宿興濤，陳凱鋒

（1.北京應(yīng)用氣象研究所，北京 100029；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所廈門分部，福建 廈門 361101）

目前，利用有機涂層防腐是普遍應(yīng)用的防腐技術(shù)。在大氣環(huán)境中，有機涂層受環(huán)境因素影響，發(fā)生老化，是引起涂層失效的主要因素之一，可造成大量資源消耗和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至釀成惡性事故，給設(shè)備和生命財產(chǎn)安全帶來威脅。用于涂層評價的氣候環(huán)境試驗包括自然環(huán)境試驗和實驗室模擬加速環(huán)境試驗。自然環(huán)境試驗相對可靠，但是試驗周期長、耗資大、可控性差，難以滿足產(chǎn)品研制、試驗和快速評價的需求。實驗室模擬加速試驗具有試驗周期短、重現(xiàn)性好的優(yōu)點[1]，能對涂層體系進(jìn)行快速有效的評價，是目前廣泛應(yīng)用的氣候環(huán)境試驗技術(shù)。

陽光是有機涂層實驗室加速試驗設(shè)計中必須考慮的環(huán)境變量。到達(dá)地面的太陽光所含紫外線能量一般介于314~419 kJ/mol 之間，而大部分聚合物的化學(xué)鍵離解能一般為200~500 kJ/mol[2]?？梢姡贤饩€具有破壞有機涂層化學(xué)鍵的能量，可引發(fā)涂層的自動氧化反應(yīng)，從而造成老化分解。因此，對涂層的光老化研究主要集中在紫外光老化研究。一般情況下，將自然環(huán)境下紫外輻射總量與光老化加速試驗箱光輻射能量進(jìn)行對比，即可得到實驗室加速試驗的加速因子。國內(nèi)關(guān)于光老化試驗加速因子建模研究方面開展過一些工作。葉美琪等[3]根據(jù)廈門海域大氣海洋環(huán)境條件，通過研究實驗室紫外輻射燈模擬的紫外輻射當(dāng)量與實際太陽紫外輻射的關(guān)系，建立了廈門地區(qū)實驗室加速試驗的倍率模型。蘇艷等[4]在江津地區(qū)濕熱環(huán)境下開展跟蹤太陽反射聚能自然加速試驗與朝南45°角自然暴露試驗，計算了高日輻射季節(jié)的加速因子。王艷艷等[5]采用金屬鹵素?zé)魧郾揭蚁┻M(jìn)行實驗室光源暴露試驗，研究了相對于敦煌環(huán)境試驗站戶外自然暴露試驗的加速因子。閆杰等[6]在拉薩試驗站研究了涂層太陽跟蹤反射聚光戶外加速試驗相對于自然暴露試驗的加速因子。何德洪等[7]在江津地區(qū)對丙烯酸涂料開展的黑箱加速大氣暴露試驗和朝南45°角大氣暴露試驗結(jié)果表明，黑箱在該地區(qū)夏季使用與朝南45°角大氣暴露試驗相關(guān)性良好，并得出加速倍率在3倍左右。張勇等[8]采用腐蝕程度對比方法，將有機涂層加速腐蝕試驗與自然曝曬試驗進(jìn)行對比分析，證實了研究采用的加速試驗環(huán)境譜模擬性好，并具有約2個周期當(dāng)量自然曝曬1 a 的相關(guān)性。朱玉琴等[9]對美國阿特拉斯研發(fā)的紫外加速試驗系統(tǒng)（UAWS）的跟蹤研究表明，在美國佛羅里達(dá)朝南45°方向，UAWS的紫外強化倍率約為63 倍。

在進(jìn)行列車這種具有大范圍運行區(qū)間的裝備表面涂層光老化試驗加速因子建模方面，以上研究還存在一些不足之處：加速因子的研究僅是針對某一特定地區(qū)[3-9]；自然環(huán)境下太陽輻射數(shù)據(jù)來源于經(jīng)驗公式，相對于觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不足[3]；加速因子來自于與自然環(huán)境試驗或自然環(huán)境加速試驗的對比，工程上實施難度大、周期長、花費高[4-8]。針對上述情況，文中提出一種涂層紫外光老化試驗加速因子的計算方法，旨在解決列車這種跨越大范圍區(qū)域裝備的表面防護(hù)涂層紫外光老化試驗加速因子的計算問題。

1 方案設(shè)計

為客觀、定量地建立針對列車表面防護(hù)涂層的實驗室紫外輻射燈對太陽光中紫外輻射的加速因子模型，以蘭新高鐵為例，設(shè)計了如下技術(shù)方案。主要步驟包括：選取建模列車站點；確定站點氣象地理區(qū)劃；計算站點環(huán)境變量影響距離；建立站點太陽輻射環(huán)境譜；建立二級氣象地理區(qū)劃（以下簡稱二級區(qū)劃）太陽輻射環(huán)境譜；建立一級氣象地理區(qū)劃（以下簡稱一級區(qū)劃）太陽輻射環(huán)境譜；建立蘭新高鐵全線太陽輻射環(huán)境譜；建立加速因子模型。

