海岛应急保障设备防潮防尘防盐雾一体化微环境控制技术及性能验证.pdf

第 21 卷 第 1 期 装 备 环 境 工 程 2024 年 1 月 EQUIPMENT ENVIRONMENTAL ENGINEERING 135 收稿日期：2023-09-03；修订日期：2023-11-12 Received：2023-09-03；Revised：2023-11-12 基金项目：民机科研项目（MJZ5-3N21）Fund：Civil Aircraft Research Project(MJZ5-3N21)引文格式：刘元海,陈川,李秋平,等.海岛应急保障设备防潮防尘防盐雾一体化微环境控制技术及性能验证J.装备环境工程,2024,21(1):135-141.LIU Yuanhai,CHEN Chuan,LI Qiuping,et al.Integrated Micro-environment Control Technology and Performance Verification of Island Emer-gency Support Equipment Against Moisture,Dust and Salt SprayJ.Equipment Environmental Engineering,20243,21(1):135-141.*通信作者（Corresponding author）海岛应急保障设备防潮防尘防盐雾一体化 微环境控制技术及性能验证 刘元海1，陈川2，李秋平1，张鑫1*（1.中国特种飞行器研究所 结构腐蚀防护与控制航空科技重点实验室，湖北 荆门 448035；2.中国电器科学研究院有限公司 工业产品环境适应性国家重点实验室，广州 510663）摘要：目的目的 研发防潮防尘防盐雾一体化微环境控制技术与过滤设备，为延长海岛应急保障设备寿命提供技术支撑。方法方法 通过对比过滤器入口与出口湿度的变化情况，评估其防潮性。在试验棚下测试开启和未开启过滤设备过程中灰尘浓度的变化情况，测试其防尘性。利用吸气法采集过滤器前后端盐雾浓度，对比其过滤效率。利用高精度铜腐蚀片还原法，表征过滤前后盐雾浓度对腐蚀性的影响情况。结果结果 采用防潮防尘防盐雾一体化控制技术后，相对湿度由 94%降至 72%，粉尘质量浓度降低至 3 g/m3以下，环境腐蚀等级由G2 降至 G1，盐雾浓度水平由 Sc3 降至 Sc1。结论结论 防潮防尘防盐雾一体过滤技术具有良好的防潮、防尘以及防盐雾效果，可为海洋服役环境下的应急保障设备优化使用环境，保障其安全运行。关键词：防潮；防尘；防盐雾；过滤性能；一体化设备；应急保障设备 中图分类号：TG174.2 文献标志码：A 文章编号：1672-9242(2024)01-0135-07 DOI：10.7643/issn.1672-9242.2024.01.018 Integrated Micro-environment Control Technology and Performance Verification of Island Emergency Support Equipment Against Moisture,Dust and Salt Spray LIU Yuanhai1,CHEN Chuan2,LI Qiuping1,ZHANG Xin1*(1.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Structural Corrosion Protection and Control,China Special Vehicle Research Institute,Hubei Jingmen 448035,China;2.State Key Laboratory of Environmental Adaptability for Industrial Products,China National Electric Apparatus Research Institute Co.,Ltd.,Guangzhou 510663,China)ABSTRACT:The work aims to study the integrated micro-environment control technology and filter equipment against moisture,dust and salts pray,so as to provide technical support for extending the life of island emergency support equip-ment.The moisture resistance of filter was evaluated by comparing the humidity change at the filter inlet and outlet.The dust resistance was evaluated by testing the change of dust concentration in the natural environment when the filter system was opened or not opened under