电气柜涂层在动态自然环境下的环境谱编制方法与流程

1.本发明涉及交通运输车辆环境谱编制领域，具体涉及一种电气柜涂层在动态自然环境下的环境谱编制方法。


背景技术：

2.地铁是城市轨道交通中最为广泛的一种交通工具，不同于地面交通工具，地铁在运行期间需要经历地面、站台和地下隧道等多种环境。地铁电气柜涂层产品在地面会受到大气温湿度、污染物、紫外照射和砂石冲刷的影响；在站台停留时，由于通风系统的影响，站台环境的湿度维持在60～65％之间，这时涂层几乎不受到腐蚀；而在地下隧道中，只会受到大气环境腐蚀，由于隧道内的大气温度和湿度要略高于外界大气环境，腐蚀情况也较为严重。由于自然环境暴露试验时间长，需要建立满足城市轨道交通地铁电气柜涂层环境谱加速腐蚀试验方法，从短周期的加速腐蚀试验结果预测材料在长周期的腐蚀行为和寿命评价。


技术实现要素：

3.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种真实度高、对涂层产品进行快速准确评估的电气柜涂层在动态自然环境下的环境谱编制方法。
4.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
5.一种电气柜涂层在动态自然环境下的环境谱编制方法，包括步骤：
6.1)获取目标地区的地铁电气柜涂层产品腐蚀的关键因素、以及确定电气柜涂层产品随地铁运行经历循环过程；
7.2)统计分析目标地区大气环境数据，得到目标地区大气环境谱，包括白天高架运行阶段大气环境谱和夜晚入库阶段环境谱；
8.3)分别进行紫外谱、老化谱、腐蚀谱、清洗谱、停放谱中一种或多种的设计，确定动态环境谱。
9.优选地，所述步骤3)的具体过程为：
10.3.1)紫外/老化谱设计；
11.3.2)腐蚀谱设计；
12.3.3)确定砂尘试验参数及清洗试验参数；
13.3.4)确定动态环境谱。
14.优选地，步骤3.1)的具体过程为：
15.在室内加速试验中，模拟一年周期的紫外照射时间取决于在紫外试验箱中试验件表面上的紫外辐射强度和实际样品在室外真实情况下暴露1年所接受的紫外辐射量；当紫外试验箱中照射在样品表面的紫外线辐射强度为w，外场真实环境的年紫外辐射量为q时，每个加速周期所需的紫外线照射时间可表示为：
[0016][0017]
由此可折算涂层在室外暴晒一年相当于在室内老化加速的试验的时间。
[0018]
优选地，步骤3.2)的具体过程为：
[0019]
3.2.1)确定标准潮湿空气作用时间；
[0020]
3.2.2)选定试验方法及试验溶液进行当量折算；
[0021]
3.3.3)确定总试验时间及环境谱加速试验方法中各模块的试验时间。
[0022]
优选地，步骤3.2.1)的具体过程为：
[0023]
将地铁电气柜涂层产品在不同环境下的大气环境数据折算为rh＝90％，t＝40℃的标准潮湿空气作用时间，得到目标地区地铁全年标准潮湿空气作用时间t
总
＝t
白
t
隧
t
夜
；其中t
白
、t
隧
、t
夜
分别表示白天地面运行阶段标准潮湿空气作用时间、白天地下隧道运行阶段标准潮湿空气作用时间和夜晚入库阶段标准潮湿空气作用时间。
[0024]
优选地，步骤3.2.2)的具体过程为：结合地铁运行工况及目标地区大气环境谱，选择不同的试验，包括盐雾试验、湿热试验以及干燥试验；选用试验溶液以及各溶液的加速倍率。
[0025]
优选地，步骤3.2.3)的具体过程为：设置总试验时间为n个日历循环，等效室外暴露一年的腐蚀量；确定每个日历循环中干燥试验时间为t
干
，以保证涂层完全干透；确定每个日历循环中湿热试验时间为t
湿
，则总湿热时间为n
×
t
湿
；则剩余标准潮湿空气作用时间为t
总-n
×
t
湿
，每个日历循环中，盐雾时间为(t
总-n
×
t
湿
)/n/(1/k
m1
1/k
n1
1/k
fw
)；由此得到不锈钢涂层体系腐蚀谱为：盐雾试验：(t
