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艦船用非金屬材料污染散發特性及檢測評價研究進展

2015-02-07 02:56徐德輝余濤陳亮周愛民沈旭東
中國艦船研究 2015年3期
關鍵詞:非金屬材料艙室艦船

徐德輝,余濤,陳亮,周愛民,沈旭東

1 中國人民解放軍92337 部隊,遼寧大連116023

2 武漢第二船舶設計研究所,湖北武漢430205

0 引 言

控制艦船艙室空氣污染的主要途徑包括通風換氣、空氣凈化和源頭控制[1]。由于節能、隱身等多方面的需求,艦船艙室密閉性強,通風量有限,特別是潛艇等特殊艦船,在執行任務期間難以通過與外界通風換氣來改善艙室空氣品質。為控制艦船艙室空氣污染,近年來,國內、外對艦船艙室污染源控制的關注度不斷提高,如艙室空氣污染傳播[2]、污染源預測和源項識別[3]、污染源特性[4]等。

艦船使用的非金屬材料來源廣泛、種類繁多,包括油漆、橡膠、塑料、膠黏劑、密封材料、燃料、潤滑劑、紡織品、木材、電氣絕緣材料等[5]。研究表明,非金屬材料的無機物和揮發性有機化合物散發是艦船艙室空氣污染的主要來源之一,易造成船員工作效率降低,甚至直接影響船員的身體健康[6]。為控制艦船艙室空氣污染散發,必須加強對艦船用非金屬材料的污染散發特性研究,因為這既是計算艙室污染物濃度及其分布的基礎,又是確定空氣凈化系統配置和氣流組織設計的依據。艦船艙室空氣污染控制的典型設計流程如圖1所示。

圖1 艦船艙室空氣污染控制設計流程Fig.1 Flowchart of ship cabin atmosphere pollution control and design

本文將從艦船用非金屬材料的散發特性研究進展出發,全面總結艦船用非金屬材料散發特性的檢測評價現狀,提出當前我國艦船用非金屬材料污染散發檢測評價存在的不足和發展方向。

1 非金屬材料污染散發特性研究進展

1.1 非金屬材料污染散發過程

典型艦船用非金屬材料的散發包括3 個傳質區域,如圖2 所示[7]。污染物組分首先從非金屬材料內部擴散到材料與空氣的界面處,然后與環境空氣側的污染物組分通過物理/化學作用相互交換達到平衡,最后由界面處散發到環境空氣中。

圖2 非金屬材料污染散發示意Fig.2 Diagram of nonmetallic material pollution distribution

研究表明,非金屬材料污染散發特性除受材料本身影響外,還受環境污染背景濃度、溫濕度、空氣流速和環境壓強等多方面因素的共同影響[8-11]。

1.2 非金屬材料污染散發模型

研究表明,同一類型非金屬材料的散發特性具有較強的規律性,因此,通過分析典型材料的散發特性,可獲得其散發模型,從而既能在縮短同一類型非金屬材料測試時間的同時,有效指導材料污染散發評價與工程設計。非金屬材料散發模型包括經驗模型和物理模型2 大類[12]。

1.2.1 經驗模型

非金屬材料污染散發的經驗模型通過對實驗數據的擬合得到,其優點是形式簡單、使用簡便,很適合工程應用。典型經驗模型包括一階衰減模型、雙一階衰減模型和指數模型等[13-15]。

當前,國外非金屬材料污染散發檢測評價領域部分標準采用了經驗模型,在保證測試結果可信度的同時,可縮短檢測周期、降低檢測成本,如美國辦公家具業協會(BIFMA)采用了指數衰減模型,根據樣品在通風艙中第4 天和第7 天的測試結果,對第14 天的艙內濃度進行了預測,表達式如下:

式中:E(t),E(t1),E(t2)分別為t,t1,t2時刻的散發速率;a,b 為模型系數。

國內非金屬材料污染散發檢測評價標準暫未應用經驗模型,但相關機構正在開展經驗模型在艦船用非金屬材料污染散發檢測評價中的適用性研究。潘滬湘等[16]采用遺傳算法開展了艦船用環氧涂料的污染物散發模型研究,結果表明模型擬合誤差精度可控制在10%以內,可用于預測任意時間內有害氣體的散發濃度,從而節省測試時間,并為評價非金屬材料的毒性和進行非金屬材料的選型提供指導。韋桂歡[17]研究了多種典型船用涂料的污染物散發模型,結果表明,擬合值與實驗值相關性良好,其給出的散發模型如下:

