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2013版ISA 71.04《过程测量和控制系统的环境条件:大气污染物》的新特点

更新时间:2009-03-28

2013年,国际自动化协会(International Society of Automation,简称ISA)修订并颁布了标准ISA 71.04-2013《过程测量和控制系统的环境条件:大气污染物》(以下简称2013版)。新版标准新增部分指标和条款,以适应新的研究发现和新的法规。

1 标准的修订

空气中的污染物对过程测量和控制系统可靠性的威胁,是逐渐被认识的。

随着科学史这一学科自身的不断发展,研究者不仅认识到用现代自然科学的门类划分、内涵外延去规范古代的思想、行为与成果,难免有削足适履、牵强定性之感,而且还存在着割裂总体、斩其筋骨之弊.而这一弊害之严重,不仅仅是就所谓自然科学各分支相互间存在着的联系而论,实乃关系到人类文明史、社会发展史这一足以涵括史学全部范畴的总体.

1985年,当时还称为美国仪器仪表学会(The Instrument Society of America)的ISA颁布了ISA S71.04-1985(以下简称1985版)。1987年,国际电工委员会(International Electro-technical Commission,简称IEC)颁布了标准IEC 60654-4:1987《工业过程测量和控制装置的工作条件第4部分:腐蚀和侵蚀影响》。由此,过程测量和控制系统所处环境中的大气污染物开始有了控制标准。

此后该领域有关机构及专家继续进行了大量的研究。2002年,欧盟发布2002/95/EC《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》(on the Restriction of the use of certain Hazardous Substances in electrical and electronic equipment,简称RoHS),要求在电气和电子设备中限制使用汞(Hg)、铅(Pb)、铬(Cr6+)、镉(Cd)、多溴联苯(PBB)和多溴联苯醚(PBDE)等有害成分。2006年,我国颁布的法规《电子信息产品污染防治管理办法》内容也与其类似。这类“无铅”(RoHS条文只是限制铅含量,“限铅”的说法可能更严谨,但大家习惯称之为“无铅”)要求,给电子设备的腐蚀控制带来了原来意想不到的挑战。

与此同时,为符合RoHS“无铅”要求,电子设备所用印刷电路板表面处理改采用化学浸银(Immersion silver ,简称ImmAg)等工艺。这更突显了检测环境对银的腐蚀速率的重要性。

(1)扩大了标准适用范围;增加了灰尘相对湿度对衡量灰尘腐蚀性影响的条款。

(2)定义用于腐蚀反应性检测的标准试片:为此,2013版附件C在1985版的基础上,重新定义了腐蚀反应性检测的标准试片。其标准试片见图1。

试片被要求按照国际标准化组织(International Organization for Standardization,简称ISO)标准ISO 11844-2*《金属与合金腐蚀 室内大气低腐蚀性分级 第2部分:室内大气侵蚀的测定》的规定暴露于检测环境中。

2 标准的新特点

2.1 扩大标准适用范围

1985版第1章“目的”和第2章“范围”的条款中,标准的适用范围还仅限于过程测量和控制设备、仪表。但2013版“是为了给大气污染物和生物对电子硬件”的影响进行分类,适用于:

工业过程测量和控制设备、电子办公设备(例:笔记本电脑、台式电脑、工作站、服务器、数据存储硬件、终端、显示器、激光/喷墨打印机、复印机和传真机。)、数据中心(例:服务器、交换机、路由器、显示器、键盘、数据存储硬件、配电设备和取暖、通风、空调设备。)、网络设备(例:电信硬件、交换机和路由器)。

显然,2013版的适用范围已大大扩展,已不仅针对控制仪表,而是涵盖了从生产到管理自动化的所有电子设备。

2.2 增加相对湿度对灰尘腐蚀性影响

2013版在第6章“固态大气污染物”中,增加了相对湿度对灰尘腐蚀性影响的说明。

1985版附件A是“名词术语”,而2013版将相关“定义”移至正文第3章,其中增加了关于“可溶”的定义——“通过吸收空气中的水分变成液体(特别是某些盐)”。

2013版将1985版第5.2.5节固态污染物的“化学性”改名为第6.2.5节“腐蚀性”,并将1985版“颗粒尺寸小于1微米,会吸附气态污染物和水分,从而加速腐蚀,引起设备损坏”的说明,修改为“粉尘颗粒可以吸收气态污染物和水分,从而成为腐蚀介质。粉尘干燥时可能不具有腐蚀性,但在一定湿度环境中潮解而变得具有腐蚀性”。