总-n
×
t
湿
)/n/(1/k
m1
1/k
n1
1/k
fw
)，m1％nacl n1％na2so4，ph＝a，试验温度t
盐
的混合溶液作为盐雾试验溶液；干燥试验：干燥试验时间为t
干
，试验条件为湿度小于等于rh
干
，温度t
干
；湿热试验：试验时间为t
湿
，湿热试验条件为rh
湿
，温度为t
湿
；。
[0026]
优选地，在步骤3.3)中，依据gb/t 2423.37，确定砂尘试验时间为t
砂
，试验砂尘采用滑石粉细尘，粒径小于等于s，砂尘浓度为c；气流速度为v，试验箱内湿度为rh
砂
，温度为t
砂
；分别采用原液、稀释n1倍、稀释n2倍三个浓度梯度，由浓至稀清洗，每个浓度梯度清洗时间为t
洗
，总清洗时长为t
洗总
＝3t
洗
，其中原液为地铁运行实际所需的清洗液。
[0027]
优选地，在步骤3.4)中，将紫外试验、盐雾试验、干燥试验和湿热试验进行n个日历循环时间后，进行砂尘试验和清洗试验，即为电气柜涂层产品相当于室外暴露一年的腐蚀/老化量。
[0028]
优选地，在步骤1)中，关键因数包括湿热、盐雾、紫外、干燥、砂尘中的一种或多种。
[0029]
与现有技术相比，本发明的优点在于：
[0030]
(1)本发明通过分析统计拟模拟实际环境中对高速列车电气柜涂层起主导作用的环境要素：温度、湿度、ph、酸雾、光照、大气颗粒物及大气中的腐蚀成分而编制环境谱，基于环境谱当量转化原理设计模拟加速试验各作用模块构成、参数量值大小及作用时间，保证了对主要因素和作用顺序的等效模拟，真实反映了地铁电气柜涂层在服役环境中受砂石冲刷、干湿交替、盐雾侵蚀、清洗介入污染等现实情况，大大提高了实验室模拟多因素耦合作用下涂层寿命评估的准确性、快速性和可靠性。
[0031]
(2)本发明根据实际使用环境的自然环境谱当量转化建立模拟加速试验环境谱，
提高了涂层模拟加速试验的可设计性和适用性，可推广应用于其它环境模拟加速试验设计。
[0032]
(3)本发明模拟加速试验相比于自然环境大气暴露试验的加速倍率逐渐增大，自然环境下服役365天等效于至实验室条件下n个日历循环时间，加速性明显。
[0033]
(4)本发明对于不同电气柜涂层材料和地铁不同运行环境进行细致的划分，能够准确快速的评估地铁电气柜涂层产品的服役寿命。
附图说明
[0034]
图1为本发明的方法在实施例的流程图。
[0035]
图2为本发明的不锈钢涂层在目标地区运行环境下的动态环境谱。
具体实施方式
[0036]
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
[0037]
如图1所示，本实施例的电气柜涂层在动态自然环境下的环境谱编制方法，适用于城市轨道交通车辆(如地铁)，具体包括步骤：
[0038]
1)对工业城市w(如武汉)地铁运行工况环境进行调研分析，确定工业城市w地铁电气柜涂层产品腐蚀的关键因素为湿热、盐雾、紫外、干燥和砂尘；确定电气柜涂层产品随地铁运行经历由“地下隧道内
→
地下站台
→
地面高架
→
夜晚入库”的循环过程；
[0039]
2)统计工业城市w地区大气环境数据，得到工业城市w大气环境谱，包括白天高架运行阶段大气环境谱和夜晚入库阶段环境谱；
[0040]
3)统计参考城市的环境数据和运行工况，分别进行紫外/老化谱、腐蚀谱和砂尘谱当量计算，确定动态环境谱。
[0041]
本实施例中，步骤3)的具体过程为：
[0042]
3.1)紫外/老化谱设计；
[0043]
3.2)腐蚀谱设计；
[0044]
3.3)确定砂尘试验参数及清洗试验参数；
[0045]
3.4)确定动态环境谱。
[0046]
本实施例中，步骤3.1)紫外/老化谱设计的过程为：在室内加速试验中，模拟一年周期的紫外照射时间取决于在紫外试验箱中试验件表面上的紫外辐射强度和实际样品在室外真实情况下暴露1年所接受的紫外辐射量。当紫外试验箱中照射在样品表面的紫外线辐射强度为w，外场真实环境的年紫外辐射量为q时，每个加速周期所需的紫外线照射时间可表示为：
