南海海岛自动气象站对海洋环境的适应性和性能
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作者:黄应邦 林锡坤 马胜伟 陈余海 潘灶林 吴洽儿
摘 要：本文结合南海海岛自动气象站高湿、高温、强辐射、高盐雾、强风等环境特点，对南海海岛自动气象站出现的故障进行分析总结，然后从南海海岛自动气象结构和防护要求出发，提出了金属防锈防腐等防护措施，延长南海海岛自动气象站对海洋环境的适应性和设备的使用年限。
关键词：南海海岛;海洋气象站适应性;防护措施
中图分类号：P415.1+2 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2019）09-0110-02
1引言
由于南海海岛所处海域为热带季风气候区域，北纬10°，为比较典型的海洋性气候，加上南海距离陆地海岸线比较远、海岛交通不便、维修难度比较大，受特殊地理环境因素的影响，结构材料极易被腐蚀，为提高设备运行的可靠性和稳定性，需对自动气象站对海洋环境的适应性进行分析。
2 南海海岛气象站海洋环境的适应性
南海海岛站包括采集器、传感器、供电和通信系统、结构安设附件、标准紧固件及管道线缆等，海南气象局会每年定期对南海海岛站的设施进行巡检。2015年6月，海南气象局对包括南沙、西沙海岛在内的12个站点共计24套设施进行巡检，检查结果发现，南海海岛站点共计237处设备故障点，诱因是设备材料、制作技术等，表现为金属材料的腐锈蚀盐化、非金属材料的设备老化、设备对海洋环境的适应性等;设备有结构件、传感器、电缆机箱及紧固件等;构件是风杆、拉索、相应的横臂支架，结合对检查结果及故障原因分析可知，南海海岛站因受到海洋环境“两强、三高”影响，平均寿命降低，情况严重的只占普通气象站的1/3～1/2，基于目前南海海岛特殊自然环境条件、制作工艺及生产技术情况，提升新建的南海海岛站在海洋环境适应性和稳定运行期，由半年升到一年，基本符合海洋设备的应用要求[1]。
3 南海海岛气象站的防护技术
当下南海海岛站设备材料分为金属钢铁材料和非金属材料，南海海岛站集成性的影响因素为钢铁结构的腐蚀、盐化及非金属材料老化等。在进行南海海岛站具体防护设计时要结合部件特点选取相应的防腐材料，如铝、钛合金、不锈钢金属材料、聚碳酸酯等非金属材料，南海海岛站设备材料需选用一定的镀涂工艺，降低材料因环境因素而引起的变化性。
3.1 金属材料的防锈蚀方法
海洋环境会引起金属材料的腐蚀、锈蚀，主要是由于金属和海洋环境周围介质直接接触，因海水作用而发生化学、电化学反应，造成金属材料的损坏，从以下入手：
（1）阻隔金属和介质的直接接触，通过一定的措施使得金属表面生产一层氧化保护膜，阻隔金属和介质的直接接触，达到防腐蚀效果;
（2）阳极保护，于金属表面涂刷一层活性材料，以此为阳极，因涂刷层电位低于金属基体而呈现负极性，故在电化学反应中以阳极的形式遭到腐蚀，而作为阴极的金属材料则被保护，金属表面涂刷层的消耗使得金属材料得到保护。
鉴于上述两种方式，选取金属材料时，结合试验结果，最佳金属材料为316不锈钢，其防腐方法以阻隔金属材料和介质为主，通过在材料中掺入Cr、Mo等易氧化元素，在金属材料表层生成致密的Cr2O3等保护膜，进而阻隔金属材料和周围环境介质的接触，实现在一般大氣、酸碱盐等环境中的金属材料防腐;阳极保护措施中，可在风塔、结构件、紧固件等金属设施表层涂刷一层Zn、Al等，钢铁金属材料为基底，Zn、Al镀层为阳极，电化学反应时，阳极镀层因氧化腐蚀而形成致密的氧化保护膜，进而有效保护基底材料，实现金属材料的防腐。
3.2 南海海岛线缆的老化、腐蚀防御
南海海岛站建筑结构及施工环境特殊，如长期高温、强湿度、辐射环境的作用等，使得多数南海海岛站电缆线路呈现裸露状态，降低了设备性能，引发设备故障，电缆所用橡胶材料包括丁苯橡胶、天然橡胶、乙丙橡胶等;塑料材料包括聚乙烯、聚丙、烯聚氯乙烯等，以上均不符合高温、高湿、强辐射等特殊环境的使用需求，故在保证南海海岛站电气设备的性能的前期下，需尽可能选取耐高温、耐高湿、耐强辐射等复合橡胶材料，有效抵御紫外线，确保线缆不会出现因日照腐蚀而引起损坏[2]，同时电缆还需具有一定的耐磨、抗酸碱腐蚀、不易撕裂等特性及铜网屏蔽线等材料。
3.3 焊接工艺的预防处理
金属材料的防腐性能和金属件的焊接技术有一定的关系。金属件在焊接时需选用氩弧焊的方式，由于氩气的波纹很细，且成型非常美观，故将氩气作为保护气体，可有效保护焊缝，焊接质量也得以保障。此外由于氩弧焊的能量较集中，焊接时热影响的区域很小，有效降低其变形和变性，选取焊接材料时，性能需优于焊接母材料，这样可有效保证焊缝的材料和母体材料成分一致[3]。氩弧焊工艺可有效保障焊缝性能及化学成分，使得焊缝成分和机械性能保持和母体材料一致，避免晶界处的腐蚀，有效提升设备的防腐性能。
