張騰，張勝，何宇廷，馬斌麟，張?zhí)煊?/p>

專題——裝備服役腐蝕性大氣環(huán)境模擬與應(yīng)用

基于航空金屬材料腐蝕的我國大氣環(huán)境分區(qū)

張騰，張勝，何宇廷，馬斌麟，張?zhí)煊?/p>

（空軍工程大學(xué)，西安 710038）

針對(duì)我國服役飛機(jī)的腐蝕問題，實(shí)現(xiàn)飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命的分區(qū)預(yù)測(cè)與精細(xì)化管理。收集我國大氣環(huán)境17個(gè)典型地區(qū)的氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，編制各地區(qū)的氣候、化學(xué)環(huán)境總譜，并根據(jù)腐蝕電荷當(dāng)量原理，使用鋁合金、合金鋼兩種材料的折算系數(shù)，將各地區(qū)的大氣環(huán)境向標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間進(jìn)行折算。基于系統(tǒng)聚類的方法，根據(jù)大氣腐蝕的差異性，將17個(gè)典型地區(qū)進(jìn)行分類，確定各分區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)和我國大氣腐蝕分區(qū)個(gè)數(shù)，并綜合考慮當(dāng)前文獻(xiàn)中可查的其他地區(qū)數(shù)據(jù)資料與我國氣候、降水、大氣污染的分布情況，對(duì)我國大氣環(huán)境進(jìn)行腐蝕分區(qū)。根據(jù)鋁合金、合金鋼的腐蝕特征量，可將我國大氣環(huán)境劃為5個(gè)分區(qū)。繪制了我國大氣環(huán)境腐蝕分區(qū)圖，給出了各分區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)、地理位置分布和代表城市。應(yīng)用我國大氣環(huán)境分區(qū)結(jié)果，可以直觀掌握我國飛機(jī)不同服役環(huán)境的腐蝕嚴(yán)酷程度，為編制加速腐蝕環(huán)境譜、評(píng)定飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命、制定針對(duì)性的維護(hù)計(jì)劃和飛行計(jì)劃奠定基礎(chǔ)。

鋁合金；合金鋼；腐蝕；大氣環(huán)境分區(qū)；標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣；系統(tǒng)聚類

飛機(jī)結(jié)構(gòu)的使用壽命與其服役地區(qū)的環(huán)境腐蝕性密切相關(guān)。確定飛機(jī)各服役地區(qū)的環(huán)境腐蝕表征量，是編制飛機(jī)結(jié)構(gòu)加速環(huán)境譜，繼而進(jìn)行結(jié)構(gòu)日歷壽命評(píng)定的基礎(chǔ)[1]；也是在實(shí)際服役過程中對(duì)飛機(jī)進(jìn)行針對(duì)性維護(hù)和對(duì)機(jī)群開展使用計(jì)劃調(diào)整的重要依據(jù)[2]。

我國機(jī)場(chǎng)數(shù)量多，不同地區(qū)的機(jī)場(chǎng)環(huán)境差異性大，如果根據(jù)各個(gè)機(jī)場(chǎng)的實(shí)際大氣數(shù)據(jù)編制不同的加速環(huán)境譜開展飛機(jī)的日歷壽命研究，工作量巨大。本著環(huán)境研究“宜粗不宜細(xì)”的原則，通過典型地區(qū)的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)分析，把環(huán)境腐蝕性相近的地區(qū)劃為一類，將我國劃分為幾個(gè)大氣腐蝕分區(qū)則是一種較為合理、可行的方法。

飛機(jī)結(jié)構(gòu)中易受腐蝕環(huán)境影響的主要是鋁合金結(jié)構(gòu)和合金鋼結(jié)構(gòu)，其在現(xiàn)代飛機(jī)上的用量分別超過50%以上和10%以上。此外，軍用飛機(jī)有95%的時(shí)間處于地面停放狀態(tài)[3]，停放環(huán)境對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的腐蝕影響占主導(dǎo)地位。因此，對(duì)飛機(jī)的大氣服役環(huán)境進(jìn)行分區(qū)時(shí)，可以將鋁合金和合金鋼大氣腐蝕特征量的區(qū)別作為分區(qū)依據(jù)。

國內(nèi)外學(xué)者在大氣環(huán)境分區(qū)方面開展了較多的研究。從氣象學(xué)的角度上，環(huán)境分區(qū)主要有基于溫度、降水等氣候因素的柯本（Koppen）氣候分類法和基于氣候動(dòng)力學(xué)的斯查勒（Strhaler）分類法[4]。根據(jù)不同的研究需要，我國學(xué)者對(duì)全國的大氣環(huán)境分區(qū)也開展了深入的研究。周希沅[5]在金屬腐蝕電流的測(cè)量及153個(gè)站點(diǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)收集的基礎(chǔ)上，將我國劃分成不同的腐蝕級(jí)及腐蝕區(qū)域。陳躍良等[6]根據(jù)電荷等效原理[7]給出了實(shí)際大氣環(huán)境與多種加速腐蝕介質(zhì)的腐蝕當(dāng)量折算關(guān)系。劉庭耀[8]將聚類分析的方法引入了環(huán)境分區(qū)研究，提出了按照飛機(jī)具體的服役地區(qū)進(jìn)行相似環(huán)境合并的思想。吳德權(quán)等[9]根據(jù)三元乙丙橡膠老化的關(guān)鍵氣候因子，繪制了三元乙丙橡膠在我國的老化分布圖。張福澤[10]提出了根據(jù)大區(qū)環(huán)境確定飛機(jī)結(jié)構(gòu)日歷壽命的區(qū)域定壽法思想。

