控制系统的腐蚀与防护.doc

控制系统的腐蚀与防护摘要：本文介绍了控制系统腐蚀的原理和机理，总结了影响控制系统腐蚀的环境因素，提出了以电子元器件为核心的控制系统的防腐措施和保护方法。关键词：控制系统 腐蚀 防护1 引言在目前的流程工业运行中，对以电子元器件为核心的集散控制系统、仪器仪表、电子信息系统的依赖越来越强，这些自动化平台和设备的稳定、安全运行已经成为保证石油、化工、电力、冶金、造纸等行业整个生产流程正常运转的关键环节。但随着集成电路的小型化，SMT贴片化技术的大规模应用，电子器件的体积越来越小，元器件的间距和PCB板的布线越来越密，使得极微量的气体接触、吸附液膜或微尘积聚都有可能造成电子元器件的失效，从而导致控制系统故障，影响企业的生产。这些流程工业的生产中又无可避免地产生各种腐蚀性气体和微尘。控制系统的腐蚀具有隐蔽性、渐进性和滞后性，本文通过分析控制系统腐蚀机理和腐蚀因素，进而提出可行的控制系统的腐蚀防护措施。2 控制系统的腐蚀原因和机理控制系统由各种电子板卡、计算机和电磁器件构成，各种板卡和计算机的PCB板上密集排布着大量的电子元器件，构成控制系统的元器件是无源元器件（如电阻、电容、电感等）和有源器件（如晶体管、电子管、集成电路等），这些元器件又是由金、银、铜、锡、镍、铬、铝、铁镍、锡铅等金属和黏结剂、树脂等高分子材料构成。工业环境中引起电子元器件腐蚀的主要是气体腐蚀、液体腐蚀和微尘颗粒腐蚀，这其中气体腐蚀影响最广，也最难于防范。工业环境中腐蚀气体主要涵盖表1中几个主要大类表1 工业环境中主要腐蚀性气体分类工业环境中的其他腐蚀源还有各种溶于水的气体形成的凝露、凝霜，煤粉、尘埃微粒等。据分析，直径在0.115um的灰尘，覆盖电子元器件表面形成电解层，导致元器件间或线短路或电弧，若为导粉尘影响更为严重。如果尘埃在电子产品的触点和接插间隙、芯片引脚间隙等部位积聚，很容易导致阻抗降低引起误动作。控制系统的腐蚀实际上也就是各类电子元器件中的金属部分被腐蚀而造成的卡件失效。以曾处理过的一个电子卡件频繁故障为例，当故障卡件返回分析时发现是由一颗5.1K贴片电阻阻值异常（测量发现阻值变为4.5M），导致卡件相应功能异常。在显微镜下观测失效样品，可明显发现在电阻电极和表面玻璃体之间存在黑色晶体物质，如图1所示。图1 电阻表面的黑色晶体物质再用SEM扫描电镜对电阻剖面做放大150倍和2000倍观测图片如图所示2-12-3（图中2-1中方框2标示的区域细节在图2-2中显示）图2-1 电阻的电镜照片（30X）图2-2 图2-1中位置2的放大照片（150X）图2-3 黑色晶体的典型形貌（2000X）图3 EXD能谱分析确定黑色晶体成分是硫（S）和银（Ag）贴片电阻出现阻值变大的情况，是本身在端电极和表面玻璃体之间形成了Ag-S的物质，导致电阻阻值变大，从而引发卡件局部功能失效。Ag是电阻本身内电极的成分，而S在电阻本身材料和产品加工工艺中均是没有的。很大可能性是控制性环境中存在腐蚀性气体，卡件在此环境中长期运行，导致其中贴片电阻内部电极发生硫化而失效。3 影响控制系统腐蚀的环境因素影响控制系统腐蚀的环境因素很多，其中相对湿度、温度和污染源是最重要的影响因素。相对湿度是决定腐蚀速率的最重要的因数，研究表明，相对湿度在50%以上，湿度每增加10%，环境腐蚀会增加1倍，。这主要是由于湿度较大时，金属表面由于结露形成水膜，水膜的形成提供了金属腐蚀的电化学环境，如果此时金属表面上附着污物、尘埃等，则会加剧水膜形成。