3.4 表面涂覆措施的要点
对于南海海岛站的设备机箱及结构件等为实现防腐、隔热的目标，需在其表面涂刷一层保护膜。调研发现，结构件的表面涂刷可选用静电喷涂工艺，其原理是借助静电原理把塑料粉末喷刷至金属材料表层，静电作用使得塑料粉末均匀附着在金属表层，进而呈现粉末状涂层，经过高温的烘烤、熔化、固化等过程，粉末状涂层于金属表面构成了均匀的保护层，具有较高的机械强度、强附着力、耐老化、耐腐蚀性。南海海岛站的设备结构件、机箱等选用表面静电喷涂制作可有效降低设备的腐蚀，提升设备使用寿命，符合海洋环境下金属构件的设备防腐。
4 南海海岛气象站组成成分的防护方案
4.1 风杆防护
因南海海岛站周围特殊的气候条件，使得常规的气象风杆的安装、使用及维护过程中出现较多问题。通过试验对比分析，最终选取由玻璃纤维复合非金属材料构成的新型风杆，玻璃纤维复合非金属材料的质量更轻、强度更高、抗腐蚀性能更好，在运输、安设过程中更便捷，完全满足海洋特殊环境的应用要求[4]。对于风杆安设的附件，包括拉索、索扣、预埋件等均选用316不锈钢材料制备，可有效提升设备的抗腐蚀性能。风塔结构的南海海岛站，可选用热镀锌技术处理风塔材料：风塔制作时，可在钢铁结构表层喷刷一层Zn、Al等阳极性材料，避免电化学反应对钢铁材料造成腐蚀，实现设备防腐。 4.2 机箱防护
因南海海岛站周围环境较特殊，为提升南海海岛站机箱的特殊环境适应性，增强机箱的吸热、密封、抗腐蚀等性能，机箱制备时需排除聚热材料，原因是聚热材料易吸热造成机箱温度增加，温度太高对采集器的性能和寿命将会产生直接影响。机箱最佳材料为316不锈钢板或混合橡胶材料，其中316不锈钢机箱需选用氩弧焊工艺进行焊接、拼装，并于机箱表层开展静电喷涂作业，确保机械的抗腐蚀性，提供机械的防护性能。为满足机箱的防水防尘需求，机箱和门之间的密封条可选用聚氨酯材料，其中聚氨酯材料的材质柔软、密封性强、结合力好，不易发生脱落，均符合南海海岛站机箱制作需求，适用于海洋环境。
4.3 传感器防腐处理
（1）目前大多数南海海岛站风传感器均为YOUNG风传感器，安设和更换时需用黄油处理紧固螺丝来降低结构件的腐蚀程度，同时需用电工胶布裹缠引线的线缆接口来降低线缆的老化及腐蚀，选用穿管处理通信线缆，尽可能避免线缆外漏。
（2）温湿度传感器主要安设于防辐射罩里，高温作用使得防辐射罩内外具有较大的温差，易产生液化的小水珠，并且附着在防辐射罩内，引起湿敏元件出现饱和情况，造成测量误差。市面上的VISALA公司制造的加热型温湿度传感器HMP155A，可借助加热器件来处理高湿条件下湿敏元件的饱和情况，同时借助热轰击方式处理湿敏元件污染情况，避免设备腐蚀[5]。设备使用时，需用电工胶布裹缠接线航空插头，避免航空插头因盐化而出现腐蚀。
（3）常规雨量传感器在特殊的海洋环境条件下，高温、高湿、高盐雾、强辐射等条件作用均易出现盐化腐蚀，长期使用会产生堵塞，故使用时尽可能选用非金属材料生产的雨量筒。
5 结论
综上所述，本文基于南海海島自动气象站项目，对其实际运行中存在的防护问题进行详细分析，为应对海洋环境的特殊条件如南海海岛强风、强辐射、高温、高湿度、高盐性等，从南海海岛站的结构、设备、材料、集成性等方面入手，采用多种电子设备防护工艺及有效防护方案，有效提升海洋特殊环境条件作用下的南海海岛站使用性能，延长设备维护使用时间。
参考文献：
[1]陈亮，王小坚，吴坤悌，等.海南省气象服务产品分发系统设计与应用[M].海口：气象出版社，2015.
[2]翁武坤，谢健群，林苗青.浅谈海岛自动气象站的防锈措施[C].中国福建厦门，2011.
[3]李莹，赵彦兴，张珍文.地面气象自动观测定时数据缺测的处理方法[J].江西农业，2017，（02）：43-45.
[4]陈慧，彭丽娜，韩晶霞，等.自动站观测数据综合应用业务系统的设计与实现[J].农业与技术，2017，（04）：71-73.
[5]张远洪，罗晓松，赵大清，等.浅析移动通信网络升级对区域自动气象站GPRS通信的影响[J].贵州气象，2017，（01）：17-19.
基金项目：农业农村部渔业安全生产管理项目（171721301124112041-01，171721301124112041-02）;农业农村部南海渔业安全应急处置与对策研究（02011020191111）;农业农村部外海渔业开发重点实验室2018年度开放基金课题（LOF 2018-05）。
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