上述分區(qū)研究工作對(duì)我國飛機(jī)的日歷壽命評(píng)定與管理作出了重要貢獻(xiàn)。文中在上述工作的基礎(chǔ)上，統(tǒng)計(jì)分析了我國17個(gè)地區(qū)的大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，綜合考慮航空鋁合金和合金鋼的腐蝕特征量，根據(jù)系統(tǒng)聚類分析結(jié)果和相關(guān)文獻(xiàn)中提供的數(shù)據(jù)，將全國大氣環(huán)境分為五個(gè)區(qū)，并繪制了我國大氣腐蝕環(huán)境分區(qū)圖。

1 編制氣候、化學(xué)環(huán)境總譜

1.1 氣象環(huán)境數(shù)據(jù)的收集

影響飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)大氣腐蝕的主要因素有：溫度、濕度、雨、霧、凝露、固體沉降物、大氣污染物、鹽霧等[11-13]。針對(duì)上述影響因素，對(duì)我國大氣環(huán)境典型地區(qū)的氣象環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集，得到了北京、山東青島、湖北武昌、福建廈門、安徽蕪湖、河北張家口、湖南長(zhǎng)沙、廣東遂溪、海南三亞、陜西西安、新疆庫爾勒、西藏日喀則、西藏貢嘎、西藏阿里共計(jì)17個(gè)地區(qū)的氣象環(huán)境數(shù)據(jù)。各地區(qū)的地理位置分布如圖1所示。

圖1 氣象環(huán)境數(shù)據(jù)收集地區(qū)

1.2 氣象環(huán)境要素的簡(jiǎn)化處理

大氣環(huán)境是實(shí)時(shí)變化的，在工程應(yīng)用中，應(yīng)把握住影響結(jié)構(gòu)腐蝕的主要因素，去繁化簡(jiǎn)，在合理的范圍內(nèi)對(duì)氣象環(huán)境要素進(jìn)行簡(jiǎn)化。

1）溫濕度的簡(jiǎn)化處理方法。在潮濕大氣中，金屬結(jié)構(gòu)表面會(huì)形成一層水膜，構(gòu)成電解液，這主要與相對(duì)濕度值的大小和臨界值有關(guān)。對(duì)于飛機(jī)金屬結(jié)構(gòu)，其對(duì)應(yīng)的相對(duì)濕度臨界值為65%[13]。溫度值的大小影響了腐蝕的反應(yīng)速率以及結(jié)構(gòu)表面水膜的停留時(shí)間，溫度越高，反應(yīng)速率越快，現(xiàn)一般取0 ℃作為臨界溫度值[13]。溫度在20 ℃以上，且相對(duì)濕度大于65%時(shí)，同種腐蝕介質(zhì)在不同濕度和溫度下對(duì)結(jié)構(gòu)腐蝕的影響是不同的。溫度在0~20 ℃之間，腐蝕介質(zhì)對(duì)結(jié)構(gòu)腐蝕的影響差別相對(duì)較小。因此，溫濕度的簡(jiǎn)化處理方法如下：只考慮相對(duì)濕度大于65%且溫度大于0 ℃的情況；從偏于安全的角度出發(fā)，將0~20 ℃之間的溫度統(tǒng)一按20 ℃納入統(tǒng)計(jì)；將溫度劃分為0~20 ℃、20~25 ℃、25~30 ℃和30 ℃以上四個(gè)區(qū)間，四個(gè)區(qū)間的溫度分別以20、25、30、35 ℃代表；將相對(duì)濕度劃分為65%~70%、70%~80%和80%~100%三個(gè)區(qū)間，三個(gè)區(qū)間的濕度分別以70%、80%和90%代表。

2）降雨、霧露的簡(jiǎn)化處理方法。當(dāng)雨、霧、凝露作用時(shí)，金屬結(jié)構(gòu)表面所形成的水膜較厚，與高濕度大氣下的情況類似。因此，降雨、霧露的簡(jiǎn)化處理方法如下：當(dāng)折算降雨和霧露作用小時(shí)數(shù)時(shí)，相對(duì)濕度統(tǒng)一按照90%處理，只考慮溫度大于0 ℃的情況；將溫度劃分為0~20 ℃、20~25 ℃、25~30 ℃和30 ℃以上四個(gè)區(qū)間，各區(qū)間的溫度分別以20、25、30、35 ℃代表。