the test shed.The concentration of salt spray at the front and back end of the filter was 136 装 备 环 境 工 程 2024 年 1 月 collected by suction method to compare its filtration efficiency,and the effect of salt spray concentration on corrosion before and after filtration was characterized by high-precision copper corrosion sheet by reduction method.After the in-tegrated control technology against moisture,dust and salt spray was adopted,the humidity was reduced from 94%to 72%,the dust was reduced to less than 3 g/m3,the environmental corrosion grade was reduced from G2 to G1,and the salt spray concentration level was reduced from Sc3 to Sc1.The integrated filtration technologyhas excellent moisture,dust and salt spray prevention effects,which can optimize the application environment for the emergency support equip-ment used in marine service environment and ensure the safe operation.KEY WORDS:moisture prevention;dust prevention;salt spray prevention;filtration performance;integrated equipment;emergency support equipment 海洋大气环境影响金属设备腐蚀或故障的主要因素包括温度、湿度、盐雾、灰尘等。当温度较高时，分子活性增大，扩散加快，从而导致金属腐蚀速率加快；当环境中湿度较大时，潮湿环境易促使设备生霉生锈、产生凝露等问题的发生，严重影响电气设备的安全运行；灰尘因吸水性、尘粒电荷性等特征使其很容易在设备的周围凝集沉降，从而破坏设备的正常运行；盐雾环境则能增加金属材料的腐蚀速率，并且促进钝性金属点蚀的发生和发展，对设备的安全运行危害极大1-5。由于我国某海域具有高温、高湿、高盐雾和强辐照的“三高一强”热带海洋环境特点，服役于该环境中的海岛应急保障设备，因缺少有效合理的防护和存储方法，其腐蚀老化和功能失效问题十分突出，而频繁地更换备品备件与设备维护则会造成较大的经济损失6-9。因此，有必要对海洋环境下应急保障设备的运行或存储环境进行有效控制。由于这些应急保障设备相对精密、结构复杂、种类繁多，从材料或部件自身提高环境适应性，牵涉面广，难度大，且成本高，通过控制设备服役环境减缓其腐蚀，相对更为经济高效。目前，海洋环境控制技术主要包括控温、控湿、除尘、除盐雾等。常用的除湿方式包括机械除湿、吸附除湿及加热除湿等；常用的灰尘过滤模块有滤袋式过滤模块、波纹板孔过滤模块等；目前除盐雾技术主要有分离除盐雾技术、电除盐雾技术及过滤除盐雾技术10-13。由于环境优化控制因素较多，单向控制较为复杂，为精密设备服役环境优化控制带来一定的困难。因此，本文针对上述问题，设计开发出一种适用于海洋环境的具有防潮除尘防盐雾多功能一体化的微环境处理技术与设备，并进行了优化控制效果评估，为服役于海洋环境的电气设备安全运行提供保障14-15。1 基于渐进结构的防潮防尘防盐雾过滤设备设计与开发 针对防尘、防潮以及防盐雾需求，渐进结构的防潮防尘防盐雾过滤技术核心在于过滤模组，选用经超疏水处理的粗细纤维掺混的渐进结构，能良好地过滤潮气、尘粒和盐粒的同时，又减少了风阻。过滤模组由 2 个滤芯和 2 个压差传感器构成。初效滤芯主要是过滤灰尘等较大粒度固体杂物，渐进式超疏水性盐雾过滤模块用于过滤空气中盐雾，压差传感器主要是为了预警过滤模块正常工作时的过滤模块阻塞，即时监测第一初效过滤模块入口与出口的压力变化值，以及渐进式盐雾过滤模块的入口和出口的压力变化值。2级滤芯组合使用，大大提高了过滤模块的过滤效率。同时，初效过滤模块的使用延长了渐进式过滤模块的使用寿命，大气盐雾净化的流程如图 1 所示。图 1 大气盐雾净化流程 Fig.1 Atmospheric salt spray purification process 基于上述原理，设计了一种小型防潮防尘防盐雾集成化过滤系统。该过滤系统可直接置于机柜内，水平或垂直固定于设备机箱/机柜内，在设备箱柜内取风，净化后再次送入箱柜内，实现箱柜内自循环。它具备良好的集成性，可以选配监测传感器，对柜内温湿度、盐雾浓度等进行实时监测，实现智能控制16-17，其外观如图 2 所示。