铜试片的折算,2013版与1985版采用同样的公式:

2.3 完善“反应性检测”方法

2013版最主要的修订就是,对于气态污染物所在环境腐蚀性评价时所采用的“反应性检测”方法的完善。

(1)引进银的反应性作为环境分级的依据:2013版第7章与1985版第6章“气态污染物”一样,介绍“评价环境腐蚀性有两种方法,一种是直接分析气态大气污染物的组分,另一种是定量测量环境的总腐蚀能力,被称为‘反应性检测’”,同时又说明了污染物组分分析的局限性。

“教育部关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见”明确指出,课程建设与改革是提高教学质量的核心,也是教学改革的重点和难点。要建立突出职业能力培养的课程标准,规范课程教学的基本要求,提高课程教学质量。在教学活动中,要积极进行教学方法和手段的改革和探索,融“教、学、做”为一体,强化学生能力的培养。[1]

但相比1985版,2013版在附件B中介绍气体浓度与腐蚀严重程度的关系时,引用了国际电子制造商联盟(The International Electronics Manufacturing Initiative,简称iNEMI)声明iNEMI 2012《为降低印刷电路板爬行腐蚀风险而建议数据中心和电信机房控制温度、湿度和气态污染物》,指出“一个更实用的和定量的方法是通过反应性检测来测量”。

在采用“反应性检测”方法来评价环境中气态污染物的严重程度时,1985版还只是根据铜的被腐蚀速率来判定环境类别。但研究发现铜试片对一些工业环境中普遍存在的污染物不够敏感。尤其是,铜试片不能检测氯的存在,而氯是一种对金属特别有害的污染物——“会溶解于湿气产生氯离子,与铜、锡、银和铁合金快速反应。即使气体浓度低至ppb(1x10-9)数量级,腐蚀反应仍然明显”。另一方面,银对氯极为敏感。所以几乎自1985版颁布以来,除了铜试片,银试片也被用于“反应性检测”,以便更准确地评估当地环境腐蚀可能性。

对应这些研究和法规,比较2013版与1985版,可以发现2013版主要:

2013版除铜的反应性,又增加了银的反应性来作为环境分级的依据。反应性环境分级见表1。

在思想创造和理论创新方面,马克思无愧于“千年第一思想家”的荣誉。马克思所实现的哲学变革的真正意涵,就在于把唯物主义原则贯彻到底,即贯彻到社会历史领域,深入到历史的深处,确立了历史唯物主义。作为一种历史观,历史唯物主义不仅强调人类历史发展的客观规律,而且强调人类的共同体意识和共同命运。“历史唯物主义既不是将历史看作是一个自在的生成过程,也不是一个毫无规定性的人的自主性生成,而是两者的‘主客体的辩证法’,这是一个‘建构’的过程。”[9]

 

1 反应性环境分级 ()

  

标准环境级别G1G2G3GXISAS71.04-1985铜试片腐蚀成膜厚度<300<1000<2000≥2000ISA71.04-2013铜试片腐蚀成膜厚度<300<1000<2000≥2000银试片腐蚀成膜厚度<200<1000<2000≥2000

(2)完善了用于环境分级的“反应性检测”方法。

  

1 标准试片

其中要求银试片标准面积15cm2,原料必须采用符合ASTM B413-97a(2008)*《精炼银规格》的99.99%高纯度银来制备。

在环境中暴露规定时间后,试片被要求按照美国材料与试验协会(American Society for Testing and Materials,简称ASTM)标准ASTM B825-02-2008*《金属试样表面膜电量减少试验方法》,根据电化学原理测量试片上的腐蚀成膜厚度。利用此种库伦分析法,不但可以测量试片腐蚀成膜总厚度,还可以根据铜、银与不同气态污染物腐蚀反应产物的不同电化学电位,测得其中各组分腐蚀成膜厚度。

(3)要求试片操作标准化:这些年随着国际标准的发展,2013版附件C中,对试片的“暴露”和“分析”均有了操作标准。

半个月前,李阿姨女儿生孩子,她要伺候月子,就需要给80多岁的老母亲找个保姆照顾。其实在女儿怀孕期间,她就找过保姆,但是换了四个总觉得不满意。

(3)修改了对腐蚀性污染物的介绍。

捷豹XJ家族的每一位成员都彰显了新英伦豪华与高质量驾驶乐趣共存的理念。在2018年,为致敬捷豹XJ家族诞生50周年而推出捷豹XJ50车型之际,捷豹全球设计总监严凯伦先生(Ian Callum)曾表示:“经过半个世纪的不断进化,捷豹XJ在沿袭家族传承的同时实现了优美设计、智能配置以及豪华体验的精妙平衡。作为豪华轿车的代表,捷豹XJ一直散发着隽永魅力,而XJ50车型是对捷豹XJ家族毋庸置疑的致敬之作。”