3）氣候環(huán)境總譜的編制方法。四個(gè)溫度區(qū)間和三個(gè)相對(duì)濕度區(qū)間將所有的溫濕度情況劃分成了12個(gè)溫濕度范圍，使用Excel軟件中的多條件統(tǒng)計(jì)功能（countifs命令）統(tǒng)計(jì)出各地區(qū)、各范圍內(nèi)的溫濕度環(huán)境在一年中的總時(shí)間，進(jìn)而得到對(duì)應(yīng)地區(qū)的初始溫濕度譜。使用Excel軟件中的單條件統(tǒng)計(jì)功能（countif命令）統(tǒng)計(jì)出各地區(qū)各溫度區(qū)間內(nèi)雨、霧、露在1年內(nèi)的作用總時(shí)間和次數(shù)，進(jìn)而得到對(duì)應(yīng)地區(qū)的雨譜和霧露譜。氣候環(huán)境總譜反映了濕度、降雨、霧露這些氣象要素在不同溫度下的作用時(shí)間，但在編制初始溫濕度譜時(shí)，并沒有將降雨和霧露作用的時(shí)間排除，得到的結(jié)果會(huì)過于嚴(yán)重。因此，初始溫濕度譜還需排除降雨、霧露作用時(shí)間的影響，方法是將初始溫濕度譜中每一區(qū)間的作用時(shí)間均乘以比例因子：

=1－(1)

式中：為降雨和霧露作用的總時(shí)間；為初始溫濕度譜作用的總時(shí)間。

1.3 氣候、化學(xué)環(huán)境總譜的編制方法

化學(xué)環(huán)境總譜反映了大氣中腐蝕性介質(zhì)的含量。大氣污染物主要有：SO2、Cl-、SO42-、NO等。它們一般與水結(jié)合參與結(jié)構(gòu)的腐蝕，其影響主要體現(xiàn)在降雨、霧露的pH值上。因此，化學(xué)環(huán)境總譜主要包括以下要素：降雨、霧露、潮濕空氣的作用時(shí)間、作用次數(shù)以及在一年中所占的時(shí)間比例（可以由氣候環(huán)境總譜計(jì)算得到）；降雨和霧露的pH值；SO2（mg/m3）、NO（mg/m3）、降塵（噸/km2·月）、CO（mg/m3）等大氣污染物的含量。

其中，固體沉降物被潮濕的機(jī)體表面吸附，會(huì)形成局部腐蝕環(huán)境，其在研究大氣腐蝕性時(shí)一般不予考慮，但要由它來決定對(duì)飛機(jī)進(jìn)行清洗的時(shí)間間隔與清洗方法。鹽霧主要出現(xiàn)在沿海、鹽湖地區(qū)，其作用效果與風(fēng)向密切相關(guān)。

1.4 典型地區(qū)氣候、化學(xué)環(huán)境總譜示例

以北京地區(qū)為例，按照1.2小節(jié)建立的處理方法和氣候、化學(xué)環(huán)境總譜編制方法，編制得到的氣候、化學(xué)環(huán)境總譜分別見表1和表2。

表1 北京地區(qū)的氣候環(huán)境總譜

Tab.1 Climatic environment spectrum of Beijing

表2 北京地區(qū)的化學(xué)環(huán)境總譜

Tab.2 Chemic environment spectrum of Beijing

2 各地區(qū)環(huán)境腐蝕性的當(dāng)量化折算

2.1 當(dāng)量化折算方法

影響大氣腐蝕性的因素很多，單憑某一方面的特征很難判斷出大氣整體的腐蝕性。因此，應(yīng)對(duì)各地區(qū)的氣象環(huán)境進(jìn)行當(dāng)量折算，從而統(tǒng)一到相同對(duì)比指標(biāo)下?，F(xiàn)有研究通常將大氣環(huán)境等效折算到標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣（溫度為40℃、相對(duì)濕度為90%的空氣），以等效于某地1年大氣腐蝕的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間（SHAT, Standard Humid Air Time）作為統(tǒng)一的指標(biāo)。根據(jù)電化學(xué)腐蝕過程中電荷量等效的原理，可以以式（2）進(jìn)行環(huán)境腐蝕性的當(dāng)量化折算：

式中：和c分別為標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用下材料發(fā)生腐蝕的時(shí)間和電流；和c分別為實(shí)際大氣環(huán)境下材料發(fā)生腐蝕的時(shí)間和電流；為折算系數(shù)。

文獻(xiàn)[7]給出了航空鋁合金和合金鋼在不同環(huán)境下相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的折算系數(shù)，見表3和表4。

表3 潮濕空氣相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的折算系數(shù)

Tab.3 Conversion factor from humid air to standard humid air

表4 不同濃度酸相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的折算系數(shù)

Tab.4 Conversion factor of different concentrations of acid to standard humid air

2.2 典型地區(qū)環(huán)境腐蝕性的當(dāng)量化折算示例

以北京地區(qū)鋁合金材料為例，示出大氣環(huán)境相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的折算方法。

1）大氣中潮濕空氣作用相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的折算。根據(jù)表1，北京大氣中相對(duì)濕度為70%的潮濕空氣在不同溫度下的作用時(shí)間分別為482.87 h（20 ℃）、120.70 h（25 ℃）、60.35 h（30 ℃）和48.31 h（35 ℃）。根據(jù)表3，鋁合金材料在不同溫度下70%的潮濕空氣向標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣折算系數(shù)分別為0.163 80、0.244 40、0.325 00和0.625 26，則70%的潮濕空氣等效于158.41 h的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間。同理，80%的潮濕空氣等效于239.14 h的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間；90%的潮濕空氣等效于230.59 h的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間。對(duì)北京地區(qū)鋁合金材料，大氣中1年的潮濕空氣等效于628.14 h的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間。

