閆軍芳

0 引言

我國幅員遼闊，南北跨越熱帶、亞熱帶、溫帶和寒帶，海洋濕熱氣候與內(nèi)陸干寒氣候并存，南方酸雨、內(nèi)陸鹽湖、沿海地帶等各種地域環(huán)境差異較大。隨著工業(yè)化的發(fā)展，環(huán)境污染日趨嚴(yán)重，特別是工業(yè)化進(jìn)程的加快，促使環(huán)境進(jìn)一步惡化。

濕熱環(huán)境是指年度最低氣溫為+5 ℃、最高氣溫為+40 ℃，相對濕度RH≥95%時(shí)的最高溫度為+31 ℃，最大絕對濕度為30 g/m3的環(huán)境（GB/T 4797.1），具有溫度高、濕度大、降雨量高的特點(diǎn)。而沿海高溫高濕地區(qū)除了具有濕熱環(huán)境的特點(diǎn)外，還具有鹽霧濃度大，對金屬易造成大氣腐蝕的特點(diǎn)，另外，排放的氣體對大氣環(huán)境造成一定程度的污染，構(gòu)成了具有多種污染物的大氣環(huán)境，使腐蝕現(xiàn)象明顯加快，常見的污染物有SO2、HF、H2S等。

溫度、相對濕度、鹽霧是海洋大氣環(huán)境下影響金屬腐蝕的主要環(huán)境因素，沿海高溫高濕環(huán)境會(huì)對金屬造成嚴(yán)重的腐蝕，對該區(qū)域內(nèi)建設(shè)運(yùn)營的高鐵接觸網(wǎng)裝備安全可靠性帶來嚴(yán)重的威脅。在高速鐵路的建設(shè)過程中，沿海地區(qū)時(shí)速250 km及以上的高速鐵路暴露出碳鋼零件鋅層腐蝕過快、鋁合金零件腐蝕嚴(yán)重的問題，難以滿足沿海復(fù)雜環(huán)境下長久耐腐蝕的要求。對接觸網(wǎng)裝備須合理選用具有一定耐腐蝕特性的材料，并采取安全可靠的防腐措施，以保證高鐵接觸網(wǎng)裝備長期可靠運(yùn)行。

本文針對在沿海工況下鋼鋁材質(zhì)的接觸網(wǎng)裝備適應(yīng)性進(jìn)行分析。

1 沿海高鐵項(xiàng)目接觸網(wǎng)應(yīng)用情況

目前，我國高速鐵路接觸網(wǎng)關(guān)鍵零部件存在多種結(jié)構(gòu)形式，如300～350 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)主要采用鋁合金水平腕臂結(jié)構(gòu)和鋁合金定位裝置（三角腕臂居多）；200～250 km/h高速鐵路接觸網(wǎng)主要采用鋼水平腕臂結(jié)構(gòu)和鋁合金定位裝置；在特殊氣象區(qū)域如大風(fēng)區(qū)，則采用整體鋼腕臂結(jié)構(gòu)和鋁合金定位裝置。以上3種結(jié)構(gòu)的腕臂定位裝置在沿海鐵路具體應(yīng)用情況見表1。

表1 沿海高鐵項(xiàng)目腕臂應(yīng)用情況

2 鋼鋁零部件在沿海腐蝕環(huán)境下的適應(yīng)性分析

2.1 大氣腐蝕環(huán)境類型

接觸網(wǎng)裝備中鋁合金和鍍鋅碳鋼在不同大氣環(huán)境下表現(xiàn)的腐蝕規(guī)律具有一致性，結(jié)合平均環(huán)境相對濕度，可作出腐蝕性等級(jí)判定（如表2）。腐蝕性等級(jí)決定了選材和表面處理措施。產(chǎn)品的防腐保護(hù)層保護(hù)效率和最小厚度隨環(huán)境介質(zhì)和環(huán)境因素的不同而存在很大差別，不同腐蝕等級(jí)對鋼材也有不同的選擇。參照ISO 12944-2，根據(jù)不同大氣環(huán)境的腐蝕性及其特征污染物質(zhì)的污染程度，本文將涂料產(chǎn)品面對的大氣環(huán)境大致分為鄉(xiāng)村大氣、城市大氣、工業(yè)大氣和海洋大氣4種類型。

