列車表面涂層光老化試驗(yàn)加速因子建模研究

宿興濤，陳凱鋒

（1.北京應(yīng)用氣象研究所，北京 100029；2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所廈門分部，福建 廈門 361101）

目前，利用有機(jī)涂層防腐是普遍應(yīng)用的防腐技術(shù)。在大氣環(huán)境中，有機(jī)涂層受環(huán)境因素影響，發(fā)生老化，是引起涂層失效的主要因素之一，可造成大量資源消耗和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，甚至釀成惡性事故，給設(shè)備和生命財(cái)產(chǎn)安全帶來威脅。用于涂層評(píng)價(jià)的氣候環(huán)境試驗(yàn)包括自然環(huán)境試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室模擬加速環(huán)境試驗(yàn)。自然環(huán)境試驗(yàn)相對可靠，但是試驗(yàn)周期長、耗資大、可控性差，難以滿足產(chǎn)品研制、試驗(yàn)和快速評(píng)價(jià)的需求。實(shí)驗(yàn)室模擬加速試驗(yàn)具有試驗(yàn)周期短、重現(xiàn)性好的優(yōu)點(diǎn)[1]，能對涂層體系進(jìn)行快速有效的評(píng)價(jià)，是目前廣泛應(yīng)用的氣候環(huán)境試驗(yàn)技術(shù)。

陽光是有機(jī)涂層實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)中必須考慮的環(huán)境變量。到達(dá)地面的太陽光所含紫外線能量一般介于314~419 kJ/mol 之間，而大部分聚合物的化學(xué)鍵離解能一般為200~500 kJ/mol[2]?？梢姡贤饩€具有破壞有機(jī)涂層化學(xué)鍵的能量，可引發(fā)涂層的自動(dòng)氧化反應(yīng)，從而造成老化分解。因此，對涂層的光老化研究主要集中在紫外光老化研究。一般情況下，將自然環(huán)境下紫外輻射總量與光老化加速試驗(yàn)箱光輻射能量進(jìn)行對比，即可得到實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)的加速因子。國內(nèi)關(guān)于光老化試驗(yàn)加速因子建模研究方面開展過一些工作。葉美琪等[3]根據(jù)廈門海域大氣海洋環(huán)境條件，通過研究實(shí)驗(yàn)室紫外輻射燈模擬的紫外輻射當(dāng)量與實(shí)際太陽紫外輻射的關(guān)系，建立了廈門地區(qū)實(shí)驗(yàn)室加速試驗(yàn)的倍率模型。蘇艷等[4]在江津地區(qū)濕熱環(huán)境下開展跟蹤太陽反射聚能自然加速試驗(yàn)與朝南45°角自然暴露試驗(yàn)，計(jì)算了高日輻射季節(jié)的加速因子。王艷艷等[5]采用金屬鹵素?zé)魧郾揭蚁┻M(jìn)行實(shí)驗(yàn)室光源暴露試驗(yàn)，研究了相對于敦煌環(huán)境試驗(yàn)站戶外自然暴露試驗(yàn)的加速因子。閆杰等[6]在拉薩試驗(yàn)站研究了涂層太陽跟蹤反射聚光戶外加速試驗(yàn)相對于自然暴露試驗(yàn)的加速因子。何德洪等[7]在江津地區(qū)對丙烯酸涂料開展的黑箱加速大氣暴露試驗(yàn)和朝南45°角大氣暴露試驗(yàn)結(jié)果表明，黑箱在該地區(qū)夏季使用與朝南45°角大氣暴露試驗(yàn)相關(guān)性良好，并得出加速倍率在3倍左右。張勇等[8]采用腐蝕程度對比方法，將有機(jī)涂層加速腐蝕試驗(yàn)與自然曝曬試驗(yàn)進(jìn)行對比分析，證實(shí)了研究采用的加速試驗(yàn)環(huán)境譜模擬性好，并具有約2個(gè)周期當(dāng)量自然曝曬1 a 的相關(guān)性。朱玉琴等[9]對美國阿特拉斯研發(fā)的紫外加速試驗(yàn)系統(tǒng)（UAWS）的跟蹤研究表明，在美國佛羅里達(dá)朝南45°方向，UAWS的紫外強(qiáng)化倍率約為63 倍。