2 防潮防尘防盐雾同步控制效果试验研究 防潮、防尘、防盐雾一体化过滤设备过滤效果的验证主要包括防潮性验证、防尘性验证及盐雾过滤效 第 21 卷 第 1 期 刘元海，等：海岛应急保障设备防潮防尘防盐雾一体化微环境控制技术及性能验证 137 图 2 防潮防尘防盐雾一体过滤器 Fig.2Integrated filter against moisture,dust and salt spray 果验证。防潮性主要在室内验证，利用加湿器从过滤器入口源源不断地输送水汽，通过对比过滤器入口与出口湿度的变化情况，评估其防潮性。防尘性测试主要在试验棚下进行，测试开启和未开启过滤设备过程中灰尘浓度的变化情况。盐雾过滤性能评价主要通过对比设备在室内模拟盐雾及试验棚对流状态下的盐雾过滤效果，利用吸气法采集过滤器前后端盐雾浓度，对比其过滤效率。同时，利用高精度铜腐蚀片还原法，考察过滤前后对盐雾浓度腐蚀性的影响18-22。2.1 防潮性验证 开启过滤设备，利用加湿器在过滤器前端提供稳定的潮气来源，待稳定后，记录前端、后端相对湿度数据，并观察前端、后端凝结水情况，防潮性验证过程如图 3 所示。湿度稳定后，分别记录过滤设备前端和后端的相对湿度，观察过滤器前端外部、内部，发现过滤器外壳上均有明显水珠凝结。过滤开启 10 min内，过滤前后相对湿度测试数据结果如图 4 所示。可以看出，过滤器前端的相对湿度一直保持在 90%以上，而过滤后端的相对湿度保持在 75%左右。表明潮气经过该过滤设备时被有效拦截，使得相对湿度大幅度降低，该过滤设备具有良好、稳定的防潮效果。图 3 防潮性验证过程 Fig.3 Verification process of moisture prevention 图 4 过滤设备开启 10 min 过程中前后端相对 湿度的变化情况 Fig.4 Humidity change at the front and back ends of the filtration equipment within 10 min after starting 2.2 防盐雾效果试验 2.2.1 室内 在过滤器前端喷洒浓度为 0.1 mol/L 的 NaCl 溶液，喷雾速率为 200 mL/h，收集过滤器前后大气盐雾含量以及测试过滤器前后铜片的腐蚀速率。其中，吸气法的采气时间为 1 h，还原法铜片的监测时间为1 d，并与普通高效、初效过滤模块组成的过滤器进行对比。过滤前/后盐雾浓度的比值越大，表明前后差异越大，即比值越大，防护效果越好。盐雾浓度测试数据见表 1，腐蚀速率测试数据见表 2，盐雾过滤前后铜表征片的外观如图 5 所示。表 1 盐雾过滤前后盐雾浓度测试数据 Tab.1 Test data of salt spray concentration before and after salt spray filtration 定量限/(mgL1)测试结果/(mgL1)环境等级渐进结构防潮防尘防盐雾过滤前 0.1 31.00 ScX渐进结构防潮防尘防盐雾过滤后 0.1 0.14 Sc2普通高效过滤模块过滤前0.1 28.88 ScX普通高效过滤模块过滤后0.1 4.01 Sc3普通初效过滤模块过滤前0.1 29.12 ScX普通初效过滤模块过滤后0.1 6.55 ScX 由表 1 可以看出，该防潮防尘防盐雾一体过滤设备将盐雾浓度从 ScX 等级降至 Sc2 等级，而普通高效、初效过滤设备过滤后，盐雾浓度依旧较高。腐蚀速率分析结果表明，采用防潮防尘防盐雾一体过滤技术后，还原片腐蚀速率的降低幅度最大，即其过滤效果最好。通过室内盐雾过滤效率研究发现，该渐进式防潮防尘防盐雾一体化过滤设备具有良好的过滤效果，结合往期灰尘、潮气测试结果，表明其综合性能良好。138 装 备 环 境 工 程 2024 年 1 月 表 2 盐雾过滤前后铜表征片测试数据 Tab.2 Test data of copper sheet before and after salt spray filtration Cu2O 膜厚度/nmCuO 膜厚度/nm腐蚀膜总厚度/nm过滤器前/后腐蚀膜厚度比值渐进结构防潮防尘防盐雾过滤前 46.35 756.22 802.57 渐进结构防潮防尘防盐雾过滤后 11.59 9.39 20.97 38.27 普通高效过滤模块过滤前 231.73 530.17 761.90 普通高效过滤模块过滤后 21.25 33.67 54.92 13.87 普通初效过滤模块过滤前 312.21 329.76 641.97 普通初效过滤模块过滤后 48.95 46.05 94.99 6.76 图 5 盐雾过滤前后铜表征片外观照片 Fig.5 Appearance photos of copper sheet before and after salt spray filtration:a)progressive structure against moisture,dust and salt spray;b)ordinary high-efficiency filtration module;c)ordinary initial filtration module 2.2.2 海洋环境盐雾效果验证 对防潮防尘防盐雾一体过滤设备在海南某试验棚内进行盐雾过滤效果验证实验，在环境试验棚内进行内循环过滤，利用纳米级腐蚀铜还原法表征片评估过滤效果15-16，测试现场如图 6 所示。