前言

    濕熱海洋環(huán)境最大的特點就是高溫、高濕、高鹽霧，電器設(shè)備長期處于這種惡劣大氣環(huán)境當中，如果防護措施不到位就會造成電器設(shè)備內(nèi)部元器件的快速污染、腐蝕，進而使這些元器件的品質(zhì)快速下降，大大縮短其使用壽命，嚴重威脅到電器設(shè)施的安全運行。在元器件受到污染及腐蝕的同時，也往往意味著電器絕緣性能的嚴重下降，進而嚴重威脅到人身與設(shè)施的安全。與此同時，電器設(shè)備相對精密，一旦出現(xiàn)故障，很難進行維修，嚴重時甚至需要全部翻新，其環(huán)境失效維護成本通常較高。因此非常有必要對電器設(shè)備采取有效的防護措施。

    濕熱海洋環(huán)境下，電器設(shè)備腐蝕失效是一個比較復(fù)雜的問題，與很多因素有關(guān)，如材料選型不當，電器設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，霉菌、溫度、濕度、鹽霧等環(huán)境因素的影響，其中電子元器件服役微環(huán)境是影響電器設(shè)備腐蝕失效的最直接也是最關(guān)鍵的問題。為了更好解決電器設(shè)備的腐蝕失效問題，必須對濕熱海洋環(huán)境下電器設(shè)備服役微環(huán)境的腐蝕嚴酷程度進行有效評估，摸清電器設(shè)備內(nèi)部元器件存在的主要問題，并基于電器設(shè)備實際服役工況微環(huán)境數(shù)據(jù)采取有針對性的防護措施。為此我們開展了電器設(shè)備服役微環(huán)境腐蝕嚴酷度量化表征方法研究以及濕熱海洋環(huán)境下電器設(shè)備腐蝕防護技術(shù)研究，采用適用的腐蝕環(huán)境控制技術(shù)為關(guān)鍵電器設(shè)備內(nèi)部提供潔凈的空氣，從而使之免受腐蝕侵害。下面對這些相關(guān)研究工作做個簡要的介紹。

    濕熱海洋環(huán)境下關(guān)鍵電器設(shè)備服役微環(huán)境腐蝕狀況分析

    傳統(tǒng)腐蝕性表征方法有很多，如金屬掛片稱重法、XRD定量分析法、EDX 定量分析法等，但是由于電器設(shè)備的工作環(huán)境腐蝕性相對微弱，金屬表面形成的腐蝕產(chǎn)物膜在 100-2000A，金屬掛片的重量變化在 0.001g 的量級，再加上附著在掛片表面的灰塵的影響，通過稱重法測量腐蝕產(chǎn)物膜重量，誤差較大。另外，微腐蝕環(huán)境下，腐蝕產(chǎn)物膜很薄，XRD 衍射強度弱，XRD 測試結(jié)果誤差也較大，EDX 分析時電子束很容易穿過膜層，到達基體，也會造成較大的誤差。總的來說傳統(tǒng)腐蝕性表征方法都存在一定的局限性。

    為此我們開發(fā)了高精度銅表征測試片，該測試片具有純度高、含氧量低、組織均勻等特點，在微腐蝕環(huán)境下，能夠準確表征腐蝕環(huán)境嚴酷度，腐蝕產(chǎn)物膜厚度理論測試精度可以達到 1A，能夠?qū)ξ⒘扛g環(huán)境進行分析，可以用于表征電器設(shè)備實際服役微腐蝕環(huán)境。以下將以實例加以說明。

    為了摸清濕熱海洋環(huán)境下某關(guān)鍵電器設(shè)備實際服役微環(huán)境，我們將銅測試片置于電器設(shè)備內(nèi)部進行為期 1 個月的監(jiān)測，1 個月后銅表征測試片表面形成一層明顯的腐蝕產(chǎn)物膜，如圖 1 A 所示。在掃描電子顯微鏡下觀察腐蝕產(chǎn)物膜，可以看到腐蝕產(chǎn)物膜比較平整，表面有一些小顆粒，如圖 1B所示。采用 EDS 分析腐蝕產(chǎn)物膜中的元素組成及其含量，詳細見表 1。腐蝕產(chǎn)物膜中的主要組成元素是 Cu 和 O，原子百分比分別是 70.83%、26.58%；由于空氣中的鹽霧沉積到銅表征測試片上，所以腐蝕產(chǎn)物膜中還含有 0.99% 的 Cl 元素。