在進(jìn)行列車這種具有大范圍運(yùn)行區(qū)間的裝備表面涂層光老化試驗(yàn)加速因子建模方面，以上研究還存在一些不足之處：加速因子的研究僅是針對某一特定地區(qū)[3-9]；自然環(huán)境下太陽輻射數(shù)據(jù)來源于經(jīng)驗(yàn)公式，相對于觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性不足[3]；加速因子來自于與自然環(huán)境試驗(yàn)或自然環(huán)境加速試驗(yàn)的對比，工程上實(shí)施難度大、周期長、花費(fèi)高[4-8]。針對上述情況，文中提出一種涂層紫外光老化試驗(yàn)加速因子的計(jì)算方法，旨在解決列車這種跨越大范圍區(qū)域裝備的表面防護(hù)涂層紫外光老化試驗(yàn)加速因子的計(jì)算問題。

1 方案設(shè)計(jì)

為客觀、定量地建立針對列車表面防護(hù)涂層的實(shí)驗(yàn)室紫外輻射燈對太陽光中紫外輻射的加速因子模型，以蘭新高鐵為例，設(shè)計(jì)了如下技術(shù)方案。主要步驟包括：選取建模列車站點(diǎn)；確定站點(diǎn)氣象地理區(qū)劃；計(jì)算站點(diǎn)環(huán)境變量影響距離；建立站點(diǎn)太陽輻射環(huán)境譜；建立二級(jí)氣象地理區(qū)劃（以下簡稱二級(jí)區(qū)劃）太陽輻射環(huán)境譜；建立一級(jí)氣象地理區(qū)劃（以下簡稱一級(jí)區(qū)劃）太陽輻射環(huán)境譜；建立蘭新高鐵全線太陽輻射環(huán)境譜；建立加速因子模型。

文中太陽輻射數(shù)據(jù)采用美國國家航空航天局（NASA）Surface meteorology and Solar Energy（SSE）數(shù)據(jù)庫資料，關(guān)于該資料的詳細(xì)介紹見參考文獻(xiàn)[10]。

1.1 選取建模列車站點(diǎn)

蘭新高鐵橫跨甘肅、青海和新疆3 ?。ㄗ灾螀^(qū)），全長1777 km，其中新疆段正線全長710 km，甘肅段全長799 km，青海段全長約268 km。根據(jù)蘭新高鐵途經(jīng)站點(diǎn)地理位置，選取蘭州、西寧、門源、張掖、高臺(tái)、酒泉、哈密、吐魯番和烏魯木齊9 站作為參與建模的列車站點(diǎn)。

1.2 確定站點(diǎn)氣象地理區(qū)劃

根據(jù)《中國氣象地理區(qū)劃手冊》[11]，蘭新高鐵全線均位于全國一級(jí)區(qū)劃——西北地區(qū)以內(nèi)。進(jìn)一步細(xì)化，位于西北地區(qū)中部和西北地區(qū)西部兩個(gè)二級(jí)區(qū)劃內(nèi)，并且大致以酒泉為界，酒泉以西部分（包括酒泉、哈密、吐魯番和烏魯木齊4 站）位于西北地區(qū)西部區(qū)劃內(nèi)，以東部分（包括蘭州、西寧、門源、張掖和高臺(tái)5 站）位于西北地區(qū)中部區(qū)劃內(nèi)。

1.3 計(jì)算站點(diǎn)環(huán)境變量影響距離

采用公式（1）確定列車站點(diǎn)環(huán)境變量在所處二級(jí)區(qū)劃內(nèi)的影響距離：

式中：Xm表示列車站點(diǎn)環(huán)境變量在所處二級(jí)區(qū)劃內(nèi)的影響距離；m 表示沿列車運(yùn)行方向自始發(fā)站開始經(jīng)過的站點(diǎn)序號(hào)，1 為始發(fā)站，N 為終點(diǎn)站；Sm,m+1表示m 站和m+1 站之間距離，同理Sm-1,m表示m-1站和m 站之間距離；Am表示位于m-1 站和m 站之間的二級(jí)區(qū)劃邊界與m 站的距離；Bm表示位于m+1站和m 站之間的二級(jí)區(qū)劃邊界與m 站的距離。

