孫 偉 傅學(xué)慶 孟大禹

（海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018）

0 引 言

北極地區(qū)是指北緯66°34′北極圈以內(nèi)的區(qū)域，中心是浮冰覆蓋的北冰洋，周圍的歐亞大陸、北美大陸與格陵蘭島將北冰洋圍成“地中?！薄１睒O地區(qū)氣候惡劣、終年嚴寒且多暴雪烈風(fēng)，但油氣資源豐富。北極原油儲量達900 億桶，占全球13%；天然氣儲量超過47 萬億m3，占全球30%[1]。隨著全球氣候變暖， 北冰洋海冰融化的速度不斷加快，經(jīng)由北冰洋的北極航道可通航窗口期不斷延長，將大幅節(jié)省跨洲航行的時間和成本。這不僅會改變世界航運格局，還可能大幅提升北極地區(qū)的戰(zhàn)略地位，并引起全球地緣政治格局的變化。

我國在地理位置上雖不屬于北極國家的范疇，但仍是北極事務(wù)的重要利益攸關(guān)方。2018年1月，國務(wù)院新聞辦公室發(fā)布的《中國的北極政策》白皮書中指出：中國在地緣上是近北極國家，北極的自然狀況及其變化對中國的氣候系統(tǒng)和生態(tài)環(huán)境有著直接影響，進而關(guān)系到中國在農(nóng)業(yè)、林業(yè)、漁業(yè)和海洋等領(lǐng)域的經(jīng)濟利益[2]。北極航道的開通和利用將大大縮短我國與歐洲、北美等國的貿(mào)易航運距離，未來北極地區(qū)將會對我國的地緣安全和海外利益產(chǎn)生重大影響。

要參與北極地區(qū)的資源開發(fā)，更好地利用北極航道，保護我國在北極地區(qū)的利益，需大力發(fā)展極地裝備與技術(shù)。目前，以美俄為代表的北極圈國家正積極發(fā)展極地裝備，主要以船舶、監(jiān)視和通信裝備為主[3]。極地船舶是專門在極區(qū)海域內(nèi)進行海洋科考活動的專業(yè)海洋調(diào)查船，擁有結(jié)構(gòu)強度大、破冰能力強、極區(qū)適航性突出以及續(xù)航時間長等特點[4]。極地監(jiān)視、通信等裝備環(huán)境適應(yīng)性強，具備高耐寒性、防風(fēng)性能好等優(yōu)勢。在極地環(huán)境中，服役裝備要經(jīng)受低溫、積冰、氯離子和微生物等多種因素影響，失效情況非常嚴重。我國在建造新一代極地裝備時，必須注重環(huán)境試驗，確保極地裝備的可靠性。

1 各國極地裝備發(fā)展情況

北極地區(qū)的油氣、航道資源具備重大開發(fā)價值。俄羅斯是北極油氣開發(fā)的主要推動者，其國家戰(zhàn)略視北極為能源戰(zhàn)略基地[5]，挪威、加拿大等國也已在北極建立油田[6]。北極航道是連接?xùn)|亞地區(qū)與歐洲國家的最短海上運輸通道（如圖1 所示），對于貿(mào)易安全和供應(yīng)鏈穩(wěn)定的價值在不斷上升。

圖1 北極航線示意圖

美國、俄羅斯和歐洲等近北極國家和地區(qū)，正積極布局極地裝備，全面構(gòu)建極地監(jiān)視、通信及破冰航行能力，提升極地科學(xué)考察、商業(yè)航運及資源開發(fā)能力，保障其未來在北極地區(qū)的資源開發(fā)活動[7]。各國極地裝備具體發(fā)展情況如表1 所示。

表1 各國極地裝備發(fā)展情況

目前，我國極地觀測/勘測、通信裝備匱乏，并且能力不足，對極地的認識尚不能滿足極地開發(fā)利用與保護的需求。因此，亟需研發(fā)極區(qū)海洋環(huán)境觀測、航行與資源勘探裝備，提升認識極地的能力，為極地的可持續(xù)開發(fā)利用提供保障[2]。