[0047][0048]
由此可折算涂层在室外暴晒一年相当于在室内老化加速的试验的时间。
[0049]
本实施例中，步骤3.2)腐蚀谱设计的过程为：腐蚀电量相等是腐蚀谱设计的当量准则，由于外界环境多变，涂层在随地铁运行过程中的腐蚀也时强时弱，腐蚀电流i也随着时间以及环境而变化，对于同一种电气柜构件而言，在特定的时间t1至t2时间内，腐蚀电量q可用积分来表示：
[0050][0051]
式中，f为法拉第常数，t1，t2分别为起止时间，q为电量。
[0052]
在试验室加速条件下，对同一金属或者构件，由选定的试验谱，其腐蚀电流密度i’，在特定的时间t1’
至t2’
内，金属的腐蚀电量q’可用积分形式表示：
[0053][0054]
按照腐蚀电量等当量原则，可知q＝q'，在实际工程运用中，可以合理地将i和i’作为常数进行讨论，并设t＝t
2-t1，t'＝t'
2-t'1，则有：t'＝αt，经折算后，试验时间缩短至α倍，达到了室内腐蚀时间相比于实际环境中1/α倍的加速目的(α≤1)。
[0055]
本实施例中，步骤3.3)砂尘谱的设计过程为：当地铁存在地上运行路段(如高架线)时，电气柜涂层会附着有扬尘和空气颗粒物，需加入砂尘谱。可根据地铁的工况环境和电气柜表面实际的附着物，确定砂尘谱的试验参数。
[0056]
通过该方法得到环境谱的设计方法为：
[0057]
1、外照射试验：紫外照射时间为t
紫
，紫外辐照强度为w，试验温度t
紫
；
[0058]
2、盐雾试验：工业城市w重工业发达，so2浓度相对较高，且处于内陆地区。因此选用m1％nacl n1％na2so4，ph＝a，试验温度t
盐
的混合溶液作为盐雾试验溶液；
[0059]
3、干燥试验：干燥试验时间为t
干
，试验条件为湿度小于等于rh
干
，t
干
；
[0060]
4、热试验：试验时间为t
湿
，湿热试验条件为rh
湿
，温度为t
湿
；
[0061]
5、砂尘试验：试验时间为t
砂
，试验砂尘采用滑石粉细尘，粒径小于等于s，砂尘浓度为c；气流速度为v，试验箱内湿度为rh
砂
，温度为t
砂
；
[0062]
6、清洗试验：清洗溶液采用原液、稀释n1倍、稀释n2倍三个浓度梯度，由浓至稀清洗，每个浓度梯度清洗时间为t
洗
，总清洗时长为t
洗总
；其中原液为地铁运行实际所需的清洗液；
[0063]
上述试验1～4依次循环n次后，进行试验5和试验6，即为模拟地铁电气柜涂层在工业城市w运行环境下一年的腐蚀/老化量。
[0064]
本发明对于不同电气柜涂层材料和地铁不同运行环境进行细致的划分，能够准确快速的评估地铁电气柜涂层产品的服役寿命。
[0065]
下面结合附图对本发明做进一步的介绍：
[0066]
1、依据对工业城市w地铁的工况调研结果，确定工业城市w地铁电气柜涂层产品腐蚀的关键因素为湿热、盐雾、紫外、干燥和砂尘，确定电气柜涂层产品随地铁运行经历由“地面
→
站台
→
地下隧道
→
地上高架
→
夜间入库”的循环过程；
[0067]
2、选取工业城市w地铁运行环境最为严苛的x号线作为代表线路，地铁状态分白天运行和夜间入库停放两种，对车辆运行时刻分析和环境特征分析，白天运行时刻为a:00-b:00，其余时间为夜晚入库阶段。其中，地面高架运行占白天总运行时间的β％，得出大气环境谱如表1和表2。
[0068]
表1工业城市w地铁高架运行阶段的大气环境数据
[0069][0070]
表2工业城市w地铁夜晚入库阶段大气环境数据
[0071][0072]
3、环境谱当量计算
[0073]
(1)紫外/老化谱：以工业城市w地铁x号线为参考线路，x号线路上每趟地铁运行总时间为t
总
，其中地下隧道时间为t
隧
，x号线共n0个站台，每个站台停留时间约为t
停留
，故站台停留时间共计n0×
t
停留
