馬云飛,朱軍亮,孟令東
(1. 陸軍后勤部信息保障室,北京 100000;2. 陸軍烏魯木齊儲(chǔ)供基地,烏魯木齊 830000; 3. 陸軍裝甲兵學(xué)院 裝備保障與再制造系,北京 100000)
在裝備物資的長(zhǎng)期封存過程中,材料腐蝕以及電子元器件的老化失效是目前影響裝備可靠性的最大困擾。由于裝備需要滿足跨地域、水陸交變環(huán)境、全天候的作戰(zhàn)需求,裝備材料面臨的環(huán)境復(fù)雜,在高溫高濕、鹽霧沉積、霉菌附著等惡劣條件下,容易出現(xiàn)腐蝕失效。為了提高戰(zhàn)備物資長(zhǎng)期封存保養(yǎng)質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)封存環(huán)境的零銹蝕,必須采用高靈敏傳感器來對(duì)封存環(huán)境的空氣質(zhì)量、大氣污染物和空氣凝露等導(dǎo)致的材料腐蝕進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。對(duì)于獲取的海量在線監(jiān)測(cè)信息,需要利用高通量技術(shù),借助云數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái),整合裝備材料所處的環(huán)境及自身的腐蝕信息,建立網(wǎng)絡(luò)化、信息化、標(biāo)準(zhǔn)化管理體系。目的是幫助后勤保障部門實(shí)時(shí)掌握裝備封存質(zhì)量,為后續(xù)的維修保養(yǎng)提供指導(dǎo),形成一套行之有效的反饋機(jī)制。
本文首先對(duì)影響裝備長(zhǎng)期封存保護(hù)的主要因素進(jìn)行了分析,然后提出了幾種主流的腐蝕在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。在此基礎(chǔ)上,展望了倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境質(zhì)量監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)化與信息化管理的發(fā)展方向,并提出了智能化的倉(cāng)儲(chǔ)封存質(zhì)量監(jiān)控管理系統(tǒng)的構(gòu)想。
高濕環(huán)境是引起裝備腐蝕的重要因素,尤其是在梅雨時(shí)節(jié),空氣中的水汽會(huì)在裝備表面冷凝形成薄液膜。氧氣溶解于薄液膜,并進(jìn)一步滲入到裝備表面。氧氣作為去極化劑,在薄液膜的微環(huán)境內(nèi)促進(jìn)金屬材料的氧化還原過程,在材料表面形成無數(shù)個(gè)微電池,在宏觀上表現(xiàn)為點(diǎn)蝕特征。有統(tǒng)計(jì)表明,我國(guó)東南沿海地區(qū)的濕氣較重,相對(duì)濕度超過80%的天數(shù)超過全年1/2的時(shí)間,而相對(duì)濕度超過90%的天數(shù)則占到全年的1/4。有學(xué)者指出,當(dāng)環(huán)境中相對(duì)濕度超過70%時(shí),金屬材料容易發(fā)生腐蝕,而部分地區(qū)的空氣濕度已遠(yuǎn)超這一臨界值。因此,對(duì)于封存裝備,要優(yōu)先考慮在干燥環(huán)境中選址封存,并輔以循環(huán)干燥系統(tǒng),將封存環(huán)境中的相對(duì)濕度降低到預(yù)警線以內(nèi),并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)濕度變化。
溫度同樣對(duì)材料腐蝕有重要影響。近年來,極端氣候越來越頻繁,部分地區(qū)的高溫天氣屢破歷史極值,甚至出現(xiàn)連日超過40 ℃的高溫,而在裝備表面的溫度則可達(dá)到60 ℃以上,這無疑會(huì)加劇裝備材料的腐蝕。從微觀角度講,高溫會(huì)加速分子的熱運(yùn)動(dòng),增加腐蝕介質(zhì)與材料表面的接觸機(jī)會(huì),尤其是高溫會(huì)導(dǎo)致封存包裝材料的過早老化破損,導(dǎo)致潮氣和污染氣體進(jìn)入包裝材料內(nèi),從而加速金屬零組件的腐蝕。此外,在高低溫交變環(huán)境中,由于濕氣凝露,極容易造成金屬表面發(fā)生露點(diǎn)腐蝕。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,當(dāng)空氣中的相對(duì)濕度超過腐蝕所需的臨界濕度時(shí),環(huán)境溫度每升高10%,材料的腐蝕速度約增加1倍。此外,高溫還會(huì)引起特種裝備的熱應(yīng)力蠕變,加速裝備涂層的老化降解,以及精密電子元器件的失效等。對(duì)于高溫引起的腐蝕,一般在封存?zhèn)}庫(kù)里安裝循環(huán)降溫系統(tǒng),或是選址在山腳下,同時(shí)做好綠化工作,盡可能降低環(huán)境溫度。
