盐雾-湿热复合环境下的柜体老化规律研究
贾博文1，杨杰1
（1. 甘肃电器科学研究院，甘肃 天水 741018）
摘要：针对海洋高温、高湿、高盐雾环境下引发的柜体密封失效及内部绝缘件可靠性降低等问题，提出一种盐雾-湿热复合环境下的柜体老化规律研究方法。通过研究Q235B冷轧钢板柜体、硅胶密封件及环氧树脂绝缘件的表征情况，构建退化预测数学模型，设计盐雾、湿热与盐雾湿热耦合三种加速老化试验，结合多维度性能表征与微观形态分析，分析不同环境条件下的关键部件退化机理。试验结果表明，盐雾-湿热耦合环境下钢板腐蚀速率达0.08mm/a，是单纯盐雾组的1.33倍，湿热组的2.0倍；硅胶密封件压缩永久变形率升至68%；环氧树脂绝缘件电阻在40天内衰减至初始值的1.5%，同时，依托预测退化模型仿真，得到柜体临界腐蚀寿命为7年，绝缘安全阈值寿命仅为5年。
关键词：盐雾湿热耦合；冷轧钢板；密封件；绝缘件；老化机理
A Study on the Aging Patterns of Enclosures in a Combined Salt Spray and Damp Heat Environment
JIA Bowen1，YANG Jie1
(1.Gansu Electric Apparatus Research Institute, Tianshui 741018, Gansu, China)
Abstract：Aiming at the problems of cabinet sealing failure and reliability reduction of internal insulation parts caused by high temperature, high humidity and high salt fog environment in the ocean, a research method of cabinet aging law under salt fog-humid heat composite environment is proposed. By studying the characterization of Q235B cold-rolled steel plate cabinets, silicone seals and epoxy resin insulation parts, a mathematical model for degradation prediction was constructed, and three accelerated aging tests of salt fog, damp heat and salt fog damp heat coupling were designed. Combined with multi-dimensional performance characterization and micro-morphology analysis, the degradation mechanism of key components under different environmental conditions was analyzed. The results show that the corrosion rate of steel plate in salt spray-wet heat coupling environment is 0.08mm/a, which is 1.33 times that of salt spray group and 2.0 times that of wet heat group. The compression permanent deformation rate of silicone rubber seals increased to 68%. The resistance of epoxy resin insulation is attenuated to 1.5% of the initial value within 40 days. At the same time, based on the simulation of the predicted degradation model, the critical corrosion life of the cabinet is 7 years, and the insulation safety threshold life is only 5 years.
