南海海島自動(dòng)氣象站對(duì)海洋環(huán)境的適應(yīng)性和性能

黃應(yīng)邦 林錫坤 馬勝偉 陳余海 潘灶林 吳洽兒

摘 要：本文結(jié)合南海海島自動(dòng)氣象站高濕、高溫、強(qiáng)輻射、高鹽霧、強(qiáng)風(fēng)等環(huán)境特點(diǎn)，對(duì)南海海島自動(dòng)氣象站出現(xiàn)的故障進(jìn)行分析總結(jié)，然后從南海海島自動(dòng)氣象結(jié)構(gòu)和防護(hù)要求出發(fā)，提出了金屬防銹防腐等防護(hù)措施，延長(zhǎng)南海海島自動(dòng)氣象站對(duì)海洋環(huán)境的適應(yīng)性和設(shè)備的使用年限。

關(guān)鍵詞：南海海島;海洋氣象站適應(yīng)性;防護(hù)措施

中圖分類(lèi)號(hào)：P415.1+2? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）09-0110-02

1引言

由于南海海島所處海域?yàn)闊釒Ъ撅L(fēng)氣候區(qū)域，北緯10°，為比較典型的海洋性氣候，加上南海距離陸地海岸線(xiàn)比較遠(yuǎn)、海島交通不便、維修難度比較大，受特殊地理環(huán)境因素的影響，結(jié)構(gòu)材料極易被腐蝕，為提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，需對(duì)自動(dòng)氣象站對(duì)海洋環(huán)境的適應(yīng)性進(jìn)行分析。

2 南海海島氣象站海洋環(huán)境的適應(yīng)性

南海海島站包括采集器、傳感器、供電和通信系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)安設(shè)附件、標(biāo)準(zhǔn)緊固件及管道線(xiàn)纜等，海南氣象局會(huì)每年定期對(duì)南海海島站的設(shè)施進(jìn)行巡檢。2015年6月，海南氣象局對(duì)包括南沙、西沙海島在內(nèi)的12個(gè)站點(diǎn)共計(jì)24套設(shè)施進(jìn)行巡檢，檢查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，南海海島站點(diǎn)共計(jì)237處設(shè)備故障點(diǎn)，誘因是設(shè)備材料、制作技術(shù)等，表現(xiàn)為金屬材料的腐銹蝕鹽化、非金屬材料的設(shè)備老化、設(shè)備對(duì)海洋環(huán)境的適應(yīng)性等;設(shè)備有結(jié)構(gòu)件、傳感器、電纜機(jī)箱及緊固件等;構(gòu)件是風(fēng)桿、拉索、相應(yīng)的橫臂支架，結(jié)合對(duì)檢查結(jié)果及故障原因分析可知，南海海島站因受到海洋環(huán)境“兩強(qiáng)、三高”影響，平均壽命降低，情況嚴(yán)重的只占普通氣象站的1/3～1/2，基于目前南海海島特殊自然環(huán)境條件、制作工藝及生產(chǎn)技術(shù)情況，提升新建的南海海島站在海洋環(huán)境適應(yīng)性和穩(wěn)定運(yùn)行期，由半年升到一年，基本符合海洋設(shè)備的應(yīng)用要求[1]。

3 南海海島氣象站的防護(hù)技術(shù)

當(dāng)下南海海島站設(shè)備材料分為金屬鋼鐵材料和非金屬材料，南海海島站集成性的影響因素為鋼鐵結(jié)構(gòu)的腐蝕、鹽化及非金屬材料老化等。在進(jìn)行南海海島站具體防護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)要結(jié)合部件特點(diǎn)選取相應(yīng)的防腐材料，如鋁、鈦合金、不銹鋼金屬材料、聚碳酸酯等非金屬材料，南海海島站設(shè)備材料需選用一定的鍍涂工藝，降低材料因環(huán)境因素而引起的變化性。

3.1 金屬材料的防銹蝕方法

海洋環(huán)境會(huì)引起金屬材料的腐蝕、銹蝕，主要是由于金屬和海洋環(huán)境周?chē)橘|(zhì)直接接觸，因海水作用而發(fā)生化學(xué)、電化學(xué)反應(yīng)，造成金屬材料的損壞，從以下入手：

（1）阻隔金屬和介質(zhì)的直接接觸，通過(guò)一定的措施使得金屬表面生產(chǎn)一層氧化保護(hù)膜，阻隔金屬和介質(zhì)的直接接觸，達(dá)到防腐蝕效果;

（2）陽(yáng)極保護(hù)，于金屬表面涂刷一層活性材料，以此為陽(yáng)極，因涂刷層電位低于金屬基體而呈現(xiàn)負(fù)極性，故在電化學(xué)反應(yīng)中以陽(yáng)極的形式遭到腐蝕，而作為陰極的金屬材料則被保護(hù)，金屬表面涂刷層的消耗使得金屬材料得到保護(hù)。