在適宜環(huán)境下,大量的真菌可在裝備表面生長(zhǎng),形成大大小小的霉斑,其生命活動(dòng)不僅能腐蝕裝備材料的金屬基體,還能降低材料表面惰性的有機(jī)或無機(jī)防護(hù)層的耐久性。霉菌的腐蝕機(jī)制目前主要分為酸蝕機(jī)制和氧濃差電池腐蝕機(jī)制2種,前者是因?yàn)槊拱叩拇x產(chǎn)物中含有大量有機(jī)酸,包括戊二酸、草酸、琥珀酸等,可以顯著降低微環(huán)境介質(zhì)中的酸度值。由此產(chǎn)生的活性H能夠穿透防護(hù)層,侵蝕入材料基體,作為陰極去極化劑,加速基體的電化學(xué)腐蝕,同時(shí)H的存在會(huì)導(dǎo)致材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。霉菌的氧濃差電池腐蝕機(jī)制則認(rèn)為,霉菌屬于好氧微生物,在代謝過程中會(huì)消耗大量氧氣,造成生物膜下的局部微環(huán)境中缺氧,而成為陰極區(qū),促進(jìn)局部腐蝕的發(fā)生。針對(duì)霉菌腐蝕,普遍采用的做法是采用殺菌劑來進(jìn)行滅菌,同時(shí)也可以改善封存環(huán)境,調(diào)控環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度等,抑制霉變的產(chǎn)生及擴(kuò)展。對(duì)于霉變引起的裝備腐蝕已經(jīng)引起業(yè)內(nèi)人士的注意,國(guó)內(nèi)外已先后發(fā)布多套標(biāo)準(zhǔn),如GJB 150. 10—86《軍用設(shè)備環(huán)境試驗(yàn)方法霉菌試驗(yàn)》、GB/T 2423. 16—90《電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程試驗(yàn)J:長(zhǎng)霉試驗(yàn)方法》以及美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)的G21-90等。
在沿海地區(qū)或是在工業(yè)大氣環(huán)境中,空氣中會(huì)含有氯鹽、硫酸鹽以及銨鹽等微小顆粒。在高濕環(huán)境下,這些鹽顆粒溶解于水汽中,并在裝備表面凝結(jié),或是沉積在表面,形成鹽顆粒。由于高價(jià)鹽分會(huì)主動(dòng)吸收水分,易形成高濃度鹽溶液的液膜。在鹽溶液微環(huán)境中,腐蝕性離子如Cl、SO能快速擴(kuò)散進(jìn)入防護(hù)涂層,離子濃度的增加可以加速金屬基材的電荷轉(zhuǎn)移過程,進(jìn)而促進(jìn)防護(hù)層老化降解,材料腐蝕失效。為了規(guī)范對(duì)鹽霧腐蝕的評(píng)級(jí),國(guó)內(nèi)外相繼制定出GB/T 2423.17—93中型鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(NSS)及ASTM B-117等。為了抑制鹽霧腐蝕,在裝備倉(cāng)庫(kù)的選址上要遠(yuǎn)離工業(yè)區(qū)和近海區(qū),同時(shí)在倉(cāng)庫(kù)內(nèi)配備循環(huán)空氣系統(tǒng),減少腐蝕性顆粒的沉積。
裝備物資的封存環(huán)境對(duì)其服役性能有著較大的影響,當(dāng)前針對(duì)裝備物資封存環(huán)境的溫濕度和氧濃度監(jiān)測(cè)已實(shí)現(xiàn)可視化和網(wǎng)絡(luò)化。然而僅控制封存環(huán)境的 溫濕度,并不能有效避免裝備因霉菌和吸濕性粒子附著所產(chǎn)生的銹蝕問題,必須采用高靈敏度的腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器對(duì)封存裝備的銹蝕過程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),對(duì)可能出現(xiàn)的腐蝕問題進(jìn)行及時(shí)預(yù)警,從而提高裝備物質(zhì)的初期儲(chǔ)存質(zhì)量。基于不同的工作原理,目前的腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器主要分為電化學(xué)法和物理法。
當(dāng)前國(guó)內(nèi)外采用的腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器主要以電化學(xué)方法為主,包括電偶腐蝕電池、電化學(xué)阻抗、電化學(xué)噪聲、微區(qū)電化學(xué)等。這些電化學(xué)基腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器大都需要采用異種或同種材料的梳齒雙電極,如圖1所示。
圖1 典型異種和同種金屬梳齒電極及測(cè)量電路 Fig.1 Schematic diagram of measurement circuit and typical metal comb electrodes
