,,,,

(1. 南方電網科學研究院有限責任公司，廣州 510663； 2. 華南理工大學 材料科學與工程學院，廣州 510640)

大氣腐蝕是導致金屬設備、產品、結構件等早期失效和破壞的重要原因。每年由金屬腐蝕造成的經濟損失占國民經濟年總值的2%～4%，其中一半以上的金屬腐蝕是由大氣腐蝕所致[1]。因此，大氣腐蝕研究備受關注。

金屬大氣腐蝕圖描述了給定地域金屬及金屬鍍層在大氣環(huán)境中的腐蝕程度，可為金屬結構的設計和維護提供有價值的參考。目前，國內外已經初步繪制了很多全國性或區(qū)域性的大氣腐蝕圖[2]。這些大氣腐蝕圖都是依據(jù)國際標準組織在1992年頒布的ISO 9223: 1992《金屬及合金大氣腐蝕分類》標準繪制的。該標準給出了根據(jù)金屬試件的腐蝕率、綜合潤濕時間(溫度和相對濕度)和大氣中腐蝕性介質(SO2和Cl-)含量進行大氣腐蝕性分類的方法[3-5]。

對于面積較小的地域，通常采用小規(guī)模的暴露試驗方法，即標準試樣法，通過回收和計算各暴露點的金屬腐蝕速率來繪制大氣腐蝕圖。例如，英國在1965年12月至1966年6月，分批將400個小鋅罐試樣發(fā)往全國100個試驗點，1 a后回收試樣并根據(jù)計算得到的鋅罐腐蝕速率繪制鋅的大氣腐蝕圖[6]。中國科學院金屬所在沈陽市區(qū)內均勻選擇36個有代表性的大氣暴曬試驗點，根據(jù)A3鋼2 a的腐蝕速率繪制了沈陽市大氣腐蝕圖[7]。中國科學院金屬所在海南全省20個試驗站投放了A3鋼試樣，進行2～4 a的大氣腐蝕暴露試驗，回收計算腐蝕速率，繪制了海南省的大氣腐蝕圖[8]。以上大氣腐蝕圖的繪制需要耗費大量的人力、物力，甚至需要全國性機構的協(xié)助與配合。不僅如此，標準試樣法受地域范圍的限制，導致數(shù)據(jù)點稀疏、分辨率低。英國大氣腐蝕圖為10 km2一個腐蝕速率掛片點，沈陽市大氣腐蝕圖為5 km2一個腐蝕速率掛片點。

對于涵蓋范圍廣、區(qū)域劃分細的地域，一般采用環(huán)境因素法，即通過建立劑量響應函數(shù)來繪制大氣腐蝕圖[9]。瑞士在全國8個典型地區(qū)暴露銅、鋅試樣，并在各相關測試站收集環(huán)境因素數(shù)據(jù)(氣溫、相對濕度、降雨量、SO2、O3、緯度、海拔高度、測試點800 m范圍內住宅和工業(yè)建筑的面積)，對金屬腐蝕數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)進行多元線性回歸分析，建立相應的劑量響應函數(shù)，繪制了瑞士的大氣腐蝕圖[10]。2012年越南科學與工業(yè)研究組織(CSIRO)與澳大利亞合作，建立了以環(huán)境因素為參數(shù)的腐蝕動力學模型，繪制了涵蓋整個越南的碳鋼大氣腐蝕圖[11]。采用環(huán)境因素法繪制大氣腐蝕圖，避免了暴露試驗的巨大工作量，同時繪制的大氣腐蝕圖分辨率非常高(0.0625 km2一個數(shù)據(jù)點)，是標準試樣法的100倍。但是，環(huán)境因數(shù)數(shù)據(jù)的獲取往往受到獲取渠道、收集與統(tǒng)計工作量、收集與統(tǒng)計的準確度等問題的制約，進而加大了環(huán)境因素法繪制大氣腐蝕圖的難度[12]。