Keywords：Salt fog damp heat coupling; cold-rolled steel plate; sealing element; insulation parts; aging mechanism
1 引言
海洋环境是最具腐蚀性的自然环境之一，尤其南海地处热带与亚热带交汇区域，露天装备长期处于极端海洋大气服役条件：年均气温25℃~30℃，全年相对湿度可达80%~98%，大气盐雾氯离子浓度约为0.3~1.5 mg/m³，氯离子沉降速率高达110 mg/(m²・d)[1]。在该类环境下，外装柜体承受着盐雾侵蚀、湿热交变等多重因素的影响，柜体结构的完整性、密封性及内部的电气绝缘可靠性面临着严峻的挑战。
柜体通常采用Q235B冷轧钢板作为材料，而柜门与柜内密封性的主要靠硅胶密封条，母排支撑绝缘件与内部端子的材料为环氧树脂。在海洋环境中，上述部件分别面临不同的老化机制。近年来，国内外学者在材料老化机理方面取得了很多研究成果，如Yang等[2]对Q235B钢在人工海水中的腐蚀行为进行系统实验与数值模拟，证实高温高湿环境对腐蚀速率的显著加速效应；刘振楠等[3]对比研究了聚氨酯涂层在盐雾与湿热环境下的损伤演化规律，发现底漆和面漆在盐雾试验以盐结晶物理损伤为主，而在湿热试验以水解反应为主；孟祥龙等[4]研究了了复合绝缘子芯棒材料在盐雾微电流与湿热环境下的劣化特性，揭示了芯棒老化主要由湿热条件水解反应引起的；向本龙等[5]系统分析了热带海洋环境下配电设备的失效机理，指出高盐雾腐蚀、湿热变换与动态风载是导致设备失效的三大因素；叶俊杰[6]分析了船用电气电子产品的盐雾试验方法Ka和Kb，为盐雾-湿热耦合试验方案设计提供了标准参考；闫杰等[7]探讨了南海热带海洋环境下氯丁橡胶电缆护套的老化机理。
综上所述，上述研究均着重于海洋环境因素下的单一材料老化行为，但对于盐雾-湿热耦合环境下的综合材料失效机制，仍然缺乏数学理论与实验验证。因此，本文提出一种盐雾-湿热复合环境下的柜体老化规律研究方法。以冷轧钢板柜体为研究对象，创新性地将海洋环境、柜体材料腐蚀与柜内绝缘件退化进行深度融合分析，设计盐雾、湿热及盐雾-湿热耦合三种试验方案，揭示盐雾物理损伤与湿热化学降解的交互叠加机制，为柜体的可靠性设计与延寿维护提供理论支撑。
2 盐雾-湿热复合环境下数学模型
2.1 柜体腐蚀模型
金属腐蚀的本质是化学反应，对于柜体而言，冷轧钢柜壳经过酸洗、磷化、静电喷塑处理后，能够提升防锈能力，但如果长期在潮湿、多腐蚀气体的环境中使用，一旦柜体表面出现划痕或磕碰，钢板会快速腐蚀[8-9]。
在盐雾-潮湿耦合环境中，钢板表明形成微电池，Nernst方程描述电极电势与物质浓度、温度及电子转移关系的公式如（1）所示。
（1）
其中，
表示平衡电极电位，通常单位为V，
为标准电极电位，
为气体常数，取值是8.314J/(mol.K)，
为绝对温度，
为电子转移数，
为法拉第常数，取值96485C/mol，
为反应商，即反应物与产物浓度比。
Nernst方程仅给出平衡条件，而实际的腐蚀速率由Butler-Volmer动力学方程决定，通过描述电流密度与过电位的关系来反映腐蚀速率，如公式（2）所示。
（2）
其中，
表示净电流密度（A/cm2）,
为交换电流密度，
为阳极传递函数，
为阴极传递函数，
为过电位。当
>50mV时，Butler-Volmer方程可以分为阳极Tafel极化曲线方程与阴极Tafel极化曲线方程。
通过电极极化曲线测量能够获得腐蚀电流密度与腐蚀电位，进而定量评估腐蚀速率，如公式（3）所示。
（3）
其中，
表示腐蚀电流密度，
为腐蚀电位，
为阳极塔费尔斜率，阳极与阴极塔费尔方程除了斜率不一致，其余参数均一致。
Q235B钢在海洋环境中的腐蚀深度随时间遵循幂律模型，如公式（4）所示。
（4）
其中，
表示
时刻钢板腐蚀深度（mm），
为环境常数，反映初始腐蚀速率，
为暴露年限，
为时间指数，体现腐蚀速率的衰减特性。当
<1时，腐蚀速率随时间递减。
=1为线性腐蚀，
>1为加速腐蚀。
为了进一步探究柜体的宏观变化，利用将微观电化学腐蚀电流密度转化为宏观腐蚀深度，如公式（5）所示。
（5）
其中，
表示总体腐蚀深度，
为金属摩尔质量，
为金属密度。
根据盐雾-湿热耦合模型，将幂律模型加入环境中，引入耦合加速因子
，当
=0时退化为纯幂律模型；当