圖1中,在大氣吸附薄液膜下,梳齒金屬電極表面形成導(dǎo)電回路,向?qū)﹄姌O施加特定的電信號(hào),可獲取腐蝕信息如電偶電流、潤(rùn)濕時(shí)間、瞬時(shí)腐蝕速率等。電化學(xué)腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器具有諸多優(yōu)勢(shì),如對(duì)金屬表面損傷小,響應(yīng)時(shí)間快,且可以反映金屬表面液膜變化和界面電化學(xué)信息,能夠有效表征環(huán)境的腐蝕性,并揭示其腐蝕機(jī)理。Li等在我國(guó)6個(gè)不同的氣候點(diǎn),使用Fe/Cu型電偶腐蝕傳感器對(duì)碳鋼在1 a內(nèi)的大氣腐蝕進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè),通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了收集分析,并建立隨機(jī)森林模型預(yù)測(cè)了碳鋼在不同氣候環(huán)境下的腐蝕速率以及腐蝕因子的影響規(guī)律,如圖2所示。
圖2 腐蝕因素對(duì)碳鋼大氣腐蝕的重要性指數(shù) Fig.2 Importance index of corrosion factors on atmospheric corrosion for carbon steel
然而,電化學(xué)測(cè)量的前提是電極表面必須有連續(xù)吸附薄液膜,UI輔助電極與工作電極時(shí)間建立導(dǎo)電通道,如圖3所示。裝備物資在相對(duì)濕度較低的封存氣氛下,金屬表面薄液膜呈現(xiàn)不連續(xù)島狀分布(如圖3a所示),不能形成有效的導(dǎo)電通路。然而,在微液滴下,點(diǎn)狀腐蝕或局部腐蝕仍在進(jìn)行,但這個(gè)微區(qū)電流無法穿過兩個(gè)電極之間,難以被外部的電流傳感器測(cè)量到,因此無法準(zhǔn)確測(cè)量微液滴下的局部腐蝕。只有在電極表面出現(xiàn)大量凝露時(shí)(如圖3b所示),才能在兩電極之間形成導(dǎo)電通道,不過由于電化學(xué)探頭兩電極之間的距離較?。?0.1 mm),所以過量的腐蝕產(chǎn)物在表面堆積,可能會(huì)造成物理短路,造成過大的腐 蝕速率結(jié)果。因此,電化學(xué)方法并不太適合封存環(huán)境內(nèi)的大氣腐蝕監(jiān)測(cè)。
圖3 雙電極表面凝露對(duì)電極間導(dǎo)電通道的影響[13] Fig.3 Effects of condensation on conduction path of double electrode[13]: a) discontinuous thin film; b) continuous thin film
電阻探針腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)金屬電阻比值隨腐蝕時(shí)間的變化,并基于歐姆定律和數(shù)學(xué)積分法推算出金屬腐蝕損失和腐蝕速率。電阻探針和測(cè)量電路如圖4所示。由于其工作原理簡(jiǎn)單,適用性強(qiáng),精度高,自20世紀(jì)50年代起,就被廣泛應(yīng)用于油氣田、運(yùn)輸、文物保護(hù)等行業(yè)的腐蝕監(jiān)測(cè)中。隨著電子科學(xué)的不斷發(fā)展,其精度現(xiàn)已達(dá)到納米級(jí)的靈敏度和分辨率。此外,電阻探針探頭表面無需形成連續(xù)薄液膜,在低濕大氣環(huán)境下也可直接測(cè)量金屬的腐蝕速率,相比電化學(xué)監(jiān)測(cè)技術(shù),更適用于封存包裝環(huán)境下的長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)。目前,電阻探針在腐蝕領(lǐng)域的研究主要集中在室內(nèi)外環(huán)境因子對(duì)金屬 腐蝕性能的影響機(jī)制。Li等將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與電阻探針腐蝕傳感器結(jié)合,研究了Q235碳鋼在戶外的大氣腐蝕,發(fā)現(xiàn)腐蝕監(jiān)測(cè)結(jié)果與已報(bào)道的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合,而且量化了環(huán)境因子對(duì)金屬材料初期大氣腐蝕的影響程度。Kouril等通過電阻探針對(duì)2個(gè)不同檔案館內(nèi)的大氣腐蝕進(jìn)行在線監(jiān)測(cè),并與ISO 11844-2標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了其在原子級(jí)別(0.1 nm)上的檢測(cè)靈敏度。當(dāng)電阻探針表面有導(dǎo)電性腐蝕產(chǎn)物累積時(shí),會(huì)使腐蝕監(jiān)測(cè)結(jié)果偏低,而且電阻探針更傾向于監(jiān)測(cè)金屬表面發(fā)生均勻腐蝕的情況。Maija等和桑邵雷等將電阻探針和失重掛片在污水環(huán)境中的腐蝕數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,在局部腐蝕狀態(tài)下,電阻探針?biāo)?jì)算得到的腐蝕速率大約是失重法的5倍,測(cè)量結(jié)果偏高。綜上所述,電阻探針腐蝕傳感器由于其不受環(huán)境的限制和納米級(jí)的分辨率,在封存包裝環(huán)境下的在線監(jiān)測(cè)中有極大的應(yīng)用前景。