，而地面高架运行时间为t
高架
，占总运行时间的α
紫
，因此可以看做地铁在运行阶段暴露在阳光中的时间占白天总运行时间的α1。电气柜涂层产品在地铁车厢底部，因此，不会受到直接的阳光照射，这一点，和军机机翼下蒙皮的情况类似，已知室内紫外照射24小时与军机在工业城市w室外暴露n1天老化程度相当。依据中国太阳辐照分布图可知，工业城市w处于(w
下-w
上
)mj/m2区间内靠近下限的位置，取苛刻条件可知，模拟工业城市w地铁电气柜涂层室外暴露一年的室内紫外照射时间为t
紫
＝(w
上
/w
下
)
×
(n1
×
α
紫
)/(n0/24)，紫外照射条件为辐照强度为w
紫
，温度为t
紫
。
[0074]
(2)腐蚀谱：依据腐蚀电量相等的原则，需要将大气环境温湿度数据折算为选定材料的标准潮湿空气作用时间，本发明涉及的材料为碳钢涂层体系、不锈钢涂层体系以及铝合金涂层体系，不同材料的腐蚀速度不同，因此在相同环境下，大气环境数据当量计算出的标准潮湿空气作用时间不同，以不锈钢涂层体系为例，进行计算：
[0075]
①
标准潮湿空气作用时间：将地铁电气柜涂层产品在不同环境下的大气环境数据折算为rh＝90％，t＝40℃的标准潮湿空气作用时间，表3给出了依据腐蚀电量相等准则得出的不锈钢基材标准潮湿空气作用时间折算系数：
[0076]
表3：不锈钢基材标准潮湿空气作用时间折算系数表
[0077][0078]
因此可得，工业城市w地铁全年标准潮湿空气作用时间t
总
，t
白
、t
隧
、t
夜
分别表示白天
地面运行阶段标准潮湿空气作用时间、白天地下隧道运行阶段标准潮湿空气作用时间和夜晚入库阶段标准潮湿空气作用时间，即
[0079]
t
白
＝(a
高
×
α
11
b
高
×
α
21
c
高
×
α
31
d
高
×
α
12
e
高
×
α
22
f
高
×
α
32
g
高
×
α
13
h
高
×
α
23
i
高
×
α
33
) (t
11
×
α
31
t
12
×
α
32
t
13
×
α
33
t
14
×
α
34
)
[0080]
经统计，地下隧道内大气温度和湿度在夏季时略高于地面，结合工业城市w大气环境数据可知，在5～9月期间，地下隧道内的大气温度维持在25～29℃，大气相对湿度维持在80％～89％，地下隧道运行时会受到腐蚀，其余时间内，地下隧道中大气湿度低于70％，可以看做是干燥大气，腐蚀极其轻微，同时，地下隧道运行时间占总运行时间的γ％，可得
[0081]
t
隧
＝153
×
17
×
16.7％
×
0.1613＝70.1h
[0082]
t
夜
＝a
夜
×
α
11
b
夜
×
α
21
c
夜
×
α
31
d
夜
×
α
12
e
夜
×
α
22
f
夜
×
α
32
g
夜
×
α
13
h
夜
×
α
23
i
夜
×
α
33
[0083]
因此，得出地铁电气柜涂层在武汉运行环境下的全年标准潮湿空气作用时间为t
总
＝t
白
t
隧
t
夜
。
[0084]
②
选定试验方法及试验溶液进行当量折算：结合地铁运行工况及工业城市w大气环境谱，选择盐雾试验、湿热试验以及干燥试验作为试验方法。工业城市w重工业发达，so2浓度相对较高，且处于内陆地区。因此选用m1％nacl n1％na2so4，ph＝a，试验温度t盐的混合溶液作为盐雾试验溶液，并进行盐雾试验加速倍率计算，表4、表5、表6给出了不锈钢基材在不同浓度nacl、h2so4和na2so4溶液中相对于纯水的折算系数。
[0085]
表4：不锈钢基材纯水介质对于不同浓度nacl溶液的折算系数
[0086][0087]
表5：不锈钢基材纯水介质对于不同浓度h2so4的折算系数
[0088][0089]
表6：不锈钢基材纯水介质对于不同浓度na2so4溶液的折算系数
[0090][0091]
m1％nacl溶液的加速倍率为1/k
m1
，n1％na2so4溶液的加速倍率为1/k