文中太陽輻射數(shù)據(jù)采用美國國家航空航天局（NASA）Surface meteorology and Solar Energy（SSE）數(shù)據(jù)庫資料，關(guān)于該資料的詳細(xì)介紹見參考文獻(xiàn)[10]。

1.1 選取建模列車站點

蘭新高鐵橫跨甘肅、青海和新疆3 ?。ㄗ灾螀^(qū)），全長1777 km，其中新疆段正線全長710 km，甘肅段全長799 km，青海段全長約268 km。根據(jù)蘭新高鐵途經(jīng)站點地理位置，選取蘭州、西寧、門源、張掖、高臺、酒泉、哈密、吐魯番和烏魯木齊9 站作為參與建模的列車站點。

1.2 確定站點氣象地理區(qū)劃

根據(jù)《中國氣象地理區(qū)劃手冊》[11]，蘭新高鐵全線均位于全國一級區(qū)劃——西北地區(qū)以內(nèi)。進(jìn)一步細(xì)化，位于西北地區(qū)中部和西北地區(qū)西部兩個二級區(qū)劃內(nèi)，并且大致以酒泉為界，酒泉以西部分（包括酒泉、哈密、吐魯番和烏魯木齊4 站）位于西北地區(qū)西部區(qū)劃內(nèi)，以東部分（包括蘭州、西寧、門源、張掖和高臺5 站）位于西北地區(qū)中部區(qū)劃內(nèi)。

1.3 計算站點環(huán)境變量影響距離

采用公式（1）確定列車站點環(huán)境變量在所處二級區(qū)劃內(nèi)的影響距離：

式中：Xm表示列車站點環(huán)境變量在所處二級區(qū)劃內(nèi)的影響距離；m 表示沿列車運行方向自始發(fā)站開始經(jīng)過的站點序號，1 為始發(fā)站，N 為終點站；Sm,m+1表示m 站和m+1 站之間距離，同理Sm-1,m表示m-1站和m 站之間距離；Am表示位于m-1 站和m 站之間的二級區(qū)劃邊界與m 站的距離；Bm表示位于m+1站和m 站之間的二級區(qū)劃邊界與m 站的距離。

根據(jù)蘭新線站點里程表，9 個站點之間，蘭州-西寧、西寧-門源、門源-張掖、張掖-高臺、高臺-酒泉、酒泉-哈密、哈密-吐魯番、吐魯番-烏魯木齊的距離分別為188、98、199、71、120、571、372、158 km。由于酒泉位于西北地區(qū)西部和西北地區(qū)中部兩個二級區(qū)劃邊界上，在兩個二級區(qū)劃內(nèi)分別計算其影響距離。由式（1）計算酒泉在西北地區(qū)中部和西北地區(qū)西部的影響距離分別為60、285.5 km，蘭州、西寧、門源、張掖、高臺、哈密、吐魯番和烏魯木齊其他8個站點的影響距離分別為94、143、148.5、135、95.5、471.5、265、79 km。

1.4 建立站點太陽輻射環(huán)境譜

利用NASA SSE 地面太陽輻射資料，統(tǒng)計蘭州等9 站月平均地面太陽輻射分布，如圖1 所示。

圖1 站點月平均地面太陽輻射Fig.1 Monthly average ground solar radiation of the station: a) Lanzhou; b) Xining; c) Menyuan; d) Zhangye; e) Gaotai;f) Jiuquan; g) Hami; h) Tulufan; i) Wulumuqi

1.5 建立二級區(qū)劃太陽輻射環(huán)境譜

根據(jù)1.3 節(jié)信息，可得到蘭新線全線位于二級區(qū)劃西北地區(qū)中部和西北地區(qū)西部內(nèi)列車運行區(qū)間的長度分別為676、1101 km。計算二級區(qū)劃內(nèi)列車運行區(qū)間的月平均地面太陽輻射環(huán)境譜，具體為：

式中：U 為二級區(qū)劃內(nèi)列車運行區(qū)間的月平均地面太陽輻射；Wm為m 站的地面太陽輻射；m 在此二級區(qū)劃內(nèi)的取值范圍為P≤m≤Q，P≥1，Q≤N。

根據(jù)站點月平均地面太陽輻射數(shù)據(jù)和站點環(huán)境變量影響距離，由式（2）計算得到西北地區(qū)中部和西北地區(qū)西部兩個二級區(qū)劃的月平均地面太陽輻射環(huán)境譜，如圖2 所示。

圖2 二級區(qū)劃內(nèi)列車運行區(qū)間的月平均地面太陽輻射Fig.2 Monthly average ground solar radiation of train operation section in the secondary division: a) central part of northwest China; b) west of northwest China