圖4 精密薄膜電阻探針和測(cè)量電路[23] Fig.4 Schematic diagram of precision thin film resistance probe and its measurement circuit[23]
石英晶體微天平腐蝕監(jiān)測(cè)傳感器是一種基于壓電諧振原理實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬電極表面質(zhì)量變化測(cè)量的儀器,通常采用真空蒸鍍技術(shù)在石英表面形成數(shù)百納米厚的金屬薄膜,將交變電壓信號(hào)加載到晶片兩側(cè)的金屬膜上。由于壓電效應(yīng),石英晶片立刻開始震蕩(5~8 MHz),當(dāng)金屬膜因氧化而質(zhì)量增加時(shí),就會(huì)造成晶體振蕩頻率下降,如圖5所示。通過信號(hào)比較 器將正弦波調(diào)整為方波,輸入到頻率計(jì)數(shù)器,最后通過單片機(jī)進(jìn)行去噪,可以分辨0.01 Hz的頻率偏移,可原位監(jiān)測(cè)大氣環(huán)境中納克級(jí)別的腐蝕質(zhì)量增量,具有極高的靈敏度。目前,石英晶體微天平在腐蝕領(lǐng)域的研究主要集中在緩蝕劑分子的吸附或動(dòng)態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)。Wan等通過石英晶體微天平對(duì)鍍銅晶片在緩蝕劑氣氛中的吸附動(dòng)力學(xué)過程進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)緩蝕劑呈現(xiàn)Lagergern吸附模型,并探討了溫度和濕度等對(duì)緩蝕效率的影響機(jī)制。Yan等將聚苯胺改性的石英晶體微天平用于檢測(cè)甲醛氣體,結(jié)果表明,晶片的頻移與甲酸氣體的濃度呈線性關(guān)系,可用于博物館文物的腐蝕監(jiān)測(cè),也表明石英晶體微天平傳感器在低腐蝕性環(huán)境監(jiān)測(cè)中具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著軍用裝備電子化、信息化程度越來越高,電路板上的元器件封裝密度也越來越高,線寬也越來越小,納克級(jí)的腐蝕就足以造成電子設(shè)備可靠性下降,而石英晶體微天平腐蝕傳感器可有效滿足戰(zhàn)儲(chǔ)環(huán)境質(zhì)量的在線監(jiān)測(cè)以及裝備材料的失效預(yù)警。然而,石英晶體微天平僅適用于Cu、Ag或Sn等有色金屬的腐蝕測(cè)試,對(duì)于黑色金屬如鋼鐵等,由于無法蒸鍍形成牢固的Fe膜,無法滿足測(cè)量精度要求。
圖5 石英晶體微天平腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的原理以及電路 Fig.5 Principle of quartz crystal microbalance corrosion monitoring (a) and its circuit diagram (b)
隨著戰(zhàn)備物資倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)的自動(dòng)化和信息化技術(shù)的逐步應(yīng)用,對(duì)于倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的空氣質(zhì)量與銹蝕趨勢(shì)的在線監(jiān)測(cè)、預(yù)警和腐蝕防護(hù)技術(shù)也日益成熟。通過將各種腐蝕傳感器、數(shù)據(jù)采集器、低功耗有線或無線收發(fā)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器等組成區(qū)域性腐蝕監(jiān)測(cè)物聯(lián)網(wǎng),并部署到裝備封存庫(kù)的關(guān)鍵位置,如發(fā)動(dòng)機(jī)艙包裝、精密電子組件包裝內(nèi),實(shí)現(xiàn)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境腐蝕性的連續(xù)在線 監(jiān)測(cè)。當(dāng)腐蝕速率接近設(shè)定的上限時(shí),物聯(lián)網(wǎng)中的服務(wù)器自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警,實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)備物資封存環(huán)境無人值守的自動(dòng)化與網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控。當(dāng)監(jiān)測(cè)某個(gè)區(qū)域的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)提升到ISO 9223—2012標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的G3等級(jí)時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)通知管理人員檢查包裝材料的破損情況,避免腐蝕加重?;趥}(cāng)儲(chǔ)空氣質(zhì)量與腐蝕風(fēng)險(xiǎn)自動(dòng)監(jiān)控、報(bào)警與氣相緩蝕劑智能調(diào)控方案的配置如圖6所示。