表2 GB/T 15957-1995碳鋼在大氣腐蝕環(huán)境類型的技術(shù)指標(biāo)

2.2 碳鋼接觸網(wǎng)裝備表面防腐工藝存在的問題

鋼材質(zhì)接觸網(wǎng)零部件一般采用表面熱浸鍍鋅防腐技術(shù)，熱浸鍍鋅是將金屬工件浸入熔融金屬中獲得金屬鍍層的一種方法。鋼鐵材料是熱浸鍍的主要基體材料，因此，鍍層材料的熔點(diǎn)必須比鋼鐵的熔點(diǎn)低得多。熱浸鍍過程中，被鍍金屬基體與鍍層金屬之間通過溶解、化學(xué)反應(yīng)和擴(kuò)散等方式形成冶金結(jié)合的合金層，當(dāng)被鍍金屬從熔融金屬中提出時(shí)，在合金層表面附著的熔融金屬經(jīng)冷卻凝固成鍍層，因此熱浸鍍層與金屬基體之間具有很好的結(jié)合力。熱浸鍍鋅是工程上鋼鐵材料應(yīng)用最廣泛的防腐技術(shù)，目前，接觸網(wǎng)零部件鋼材料產(chǎn)品表面防腐也均采用熱浸鍍鋅技術(shù)。

在沿海區(qū)域，部分線路的接觸網(wǎng)零件采取了最高級(jí)別的3級(jí)熱浸鍍鋅防腐處理措施，但仍然出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，如2010年10月竣工的廣深港高鐵獅子洋海底隧道，位于海底30 m左右，隧道存在濕度大（85%～90%）、空氣鹽分濃度高、空氣對流差等情況，特別是灰塵沉積在接觸網(wǎng)零部件表面上，極大地加速了接觸網(wǎng)零部件（整體鋼腕臂）的腐蝕。根據(jù)污穢等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，隧道口污穢等級(jí)為Ⅲ級(jí)，隧道中部污穢等級(jí)為Ⅳ級(jí)，對碳鋼設(shè)備腐蝕嚴(yán)重。即使對碳鋼接觸網(wǎng)零部件均做了最高級(jí)別的3級(jí)熱浸鍍鋅防腐（80 μm）保護(hù)，運(yùn)行前零件外觀均勻光亮，但運(yùn)營2年后，零部件出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，如圖1所示，機(jī)電性能大大降低，存在斷、脫的安全風(fēng)險(xiǎn)。因腐蝕非常嚴(yán)重，接觸網(wǎng)零部件更換頻繁，主要更換的是定位器（鋁合金）、定位線夾（銅合金）等，更換周期大約3個(gè)月，由此，不但花費(fèi)了巨大的人力、物力、財(cái)力，而且接觸網(wǎng)零部件的嚴(yán)重腐蝕也使高鐵處于高風(fēng)險(xiǎn)運(yùn)行狀態(tài)中。

圖1 廣深高鐵獅子洋海底隧道內(nèi)開通2年后接觸網(wǎng)零部件腐蝕情況

海南環(huán)島鐵路東段所處區(qū)域年平均相對濕度76%～86%，雨季相對濕度90%以上，霧天相對濕度98%以上，且空氣中水分子含鹽分相對較高，鋼材質(zhì)的接觸網(wǎng)零部件出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，如腕臂管出現(xiàn)由內(nèi)及外的銹蝕，嚴(yán)重處已經(jīng)銹穿出現(xiàn)空洞（圖2），鋁合金定位器等鋁材質(zhì)的零部件在鹽霧環(huán)境下出現(xiàn)麻面銹蝕現(xiàn)象。