A 宏觀形貌

B微觀形貌

圖一.銅表征測試片在電器設(shè)備內(nèi)部環(huán)境監(jiān)測1個月后形貌

    通過電解還原法分析銅表征測試片表面的腐蝕產(chǎn)物膜，測得電位 （E）- 時間 （t） 曲線如圖 2 所示。由此判斷腐蝕產(chǎn)物膜的主要成分為 CuO，通過計算得到腐蝕產(chǎn)物膜厚約 2447A。銅表征測試片的腐蝕速率為 2447/ 月，根據(jù) ISA 71.04-2013，可以判定濕熱海洋環(huán)境下某關(guān)鍵電器內(nèi)部環(huán)境的腐蝕性等級屬于 GX 級，即微環(huán)境十分嚴酷，電器設(shè)備面臨腐蝕風險性極大，迫切需要采取有效的防護措施對其進行保護。

圖2.銅表征測試片腐蝕產(chǎn)物膜電解還原曲線

    濕熱海洋環(huán)境下關(guān)鍵電器設(shè)備腐蝕防護技術(shù)研究

    目前有關(guān)電器設(shè)備的腐蝕防護技術(shù)主要從材料、工藝、結(jié)構(gòu)等方面著手，如選擇耐蝕性優(yōu)異的元器件材料；采用特殊工藝如表面涂覆、噴三防漆等提高電路板的耐蝕性；改善電器設(shè)備結(jié)構(gòu)如增加電器設(shè)備 IP 防護等級等。這些腐蝕防護技術(shù)均能一定程度上提高電器設(shè)備的耐蝕性，使得電器設(shè)備內(nèi)部電子元器件免遭腐蝕侵害。但是這些技術(shù)不僅成本高，防護效果有限，而且還受一些產(chǎn)品特點的限制，如接插件這類金屬元器件由于考慮電性能的影響，只能采用某類導(dǎo)電性高的材料且不能采用過多的表面處理防護技術(shù)，因此必須采取更為有效的防護措施對電器設(shè)備進行整體防護，才能從根本上解決電器設(shè)備的腐蝕失效問題。

    腐蝕環(huán)境凈化技術(shù)作為電器設(shè)備防護的新型防護技術(shù)之一可使以上難題迎刃而解，這種凈化技術(shù)主要通過鹽霧凈化過濾器對設(shè)備內(nèi)部環(huán)境進行有效控制，直接改善電器設(shè)備內(nèi)部的服役微環(huán)境，使相應(yīng)的電器設(shè)備、零部件及元器件處于相對理想的微環(huán)境條件下，進而實現(xiàn)對其進行有效防護的目的。下面將從實驗室凈化效果測試和現(xiàn)場應(yīng)用兩方面介紹腐蝕環(huán)境凈化技術(shù)。

    1.試驗室鹽霧凈化過濾器凈化效果測試

    鹽霧凈化過濾器采用具有漸進結(jié)構(gòu)的超疏水性過濾材料，提高過濾效率和容塵量的同時，不會導(dǎo)致壓差的快速上升。設(shè)備初始壓差在 100 ～ 120Pa 之間，可過濾尺寸處于2μm ～ 10μm 之間海鹽粒子，凈化后電器設(shè)備內(nèi)部腐蝕等級可以達到 G1 等級。為了測試鹽霧凈化過濾器對高濃度鹽霧的過濾效果，我們開展了以下幾項測試：

    首先，持續(xù)向鹽霧凈化過濾器加 JIS 15 號測試灰，直到壓降達到初始壓降的兩倍時為止。如圖 3A 所示，測試灰被過濾器攔截，出風面上沒有測試灰，說明鹽霧凈化過濾器能夠很好的過濾空氣中的粉塵。

    然后用加濕器模擬高濃度鹽霧，可以看到，鹽霧在進風面形成液滴，而且液滴沒有透過出風面，如圖 3B 所示。

    再將過濾器烘干（40℃），此時，進風面上的液滴變成固體顆粒，出風面上沒有任何固體顆粒，如圖 3C 所示。

    最后將過濾器放在 40℃、95%RH 的恒溫恒濕室內(nèi)，部分鹽粒吸潮變?yōu)橐旱巍４藭r，過濾器仍保持良好的疏水性，出風面上沒有任何水滴滲透，如圖 3D 所示。這些試驗結(jié)果表明，鹽霧凈化過濾器能有效地過濾掉空氣中的高濃度鹽霧。

    2.鹽霧凈化處理系統(tǒng)在濕熱海洋環(huán)境下電器設(shè)備的應(yīng)用

    為了進一步測試鹽霧凈化過濾器的凈化效果，我們將其應(yīng)用到濕熱海洋環(huán)境下某電器設(shè)備，該設(shè)備前期已通過銅測試片表征其內(nèi)部腐蝕性等級為 GX 級。根據(jù)電器設(shè)備結(jié)構(gòu)等綜合特征為其定制鹽霧凈化處理系統(tǒng)，采取內(nèi)部循環(huán)風的方式對內(nèi)部進行鹽霧凈化處理。通過合理設(shè)計風管，以把凈化風均勻地配送到各個位置，從而對電器設(shè)備內(nèi)部的腐蝕環(huán)境進行有效的控制，實現(xiàn)對電器設(shè)備內(nèi)部進行較好的保護。