>0时，耦合环境下腐蚀深度超过线性叠加预测。因此，耦合模型可表示为公式（6）。
（6）
其中，
为盐雾-湿热耦合系数，
为相对湿度影响函数，
为氯离子浓度影响函数。
2.2 密封件老化模型
硅胶密封件在盐雾环-湿热环境下的压缩永久变形率随时间呈指数增长并最终趋于饱和值[10]，其老化模型遵循指数衰减模型，如公式（7）所示。
（7）
其中，
表示
时刻压缩永久变形率，
为初始压缩变形率，
为最大增量，
为衰减常数。压缩永久变形率由
逐渐趋近饱和值，
越大趋近速度越快。
密封件的泄露率与密封力直接相关，而密封力随着压缩永久变形率的增大而衰减，泄露率随之增加。密封力衰减模型如公式（8）所示。
（8）
其中，
表示初始密封力。通过密封力与泄漏率关系，建立数学模型如公式（9）所示。
（9）
其中，
表示
时刻泄漏率，
为初始泄漏率。当
趋近100%时，密封力
趋近于0，泄漏率趋向无穷大，密封完全失效。根据经验判断，当
>85%时，密封力衰减至15%一下，泄漏率增大至初始值的40倍。
2.3 绝缘件退化模型
击穿电压是绝缘件安全性的直接衡量，随着时间增大绝缘件近似线性退化，但绝缘击穿具有分散统计性，单次的击穿不能作为整体可靠性的度量[11]。因此，引入Weibull分布对击穿电压进行统计分析，如公式（10）所示。
（10）
其中，
表示累计击穿概率，
为Weibull尺度参数，
为Weibull形状参数。当
>1时，击穿以老化磨损失效为主；当
<1时，击穿以早期绝缘件缺陷为主；当
=1时，此刻为随机失效。
环氧树脂绝缘在湿热环境下的拉伸强度退化遵循线性模型，如公式（11）所示。
（11）
其中，
表示初始拉伸强度，
为退化速率常数。当
退化至初始拉伸强度的50%时，可以判定为材料失效。
2.4 级联正反馈时效模型
柜体、密封件、绝缘件三类组件的退化过程并非独立的，而是通过级联传递形成正反馈失效链。柜体腐蚀深度
达到阈值，柜体密封面变形导致密封力衰弱，密封力减弱使泄漏率增加，加速盐雾、湿热等环境因素的侵入，导致绝缘件加速老化。级联正反馈可用增益系数定量描述，如公式（12）所示。
（12）
其中，
表示腐蚀密封传递系数，反映腐蚀深度对密封力的影响灵敏度；
为泄漏绝缘传递系数；
绝缘密封反馈系数；
为正反馈增益，当
>1时，系统进入发散加速；当
<1时，系统收敛趋稳。
由于正反馈耦合，三级联失效并非独立事件，引入耦合修正因子
> 1，系统失效概率模型如公式（13）所示。
（13）
其中，
表示耦合修正因子，且
，
、
、
分别为各级特征寿命，
、
、
分别表示各级形状参数。
2.5 寿命预测模型
将Arrhenius温度-湿度加速模型与Weibull失效分布结合，考虑级联正反馈耦合后，形成综合寿命预测模型，如公式（14）所示。
（14）
其中，
表示25℃、50%RH、无盐雾条件下的基准特征寿命，
为反应活化能，
为湿度加速系数，
为相对湿度，
为盐雾加速系数。
3 实验设计
南海热带海洋环境年均气温25℃~30℃，极端最高气温可达40 ℃；年均相对湿度80%-98%，在雨季可达100%；大气盐雾氯离子浓度约为0.3~1.5 mg/m³，氯离子沉降速率高达110 mg/(m²・d)。盐雾中的氯离子具有较强的穿透能力，可渗透涂层与密封缝隙进入柜体内部；湿热环境则通过蒸气渗透和温度升高加速材料老化。在耦合作用下，形成远超单一环境效应的复合老化应力。
柜体在服役过程中承受三类核心环境：盐雾侵蚀、湿热交变与耦合级联应力，试验选取三类典型材料试样。1、Q235B冷轧钢板试样，尺寸为300mm×100mm×6mm，材料符合GB/T 4336-2016要求；2、密封件试样采用耐候型硅胶密封条，截面尺寸为20mm×15mm，硬度50HA；3、环氧树脂绝缘件试样采用标准接线端子绝缘套，壁厚3mm，初始绝缘电阻1000MΩ。试样表面经打磨、清洗、称重后分组编号，每组设2个平行试样，每个试样周期为20天，共40天，实验流程如图1所示。
图1 盐雾-湿热耦合加速老化试验循环周期示意图
参照IEC 60068-2-11与IEC 60068-2-52标准，设计三种加速老化试验方案A组(盐雾试验：连续盐雾，温度35 ℃及5% NaCl溶液（pH 6.5~7.2），时长4天；B组(湿热试验)：升温阶段30至60 ℃及95%RH，时长1天；高温高湿60℃及95%RH，时长6天，降温60至30 ℃/95%RH，时长1天；低温高湿30 ℃/95%RH，时长8天，总时长20天；C组(盐雾-湿热耦合试验)：盐雾阶段(35 ℃/5%NaCl)+湿热存储(60 ℃/95%RH)+低温高湿(30 ℃/95%RH)，总时长20天，具体流程如图2所示。
