鹽霧,對紗布進(jìn)行浸泡、清洗,對洗出溶液中氯離子進(jìn)行測定分析,計(jì)算鹽含量,最后根據(jù)采樣時間計(jì)算鹽霧沉積速率。國外也有部分標(biāo)準(zhǔn)方法利用干片法采集鹽霧,如日本JIS Z 2382標(biāo)準(zhǔn)[6]所制訂的“紗布法”就與我國的干片法大體一致。
ISO 9225標(biāo)準(zhǔn)推薦的濕燭法采樣裝置如圖2所示。將一根直徑為25 mm左右的燭芯插入瓶內(nèi),芯上緊緊纏有兩層紗布,紗布的自由端接觸至瓶底,瓶內(nèi)裝有甘油水溶液。燭芯長期暴露于空氣中,利用纏繞其上的紗布采集鹽霧。
圖1 紗布干片法采樣裝置
圖2 濕燭法裝置
兩種采樣方法存在以下幾點(diǎn)區(qū)別:濕燭法采樣沒有方向性,干片法方向性明顯;濕燭法紗布長期保持濕潤,干片法紗布濕潤程度取決于空氣濕度;濕燭法紗布不具備透風(fēng)性,而干片法紗布具有透風(fēng)性;相比濕燭法,干片法更易飽和[7]。在采樣效果上,ISO 9223標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)多個地區(qū)的戶外實(shí)測數(shù)據(jù),給出了與兩種方法測量結(jié)果的換算關(guān)系,濕燭法測量結(jié)果為干片法2.4倍。這一數(shù)學(xué)關(guān)系并不適用于所有地區(qū),如海南萬寧地區(qū)離海距離達(dá)到8 km時,濕燭法的測試結(jié)果與掛片法的測試結(jié)果非常接近[8]。
1.2.3 鹽霧樣品溶液中氯離子分析技術(shù)
現(xiàn)行鹽霧測量標(biāo)準(zhǔn)采用汞液滴定法和硫氰酸汞分光光度法測定樣品溶液中的氯離子。這兩種方法均基于鹵族元素的特征化學(xué)反應(yīng),對同一樣品的測試結(jié)果無明顯差異,檢出效果相當(dāng)。離子色譜法則是根據(jù)氯離子的電導(dǎo)特征峰對其濃度進(jìn)行精確測定,主要有兩點(diǎn)優(yōu)勢。
1)檢出限低,HJ 549規(guī)定離子色譜法對氯離子檢出限為0.2 μg/10 mL,比分光光度法的1.8 μg/10mL低一個數(shù)量級。室內(nèi)及內(nèi)陸空氣鹽霧含量一般不超過0.1 mg/m3,經(jīng)推算,以20 mL吸收液按0.5 L/min流量采集60 min,樣品溶液中氯離子的質(zhì)量濃度不超過1.5 μg/10 mL。對這一濃度水平的樣品,分光光度法難以滿足準(zhǔn)確檢測的要求,須延長采樣時間或換用離子色譜法分析。
2)抗干擾強(qiáng),相比分光光度法等,離子色譜法可以排除F-,Br-,I-等其他鹵素離子對測試結(jié)果的干擾。
某系統(tǒng)貯存于近海庫房,主要分為A,B,C三個互相隔離的區(qū)域。各區(qū)域大小相近,通風(fēng)口離海距離在均300~500 m之間。其中A,B兩個區(qū)域長期封閉,由通風(fēng)系統(tǒng)換氣,C區(qū)域庫房大門不定期開閉。三個區(qū)域監(jiān)測位置位于中部空氣流通處,實(shí)際測量時各區(qū)域庫房門均保持關(guān)閉。
考慮季節(jié)性差異,在2年8個季度每季度測量一個周期。實(shí)際測量時間分別為:2014年8月、2014年11月、2015年3月、2015年5月、2015年8月、2015年11月、2016年4月、2016年7月。
2.3.1 鹽霧濃度
某系統(tǒng)貯存環(huán)境為鹽霧含量較低的室內(nèi)環(huán)境。樣本采集參照GB/T 10593.2溶液富集法,以0.5 L/min流量采樣60 min,獲鹽霧濃度樣本。樣本分析采用檢出限較低的離子色譜法(參照HJ 549),按式(1)計(jì)算鹽霧濃度。采樣為雙通道平行采樣,以兩組數(shù)據(jù)均值作為測試結(jié)果。鹽霧濃度每個周期連續(xù)測量3天,每天9:00—10:00,16:00—17:00各采樣一次。