式中:A 為非金屬材料污染物散發面積;V 為放置非金屬材料的實驗艙容積;k1,k2為模型系數。

但是,非金屬材料的污染散發經驗模型缺乏散發特性的物理基礎,不能揭示污染物傳遞過程的本質規律和影響因素,從而導致通用性較差,不同非金屬材料污染散發的經驗模型可能存在很大差異。

1.2.2 物理模型

物理模型由描述散發機理的基本控制方程和假設構成,通過數學方法得到解析解,更能揭示材料污染散發的本質,如經典的Little 模型[18]等。Little模型的控制方程和邊界條件如下:

式中:C 為污染物在非金屬材料內的可散發濃度;D 為污染物在非金屬材料內的傳質擴散系數;x 為非金屬材料散發方向坐標;C0為污染物在非金屬材料內的初始可散發濃度;Ca為實驗艙內污染物濃度;Q 為實驗艙換氣量;K 為分配系數;L 為非金屬材料污染物散發方向厚度。

根據控制方程和邊界條件求解,可得到非金屬材料污染散發的解析解。與經驗模型相比,考慮材料散發特征參數的物理模型精確度更高,更能反映材料的污染散發特性。但是,該類方法需要深入研究不同類型非金屬材料的散發機理,以獲取準確的物理模型。目前,國內、外已對典型非金屬材料的散發物理模型進行了深入總結研究,具備較高的實用價值[19]。

2 艦船用非金屬材料污染散發檢測評價研究進展

近幾十年來,隨著艦船領域非金屬材料的大量使用和對艙室空氣品質重視度的不斷提高,國內、外針對艦船用非金屬材料污染散發檢測評價開展了大量研究工作。

2.1 污染散發特性評價

2.1.1 評價指標

根據標準的規定,我國艦船用非金屬材料在密封艙環境一定天數下的污染物散發強度需小于艦船艙室空氣污染物的容許濃度,典型污染物容許濃度見表1[20-22]。其中,艦船艙室容許限值主要考慮對人體的生理、生化影響,不包括艦船設備對艙室空氣控制的要求。

表1 艦船典型污染物容許濃度Tab.1 Permissible concentration of typical composition aboard ship cabin

國外非金屬材料污染散發評價標準一般針對性地規定了不同類型材料的目標污染物散發速率限值。目標污染物包括致癌物質和揮發性有機物2 大類。標準一般要求不能檢出全部或部分致癌物,致癌物分級依據世界衛生組織(WHO)下屬國際癌癥研究所(IARC)或歐盟的相關規定[23]。不同標準要求的揮發性有機物種類和散發限值存在較大差異,如歐洲相關標準一般參考LCI(Lowest Concentration of Interest)指標清單[24],清單中的限值由最不利人群可容忍的濃度及多種污染物的綜合效應確定;美國標準一般參考環境健康危害評估辦公室(OEHHA)發表的關于非致癌性有機化合物長期暴露推薦濃度數據庫,數據庫中的限值由最敏感人群長期暴露時不會有嚴重系統性病變確定[25-27]。

2.1.2 基于評價指標的材料分級

為規范艦船艙室非金屬材料使用,控制污染散發對艦員健康和設備、系統可靠運行的影響,國內、外制定了一系列標準,對用于艦船環境的非金屬材料進行檢測認證,明確應用范圍和要求,以指導材料選用,并對禁止、限制使用的材料進行嚴格控制,避免非受控使用,確保人員安全[4]。

我國于1999年頒布了GJB 3881-1999《艦船用非金屬材料毒性評價規程》[28],要求對艦船(包括水面艦艇、常規潛艇和核潛艇)艙室非金屬材料污染散發進行檢測評價,明確材料是否允許在相關艦船艙室使用。

歐美發達國家建立了一系列散發標識體系標準,對非金屬材料產品進行檢測認證,指導用戶選用,取得了顯著成效[27]。美、英等國針對艦船艙室非金屬材料污染散發,在常規標準的基礎上進一步制定了艦船材料控制程序,如美國潛艇材料控制程序中規定的非金屬材料分類及使用范圍如表2 所示[27]。