2）降雨、霧露作用向標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的折算。降雨和霧露作用均按照90%的潮濕空氣處理，因此，根據(jù)表1和表3，對(duì)于鋁合金材料，北京地區(qū)1年中不同溫度下的降雨作用等效于30.16 h的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間；同理，1年中不同溫度下的霧露作用等效于46.72 h的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間。

3）化學(xué)腐蝕介質(zhì)向標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的折算。根據(jù)北京地區(qū)的化學(xué)環(huán)境總譜，SO2的質(zhì)量密度為0.010 mg/m3。根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的計(jì)算方法，以SO2向SO3的轉(zhuǎn)化率為5%，SO3全部轉(zhuǎn)化成H2SO4計(jì)算，在北京大氣中生成的H2SO4最高質(zhì)量濃度只有7.65× 10-7mg/L，可以忽略不計(jì)。北京大氣中NO的質(zhì)量密度為0.022 mg/m3。假設(shè)NO均能生成腐蝕性較強(qiáng)的HNO3和NO，根據(jù)文獻(xiàn)[14]中的計(jì)算方法，0.022 mg/m3的NO可以生成的HNO3質(zhì)量濃度最大為2.678×10-5mg/L，可以忽略不計(jì)。北京地區(qū)降雨和霧露作用時(shí)的pH為5.0，則H+濃度為10-5mol/L，對(duì)應(yīng)成H2SO4即可計(jì)算得到H2SO4的質(zhì)量濃度為0.49 mg/L。由表4可知，0.1 mg/L和1 mg/L的H2SO4折算系數(shù)分別為1.575和2.874，線性插值計(jì)算可得到質(zhì)量濃度為0.49 mg/L的硫酸的折算系數(shù)為2.138。因此，將第2）步得到的降雨、霧露作用時(shí)間與折算系數(shù)相乘，得到降雨、霧露作用相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間為164.37 h。

4）總時(shí)間的折算。將大氣環(huán)境中潮濕空氣的等效時(shí)間（628.14 h）加上考慮pH值影響的降雨、霧露等效時(shí)間（164.37 h），即可得到北京地區(qū)1年的大氣環(huán)境譜相當(dāng)于標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的作用時(shí)間為792.51 h。

2.3 各地區(qū)環(huán)境腐蝕性的當(dāng)量化折算結(jié)果

根據(jù)各地區(qū)的氣候環(huán)境總譜和化學(xué)環(huán)境總譜，以及航空鋁合金材料和合金鋼材料的腐蝕特征，各地區(qū)大氣環(huán)境折算為標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣的作用時(shí)間見表5。需要說明的是，表5中的大氣潮濕空氣作用剔除了降雨和霧露時(shí)間，降雨、霧露作用是考慮了pH影響系數(shù)后得到的折算時(shí)間。

表5 各地區(qū)環(huán)境總譜相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間的折算結(jié)果

3 大氣腐蝕環(huán)境分區(qū)數(shù)與區(qū)間范圍

3.1 聚類分析結(jié)果

以每個(gè)地區(qū)作為一個(gè)樣本，每個(gè)樣本中選取標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣對(duì)鋁合金的等效作用時(shí)間和對(duì)合金鋼的等效作用時(shí)間兩個(gè)指標(biāo)（即表5的第4列和第7列），利用SPSS軟件的“系統(tǒng)聚類分析”功能對(duì)所搜集的17個(gè)地區(qū)的腐蝕當(dāng)量時(shí)間進(jìn)行初步分類。聚類分析方法采用“組間聯(lián)接法”，由于兩部分?jǐn)?shù)據(jù)的單位一致，數(shù)據(jù)不需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，選用“Euclidean距離”作為度量標(biāo)準(zhǔn)[15]。為了探討將我國氣象環(huán)境分為幾類更為合理，將17個(gè)地區(qū)依次分為3類、4類、5類、6類進(jìn)行分析，聚類分析如圖2所示，聚類分析結(jié)果見表6。

3.2 大氣腐蝕分區(qū)個(gè)數(shù)的討論

從表6可以看出，隨著分類個(gè)數(shù)的增加，下一級(jí)分類實(shí)際上是將上一級(jí)分類的某一類進(jìn)行了細(xì)分：分為4類時(shí)，是將西安、昆明、北京從3-I類中分離出來作為新的一類；分為5類時(shí)是將長(zhǎng)沙、遂溪從4-IV類中分離出來作為新的一類；分為6類時(shí)是將西安從5-II類中分離出來作為新的一類。

如果根據(jù)腐蝕特性，將我國大氣環(huán)境分為3類，則3-I類的分區(qū)顯得過于粗略，同類分區(qū)中的北京地區(qū)大氣環(huán)境腐蝕性是阿里地區(qū)的23~32倍，差異過大。將我國大氣環(huán)境分為4類比3類更為合理，但此種分區(qū)方式中4-IV區(qū)的劃分還不夠細(xì)致，長(zhǎng)沙和遂溪地區(qū)的鋁合金材料標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間已超過2000 h/a，與其他城市相比明顯存在階差，把長(zhǎng)沙和遂溪地區(qū)單獨(dú)分為一類更加合適。實(shí)際上，這是由于本文統(tǒng)計(jì)的地區(qū)數(shù)據(jù)有限，沒有分析更多的南海地區(qū)環(huán)境所導(dǎo)致的。將我國大氣環(huán)境分為6類，將西安地區(qū)環(huán)境單獨(dú)拿出則顯得過于細(xì)致。綜上所述，根據(jù)航空金屬材料的腐蝕差異，建議將我國大氣環(huán)境分為5類較為合適。