n1
。
[0092]
ph为a的[h ]的加速倍率：ph为a的h2so4溶液中氢离子的浓度为f
北
＝h2so4摩尔浓度
×
h2so4分子量
×
10-a
，依据表5采用插值法得到ph为a的h2so4溶液中氢离子浓度对应的折算系数为k
fw
，即加速倍率为1/k
fw
。
[0093]
因此，采用m1％nacl n1％na2so4，ph＝a的混合溶液总的加速倍率为1/k
m1
1/k
n1
1/k
fw
，也就是说不锈钢涂层体系在盐雾试验中作用1小时相当于标准潮湿空气作用1/k
m1
1/k
n1
1/k
fw
小时。
[0094]
③
确定总试验时间及环境谱加速试验方法中各模块的试验时间：设置总试验时间
为n个日历循环，等效室外暴露一年的腐蚀量；确定每个日历循环中干燥试验时间为t
干
，以保证涂层完全干透；确定每个日历循环中湿热试验时间为t
湿
，则总湿热时间为n
×
t
湿
；则剩余标准潮湿空气作用时间为t
总-n
×
t
湿
，每个日历循环中，盐雾时间为(t
总-n
×
t
湿
)/n/(1/k
m1
1/k
n1
1/k
fw
)
[0095]
由此，得到不锈钢涂层体系腐蚀谱为：
[0096]
盐雾试验：(t
总-n
×
t
湿
)/n/(1/k
m1
1/k
n1
1/k
fw
)，m1％nacl n1％na2so4，ph＝a，试验温度t
盐
的混合溶液作为盐雾试验溶液。
[0097]
干燥试验：干燥试验时间为t
干
，试验条件为湿度小于等于rh
干
，温度t
干
；
[0098]
湿热试验：试验时间为t
湿
，湿热试验条件为rh
湿
，温度为t
湿
。
[0099]
(3)确定砂尘试验参数及清洗试验参数：由于电气柜体外有保护罩的遮挡作用，并且地铁在地面运行时才会有细小的扬尘粘附在柜体材料上，依据gb/t 2423.37，确定砂尘试验时间为t
砂
，试验砂尘采用滑石粉细尘，粒径小于等于s，砂尘浓度为c；气流速度为v，试验箱内湿度为rh
砂
，温度为t
砂
。电气柜体清洗时，只有少量的清洗液会穿过保护罩溅落在电气柜材料上，因此，分别采用原液、稀释n1倍、稀释n2倍三个浓度梯度，由浓至稀清洗，每个浓度梯度清洗时间为t
洗
，总清洗时长为t
洗总
＝3t
洗
，其中原液为地铁运行实际所需的清洗液。
[0100]
(4)确定动态环境谱：电气柜涂层产品在随地铁运行过程中，由于有保护罩的遮挡作用，所受到来自砂尘和清洗液的影响较小，而紫外强度、大气温度、大气湿度以及冷热交替引起的涂层内应力对涂层的腐蚀/老化影响较大，将紫外试验、盐雾试验、干燥试验和湿热试验进行n个日历循环时间后，进行砂尘试验和清洗试验，即为电气柜涂层产品相当于室外暴露一年的腐蚀/老化量。
[0101]
本发明城市轨道交通地铁电气柜涂层的动态环境谱设计方法，满足城市轨道交通地铁电气柜涂层产品在武汉地区运行环境下的环境谱加速腐蚀试验方法，通过分析统计拟模拟实际环境中对高速列车电气柜涂层起主导作用的环境要素：温度、湿度、ph、酸雾、光照、大气颗粒物及大气中的腐蚀成分而编制环境谱，基于环境谱当量转化原理设计模拟加速试验各作用模块构成、参数量值大小及作用时间，保证了对主要因素和作用顺序的等效模拟，真实反映了地铁电气柜涂层在服役环境中受砂石冲刷、干湿交替、盐雾侵蚀、清洗介入污染等现实情况，大大提高了实验室模拟多因素耦合作用下涂层寿命评估的准确性、快速性、可靠性。
[0102]
本发明根据实际使用环境的自然环境谱当量转化建立模拟加速试验环境谱，提高了涂层模拟加速试验的可设计性和适用性，可推广应用于其它环境模拟加速试验设计。
[0103]
本发明模拟加速试验相比于自然环境大气暴露试验的加速倍率逐渐增大，自然环境下服役365天等效于至实验室条件下n个日历循环时间，加速性明显。
[0104]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。