表2 艇用材料分級及使用范圍Tab.2 Submarine material control usage categories

2.2 污染散發特性檢測研究進展

基于擴散傳質可知,非金屬材料的污染物散發主要由3 個關鍵參數表征:材料中污染物初始可散發濃度、污染物在材料中的擴散系數及污染物在空氣和材料界面處的分配系數[29]。初始可散發濃度、擴散系數和分配系數分別影響材料總散發量、材料散發時所在環境中的峰值濃度和散發速率[30]。非金屬材料污染散發特性的典型檢測方法包括環境艙法和現場測試法等。

2.2.1 環境艙法

所謂環境艙法,即將材料放置在特定環境條件的實驗艙中測試其污染散發特性。目前,國外非金屬材料污染散發檢測方法及評價體系普遍采用該類方法進行測試,并形成了一系列測試標準[27,30-33]。該類方法的優點在于,可模擬非金屬材料的使用工況,從而測定材料在真實環境下的污染物散發水平。根據試驗期間是否通風,可分為通風艙法和密封艙法2 類。

1)通風艙法。

通風艙法是根據標準要求,將待測樣品放入給定溫濕度、送風條件的實驗艙中,以額定流量向艙內提供潔凈空氣,排出混合均勻的污染空氣,當艙內污染物濃度達到平衡時,假定艙室密封,艙內無化學反應,壁面無污染物吸附/脫附,從而得到非金屬材料污染散發速率,計算公式如下:

式中,E 為測試材料污染散發速率。

為測得穩態散發速率,標準一般將測試時間規定為7~28 d[27]。

2)密封艙法。

密封艙法與通風艙法的差異在于,測試期間實驗艙不與外界通風換氣,即不輸入潔凈空氣。我國艦船領域非金屬材料污染散發檢測采用的是密封艙法[28,34],其檢測結果用于評價非金屬材料的污染散發強度是否滿足相關艙室污染物容許濃度限值要求。標準規定的實驗要求如表3 所示。

表3 艦船非金屬材料散發檢測實驗要求Tab.3 Emission experiment of ship nonmetallic material

我國在艦船非金屬材料污染散發檢測標準制定后,開展了大量檢測研究。檢測結果表明,我國艦船用非金屬材料污染散發具有以下特點:

(1)污染散發種類多,差異性大。由于材料本身特性差異,不同類型非金屬材料散發的污染物種類存在較大差異,典型的污染物包括二氧化碳、一氧化碳、氨、烷烴、烯烴、芳香烴、丙酮、氟利昂等[35-39]。

(2)污染物散發速率差異大。密封艙環境下的濃度峰值可能出現在密封初期、中期或末期的任何一個階段。如LZN-2 型高性能阻尼材料[35]、艇用阻燃橡膠地板[36]等艦船非金屬材料在規定的檢測周期內,實驗艙內典型污染物的濃度持續上升,如圖3(a)和圖3(b)所示;G-39 型隔聲密封材料[37]等艦船非金屬材料在規定的檢測周期內,實驗艙內典型污染物的濃度持續降低或先上升后下降,如圖3(c)所示。

從測試標準和測試結果可以看出,我國艦船非金屬材料污染散發檢測對密封艙的要求較低,如未規定密封、壁面材料的吸附性能要求等,導致測試結果中的曲線波動原因分析困難。同時,雖然單次檢測周期長(持續20~90 d),但僅根據測試周期內的艙內濃度峰值對材料散發特性進行評價,未考核非金屬材料的污染物散發速率、初始可散發濃度等散發特性參數,難以指導艦船空氣凈化系統的定量化設計。

圖3 非金屬材料污染物散發特性Fig.3 Pollution emission characteristic of typical nonmetallic material

3)改進的密封艙法。

為降低測試成本,縮短測試時間,在深入研究非金屬材料污染散發機理的基礎上,熊建銀等[40]提出了基于大型密封艙的非金屬材料污染散發特性檢測用的C-history 方法,該方法要求密封艙體積大,密封性能良好,壁面無吸附等,其基本原理如下:在環境艙(采用密封艙)測試材料散發時,假設材料均勻,材料內污染物為一維擴散,且箱內污染物混合均勻,可得如下關系式:

式中:Ca(t)為環境艙內污染物逐時濃度;Cequ為環境艙內污染物平衡濃度;β=AL/V ;SL 和INT為模型系數。

通過對實驗數據進行處理,可獲得斜率SL 和截距INT,從而得到擴散系數、分配系數和初始可散發濃度。該方法單次檢測一般僅需3 d左右,可在保證檢測精度的同時大幅度降低檢測成本,具有廣闊的應用前景[41]。