根據(jù)蘭新線站點(diǎn)里程表，9 個(gè)站點(diǎn)之間，蘭州-西寧、西寧-門源、門源-張掖、張掖-高臺(tái)、高臺(tái)-酒泉、酒泉-哈密、哈密-吐魯番、吐魯番-烏魯木齊的距離分別為188、98、199、71、120、571、372、158 km。由于酒泉位于西北地區(qū)西部和西北地區(qū)中部兩個(gè)二級(jí)區(qū)劃邊界上，在兩個(gè)二級(jí)區(qū)劃內(nèi)分別計(jì)算其影響距離。由式（1）計(jì)算酒泉在西北地區(qū)中部和西北地區(qū)西部的影響距離分別為60、285.5 km，蘭州、西寧、門源、張掖、高臺(tái)、哈密、吐魯番和烏魯木齊其他8個(gè)站點(diǎn)的影響距離分別為94、143、148.5、135、95.5、471.5、265、79 km。

1.4 建立站點(diǎn)太陽輻射環(huán)境譜

利用NASA SSE 地面太陽輻射資料，統(tǒng)計(jì)蘭州等9 站月平均地面太陽輻射分布，如圖1 所示。

圖1 站點(diǎn)月平均地面太陽輻射Fig.1 Monthly average ground solar radiation of the station: a) Lanzhou; b) Xining; c) Menyuan; d) Zhangye; e) Gaotai;f) Jiuquan; g) Hami; h) Tulufan; i) Wulumuqi

1.5 建立二級(jí)區(qū)劃太陽輻射環(huán)境譜

根據(jù)1.3 節(jié)信息，可得到蘭新線全線位于二級(jí)區(qū)劃西北地區(qū)中部和西北地區(qū)西部內(nèi)列車運(yùn)行區(qū)間的長度分別為676、1101 km。計(jì)算二級(jí)區(qū)劃內(nèi)列車運(yùn)行區(qū)間的月平均地面太陽輻射環(huán)境譜，具體為：

式中：U 為二級(jí)區(qū)劃內(nèi)列車運(yùn)行區(qū)間的月平均地面太陽輻射；Wm為m 站的地面太陽輻射；m 在此二級(jí)區(qū)劃內(nèi)的取值范圍為P≤m≤Q，P≥1，Q≤N。

根據(jù)站點(diǎn)月平均地面太陽輻射數(shù)據(jù)和站點(diǎn)環(huán)境變量影響距離，由式（2）計(jì)算得到西北地區(qū)中部和西北地區(qū)西部兩個(gè)二級(jí)區(qū)劃的月平均地面太陽輻射環(huán)境譜，如圖2 所示。

圖2 二級(jí)區(qū)劃內(nèi)列車運(yùn)行區(qū)間的月平均地面太陽輻射Fig.2 Monthly average ground solar radiation of train operation section in the secondary division: a) central part of northwest China; b) west of northwest China

1.6 建立一級(jí)區(qū)劃太陽輻射環(huán)境譜

由式（3）計(jì)算一級(jí)區(qū)劃內(nèi)列車運(yùn)行區(qū)間的月平均地面太陽輻射環(huán)境譜：

式中：E 為一級(jí)區(qū)劃內(nèi)列車運(yùn)行區(qū)間的月平均地面太陽輻射；H 表示在此一級(jí)區(qū)劃內(nèi)的二級(jí)區(qū)劃數(shù)量；Ui為在此一級(jí)區(qū)劃內(nèi)第i 個(gè)二級(jí)區(qū)劃的地面太陽輻射；Yi表示在第i 個(gè)二級(jí)區(qū)劃內(nèi)列車運(yùn)行區(qū)間的長度。

根據(jù)二級(jí)區(qū)劃內(nèi)列車運(yùn)行區(qū)間長度和二級(jí)區(qū)劃內(nèi)月平均地面太陽輻射數(shù)據(jù)，由式（3）得到一級(jí)區(qū)劃西北地區(qū)內(nèi)列車運(yùn)行區(qū)間月平均地面太陽輻射環(huán)境譜，如圖3 所示。

圖3 一級(jí)區(qū)劃的月平均地面太陽輻射Fig.3 Monthly mean ground solar radiation in the first division