图2 盐雾-湿热耦合加速老化实验流程
4 实验结果与分析
盐雾-湿热耦合实验采用多维表征方法对样本老化程度进行定量评估。首先，对钢板结构采用精密分析天平称重(精度0.0001g)计算质量损失率与腐蚀速率，再利用SEM-EDS分析腐蚀形貌与产物成分；其次，对硅胶密封件采用PosiTestAT附着力测试仪测定压缩永久变形率，再利用SEM观察微观断口形貌；最后，对环氧树脂绝缘件采用绝缘电阻测试仪测定绝缘电阻，介质损耗角正切测试仪测定tanδ值，击穿电压测试仪测定击穿电压。
图3 冷轧钢板在不同环境下的腐蚀行为
冷轧Q235B钢板在不同老化环境下的腐蚀行为如图3所示。A组钢板质量损失率随时间呈幂函数增长，腐蚀速率初期较高后逐渐降低，40天平均腐蚀速率0.06 mm/a。B组腐蚀率相对较低，主要表现为均匀腐蚀，点蚀程度轻微，40天平均腐蚀速率0.04 mm/a。C组呈现腐蚀速率呈现先升后降再升的波动特征，这与环境交替过程中腐蚀层的周期性脱落有关，其腐蚀速率显著增强，40天平均值达0.08 mm/a，较A组提高33%，是B组的2倍。
图4 冷轧钢板在不同环境老化后的SEM表面形貌对比
冷轧钢板在不同环境老化后的SEM表面形貌如图4所示。在盐雾环境40天后，钢板表明出现小型腐蚀坑，利用EDS确认坑内残留NaCl结晶颗粒，整体呈现点状腐蚀到小面积腐蚀的特征。在湿热环境40天后，表明呈现均匀减薄特征，腐蚀物主要产物为羟基氧化铁，表明较为平整。在盐雾-湿热环境40天后，表面呈现大型深坑与密集微坑并存的劣化形貌，腐蚀深度可达250微米，远超盐雾组和湿热组。
图5 硅胶密封件在不同环境下的老化规律
硅胶密封件在不同环境下的老化规律如图5所示。A组密封件压缩永久变形率缓慢增长，40天后达到32%，硬度从50 HA升至60 HA。B组密封件压缩永久变形率增长较快，40天后达到52%，硬度上升至62HA。C组密封件压缩永久变形率急剧增长，40天后达到68%，硬度升至6HA，在盐雾-湿热环境下，高温高湿条件使得材料变软，盐雾进入材料的更多，结晶后更容易损伤材料。
环氧树脂绝缘件电性能退化规律如图6所示。A组绝缘电阻在40天后从初始1000MΩ下降至200MΩ，截止损耗角正切从0.02上升至0.05，退化幅度相对有限。B组绝缘电阻下降至80MΩ，tanδ上升至0.08，退化程度高于A组。C组绝缘电阻急剧下降至15MΩ，仅为初始值的1.5%，tanδ上升至0.22，接近绝缘失效的边缘。
图6 环氧树脂绝缘件电性能退化规律
从上述实验可以观察到，柜体的失效并非各部件独立劣化的简单加和，而是存在系统级交互耦合效应。柜体冷轧钢板的腐蚀破坏了密封结构完整性，使密封缝隙增大，导致盐雾沿密封缝隙大量侵入柜体内部，侵入的盐雾直接沉积于绝缘件表面，在柜内微电流作用下引发环氧树脂的电化学降解，形成柜体级联正反馈失效链。
为了进一步研究柜体的使用寿命，利用寿命预测模型对柜体关键部件的服役寿命进行预测，如图7所示。对于柜体腐蚀深度，盐雾环境下达到临界腐蚀深度0.5 mm约需10年，湿热环境约需14年，盐雾-湿热环境下约7年；而对于绝缘件寿命，在600V低压工作环境中，盐雾环境绝缘电阻降至安全阈值0.6MΩ约需8年，湿热环境约需6年，盐雾-湿热环境下约5年突破临界值，同时，在盐雾-湿热环境环境下，柜体密封件的寿命同样大大缩短。综合寿命预测结果，柜体的安全服役寿命约为5年左右。
图7 柜体关键部件服役寿命预测模型
5 结论
本文以冷轧钢板柜体、硅胶密封件及环氧树脂绝缘件为研究对象，建立柜体的老化模型，设计设计盐雾、湿热与盐雾湿热耦合三种老化试验，分析不同环境条件下各个部件的退化机理。经过实验验证，盐雾与湿热具有显著的耦合老化加速效应，耦合环境对柜体关键部件的损伤程度远高于单一环境。本研究阐明了海洋复合环境下柜体的失效机制与寿命短板，可为设备结构优化、密封与绝缘材料选型、寿命评估提供有效的理论支撑与试验依据。
参考文献
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作者简介：
贾博文（1991—），男，汉，甘肃古浪，本科，助理工程师，研究方向高低压设备检测。
通讯地址：
姓名：贾博文
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