基于倉(cāng)儲(chǔ)封存環(huán)境全面腐蝕、局部腐蝕以及潤(rùn)濕時(shí)間傳感器的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),通過比例積分微分(PID)反饋算法,對(duì)物資封存環(huán)境實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。當(dāng)封存環(huán)境的腐蝕性傾向增大時(shí),增加氣相緩蝕劑濃度;當(dāng)傳感器表面出現(xiàn)凝露時(shí),自動(dòng)將信號(hào)反饋給溫濕度控制機(jī)組,快速調(diào)節(jié)空氣的溫濕度。通過空氣除鹽過濾、緩蝕劑加注和溫濕度自動(dòng)調(diào)節(jié)機(jī)制,實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)備物資封存環(huán)境無人值守的自動(dòng)化與網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控,有效提升封存年限,降低人工成本。此外,可基于高分辨電化學(xué)測(cè)試技術(shù)在線監(jiān)測(cè)材料的腐蝕電流,當(dāng)裝備封存的封套阻隔材料出現(xiàn)破損時(shí),材料的腐蝕電流異常升高,從而判定裝備封套阻隔材料的破損失效,可通過云端數(shù)據(jù)反饋到監(jiān)測(cè)中心,對(duì)材料破損異常進(jìn)行預(yù)警,提醒工作人員進(jìn)行巡查修復(fù)。
圖6 基于物聯(lián)網(wǎng)的倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境腐蝕與防護(hù)的自動(dòng)監(jiān)控管理系統(tǒng) Fig.6 Automatic monitoring and management system for corrosion and protection of storage environment based on the internet of things
通過大量的腐蝕傳感器和長(zhǎng)期歷史數(shù)據(jù),利用高通量分析技術(shù),對(duì)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境的銹蝕規(guī)律進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析,建立這些環(huán)境因素對(duì)材料腐蝕過程影響的數(shù)學(xué)模型,如劑量–響應(yīng)函數(shù)模型、多因素組合模型、響應(yīng)面模型和類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等。最終建立裝備封存環(huán)境監(jiān)測(cè)、腐蝕態(tài)勢(shì)感知與材料服役壽命預(yù)警系統(tǒng),為倉(cāng)儲(chǔ)物資封存的環(huán)境控制、維修保養(yǎng)和封存年限預(yù)測(cè)提供重要參考。
為了保障裝備的作戰(zhàn)能力,實(shí)現(xiàn)封存裝備的零銹蝕防護(hù),形成一套倉(cāng)儲(chǔ)封存腐蝕性在線監(jiān)測(cè)與智能防護(hù)系統(tǒng),首先需要理清高溫、高濕、鹽霧、霉變和污染氣體等惡劣環(huán)境因素下對(duì)裝備材料腐蝕老化的影響。根據(jù)封存環(huán)境的腐蝕特點(diǎn),可以采用除濕、除鹽、除氧和緩蝕劑注入等多種措施來降低封存環(huán)境腐蝕性,并合理選擇在線監(jiān)測(cè)傳感器,在關(guān)鍵部位分布式布局,搭建倉(cāng)儲(chǔ)封存環(huán)境質(zhì)量與腐蝕網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理系統(tǒng)。通過可視化、智能化、集成化管理系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反饋,有助于提高后勤保障部門對(duì)封存裝備存儲(chǔ)狀態(tài)的掌控能力,對(duì)裝備的腐蝕老化進(jìn)行預(yù)警,同時(shí)可減少人工巡檢的紕漏。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的裝備環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),可以顯著提高裝備封存管理的自動(dòng)化與信息化水平,進(jìn)而提高戰(zhàn)備物資長(zhǎng)效存儲(chǔ)質(zhì)量,這也是未來信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中裝備封存技術(shù)的重要發(fā)展方向。