由于不同环境腐蚀成膜的生成速度有快慢,1985版和2013版附件C均允许 “在良好环境中延长暴露时间(如3个月),而在恶劣环境中可缩短至几天”,然后折算为标准周期腐蚀成膜厚度。

2013版还在附件A介绍了一种利用测试电路板测量粉尘潮解相对湿度的方法。

X1=X(t1/t)A

2013版增加了银试片的折算:“银的腐蚀被认为是线性的,因此更长(短)暴露时间的测试结果可以线性换算成标准暴露周期”。

(4)允许腐蚀反应性检测采用实时测量的方法:当然,采用腐蚀试片“反应性检测”来测量环境腐蚀可能性,始终存在无法自动分析、不能连续评估环境等缺点。近年来,随着技术发展,陆续有厂家研发出一些可连续测量腐蚀速率并实时输出相应信号的仪表。

(5)屋面椽和墙梁:屋面梁和墙梁应为冷弯薄壁钢构件或高频焊接H型梁。可以尽可能多地使用连续成员。当柱间距为12m时,使用壁梁,并且没有壁柱。

2013版在第7.1节“反应性”中明确提到了反应性检测的实时测量方法:“反应性检测还可采用对膜的厚度、化学性质和质量的增减的被动或实时测量,这些测量技术与上文和附件C所述库伦分析法结果存在等价关系”。

2.4 修改对气态污染物的介绍

因为没有研究数据能证明各种可能的污染物浓度组合、或温度和相对湿度对腐蚀的影响,2013版将1985版中:

(1)第6.2.2~6.2.9节,介绍常见气态污染物及其危害。

点对点的业务传输方式可以保证雷达数据的准确性和实时性,在传输过程出现异常(同步串口或TCP)的情况下,可以最大程度地保证数据的完整性,如若在WAN链路中实现消息压缩功能,可以最大程度利用有限的带宽保证数据传输快速和有效。

(2)表3中,关于气体污染物浓度与环境污染程度分类的关系。

均移至附件B,并做了相应修订,仅用于帮助理解直接气体浓度测量的复杂性。

当然,作为研读标准的设计人员,仍然觉得2013版继续留下遗憾——未说明环境污染程度与电子设备可靠性之间的关系,无法规定何种控制室适用何级别环境。据说标准修订时曾有专家提出增加附件,用平均故障间隔时间(Mean time between failure,简称MTBF)说明环境污染程度与电子设备可靠性之间的关系,但关键还是缺乏足够的条件和数据。MTBF的减少比见表2[3]

 

2 MTBF的减少

  

ISA严重级别减少的百分比G1无G2<25G3<50G4*<75GX≥75

美国采暖,制冷与空调工程师学会(American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,简称ASHRAE)关键任务设施、技术空间和电子设备技术委员会(ASHRAE Technical Committee 9.9: Mission Critical Facilities, Technology Space, and Electronic Equipment)2009和2011年白皮书曾直接要求数据中心的腐蚀率控制在:测试片腐蚀膜厚度低于 300 /月、银测试片腐蚀膜厚度低于 200 /月,即ISA 71.04-2013的G1级环境。

周围人都噤了声,注视着两个人,主要注视那个索赔的单薄男人,暗暗为他担心。谁知他无半点胆怯之色,催促道,切肉啊。

3 结语

过程测量和控制系统作为生产自动化的处理中心、数据核心,随着自动化程度的提高,其安全性和可靠性愈发引起重视。对工业过程测量和控制设备(、电子办公设备、数据中心、网络设备)的腐蚀控制需要引起设计人员进一步关注。

参 考 文 献

1 ISA S71.04-1985, Environmental Conditions for Process Measurement and Control Systems: Airborne Contaminants, The Instrument Society of America, February 1985.

2 ISA 71.04-2013, Environmental Conditions for Process Measurement and Control Systems: Airborne Contaminants, International Society for Automation, August 2013.

3 chris Muller, et al., ISA Standard 71.04: Changes Required for Protection of Todays Process Control Equipment, Proceedings of TAPPI PEERS Conference, October 2011.

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沈奕峰
《化工设计》 2018年第02期
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