2 極地環(huán)境對裝備的影響

極地環(huán)境惡劣且復(fù)雜多變，服役的極地裝備要經(jīng)受低溫、積冰/凍雨、氯離子和微生物等自然環(huán)境因素影響，裝備失效情況非常嚴重。

低溫幾乎對所有的基體材料都有一定影響，低溫條件導(dǎo)致極地裝備產(chǎn)生的常見問題包括：

（1）材料的硬化和脆化；

（2）異種材料制成的零件因溫度降低時收縮率不同，導(dǎo)致零件咬死、干涉；

（3）潤滑油之類的流體在低溫下流動性降低、黏度增加，潤滑作用有所降低；

（4）減震系統(tǒng)剛性增加，影響減震效果；

（5）密閉空間內(nèi)壓力降低，導(dǎo)致某些部件受壓不均或承受負壓，密閉空間內(nèi)的相對濕度會大幅上升等。

積冰/凍雨環(huán)境可能導(dǎo)致裝備產(chǎn)生以下影響：

（1）運動部件凍結(jié)在一起；

（2）增加雷達天線、氣動控制表面和直升機旋翼的質(zhì)量；

（3）引起結(jié)構(gòu)故障；

（4）降低冷卻系統(tǒng)或過濾器中的氣流效率；

（5）因使用機械、人工或化學(xué)除冰方法，對裝備帶來可能的損害來源；

（6）降低氣動提升和控制表面效率；

（7）影響電磁輻射傳輸。

極地地區(qū)鹽霧分布廣泛，大氣、海水中含有大量的鈉離子、氯離子，當濃度和溫度達到一定值時，會對金屬材料造成嚴重腐蝕。腐蝕一般有3 種形式：

（1）電化學(xué)反應(yīng)引起的腐蝕；

（2）加速應(yīng)力腐蝕；

（3）鹽在水中電離后形成的酸/堿溶液，造成腐蝕。

此外，裝備的電氣、物理特性也會受鹽霧影響：

（1）鹽的沉積使電氣功能失常；

（2）產(chǎn)生導(dǎo)電層；

（3）降低絕緣材料的絕緣電阻和增大電接觸元件的壓降；

（4）鹽的沉積使機械部件及組合件活動部分阻塞或卡死；

（5）由于電解作用導(dǎo)致漆層起泡。

極地低溫微生物腐蝕的機理十分復(fù)雜，具有獨特的影響因素，如抗凍蛋白、胞外多糖和細菌色素的參與，或與極地外部條件的耦合等，都會使材料的腐蝕機理更加復(fù)雜。焊縫是裝備最薄弱環(huán)節(jié)，尤其是微生物對焊縫的腐蝕可導(dǎo)致腐蝕速率最高增加1 000 倍[8]。微生物環(huán)境對裝備的影響主要有：

（1）降低絕緣材料的電性能；

（2）造成電子或電氣產(chǎn)品失靈；

（3）破壞密封，尤其焊縫更易被腐蝕；

（4）使金屬件腐蝕；

（5）破壞有機涂層。

3 極地裝備環(huán)境試驗

環(huán)境試驗是為了保證極地裝備在規(guī)定的壽命期內(nèi)，在預(yù)期的使用、運輸和貯存等所有環(huán)境下保持功能可靠性而進行的活動。在環(huán)境試驗中，可將極地裝備暴露在自然的或人工的環(huán)境條件下經(jīng)受其作用，以評價極地裝備在實際使用、運輸和貯存等環(huán)境條件下的性能，并分析研究環(huán)境因素對極地裝備的影響程度及作用機制。極地裝備應(yīng)當根據(jù)GJB 4239-2001《裝備環(huán)境工程通用要求》、GJB 150A-2009《軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法》等標準的相關(guān)要求，并結(jié)合裝備在使用、運輸和貯存期間環(huán)境剖面開展環(huán)境試驗。

3.1 低溫試驗

低溫試驗對極地裝備而言必不可少。開展低溫試驗的目的是考核極地裝備在低溫條件下貯存、工作及拆裝操作的適應(yīng)性，深入了解低溫條件對極地裝備工作性能、安全性及完整性的影響。

試驗溫度的確定，由裝備使用地域的氣候條件和暴露條件決定。表2 列出了世界范圍內(nèi)的低溫循環(huán)范圍摘要，表3 列出了低溫極值出現(xiàn)的概率。