高精度铜腐蚀片还原法数据分析结果见表 3，腐蚀片外观如图 7 所示。利用吸气法采集过滤前端、后端盐雾浓度，分析数据见表 4。由表 3 和表 4 的数据结果可以看出，在海洋环境开启该过滤器后，腐蚀等级由 G2 降至 G1。有过滤设备的铜片在腐蚀 63 d 后，累积平均总腐蚀膜厚约为 38.31 nm，而无过滤设备的铜片，仅腐蚀 35 d 后，累积平均总腐蚀膜厚达到了 44.37 nm。表明有过滤设备环境明显较无过滤设备更好，大气采样法数据分析表明，过滤后平均盐雾浓度水平 0.2 mg/m3降低至 0.04 mg/m3，环境等级由 Sc3 降至 Sc1，表明该过滤设备具有良好的盐雾过滤效果。通过盐雾、灰尘及潮气过滤，环境的腐蚀性降为 G1，即温和环境。2.3 防尘效果验证 在试验棚下利用灰尘传感器实时记录某一监测日灰尘浓度的变化情况，数据如图 8 所示。可以看出，表 3 有过滤设备投放的还原法铜表征片数据分析结果 Tab.3 Results of data analysis of copper sheet by reduction method under the condition withthe filtration equipment 样品编号 Cu2O 膜 厚度/nm CuO 膜 厚度/nm 监测 天数/d 腐蚀膜 总厚度/nm 腐蚀膜厚/(nmmonth1)环境等级 1-2 14.15 22.06 63 36.21 28.98 G1 2-2 15.64 24.33 63 39.97 29.79 G1 3-2 15.02 23.74 63 38.76 28.89 G1 第 21 卷 第 1 期 刘元海，等：海岛应急保障设备防潮防尘防盐雾一体化微环境控制技术及性能验证 139 图 6 海南某试验棚下盐雾过滤效果验证实验 Fig.6 Verification test of salt spray filtration effect under a test shed in Hainan:a)with filtration equipment;b)withoutfiltration equipment a 1-2 b 2-2 c 3-2 d 1-1 e 2-1 f 3-1 图 7 有无过滤系统还原法铜表征片外观照片 Fig.7 Appearance photos of copper sheet by reduction method under the condition with or without filtration system 表 4 无过滤系统投放的还原法铜表征片数据分析结果 Tab.4 Results of data analysis of copper sheet by reduction method under the condition without the filtration equipment 样品编号 Cu2O 膜 厚度/nm CuO 膜 厚度/nm 监测 天数/d 腐蚀膜 总厚度/nm 腐蚀膜厚/(nmmonth1)环境 等级 1-1 19.31 15.79 35 35.10 32.50 G2 2-1 24.53 24.97 35 49.50 45.83 G2 3-1 17.37 31.15 35 48.52 44.92 G2 无过滤系统时，环境中灰尘浓度较高，以粒径为 0.3 m的灰尘为例，其质量浓度超 20 000 g/m3；有过滤系统的场所，所有灰尘的粒径范围均在 3 g/m3以下，表明该过滤系统具有良好的灰尘过滤效果。140 装 备 环 境 工 程 2024 年 1 月 图 8 灰尘过滤效果 Fig.8 Dust filtration effect 3 结论 本文针对海洋环境优化需求，研制出防潮防尘防盐雾一体化过滤设备，并利用吸气法、还原铜表征片法在实验室及海洋环境进行了过滤性能验证，得出以下结论：1）通过初效过滤模组与渐进结构疏水性过滤模组、压差传感器等集成设计出一种具有防潮防尘防盐雾一体化过滤系统，其体积小巧，可置于设备机箱机柜内部，实现小空间内循环。2）采用防潮防尘防盐雾一体化控制技术后，相对湿度由 94%降至 72%，粉尘降低至 3 g/m3以下，环境腐蚀等级由G2降至G1，盐雾浓度水平由Sc3降至Sc1。防潮性、防盐雾及防尘效果验证实验结果表明，该防潮防尘防盐雾一体过滤技术具有良好的防潮、防尘以及防盐雾效果，可为海洋服役环境下的应急保障设备提供环境优化，保障其安全运行。参考文献：1 战贵盼,张安琪.海洋环境下机载电子设备腐蚀防护与控制技术J.舰船电子工程,2022,42(4):181-185.ZHAN G P,ZHANG A Q.Corrosion Protection and Control Technology of Airborne Electronic Equipment in Marine EnvironmentJ.Ship Electronic Engineering,2022,42(4):181-185.2 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