圖2 大氣環(huán)境聚類分析

表6 大氣環(huán)境聚類分析結(jié)果

Tab.6 Cluster analysis results of atmospheric environment

3.3 各分區(qū)的區(qū)間范圍劃分

從表6可以看出，若根據(jù)航空材料腐蝕特征將我國大氣環(huán)境分為5個(gè)分區(qū)，各區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間基本可按照500 h作為一個(gè)區(qū)間（除5-I區(qū)的合金鋼標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間范圍是0~300 h），區(qū)間范圍見表7。

表7 各分區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間范圍

Tab.7 Standard humid air action time range of atmospheric divisions

4 我國大氣腐蝕環(huán)境分區(qū)結(jié)果

4.1 環(huán)境分區(qū)的方法與簡(jiǎn)化原則

由于收集的氣象環(huán)境數(shù)據(jù)有限，為實(shí)現(xiàn)基于航空金屬材料腐蝕的我國大氣環(huán)境詳細(xì)劃分，在17個(gè)地區(qū)的分析基礎(chǔ)上，參考了文獻(xiàn)[5]提供的153個(gè)地區(qū)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間分級(jí)數(shù)據(jù)，見表8。

進(jìn)行大氣環(huán)境分區(qū)的方法與簡(jiǎn)化原則如下所述。

1）以表7確定的各區(qū)間范圍作為分區(qū)依據(jù)，根據(jù)文中17個(gè)地區(qū)的分析結(jié)果和表8中的數(shù)據(jù)信息，初步確定各個(gè)地區(qū)所屬的大氣分區(qū)。在初步分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意本文給出的大氣分區(qū)區(qū)間（表7）和表8中區(qū)間的差異。

2）對(duì)于不能明確具體分區(qū)的地區(qū)，應(yīng)根據(jù)此類地區(qū)相鄰位置的分區(qū)情況進(jìn)行推斷，并綜合考慮各地區(qū)的地理位置、氣候環(huán)境差異（根據(jù)中國氣候類型圖確定）、降水量差異（根據(jù)中國年降水量分布圖確定）和大氣污染水平（根據(jù)中國空氣污染土確定），對(duì)具體地區(qū)的大氣分區(qū)歸屬進(jìn)行詳細(xì)分析。

3）基于簡(jiǎn)化處理與協(xié)調(diào)一致的原則，同一省/直轄市/自治區(qū)/特別行政區(qū)的大氣環(huán)境劃分不超過3個(gè)分區(qū)。穿過各省的大氣環(huán)境分區(qū)分界線盡量保持連續(xù)。大氣環(huán)境特征處于兩個(gè)環(huán)境分區(qū)界限附近的地區(qū)，根據(jù)分區(qū)連續(xù)性的需要，可劃分到相鄰的環(huán)境分區(qū)。

4）通過綜合權(quán)衡分析，最終確定我國的大氣環(huán)境分區(qū)。

4.2 分區(qū)結(jié)果及各分區(qū)的環(huán)境特點(diǎn)

通過綜合分析，根據(jù)航空鋁合金與合金鋼大氣腐蝕的差異，我國大氣環(huán)境的最終分區(qū)如圖3所示。

表8 我國部分地區(qū)當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間分級(jí)數(shù)據(jù)[5]

Tab.8 Graded data of equivalent SHAT in some areas of China[5]

圖3 基于航空金屬材料腐蝕的我國大氣環(huán)境分區(qū)結(jié)果

各分區(qū)的大氣腐蝕特點(diǎn)和地理位置如下所述。

1）I區(qū)大氣的腐蝕性最輕，主要包括寒溫-濕潤、中溫-亞干旱、暖溫-極干旱、高原-干旱等氣候環(huán)境帶，氣候干、冷、大氣污染水平低。鋁合金在此分區(qū)腐蝕1年相當(dāng)于受到標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用0~500 h左右，合金鋼在此分區(qū)腐蝕1年相當(dāng)于受到標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用0~300 h左右。I區(qū)的典型代表城市是張家口。I區(qū)覆蓋的國土面積最大，包括西藏自治區(qū)、新疆維吾爾族自治區(qū)、青海、甘肅、寧夏回族自治區(qū)、內(nèi)蒙古自治區(qū)的全部區(qū)域，以及黑龍江的西北部、河北北部、山西北部、陜西西北部。其中，黑龍江省內(nèi)的I-II區(qū)分界線是由省內(nèi)7個(gè)地區(qū)環(huán)境差異綜合確定；河北、山西、陜西省內(nèi)的I-II區(qū)分界線是由9個(gè)地區(qū)環(huán)境差異，以及我國的中溫帶-暖溫帶分界線綜合確定。