鑒于上述兩種方式，選取金屬材料時(shí)，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，最佳金屬材料為316不銹鋼，其防腐方法以阻隔金屬材料和介質(zhì)為主，通過(guò)在材料中摻入Cr、Mo等易氧化元素，在金屬材料表層生成致密的Cr2O3等保護(hù)膜，進(jìn)而阻隔金屬材料和周?chē)h(huán)境介質(zhì)的接觸，實(shí)現(xiàn)在一般大氣、酸堿鹽等環(huán)境中的金屬材料防腐;陽(yáng)極保護(hù)措施中，可在風(fēng)塔、結(jié)構(gòu)件、緊固件等金屬設(shè)施表層涂刷一層Zn、Al等，鋼鐵金屬材料為基底，Zn、Al鍍層為陽(yáng)極，電化學(xué)反應(yīng)時(shí)，陽(yáng)極鍍層因氧化腐蝕而形成致密的氧化保護(hù)膜，進(jìn)而有效保護(hù)基底材料，實(shí)現(xiàn)金屬材料的防腐。

3.2 南海海島線(xiàn)纜的老化、腐蝕防御

南海海島站建筑結(jié)構(gòu)及施工環(huán)境特殊，如長(zhǎng)期高溫、強(qiáng)濕度、輻射環(huán)境的作用等，使得多數(shù)南海海島站電纜線(xiàn)路呈現(xiàn)裸露狀態(tài)，降低了設(shè)備性能，引發(fā)設(shè)備故障，電纜所用橡膠材料包括丁苯橡膠、天然橡膠、乙丙橡膠等;塑料材料包括聚乙烯、聚丙、烯聚氯乙烯等，以上均不符合高溫、高濕、強(qiáng)輻射等特殊環(huán)境的使用需求，故在保證南海海島站電氣設(shè)備的性能的前期下，需盡可能選取耐高溫、耐高濕、耐強(qiáng)輻射等復(fù)合橡膠材料，有效抵御紫外線(xiàn)，確保線(xiàn)纜不會(huì)出現(xiàn)因日照腐蝕而引起損壞[2]，同時(shí)電纜還需具有一定的耐磨、抗酸堿腐蝕、不易撕裂等特性及銅網(wǎng)屏蔽線(xiàn)等材料。

3.3 焊接工藝的預(yù)防處理

金屬材料的防腐性能和金屬件的焊接技術(shù)有一定的關(guān)系。金屬件在焊接時(shí)需選用氬弧焊的方式，由于氬氣的波紋很細(xì)，且成型非常美觀，故將氬氣作為保護(hù)氣體，可有效保護(hù)焊縫，焊接質(zhì)量也得以保障。此外由于氬弧焊的能量較集中，焊接時(shí)熱影響的區(qū)域很小，有效降低其變形和變性，選取焊接材料時(shí)，性能需優(yōu)于焊接母材料，這樣可有效保證焊縫的材料和母體材料成分一致[3]。氬弧焊工藝可有效保障焊縫性能及化學(xué)成分，使得焊縫成分和機(jī)械性能保持和母體材料一致，避免晶界處的腐蝕，有效提升設(shè)備的防腐性能。

3.4 表面涂覆措施的要點(diǎn)

對(duì)于南海海島站的設(shè)備機(jī)箱及結(jié)構(gòu)件等為實(shí)現(xiàn)防腐、隔熱的目標(biāo)，需在其表面涂刷一層保護(hù)膜。調(diào)研發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)件的表面涂刷可選用靜電噴涂工藝，其原理是借助靜電原理把塑料粉末噴刷至金屬材料表層，靜電作用使得塑料粉末均勻附著在金屬表層，進(jìn)而呈現(xiàn)粉末狀涂層，經(jīng)過(guò)高溫的烘烤、熔化、固化等過(guò)程，粉末狀涂層于金屬表面構(gòu)成了均勻的保護(hù)層，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、強(qiáng)附著力、耐老化、耐腐蝕性。南海海島站的設(shè)備結(jié)構(gòu)件、機(jī)箱等選用表面靜電噴涂制作可有效降低設(shè)備的腐蝕，提升設(shè)備使用壽命，符合海洋環(huán)境下金屬構(gòu)件的設(shè)備防腐。

4 南海海島氣象站組成成分的防護(hù)方案

4.1 風(fēng)桿防護(hù)