本工作提出了一種環(huán)境因素數(shù)據(jù)的采集方法，該方法可降低獲取和處理環(huán)境因素數(shù)據(jù)的巨大工作量，并提高金屬大氣腐蝕圖繪制的準確度。

1 環(huán)境因素的采集

1.1 數(shù)據(jù)獲取渠道

金屬大氣腐蝕是大氣環(huán)境中諸多因素在金屬表面綜合作用的結果。影響金屬大氣腐蝕速率的環(huán)境因素主要有氣溫、相對濕度、二氧化硫含量、二氧化氮含量、氯離子含量、降雨量、日照時間、PM2.5(細顆粒物，粒徑不大于2.5 μm的顆粒物)含量和PM10(可吸入顆粒物，粒徑在10 μm以下的顆粒物)含量等[13]。

通常，全國各地的氣象觀測站會每天記錄氣溫、相對濕度、降雨量、日照時間等氣象數(shù)據(jù)。同時，環(huán)境監(jiān)測中心也會時時監(jiān)測空氣中二氧化硫含量、二

氧化氮含量、氯離子含量及粉塵中的PM2.5和PM10等污染物水平數(shù)據(jù)。這些機構收集與統(tǒng)計的環(huán)境因素數(shù)據(jù)為繪制大氣腐蝕圖奠定了數(shù)據(jù)基礎[14]。大氣腐蝕研究工作者可通過公開、開放的平臺快速、有效地獲取環(huán)境因素數(shù)據(jù)。

中國天氣網(http://www.weather.com.cn)是中國氣象局為公眾提供氣象信息服務的網站，集成了中國氣象局下屬各業(yè)務部門最新的環(huán)境和氣象資訊，每隔1 h會實時公布氣溫、相對濕度、降雨量、二氧化硫含量、二氧化氮含量、PM2.5含量、PM10含量、風力風向等數(shù)據(jù)。2015年發(fā)布的全國城市空氣質量實時發(fā)布平臺可實時顯示全國31個省、自治區(qū)及直轄市共338個城市實時監(jiān)測大氣中二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳、臭氧、PM2.5、PM10等含量的數(shù)據(jù)。這兩個平臺的數(shù)據(jù)密度較大、更新快、可靠性強，可以將這兩個平臺提供的氣象與環(huán)境參數(shù)作為大氣腐蝕環(huán)境因素的數(shù)據(jù)。

1.2 環(huán)境因素數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計

通過中國天氣網和全國城市空氣質量實時發(fā)布平臺這兩個公開的氣象和環(huán)境數(shù)據(jù)公布平臺，可收集與統(tǒng)計環(huán)境因素數(shù)據(jù)，直接繪制大氣腐蝕圖。但是，數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計的工作量非常巨大。以繪制廣東省大氣腐蝕圖為例：廣東省共有21個市，平均每個市有11個監(jiān)測站點，如果只收集相對濕度這一種環(huán)境因素數(shù)據(jù)，廣東省一年的相對濕度數(shù)據(jù)就會有2 023 560條。因此，急需尋求一種降低環(huán)境數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計工作量的方法。本工作提出了一種數(shù)據(jù)處理方法，可以將繪制大氣腐蝕圖所需的數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計的工作量減少近2/3。以下仍以廣州市相對濕度數(shù)據(jù)為例說明。

在中國天氣網上收集廣州市某7 d 的相對濕度數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)樣本，結果見表1。此數(shù)據(jù)樣本最好是不同季節(jié)各選取7 d，日期可以不連續(xù)，因為不同季節(jié)氣候具有不同的規(guī)律，同一季節(jié)不同日期的氣候具有相似性，這樣所選取的數(shù)據(jù)樣本更能代表此季節(jié)的氣候特征。

由表1可知，在7 d中，相對濕度曲線變化規(guī)律大體相同。每天上午10點前相對濕度平緩地保持在一天中的較高位；10～22點相對濕度先降后升，呈現(xiàn)一個類V字型；22～24點相對濕度又趨于平緩，數(shù)值近似等于10點前的相對濕度。