1.6 建立一級區(qū)劃太陽輻射環(huán)境譜

由式（3）計算一級區(qū)劃內(nèi)列車運行區(qū)間的月平均地面太陽輻射環(huán)境譜：

式中：E 為一級區(qū)劃內(nèi)列車運行區(qū)間的月平均地面太陽輻射；H 表示在此一級區(qū)劃內(nèi)的二級區(qū)劃數(shù)量；Ui為在此一級區(qū)劃內(nèi)第i 個二級區(qū)劃的地面太陽輻射；Yi表示在第i 個二級區(qū)劃內(nèi)列車運行區(qū)間的長度。

根據(jù)二級區(qū)劃內(nèi)列車運行區(qū)間長度和二級區(qū)劃內(nèi)月平均地面太陽輻射數(shù)據(jù)，由式（3）得到一級區(qū)劃西北地區(qū)內(nèi)列車運行區(qū)間月平均地面太陽輻射環(huán)境譜，如圖3 所示。

圖3 一級區(qū)劃的月平均地面太陽輻射Fig.3 Monthly mean ground solar radiation in the first division

1.7 建立全線太陽輻射環(huán)境譜

由式（4）計算列車總運行區(qū)間的月平均地面太陽輻射環(huán)境譜：

式中：R 為列車總運行區(qū)間的月平均地面太陽輻射；G 表示在列車運行區(qū)間內(nèi)一級區(qū)劃數(shù)量；Ej為第j 個一級區(qū)劃內(nèi)列車運行區(qū)間的地面太陽輻射；Zj表示第j 個一級區(qū)劃內(nèi)列車運行區(qū)間的長度。

蘭新線全線均位于一級區(qū)劃西北地區(qū)以內(nèi)，因此蘭新高鐵總運行區(qū)間月平均地面太陽輻射環(huán)境譜與一級區(qū)劃西北地區(qū)內(nèi)列車運行區(qū)間月平均地面太陽輻射環(huán)境譜相同。另外，根據(jù)一級區(qū)劃內(nèi)列車運行區(qū)間長度和一級區(qū)劃內(nèi)列車運行區(qū)間月平均地面太陽輻射，由式（4）也可計算得到列車總運行區(qū)間的月平均地面太陽輻射環(huán)境譜。

根據(jù)月平均地面太陽輻射，計算列車總運行區(qū)間的年平均地面太陽輻射和地面太陽紫外輻射：

式中：Rmean為列車總運行區(qū)間的年平均地面太陽輻射；Rk表示k月列車總運行區(qū)間的地面太陽輻射；UVmean為列車總運行區(qū)間的年平均地面太陽紫外輻射；η 為紫外輻射占太陽總輻射比例，取為7%[3]。

根據(jù)列車總運行區(qū)間的月平均地面太陽輻射，由式（5）得到蘭新線年平均地面太陽輻射為1650 kWh/m2，即5940 MJ/m2。由式（6）可得蘭新線年平均地面太陽輻射中紫外輻射為415.8 MJ/m2。

1.8 建立加速因子模型

根據(jù)實驗室紫外光老化試驗條件計算加速因子：

式中：F 為加速因子；t1為涂層自然環(huán)境試驗時間；t2為涂層在實驗室條件下達(dá)到與自然環(huán)境試驗接受相同劑量太陽紫外輻射所需時間。

實驗室紫外光老化試驗采用 UVB-313 燈，在310 nm 波長輻照度為0.66 W/m2，轉(zhuǎn)換為模擬250~400 nm 紫外波段總輻照度的轉(zhuǎn)換系數(shù)為47.91。在加速試驗箱內(nèi)，一個方向上設(shè)置4 盞燈，其每天產(chǎn)生的紫外輻射為10.93 MJ/(m2·d)。在紫外加速試驗箱內(nèi)產(chǎn)生相當(dāng)于蘭新高鐵全線1 年的紫外輻射量需要的時間為38.04 d。由式（7）得到加速因子為9.5。

2 結(jié)語

為客觀、定量地建立針對列車表面涂層的實驗室紫外輻射燈對太陽光中紫外輻射的加速因子，文中以蘭新高鐵為例，提供了一種建模思路。主要步驟包括：選取建模列車站點、確定站點氣象地理區(qū)劃、計算站點環(huán)境變量影響距離、建立站點太陽輻射環(huán)境譜；分別建立二級氣象地理區(qū)劃、一級氣象地理區(qū)劃和全線太陽輻射環(huán)境譜；最后，建立加速因子模型。采用上述建模方案，基于NASA Surface Meteorology and Solar Energy（SSE）地面太陽輻射數(shù)據(jù)，計算了蘭新線實驗室紫外光老化試驗的加速因子。文中提供的加速因子建模思路，解決了列車這種跨越大范圍區(qū)域的裝備光老化試驗加速因子的計算問題，簡單實用，可推廣至飛機、輪船、汽車等相似裝備表面涂層以及金屬等其他材料的紫外光暴露試驗評價。