表2 低溫循環(huán)范圍摘要

表3 低溫極值出現(xiàn)概率

雖然低溫環(huán)境通常是周期變化的，但多數(shù)情況下只進行恒定低溫試驗。除非在設(shè)計評估時認為裝備暴露于低溫變化環(huán)境下的性能非常關(guān)鍵，才選用循環(huán)低溫試驗。由于極地裝備常用于極地地區(qū)貯存和工作，需要同時參考表1 和表2，因為僅僅考慮低溫極值而不考慮概率，可能會造成過試驗條件。溫度還與產(chǎn)品貯存與工作狀態(tài)下的暴露條件有關(guān)，完全暴露、有遮擋、密封艙內(nèi)等環(huán)境直接影響其環(huán)境條件，這些因素也要詳加考慮。試驗時間與裝備實際使用的環(huán)境條件相關(guān)，也與裝備自身特點相關(guān)。如無特殊要求，極地裝備的低溫貯存試驗持續(xù)時間為24 h，低溫工作試驗持續(xù)時間為2 h。

3.2 積冰/凍雨試驗

積冰/凍雨試驗主要適用于地面或艦船裝備受到積冰/凍雨（主要是雨冰）的影響。對于暴露在由凍雨或細雨產(chǎn)生的積冰條件下的裝備，以及由海水濺沫或霧狀物而引起冰積聚的裝備，必須進行積冰/凍雨試驗，以考核裝備能否耐受積冰/凍雨環(huán)境并在該環(huán)境下工作，或者驗證裝備自身消除積冰和預(yù)防凍雨措施的有效性。

積冰/凍雨試驗在試驗箱內(nèi)進行，采用輔助儀器來控制試驗條件，例如試驗溫度、降水速率、水滴尺寸和積冰厚度等。試驗溫度用于產(chǎn)生所要求的環(huán)境條件，包括試驗箱的溫度、水溫和試件溫度。試驗箱和水的溫度應(yīng)按不同尺寸的試件進行調(diào)整，以防水滴在與試件接觸前過早地結(jié)冰；為了允許水在結(jié)冰前滲入裂口、接縫等，不應(yīng)采用0 ℃以下的初始試件溫度。GJB 150.22A 中推薦的試驗箱溫度為 -10 ℃，水溫為0 ～ 3℃，試件初始溫度不應(yīng)低于 0 ℃?？刹捎媚墚a(chǎn)生純凈、均勻雨冰層的任何降水速率，GJB 150.22A 中建議采用25 mm/h 的降水速率。對于不同試件，可以使水滴直徑在1.0 ～ 1.5 mm 范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，這樣會產(chǎn)生需要的結(jié)冰。積冰厚度在GJB 150.22A-2009 中的推薦值見表4。

表4 GJB 150.22A-2009 積冰厚度

積冰/凍雨試驗應(yīng)考慮裝備用途和壽命周期環(huán)境來確定試驗條件。GJB 150.22A 中根據(jù)裝備的工作目的和壽命周期選擇程序的可變部分（冰的形成方式和冰的類型）。

標準中提供了4 種冰的形成方式和2 種冰的類型，見表5。

表5 GJB 150.22A 中提供的冰的形成方式和類型

試驗前后對裝備的功能、性能要仔細檢查。如果裝備確定必須在不除冰環(huán)境中工作，則必須在不除冰條件下檢查裝備工作性能，否則可以除冰后再檢查，并注意除冰過程中是否對裝備造成了傷害。

3.3 鹽霧試驗

鹽霧試驗主要是為考核裝備耐鹽霧環(huán)境的能力。通過試驗來確定產(chǎn)品保護層或裝飾層材料選擇的正確性，檢測評估鹽沉積物對裝備物理和電氣性能的影響，定位潛在問題區(qū)域，發(fā)現(xiàn)質(zhì)量控制缺陷和設(shè)計缺陷等。