因南海海島站周?chē)厥獾臍夂驐l件，使得常規(guī)的氣象風(fēng)桿的安裝、使用及維護(hù)過(guò)程中出現(xiàn)較多問(wèn)題。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析，最終選取由玻璃纖維復(fù)合非金屬材料構(gòu)成的新型風(fēng)桿，玻璃纖維復(fù)合非金屬材料的質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高、抗腐蝕性能更好，在運(yùn)輸、安設(shè)過(guò)程中更便捷，完全滿(mǎn)足海洋特殊環(huán)境的應(yīng)用要求[4]。對(duì)于風(fēng)桿安設(shè)的附件，包括拉索、索扣、預(yù)埋件等均選用316不銹鋼材料制備，可有效提升設(shè)備的抗腐蝕性能。風(fēng)塔結(jié)構(gòu)的南海海島站，可選用熱鍍鋅技術(shù)處理風(fēng)塔材料：風(fēng)塔制作時(shí)，可在鋼鐵結(jié)構(gòu)表層噴刷一層Zn、Al等陽(yáng)極性材料，避免電化學(xué)反應(yīng)對(duì)鋼鐵材料造成腐蝕，實(shí)現(xiàn)設(shè)備防腐。

4.2 機(jī)箱防護(hù)

因南海海島站周?chē)h(huán)境較特殊，為提升南海海島站機(jī)箱的特殊環(huán)境適應(yīng)性，增強(qiáng)機(jī)箱的吸熱、密封、抗腐蝕等性能，機(jī)箱制備時(shí)需排除聚熱材料，原因是聚熱材料易吸熱造成機(jī)箱溫度增加，溫度太高對(duì)采集器的性能和壽命將會(huì)產(chǎn)生直接影響。機(jī)箱最佳材料為316不銹鋼板或混合橡膠材料，其中316不銹鋼機(jī)箱需選用氬弧焊工藝進(jìn)行焊接、拼裝，并于機(jī)箱表層開(kāi)展靜電噴涂作業(yè)，確保機(jī)械的抗腐蝕性，提供機(jī)械的防護(hù)性能。為滿(mǎn)足機(jī)箱的防水防塵需求，機(jī)箱和門(mén)之間的密封條可選用聚氨酯材料，其中聚氨酯材料的材質(zhì)柔軟、密封性強(qiáng)、結(jié)合力好，不易發(fā)生脫落，均符合南海海島站機(jī)箱制作需求，適用于海洋環(huán)境。

4.3 傳感器防腐處理

（1）目前大多數(shù)南海海島站風(fēng)傳感器均為YOUNG風(fēng)傳感器，安設(shè)和更換時(shí)需用黃油處理緊固螺絲來(lái)降低結(jié)構(gòu)件的腐蝕程度，同時(shí)需用電工膠布裹纏引線(xiàn)的線(xiàn)纜接口來(lái)降低線(xiàn)纜的老化及腐蝕，選用穿管處理通信線(xiàn)纜，盡可能避免線(xiàn)纜外漏。

（2）溫濕度傳感器主要安設(shè)于防輻射罩里，高溫作用使得防輻射罩內(nèi)外具有較大的溫差，易產(chǎn)生液化的小水珠，并且附著在防輻射罩內(nèi)，引起濕敏元件出現(xiàn)飽和情況，造成測(cè)量誤差。市面上的VISALA公司制造的加熱型溫濕度傳感器HMP155A，可借助加熱器件來(lái)處理高濕條件下濕敏元件的飽和情況，同時(shí)借助熱轟擊方式處理濕敏元件污染情況，避免設(shè)備腐蝕[5]。設(shè)備使用時(shí)，需用電工膠布裹纏接線(xiàn)航空插頭，避免航空插頭因鹽化而出現(xiàn)腐蝕。

（3）常規(guī)雨量傳感器在特殊的海洋環(huán)境條件下，高溫、高濕、高鹽霧、強(qiáng)輻射等條件作用均易出現(xiàn)鹽化腐蝕，長(zhǎng)期使用會(huì)產(chǎn)生堵塞，故使用時(shí)盡可能選用非金屬材料生產(chǎn)的雨量筒。

5 結(jié)論

綜上所述，本文基于南海海島自動(dòng)氣象站項(xiàng)目，對(duì)其實(shí)際運(yùn)行中存在的防護(hù)問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)分析，為應(yīng)對(duì)海洋環(huán)境的特殊條件如南海海島強(qiáng)風(fēng)、強(qiáng)輻射、高溫、高濕度、高鹽性等，從南海海島站的結(jié)構(gòu)、設(shè)備、材料、集成性等方面入手，采用多種電子設(shè)備防護(hù)工藝及有效防護(hù)方案，有效提升海洋特殊環(huán)境條件作用下的南海海島站使用性能，延長(zhǎng)設(shè)備維護(hù)使用時(shí)間。

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基金項(xiàng)目：農(nóng)業(yè)農(nóng)村部漁業(yè)安全生產(chǎn)管理項(xiàng)目（171721301124112041-01，171721301124112041-02）;農(nóng)業(yè)農(nóng)村部南海漁業(yè)安全應(yīng)急處置與對(duì)策研究（02011020191111）;農(nóng)業(yè)農(nóng)村部外海漁業(yè)開(kāi)發(fā)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2018年度開(kāi)放基金課題（LOF 2018-05）。