由表1還可知：11，12，13，14，21，22，23點時的相對濕度近似于當天相對濕度平均值。因此，可以用這7個時刻點的相對濕度代替全天24個時刻點的相對濕度，這樣可降低約2/3的數(shù)據(jù)統(tǒng)計工作量。

表1 廣州市7 d相對濕度數(shù)據(jù)樣本Tab. 1 Relative humidity of Guangzhou in 7 d %

2 環(huán)境因素數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計的準確度

2.1 隨機時刻點組合

根據(jù)上文中確定的7個時刻點，左右調整時刻點制定出了三種時刻點組合，并用origin畫圖法計算出各組合的相對誤差和與絕對誤差和，結果如表2所示。

由表2可知，三種時刻點組合的相對誤差和均在20%左右。雖然10，11，12，13，21，22，23點時刻點組合的相對誤差和是三者中最小的，但是整體統(tǒng)計誤差還是偏大，準確度不高。由此可見，雖然用n(n=6，7，8)個時刻點的相對濕度代替全天24個時刻點的相對濕度可減少2/3的工作量，但需要把誤差控制在較小的范圍內，以保證數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計有較高的準確度。

表2 三種時刻點組合誤差表Tab. 2 The deviation of the three kinds of time-point combinations

2.2 最優(yōu)時刻點組合

以提高數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計準確度為原則，進行以下數(shù)據(jù)處理：

①在以24個時刻點為元素的集合的全部子集中，選取出時刻點個數(shù)為n(n=6，7，8)的全部子集(以下簡稱子集)；

(1)

③根據(jù)式(2)計算每個子集所對應的m(m=7)d的絕對誤差之和ε。

(2)

④從計算得到的每個子集所對應的ε中，選取數(shù)值最小的ε，將所選取的ε對應的子集所包含的n個時刻點作為所述采集時刻點，在所述采集時刻點采集環(huán)境因素數(shù)據(jù)。

以上四個步驟所涉及的矩陣變換原則總結如下：原數(shù)據(jù)矩陣為m行×24列，如式(3)所示，從24列中選取n列(即n個時刻點)，組成m行×n列的新數(shù)據(jù)矩陣，如式(4)所示，新矩陣列的排序遵從原矩陣的順序，并對所有的新數(shù)據(jù)矩陣計算相應的ε。選取ε值最小的新數(shù)據(jù)矩陣作為最終目標矩陣，其所有列對應的時刻點即為最終采集數(shù)據(jù)的時刻點。

(3)

(4)

由表3可見：當n=6時，時刻點組合總個數(shù)為134 596，按上述計算得到最佳時刻點組合為3，9，10，13，19，23點，該時刻點組合絕對誤差和與相對誤差和分別為5.97，0.085 3；當n=7時，時刻點組合總個數(shù)為346 104，最佳時刻點組合為3，9，10，13，16，19，23點，該時刻點組合絕對誤差和與相對誤差和分別為1.89，0.023 3；當n=8時，時刻點組合總個數(shù)為735 471，最佳時刻點組合為3，9，10，13，14，16，19，23點，該時刻點組合絕對誤差和與相對誤差和分別為2.04，0.025 9。

表3 最優(yōu)時刻點組合與誤差數(shù)據(jù)表Tab. 3 The deviation of the optimal three kinds of time-point combinations

通過對比表2與表3發(fā)現(xiàn)，經過進一步改進數(shù)據(jù)收集方法后，數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計的準確度得到了很大提高。

2.3 最終數(shù)據(jù)統(tǒng)計與收集實施方法

通過以上分析，采用3，9，10，13，16，19，23點這7個時刻點數(shù)據(jù)代替全天24 h數(shù)據(jù)時，不僅使相對濕度數(shù)據(jù)統(tǒng)計控制在較小的誤差范圍內(2.33%)，而且工作量僅為原來的1/3。

利用該方法進行氣象與環(huán)境數(shù)據(jù)統(tǒng)計，可以解決氣象與環(huán)境數(shù)據(jù)獲取渠道受限、收集與統(tǒng)計工作量巨大，收集與統(tǒng)計的準確度不高等問題，為繪制高精度的大氣腐蝕圖提供了可靠的數(shù)據(jù)基礎。