2）II區(qū)大氣的腐蝕性中等偏下，主要包括中溫-濕潤、暖溫-亞濕潤、高原溫帶-濕潤等氣候環(huán)境帶，氣候溫和、濕潤、大氣污染水平較高。鋁合金在此分區(qū)腐蝕1年相當(dāng)于受到標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用500~1000 h左右，合金鋼在此分區(qū)腐蝕1年相當(dāng)于受到標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用300~800 h左右。II區(qū)的典型代表城市是北京。II區(qū)覆蓋的省市最多，包括北京、天津、遼寧、吉林的全部區(qū)域，以及黑龍江的東南部，云南北部，河北、山西、山東、河南、陜西、四川的大部分地區(qū)。其中，山東省內(nèi)的II-III區(qū)分界線是由省內(nèi)7個(gè)地區(qū)環(huán)境差異綜合確定；河南、陜西省內(nèi)的II-III區(qū)分界線是由8個(gè)地區(qū)環(huán)境差異，以及我國的暖溫帶-北亞熱帶分界線綜合確定；四川省內(nèi)的II -IV區(qū)分界線是由省內(nèi)5個(gè)地區(qū)環(huán)境差異，以及我國高原暖溫帶-中亞熱帶分界線綜合確定；云南省內(nèi)的II-IV區(qū)分界線是由省內(nèi)4個(gè)地區(qū)環(huán)境差異，以及我國中亞熱帶-南亞熱帶分界線綜合確定。

3）III區(qū)大氣的腐蝕性屬于中等水平，主要包括北亞熱帶-濕潤、暖溫-亞濕潤-沿海等氣候環(huán)境帶，年平均氣溫較高、濕度較大、大氣污染水平嚴(yán)重。鋁合金在此分區(qū)腐蝕1年相當(dāng)于受到標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用1000~1500 h左右，合金鋼在此分區(qū)腐蝕1年相當(dāng)于受到標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用800~1300 h左右。III區(qū)的典型代表城市是青島。III區(qū)覆蓋的省市包括上海、江蘇、安徽的全部區(qū)域，以及山東東南部，河南、陜西南部，浙江、江西北部，湖南東北部和湖北大部分地區(qū)。其中，浙江、江西、湖南、湖北省內(nèi)的III-IV區(qū)分界線是由23個(gè)地區(qū)環(huán)境差異，以及我國北亞熱帶-中亞熱帶分界線綜合確定。

4）IV區(qū)大氣的腐蝕性屬于中等偏上水平，主要包括中亞熱帶-濕潤、南亞熱帶-濕潤-內(nèi)陸等氣候環(huán)境帶，年平均氣溫高、濕度大、降雨多、大氣污染嚴(yán)重。鋁合金在此分區(qū)腐蝕1年相當(dāng)于受到標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用1500~2000 h左右，合金鋼在此分區(qū)腐蝕1年相當(dāng)于受到標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用1300~1800 h左右。IV區(qū)的典型代表城市是廈門。IV區(qū)覆蓋的省市包括重慶、貴州的全部區(qū)域，以及云南、浙江南部，四川中東部，廣西、廣東、福建北部，湖北西部，湖南和江西的大部分地區(qū)。其中，福建、廣東、廣西省內(nèi)的IV-V區(qū)分界線是由18個(gè)地區(qū)環(huán)境差異，以及我國中亞熱帶-南亞熱帶分界線綜合確定。

5）V區(qū)大氣的腐蝕性最為嚴(yán)重，主要包括南亞熱帶-濕潤、邊緣熱帶-濕潤、中熱帶-濕潤、赤道熱帶-濕潤等氣候環(huán)境帶，氣候炎熱、多雨、濕度大。鋁合金在此分區(qū)腐蝕1年相當(dāng)于受到標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用2000 h以上，合金鋼在此分區(qū)腐蝕1年相當(dāng)于受到標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用1800 h以上。V區(qū)的典型代表城市是萬寧。V區(qū)的地理位置最靠南，包括海南、臺(tái)灣、香港、澳門、我國南海海域的全部區(qū)域，以及廣東、廣西、福建省的南部地區(qū)。

4.3 討論

1）在實(shí)際工程中簡(jiǎn)化處理時(shí)，I區(qū)的大氣腐蝕環(huán)境弱，飛機(jī)在此區(qū)域服役可不考慮結(jié)構(gòu)腐蝕問題。其他分區(qū)的典型代表城市反映了各分區(qū)的大氣平均腐蝕水平，可以首先重點(diǎn)編制代表城市的加速環(huán)境譜。當(dāng)分析同一分區(qū)中的其他區(qū)域時(shí)，在該環(huán)境譜的基礎(chǔ)上乘上一個(gè)較小的折算系數(shù)即可。

2）文中研究的大氣環(huán)境分區(qū)針對(duì)的是航空鋁合金和合金鋼，并不適用于橡膠材料、有機(jī)涂層等高分子材料的老化問題，應(yīng)當(dāng)注意區(qū)分。