2.3.2 鹽霧沉積速率
采樣方法參照WJ 2360標(biāo)準(zhǔn)掛片法,平行掛樣3片,每個周期采樣一次,每次連續(xù)采集30天。樣品同樣采用離子色譜法分析。參考式(1)中海鹽和氯離子的換算系數(shù)計(jì)算鹽霧沉積速率。
在第7、第8個周期設(shè)置濕燭法采樣,研究兩種采樣方式的測量結(jié)果差異。
1)TH-110大氣采樣器,流量不確定度2.0%;
2)戴安ICS-900離子色譜儀;
3)紗布掛片裝置,紗布每10 cm經(jīng)紗110根±6,緯紗100根±5。
按JJF 1059.1對測量方法的不確定度進(jìn)行評估,對采樣、分析、量具、標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)等各環(huán)節(jié)的不確定度進(jìn)行合成計(jì)算。鹽霧濃度測量結(jié)果的相對擴(kuò)展不確定度=33.8%(=2),鹽霧沉積速率測量結(jié)果的相對擴(kuò)展不確定度=7.0%(=2)。
某系統(tǒng)貯存庫房三個區(qū)域各周期鹽霧濃度測量均值如圖3所示。A區(qū)域和B區(qū)域測量結(jié)果非常接近,總體均值分別為0.0676,0.0648 mg/m3。對A,B兩個區(qū)域各周期測量均值采用配對比較符號秩和檢驗(yàn),=8,=12,查配對比較符號秩和檢驗(yàn)概率表,得=0.4609,兩個區(qū)域測量值沒有顯著差異。C區(qū)域測量結(jié)果波動較大,總體均值為0.0977 mg/m3,約為其他兩個區(qū)域1.5倍,部分周期量結(jié)果達(dá)到其他兩個區(qū)域2倍,這與C區(qū)域庫房門不定期開閉有關(guān)。
圖3 各周期鹽霧濃度測量均值
對測量值的周期變化進(jìn)行分析,在A,B兩個區(qū)域,均表現(xiàn)為每年8月份測量值最高,11月份次之,3月份、4月份測量值較低。C區(qū)域測量值的季節(jié)性變化并不規(guī)律,與其庫房門的不定期開閉有關(guān),季節(jié)性差異被庫房通風(fēng)狀態(tài)差異所掩蓋。實(shí)際測量過程中,2015年3月、5月、8月,在測量前2天內(nèi),C區(qū)域庫房門均有開啟記錄,測量結(jié)果也顯示,這三個周期該區(qū)域的鹽霧濃度明顯偏高。
某系統(tǒng)貯存環(huán)境要求與艦船戶外設(shè)備相同,即“在5 mg/m3含鹽大氣下可正常工作”。實(shí)測鹽霧濃度較5 mg/m3低1~2個數(shù)量級,考慮測量方法的不確定度后依然滿足要求。
三個區(qū)域各周期鹽霧沉積速率測量均值如圖4所示。A區(qū)域和B區(qū)域測量結(jié)果接近,總體均值分別為0.1078,0.0986 mg/(m2?d)。C區(qū)域測量結(jié)果波動較大,總體均值為0.1682 mg/m3,約為其他兩個區(qū)域1.6~1.7倍。
鹽霧沉積速率與鹽霧濃度的周期性變化并不一致,規(guī)律性不明顯。如A,B兩個區(qū)域2015年各周期測量值均處于較高水平,其中2015年8月、11月鹽霧沉積速率較2014年同期高3~5倍,但鹽霧濃度相近。這說明,除了鹽霧濃度,濕度、通風(fēng)等其他因素對鹽霧沉積速率影響較大。
圖4 各周期鹽霧沉積速率測量均值
2016年4月、2016年7月,在三個區(qū)域均設(shè)置了濕燭法與干片法的對比采樣,結(jié)果顯示,濕燭法測量值略高于干片法,前者約為后者的1.2~1.5倍。根據(jù)干片法和濕燭法實(shí)測的鹽霧沉積速率,按GB/T 19292.1,某系統(tǒng)貯存環(huán)境均屬于鹽霧污染最低的S0級,鹽霧沉積速率采樣方法對評價結(jié)論無影響。