3 結論

(1) 以全國城市空氣質量實時發(fā)布系統(tǒng)、中國天氣網為平臺，實時記錄每天氣象與環(huán)境因素數(shù)據(jù)，避免從非面向公眾的渠道(如國家氣象局)獲取環(huán)境因素數(shù)據(jù)所存在的相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)密度稀疏、數(shù)據(jù)非公開、公眾沒有獲取途徑和權限等問題，從而簡化了獲取氣象與環(huán)境因素數(shù)據(jù)的渠道。

(2) 通過矩陣優(yōu)化方法確定的相對濕度時刻點組合的相對誤差較小(2.33%)，保持了較高的準確度，避免了目前研究報道中相對濕度收集與統(tǒng)計方法所選取的時刻點主觀性太強(隨機時間點間隔、隨機時刻點選取)且誤差未知的問題。

(3) 本方法適應性很高，其他相似數(shù)據(jù)(溫度、二氧化硫含量、氯離子含量、二氧化氮含量、一氧化碳含量、PM2.5含量)均可用此方法處理，得出行之有效的數(shù)據(jù)收集與統(tǒng)計的優(yōu)化時刻點。

(4) 本方法可操作性強，可利用全國城市空氣質量實時發(fā)布系統(tǒng)和中國天氣網平臺，人工自行記錄數(shù)據(jù)，避免了各種監(jiān)測儀器和設備的投入。

參考文獻：

[1] 李興濂. 我國大氣腐蝕網站試驗研究回顧及發(fā)展建議[J]. 材料保護，2000，33(1)：20-22.

[2] 唐其環(huán)，張先勇. 國內外典型大氣腐蝕圖及其繪制[J]. 裝備環(huán)境工程，2010,7(4)：81-89.

[3] 唐其環(huán)，吳波，吳曼林. 東南海潤濕時間變化規(guī)律[J]. 裝備環(huán)境工程，2007，4(3):13-16.

[4] 李家柱. 大氣環(huán)境及腐蝕性[J]. 失效與分析，2005，2(2):56-62.

[5] 王玲，牟獻良，朱蕾，等. 大氣環(huán)境腐蝕性分類分級研究綜述[J]. 裝備環(huán)境工程，2010，7(6):24-31.

[6] 朱齊，王磊. 新型大氣污染氣體綜合監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 自動化技術與應用，2004，23(6)：38-39.

[7] 陳鴻川，于國才. 沈陽市大氣腐蝕圖研制[J]. 腐蝕科學與防護技術，1992,4(3)：195.

[8] 王振堯，陳鴻川. 海南省大氣腐蝕調查[J]. 腐蝕科學與防護技術，1996,16(3)：225-229.

[9] MORALESA J,MARTIN-KRIJERA S,FDAZ,et al. Atmospheric corrosion in subtropical areas:influences of time of wetness and deficiency of the ISO 9223 norm[J]. Corrosion Science,2005,47(8):2005-2019.

[10] REISS D,RIHM B,TH?NI C,et al. Mapping stock at risk and release of zinc and copper in switzerlan-dose response functions for runoff rates derived from corrosion rate data[J]. Water Air and Soil Pollution,2004,159(1):101-113.

[11] COLE I,CORRIGAN P,NGUYEN V H. Steel corrosion map of vietnam[J]. Corrosion Science and Technology,2012,11(4):103-107.

[12] 馬騰，王振堯. 21世紀的大氣腐蝕圖景[J]. 環(huán)境技術,2004,22(2)：1-7.

[13] 王振堯，于國才. 我國自然環(huán)境大氣腐蝕性調查[J]. 腐蝕與防護，2003,24(8)：323-327.

[14] 徐光. 環(huán)境在線監(jiān)測監(jiān)控管理與發(fā)布系統(tǒng)[J]. 中國環(huán)境監(jiān)測，2006,8(4)：22-24.