温度是促进腐蚀反应的最重要动力。一般来说温度每升高10，化学反应增加23倍。常见金属的腐蚀临界湿度一般为50%80%、临界温度40。当湿度和温度低于临界值时影响不是很大；当超过临界值后，反应速度明显加快，尤其对铜和铜合金。如工程上常采用热镀锌铁作为防腐蚀施工材料，正常使用条件下，电位较低的锌可以保护电位较高的铁，但当温度高于70时，就起不了保护作用了。湿度较高所形成的水膜和温度仅仅是位腐蚀提供了腐蚀环境，真正罪魁祸首是污染源，表2 列出了几种典型的腐蚀性气体污染源对电子元器件腐蚀的影响。表2 腐蚀性气体对电子元器件腐蚀的影响此外，镀镍元器件经常使用三聚氰酰胺树脂涂敷的包装袋，这种树脂很容易分解并氧化为蚁酸，对镀镍器件有很强的腐蚀性。接插件包装盒经常使用美列尔系列树脂类化学发泡材料，这种材料遇水膜会会水解产生氰酸，腐蚀金。老鼠分布广、数量多，控制系统柜内经常有鼠粪和被啃咬的痕迹。鼠尿也是腐蚀元器件因素之一，从分析结果看，鼠尿一般含有尿素和磷酸盐。4 控制系统的防护措施腐蚀的防护方法主要有元器件级的卡件涂敷和外部环境的源头控制、新风稀释或密封、过滤通风（化学过滤）等措施。4.1 涂敷保护技术涂敷保护技术即直接在控制系统的板卡上涂上一层防腐蚀的材料，在电子元器件表面形成防腐蚀阻止或减慢腐蚀过程。目前常用的防腐涂料有硅酮橡胶、硝基清漆（单、双组分）、聚氨酯清漆（单、双组分）三大类。一般涂敷厚度控制在25um75um，保证器件良好的散热。4.2 控制室环境的选取控制室应尽量处于上风侧。控制室应和主装置或主管道（即腐蚀性气体源）保持合适的距离，隔离腐蚀气体越远越好。控制室湿度控制在40%60%之间。具体可行的操作方法及注意点：（1） 建议在控制室内放置温湿度检测仪，保证及时监测报警，保证湿度在40%60%之间，同时还能有效防止ESD静电危险。（2） 南方高湿地区可采用中央空调系统、立式空调除湿，但需要考虑空调系统自身引入外部腐蚀性气体的问题，如中央空调在空调进风处安放碱性吸湿剂（如：石灰），定期更换。（3） 建议控制室设置两道有一定距离的门，且门的位置要相对错开。使用双车层玻璃保证门窗的气密性，可在门窗边上加耐腐蚀的橡胶框条。用胶泥封堵控制室电缆进出口，对架空敷设时穿墙或穿楼板的孔洞、地沟进线时入口处和强孔洞，包括控制室柜及操作台的进线口也必须密封处理。平常保持控制柜和操作台的门关闭。（4） 建议操作台不要用风扇，因为风扇是往操作台里面吸风，在有腐蚀性气体存在的环境下更易造成工控机的腐蚀。4.3 环境通排风设置采用对控制室通干净仪表空气或其他净化空气的方法使控制室和控制柜保持正压，防止腐蚀性气体渗入。具体可行的操作方法及注意点：（1） 气压大小要不低于25Kpa，且寻找厂区内较为干净的仪表空气作为气源。同时在进控制室前要净化处理，建议制作一可拆卸的盒子，在盒中间隔安放活性炭和碱石灰吸附材料，压制成块状（可以双边夹铁丝网），中间用湿棉花等包裹活性炭和碱石灰）达到稀释硫化物等酸性腐蚀气体的目的。如果资金充裕，也可以引进气体预处理系统。（2） 对腐蚀严重的控制室内，在干净的仪表空气通入室内后，建议设置一如图所示的集气分配台，分别通至控制柜、操作台下方，以保证核心控制部分不被腐蚀。有条件的话，在进控制柜和操作台之前可先放入安放片状活性炭的装置吸附粉尘。图4 集气分配台（3） 配备压力报警系统，安装气体压力报警仪。当控制室压力过低时（腐蚀性气体进入），会发出声音报警提醒操作人员注意。5 结束