3）文中對(duì)我國大氣腐蝕分區(qū)研究得還比較粗略，雖然有的省份因大氣腐蝕性的差異較大，被分入了2~3個(gè)區(qū)，但很多的區(qū)域分界線仍由省界簡(jiǎn)化處理，這是由于分析的環(huán)境數(shù)據(jù)有限造成的。在實(shí)際應(yīng)用中，如果有些地區(qū)靠近兩個(gè)大氣腐蝕分區(qū)的交界處，建議具體問題具體分析。如果實(shí)在不能得到具體結(jié)論，建議從偏于安全的角度出發(fā)，以腐蝕較嚴(yán)重的分區(qū)情況處理。

4）隨著我國南海島礁機(jī)場(chǎng)的建成以及航母訓(xùn)練任務(wù)的推進(jìn)，我國飛機(jī)的服役環(huán)境已向遠(yuǎn)海延伸。文中統(tǒng)計(jì)分析的數(shù)據(jù)主要限于大陸及靠近沿海的島嶼大氣數(shù)據(jù)，未對(duì)更加靠南的島礁環(huán)境數(shù)據(jù)與艦載環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。飛機(jī)在這些環(huán)境下的服役環(huán)境如何，是否有必要?jiǎng)澐秩珖摹暗诹蠓謪^(qū)”等問題還有待下一步開展深入研究。

5 結(jié)論

1）收集了我國大氣環(huán)境17個(gè)典型地區(qū)的氣象環(huán)境數(shù)據(jù)，介紹了氣象環(huán)境要素的簡(jiǎn)化處理方法，編制了各地區(qū)的氣候、化學(xué)環(huán)境總譜，并根據(jù)腐蝕的電荷當(dāng)量原理，以鋁合金、合金鋼兩種材料的折算系數(shù)，將各地區(qū)的大氣環(huán)境向標(biāo)準(zhǔn)潮濕空氣作用時(shí)間進(jìn)行了折算。

2）基于系統(tǒng)聚類的方法，根據(jù)大氣腐蝕的差異性，將17個(gè)典型地區(qū)進(jìn)行了分類，確定了我國大氣腐蝕分區(qū)個(gè)數(shù)和各分區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。

3）根據(jù)收集的數(shù)據(jù)資料與參考文獻(xiàn)中提供的數(shù)據(jù)資料，結(jié)合我國氣候環(huán)境、降水量與大氣污染的分布情況，通過綜合分析給出了我國大氣腐蝕分區(qū)結(jié)果，繪制了我國大氣腐蝕分區(qū)圖。

[1] HE Yu-ting, LI Chang-fang, ZHANG Teng, et al. Service Fatigue Life and Calendar Life Limits of Aircraft Structure: Aircraft Structural Life Envelop[J]. The Aeronautical Journal, 2016, 120(9): 1746-1762.

[2] 何宇廷, 張騰, 崔榮洪, 等. 飛機(jī)結(jié)構(gòu)壽命控制原理與技術(shù)[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2017. HE Yu-ting, ZHANG Teng, CUI Rong-hong, et al. Theory and Technology of Aircraft Structure Life Control[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2017.

[3] 劉道慶, 吳超, 陳亮. 飛機(jī)腐蝕疲勞典型部位地面停放局部環(huán)境譜及當(dāng)量折算[J]. 飛機(jī)設(shè)計(jì), 2011, 31(5): 15-17. LIU Dao-qing, WU Chao, CHEN Liang. Ground Parking Local Environment Spectrum & Equivalence Converting of Aircraft Typical Parts[J]. Aircraft Design, 2011, 31(5): 15-17.

[4] 蘇景新, 張春曉, 徐天杰. 民用飛機(jī)典型腐蝕環(huán)境區(qū)域的聚類及差異性研究[J]. 腐蝕與防護(hù), 2012, 33(8): 708-714. SU Jing-xin, ZHANG Chun-xiao, XU Tian-jie. Cluster Analysis for Typical Ground Environment Areas of Civil Airports and Redional Difference Analysis for Corrosion of Civil Aircrafts[J]. Corrosion & Protection, 2012, 33(8): 708-714.

[5] 周希沅. 中國飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕分區(qū)和當(dāng)量環(huán)境譜[J]. 航空學(xué)報(bào), 1998, 20(3): 230-233. ZHOU Xi-yuan. Corrosion Demarcation of Airplane Structures of China and Equivalence Environmental Spect-rum[J]. Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica, 1998, 20(3): 230-233.

[6] 陳躍良, 段成美. 海軍飛機(jī)環(huán)境譜加速腐蝕當(dāng)量折算研究[R]. 青島: 海軍航空技術(shù)學(xué)院, 1995. CHEN Yue-liang, DUAN Cheng-mei. Research on Accelerated Corrosion Equivalent Conversion of Naval Aircraft Environment Spectrum[R]. Qingdao: Naval Aeronautical Technonlgy Institute, 1995.

[7] 周希沅. 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的當(dāng)量環(huán)境譜與加速試驗(yàn)譜[J]. 航空學(xué)報(bào), 1996, 17(5): 613-616. ZHOU Xi-yuan. Equity Environmental Spectrum and Speed Test Spectrum for Aircraft Structure[J]. Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica, 1996, 17(5): 613- 616.

[8] 劉庭耀. 飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕環(huán)境的聚類分析[J]. 飛機(jī)設(shè)計(jì), 1997, 17(4): 25-29. LIU Ting-yao. Cluster Analysis of Aircraft Structure Corrosion Environment[J]. Aircraft Design, 1997, 17(4): 25-29.