2.2.2 現場測試法

現場測試法通過在材料實際使用環境下進行測試,評價材料散發特性。該類方法用于完工后的艙室空氣品質檢測,發現并改進材料控制程序存在的問題與不足。

近年來,隨著對艦船艙室空氣品質關注度的不斷提高,國內針對艦船艙室空氣污染開展了大量實測研究[42]。初步結果表明,我國艦船艙室空氣品質不容樂觀,具體表現在:

1)污染物種類繁多,成分復雜;

2)存在單一或多種污染物超標現象;

3)人員主觀感受滿意度低。

可見,我國艦船艙室空氣品質存在較大的改進空間,因而對艙室主要污染源之一——非金屬材料散發的控制,就顯得尤為重要。

2.2.3 其他方法

其他檢測方法,如萃取法、穿孔法等,多用于非金屬材料單一污染物,如甲醛的散發檢測評價[43],因而艦船非金屬材料污染散發檢測評價需涵蓋艦船艙室空氣組分控制標準中的各類污染物及其他污染物,因此在艦船用非金屬材料檢測評價中未采用該類方法。

3 我國艦船用非金屬材料污染散發檢測評價存在的不足與發展方向

3.1 存在的不足

通過艦船用非金屬材料污染散發檢測評價標準的制定,結束了我國艦船非金屬材料污染散發評價長期缺乏統一方法和標準的現狀,對指導艦船設計、建造和使用期間的非金屬材料選用,控制艦船艙室污染散發強度,改善艙室環境質量,保障人員健康和安全發揮了重要作用。

但是,隨著我國艦船定量設計的發展,相關檢測標準及方法已難以滿足密閉艙室空氣污染源頭治理與設計需求,具體表現在:

1)實驗環境條件。標準規定實驗溫度為材料使用環境溫度上限,但在實際使用時,材料所處環境可能遠低于溫度上限,考慮到不同溫、濕度環境下材料污染散發特性的差異,實驗結果僅能反映最不利情況下的散發平衡濃度,可能與實際使用環境下的散發情況存在較大偏差。

2)實驗材料。標準要求根據艙室單位容積用量放入對應體積的材料,未對材料具體規格進行考核約束,但實際污染散發強度受材料厚度、比表面積、材料安裝工藝等多方面因素的共同影響,不同條件下的測試結果可能存在較大差異。

3)環境艙的設計和制作工藝。標準僅規定了密封艙的加工材料和容積等基本要求,未規定密封性能、吸附特性等,密封艙質量有可能影響實驗結果,降低結果準確度。

4)實驗結果。標準僅根據艦船艙室環境容許濃度限值進行評價,未制定艦船艙室用非金屬材料的污染物散發速率限值,測試結果僅為散發平衡濃度,無法提供散發速率等相關信息。

綜上,雖然我國制定了艦船非金屬材料污染散發控制標準,但未明確非金屬材料污染散發的實驗細則。因此,為加強艦船艙室空氣污染源頭治理,指導艙室空氣凈化系統定量化設計,有必要結合艙室非金屬材料實際使用情況,從測試樣品選取、實驗艙質量控制[44]、環境條件要求、結果處理等多個方面,改進優化非金屬材料污染散發的檢測評價方法。

3.2 未來發展方向

從艦船非金屬材料的檢測需求出發,其典型的檢測體系流程如圖4 所示。為進一步提高我國艦船艙室空氣品質,需結合當前暴露的不足,借鑒建筑、航天等其他領域非金屬材料的檢測經驗,針對檢測體系中樣品選取、樣品處理、測試方法、結果評價、后續跟蹤反饋等各個環節開展改進研究。

圖4 非金屬材料污染散發檢測體系流程Fig.4 Diagram of nonmetallic material emission detection

4 結 語

當前,隨著艦船領域對適居性要求的不斷提高,艙室裝修、美化等均可能導致非金屬材料使用量的大幅增加,而我國艦船領域非金屬材料散發檢測難以滿足行業需求,迫切需要開展針對性、系統性的改進研究,加強艦船艙室非金屬材料使用控制,減少污染源散發,保證人員健康和設備安全可靠運行。

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