1.7 建立全線太陽輻射環(huán)境譜

由式（4）計(jì)算列車總運(yùn)行區(qū)間的月平均地面太陽輻射環(huán)境譜：

式中：R 為列車總運(yùn)行區(qū)間的月平均地面太陽輻射；G 表示在列車運(yùn)行區(qū)間內(nèi)一級(jí)區(qū)劃數(shù)量；Ej為第j 個(gè)一級(jí)區(qū)劃內(nèi)列車運(yùn)行區(qū)間的地面太陽輻射；Zj表示第j 個(gè)一級(jí)區(qū)劃內(nèi)列車運(yùn)行區(qū)間的長度。

蘭新線全線均位于一級(jí)區(qū)劃西北地區(qū)以內(nèi)，因此蘭新高鐵總運(yùn)行區(qū)間月平均地面太陽輻射環(huán)境譜與一級(jí)區(qū)劃西北地區(qū)內(nèi)列車運(yùn)行區(qū)間月平均地面太陽輻射環(huán)境譜相同。另外，根據(jù)一級(jí)區(qū)劃內(nèi)列車運(yùn)行區(qū)間長度和一級(jí)區(qū)劃內(nèi)列車運(yùn)行區(qū)間月平均地面太陽輻射，由式（4）也可計(jì)算得到列車總運(yùn)行區(qū)間的月平均地面太陽輻射環(huán)境譜。

根據(jù)月平均地面太陽輻射，計(jì)算列車總運(yùn)行區(qū)間的年平均地面太陽輻射和地面太陽紫外輻射：

式中：Rmean為列車總運(yùn)行區(qū)間的年平均地面太陽輻射；Rk表示k月列車總運(yùn)行區(qū)間的地面太陽輻射；UVmean為列車總運(yùn)行區(qū)間的年平均地面太陽紫外輻射；η 為紫外輻射占太陽總輻射比例，取為7%[3]。

根據(jù)列車總運(yùn)行區(qū)間的月平均地面太陽輻射，由式（5）得到蘭新線年平均地面太陽輻射為1650 kWh/m2，即5940 MJ/m2。由式（6）可得蘭新線年平均地面太陽輻射中紫外輻射為415.8 MJ/m2。

1.8 建立加速因子模型

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室紫外光老化試驗(yàn)條件計(jì)算加速因子：

式中：F 為加速因子；t1為涂層自然環(huán)境試驗(yàn)時(shí)間；t2為涂層在實(shí)驗(yàn)室條件下達(dá)到與自然環(huán)境試驗(yàn)接受相同劑量太陽紫外輻射所需時(shí)間。

實(shí)驗(yàn)室紫外光老化試驗(yàn)采用 UVB-313 燈，在310 nm 波長輻照度為0.66 W/m2，轉(zhuǎn)換為模擬250~400 nm 紫外波段總輻照度的轉(zhuǎn)換系數(shù)為47.91。在加速試驗(yàn)箱內(nèi)，一個(gè)方向上設(shè)置4 盞燈，其每天產(chǎn)生的紫外輻射為10.93 MJ/(m2·d)。在紫外加速試驗(yàn)箱內(nèi)產(chǎn)生相當(dāng)于蘭新高鐵全線1 年的紫外輻射量需要的時(shí)間為38.04 d。由式（7）得到加速因子為9.5。

2 結(jié)語

為客觀、定量地建立針對列車表面涂層的實(shí)驗(yàn)室紫外輻射燈對太陽光中紫外輻射的加速因子，文中以蘭新高鐵為例，提供了一種建模思路。主要步驟包括：選取建模列車站點(diǎn)、確定站點(diǎn)氣象地理區(qū)劃、計(jì)算站點(diǎn)環(huán)境變量影響距離、建立站點(diǎn)太陽輻射環(huán)境譜；分別建立二級(jí)氣象地理區(qū)劃、一級(jí)氣象地理區(qū)劃和全線太陽輻射環(huán)境譜；最后，建立加速因子模型。采用上述建模方案，基于NASA Surface Meteorology and Solar Energy（SSE）地面太陽輻射數(shù)據(jù)，計(jì)算了蘭新線實(shí)驗(yàn)室紫外光老化試驗(yàn)的加速因子。文中提供的加速因子建模思路，解決了列車這種跨越大范圍區(qū)域的裝備光老化試驗(yàn)加速因子的計(jì)算問題，簡單實(shí)用，可推廣至飛機(jī)、輪船、汽車等相似裝備表面涂層以及金屬等其他材料的紫外光暴露試驗(yàn)評(píng)價(jià)。