由于條件限制,某系統(tǒng)在每個季度選取一個月進(jìn)行監(jiān)測。為了解測量結(jié)果的代表性,可參考萬寧、廣州和青島等典型沿海地區(qū)大氣氯離子觀測站點(diǎn)全年變化規(guī)律[9]。萬寧戶外大氣氯離子濃度在10月、11月最高,監(jiān)測值約為較低月份的2~3倍;氯離子沉積速率在11月、12月最高,監(jiān)測值比較低月份高1個數(shù)量級。廣州、青島的氯離子沉積速率月際波動均較海南萬寧小,較高月份監(jiān)測值約為較低月份監(jiān)測值的2~3倍(廣州冬季較高,青島秋季較高)。某系統(tǒng)貯存環(huán)境監(jiān)測時機(jī)覆蓋了典型沿海地區(qū)的鹽霧較高月份或季節(jié),同一區(qū)域不同周期監(jiān)測高值達(dá)低值的3~5倍,監(jiān)測時機(jī)及測量結(jié)果具有一定的代表性。
1)某系統(tǒng)貯存庫房屬于鹽霧含量較低的室內(nèi)環(huán)境,利用溶液富集法采集鹽霧濃度樣本時,在采樣時間受限的情況下,宜采用離子色譜法對低濃度的鹽霧樣本進(jìn)行分析。
2)某系統(tǒng)貯存庫房A,B,C三個區(qū)域鹽霧濃度測量均值分別為0.0676,0.0648,0.0977 mg/m3;鹽霧沉積速率測量均值(干片法)分別為0.1078,0.0986,0.1682 mg/(m2?d),濕燭法測量值約為干片法測量值的1.2~1.5倍。
3)某系統(tǒng)貯存環(huán)境實(shí)測鹽霧濃度較要求低1~2個數(shù)量級,鹽霧污染屬于最低的S0級。
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Monitoring of Micro Salt Fog in Storage Environment of a System
MA Chang-li1, LIU Cong2, MA Rui-ping1
(1.Naval Academy, Beijing 100161, China; 2.Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China)
To monitor the micro salt fog in a system's storage environment and determine its salt fog pollution level.According to the two indexes of salt fog concentration and salt fog deposition rate, the current monitoring and analysis methods were summarized and compared. According to the characteristics of a system's storage environment, monitoring plans were formulated and field monitoring was carried out.The salt fog value of area C in a system was higher than that in areas A and B.The measured salt fog concentration in the storage environment of the system is 1-2 orders of magnitude lower than that required. The salt fog pollution is the lowest S0 level.
salt fog concentration; deposition rate; monitoring method
10.7643/ issn.1672-9242.2017.10.0015
TJ07;TG174
A
1672-9242(2017)10-0078-04
2017-08-30;
2017-09-10
馬長李(1982—),男,吉林長春人,工程師,主要研究方向?yàn)楹\娧b備試驗(yàn)研究。