鹽溶液的濃度一般取5%±1%，務(wù)必注意用水質(zhì)量。鹽霧試驗采用噴霧和干燥循環(huán)的方式進行，噴鹽霧24 h、干燥24 h，2 種狀態(tài)交替進行，共進行96 h（2 個噴霧階段和2 個干燥階段），如果有特殊要求或需要加嚴考核，可以適當延長。噴霧階段的試驗溫度為35 ℃±2 ℃，如有特殊要求，則可使用其他適合的溫度。鹽霧沉降率可通過試驗箱（室）進行調(diào)節(jié)，每個收集器在80 cm2的水平收集區(qū)內(nèi)（直徑10 cm）的收集溶液量為1 ～ 3 mL/h。

試驗后應(yīng)分別從腐蝕、電氣和物理檢查結(jié)果3個方面進行鹽霧試驗結(jié)果綜合分析，最終確定裝備耐鹽霧環(huán)境的能力，具體如表6 所示。

表6 鹽霧試驗結(jié)果分析方法

3.4 微生物腐蝕試驗

微生物腐蝕試驗的目的是考核裝備耐微生物環(huán)境的能力，包括裝備材料是否會腐蝕。如果腐蝕，速度如何、裝備性能是否會受到影響、腐蝕以后有沒有簡單的處理辦法等，這些問題的確定有助于在裝備設(shè)計時選擇合適的材料或者合適的耐微生物環(huán)境防腐方法。

試驗條件有2 個重要因素：試件在微生物腐蝕環(huán)境中的暴露時間以及微生物的菌種類別。前者應(yīng)以裝備實際使用條件來確定，但由于腐蝕過程比較漫長，不適合在試驗室開展試驗。根據(jù)GJB 150A-2009 規(guī)定，最短持續(xù)時間28 d，根據(jù)要求和需要可以延長至84 d。菌種類別的選擇與裝備材料直接相關(guān)，不同的菌種對同一材料的侵蝕能力不同。因此，菌種的選擇要考慮產(chǎn)品材料特性，選擇影響最為惡劣的菌種來進行試驗。嗜冷菌在極地地區(qū)分布廣泛，對各種材料的降解顯著，極地裝備微生物腐蝕試驗一般選用此菌種。

試驗時，測試溫度應(yīng)在4 ℃±1 ℃范圍內(nèi)；腐蝕試驗試劑選用3.5%NaCl（70%）+2216E 含菌培養(yǎng)液（30%）；含菌培養(yǎng)液推薦養(yǎng)料嗜冷桿菌，25 ℃搖床 （120 r/min）培養(yǎng)24 h，細菌含量1×106cfu/mL， 也可以根據(jù)實際海域選用其他典型腐蝕性細菌； pH 為7.4 ～ 7.6。紫外線滅菌后的試樣放入400 mL 溶液中，連續(xù)浸泡（7 d 為1 個周期），也可根據(jù)特殊條件要求延長浸泡時間，將容器用0.22 μm 微孔封口膜密封。當試樣浸泡時間超出14 d，建議更換新鮮的含菌溶液（整個換液過程在生物安全柜中完成）。對試驗結(jié)果的分析包括：失重分析、點蝕分布表征和腐蝕速率計算等。

4 結(jié) 語

極地裝備是完成極地科考與開發(fā)，維護我國在北極地區(qū)利益的依托和保障。本文闡述了我國發(fā)展極地裝備的緊迫性，梳理了北極地區(qū)低溫、積冰/凍雨、鹽霧和微生物等惡劣環(huán)境對裝備的影響，論述了極地裝備開展相關(guān)環(huán)境試驗的條件、要求及注意事項。極地地區(qū)的環(huán)境復(fù)雜多變，各種環(huán)境因素對裝備具有耦合作用，環(huán)境試驗應(yīng)盡量達到多因素同時作用的情況。本文僅從極地自然環(huán)境角度思考了裝備環(huán)境試驗，然而，裝備及材料在低溫、冰載荷等因素作用下的硬度、強度、抗沖擊韌性、疲勞性能和冰載荷摩擦等力學(xué)環(huán)境試驗也要重點關(guān)注，并按照環(huán)境試驗的標準開展試驗。因此，后續(xù)應(yīng)進一步開展極地地區(qū)環(huán)境條件研究，更新極地裝備環(huán)境試驗標準，加強極地裝備環(huán)境試驗測試研究，為突破極地裝備研制關(guān)鍵點和技術(shù)瓶頸服務(wù)。