    為了對鹽霧凈化處理系統(tǒng)凈化效果進行有效的評估，我們采用銅表征測試片對凈化后的電器設(shè)備內(nèi)部環(huán)境進行為期一個月的監(jiān)測，一個月后銅表征測試片表面如圖 4A 所示，銅表征測試片表面光亮，肉眼觀察不到明顯的腐蝕產(chǎn)物膜。在掃描電子顯微鏡下觀察銅表征測試片表面，可以觀察到少量腐蝕斑點，如圖 4B 所示。采用 EDS 分析腐蝕產(chǎn)物膜中的元素組成及其含量，詳細見表 2。腐蝕產(chǎn)物膜中的主要組成元素是Cu 和 O，原子百分比分別是 82.27%、15.06%，沒有發(fā)現(xiàn) Cl元素。

圖4.鹽霧凈化處理系統(tǒng)后，銅表征測試片對電器設(shè)備內(nèi)部環(huán)境監(jiān)測1個月后的形貌

圖5.鹽霧凈化處理系統(tǒng)后，銅表征測試片腐蝕產(chǎn)物膜電解還原曲線

    通過電解還原法分析銅表征測試片表面的腐蝕產(chǎn)物膜，測得電位 （E）- 時間 （t） 曲線如圖 5 所示。由此判斷腐蝕產(chǎn)物膜的主要成分為 Cu 2 O 和 CuO，通過計算得到 Cu 2 O 的厚度為 49?，CuO 的厚度為 103?，腐蝕產(chǎn)物膜總厚度為 152?，所以銅表征測試片的腐蝕速率為 152?/ 月。根據(jù) ISA 71.04-2013，濕熱海洋環(huán)境下某電器設(shè)備內(nèi)部環(huán)境在采用鹽霧凈化處理系統(tǒng)后的腐蝕性等級由凈化前的 GX 級提升至 G1 級，即電器設(shè)備內(nèi)部環(huán)境良好，不會對設(shè)備造成影響。由此可見，采用鹽霧凈化處理系統(tǒng)后，能有效過濾掉空氣中的鹽霧，電器設(shè)備內(nèi)部環(huán)境得到了明顯的改善，腐蝕性明顯降低。

    濕熱海洋環(huán)境氣候下，關(guān)鍵電器設(shè)備在含有鹽霧的空氣中易發(fā)生腐蝕，鹽霧凈化處理系統(tǒng)作為一種新型防護技術(shù)，可以通過對設(shè)備內(nèi)部的微環(huán)境進行有效的控制，直接改善電器設(shè)備內(nèi)部的服役微環(huán)境，進而對電器設(shè)備進行有效的防護。

    結(jié)語

    濕熱海洋大氣環(huán)境下，電器設(shè)備長期處于高溫、高濕、高鹽霧嚴酷的環(huán)境中，面臨的腐蝕問題形勢非常嚴峻，直接導(dǎo)致電器設(shè)備故障率顯著增加，甚至可能造成數(shù)據(jù)采集差錯、控制動作失當， 造成意外事故， 嚴重影響生產(chǎn)任務(wù)和財產(chǎn)安全。

    因此，對濕熱海洋大氣環(huán)境下電器設(shè)備服役微環(huán)境進行有效的評估，并基于電器設(shè)備實際工況環(huán)境數(shù)據(jù)提出有針對的腐蝕防護措施，是非常必要的。

    當然，濕熱海洋環(huán)境下電器設(shè)備的腐蝕失效是一個非常復(fù)雜的問題，有關(guān)電器設(shè)備的腐蝕防護還有很多問題亟待研究解決，本文介紹的僅是我們在電器防護方面做的一些工作，拋磚引玉，僅供大家參考。

    作者簡介

    揭敢新，男，1966年11月出生，教授級高級工程師，國務(wù)院政府特貼專家，畢業(yè)于西安交通大學(xué)，現(xiàn)就職于中國電器科學(xué)研究院有限公司工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性國家重點實驗室，擔任全國電工電子產(chǎn)品環(huán)境標準化技術(shù)委員會氣候分會主任委員、全國電工電子產(chǎn)品著火危險試驗標準化技術(shù)委員會主任委員，主要從事工業(yè)產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性相關(guān)研究工作，近十年承擔包括973、國家自然科學(xué)基金等25項科研項目；組織制修訂國標72項；獲專利6項，出版專著2部，發(fā)表學(xué)術(shù)論文38篇；獲省部級獎勵7項。

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責任編輯：殷鵬飛

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