[9] 吳德權(quán), 高瑾, 盧琳, 等. 三元乙丙橡膠老化與氣候關(guān)聯(lián)性及老化程度全國分布預(yù)測(cè)[J]. 工程科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 38(10): 1438-1446. WU De-quan, GAO Jin, LU Lin, et al. Correlation between EPDM Aging Properties and Climate as Well as Prediction of the Distribution of EPDM Aging Degree in China[J]. Chinese Journal of Engineering, 2016, 38(10): 1438-1446.

[10] 張福澤. 飛機(jī)日歷壽命確定的區(qū)域定壽法[J]. 航空學(xué)報(bào), 2001, 22(6): 549-552. ZHANG Fu-ze. Method of Area Determination of an Aircraft Calendar Life[J]. Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica, 2001, 22(6): 549-552.

[11] 陳群志, 李喜明, 劉文珽, 等. 飛機(jī)結(jié)構(gòu)典型環(huán)境腐蝕當(dāng)量關(guān)系研究[J]. 航空學(xué)報(bào), 1998, 19(4): 414-418. CHEN Qun-zhi, LI Xi-ming, LIU Wen-ting, et al. Investigation of Corrosion Equivalent Relationships between the Accelerated Environment and the Typical Service Environments of Aircraft Structures[J]. Acta Aeronautica Et Astronautica Sinica, 1998, 19(4): 414-418.

[12] 陳群志, 崔常京, 王逾涯, 等. 典型機(jī)場(chǎng)地面腐蝕環(huán)境數(shù)據(jù)庫研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2006, 3(3): 47-49, 76. CHEN Qun-zhi, CUI Chang-jing, WANG Yu-ya, et al. Study on Database of Ground Corrosion Environment of Typical Airfield[J]. Equipment Environmental Engineering, 2006, 3(3): 47-49, 76.

[13] 陳躍良, 金平, 林典雄,等. 海軍飛機(jī)結(jié)構(gòu)腐蝕控制及強(qiáng)度評(píng)估[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2009. CHEN Yue-liang, JIN Ping, LIN Dian-xiong, et al. Structural Corrosion Control and Strength Assessment of Naval Aircraft[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2009.

[14] 劉元海, 任三元. 典型海洋大氣環(huán)境當(dāng)量加速試驗(yàn)環(huán)境譜研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2011, 8(1): 48-52. LIU Yuan-hai, REN San-yuan. Study on Equivalent Accelerated Corrosion Test Environment Spectrum of Typical Marine Atmosphere[J]. Equipment Environmental Engineering, 2011, 8(1): 48-52.

[15] 余建, 何旭宏. 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析與SPSS應(yīng)用[M]. 北京: 人民郵電出版社, 2003. YU Jian, HE Xu-hong. Data Statistical Analysis and SPSS Application[M]. Beijing: Posts & Telecom Press, 2003.

Atmospheric Environment Demarcation of China Based on Corrosion of Aeronautic Metallic Materials

ZHANG Teng, ZHANG Sheng, HE Yu-ting, MA Bin-lin, ZHANG Tian-yu

(Air Force Engineering University, Xi′an 710038, China)

Aiming at the corrosion problem of aircraft in service in China, the paper aims to release regional prediction and refined management of the aircraft structure calendar life. Meteorological environment data for 17 typical regions of China's atmospheric environment were collected. Climate and chemical environment spectra were compiled for each region. According to the principle of corrosion charge equivalence, the atmospheric environment in each region was converted to the standard humid air action time with the conversion coefficient of aluminum alloy and alloy steel. According to the differences in atmospheric corrosion, 17 typical regions were classified based on the systematic clustering method. The demarcation criteria of each subregion and then the number of atmospheric corrosion demarcations were determined. Additionally, the data of other regions available in the current literature and the distribution of climate, precipitation and air pollution in China were taken into account in the atmospheric environment corrosion demarcation of China. According to the corrosion characteristics of aluminum alloy and alloy steel, the atmospheric environment in China can be demarcated into five regions. The map of China's atmospheric environment corrosion demarcation was drawn, in which the environmental characteristics, geographical distribution and representative cities of each region were given. By applyingthe demarcation result of China's atmospheric environment regions, the severity of corrosion in different service environments of aircraft in China can be directly grasped, which lays a foundation for establishment of accelerated corrosion environment spectrum, assessment of aircraft structure calendar life, and formulation of targeted maintenance plan and flight plan.

aluminum alloy; alloy steel; corrosion; atmospheric environment demarcation; standard humid air; systematic clustering

2020-03-21；

2020-04-15

10.7643/ issn.1672-9242.2020.05.001

TG172.3

A

1672-9242(2020)05-0001-09

2020-03-21；

2020-04-15

陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃（2018JQ5012）；中國博士后科學(xué)基金（2017M623418）

Supported by the Basic Research Project of Natural Science in Shaanxi Province (2018JQ5012) and the China Postdoctoral Science Foundation (2017M623418)

張騰（1987—），男，博士，講師，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)完整性。

ZHANG Teng (1987—), Male, Doctor, Lecturer, Research focus: structural integrity.