圖2 東海島的明灣跨海特大橋區(qū)段接觸網(wǎng)零件腐蝕現(xiàn)象

2.3 鋁合金接觸網(wǎng)裝備表面防腐工藝存在的問題

目前，國內(nèi)應(yīng)用于接觸網(wǎng)鋁合金零件防腐的措施主要有鈍化和陽極氧化，并在個(gè)別線路的局部區(qū)段采用了微弧氧化防腐處理。

鋁合金鈍化是通過化學(xué)或電化學(xué)方法使鋁合金表面狀態(tài)發(fā)生變化，生成一層氧化膜，從而將基體金屬與腐蝕介質(zhì)分開，使其溶解速度下降，提高耐蝕性。鋁合金鈍化膜是多孔的，表面具有極高的化學(xué)活性，空氣中或使用環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)或污染物極易被吸附到膜孔內(nèi)，耐蝕性不高，因此鋁合金鈍化處理后需進(jìn)行封閉處理，以提高其耐蝕性。鈍化處理可以在一定程度上提高接觸網(wǎng)鋁合金零件的防腐性能，但是對于沿海、隧道以及工業(yè)大氣腐蝕環(huán)境等污染嚴(yán)重地區(qū)，防腐性能較差，零件易產(chǎn)生明顯的腐蝕現(xiàn)象。

杭長線接觸網(wǎng)鋁合金零部件采用鈍化處理，鈍化層厚度不小于10 μm，管材采用陽極氧化處理，陽極氧化層的厚度不小于10 μm；表面發(fā)生明顯腐蝕的鋁合金零部件主要分布在隧道內(nèi)，隧道區(qū)間的空氣濕度較高，同時(shí)，在鋁合金零件發(fā)生腐蝕線路500 m范圍內(nèi)有水泥生產(chǎn)、燒磚、發(fā)電、瀝青加工等多家污染企業(yè)。圖3所示為電廠附近被污染的零部件。

圖3 杭長沿線鋁合金鈍化處理的腐蝕現(xiàn)象

在現(xiàn)場調(diào)查時(shí)，隧道內(nèi)的鋁合金制品表面存在不同程度的腐蝕，鑄造鋁合金制品和鍛造鋁合金制品表面被腐蝕的程度較嚴(yán)重；其他部位個(gè)別位置發(fā)生輕微腐蝕；斜腕臂、腕臂支撐管的表面?zhèn)€別部位發(fā)生腐蝕，隧道外鋁合金產(chǎn)品表面未發(fā)現(xiàn)較明顯的腐蝕痕跡。

通過綜合分析得出如下結(jié)論：

（1）鋁合金零件的腐蝕機(jī)理多為點(diǎn)蝕和晶間腐蝕。鋁鑄件晶間腐蝕傾向較大，定位支座表現(xiàn)明顯。定位鉤存在一定程度的坑蝕，圓管晶間腐蝕不明顯，宏觀上表現(xiàn)為均勻腐蝕。

（2）零件材料組織無異常，大氣環(huán)境是鋁合金零件腐蝕的根源，污染物沉積和材料表面水膜的存在為其他污染物和廢氣溶于水創(chuàng)造了條件，是點(diǎn)蝕的起始點(diǎn)。

（3）零部件防腐能力與其服役環(huán)境和條件關(guān)系很大，在環(huán)境不能得到有效改善的情況下，應(yīng)加強(qiáng)對鋁合金零部件的巡查，并定期取樣檢測，及時(shí)更換經(jīng)過更好防腐處理（如微弧氧化等）的產(chǎn)品。

3 沿海濕熱環(huán)境接觸網(wǎng)裝備推薦防腐工藝

沿海濕熱環(huán)境下接觸網(wǎng)裝備面臨鹽霧、高濕、高溫及硫氯等復(fù)雜環(huán)境的腐蝕，尤其在半封閉的海底長大隧道內(nèi)腐蝕更為嚴(yán)重，加劇了接觸網(wǎng)裝備的性能衰減，縮短服役壽命，造成高鐵安全運(yùn)行隱患。因此，針對上述鋼、鋁合金接觸網(wǎng)裝備存在的問題必須采取可靠、長效的防腐措施。

3.1 碳鋼接觸網(wǎng)零部件推薦防腐工藝

傳統(tǒng)的熱浸鍍鋅防腐處理在海洋大氣環(huán)境適用過程中，防腐耐久性很難滿足長期適用要求（使用壽命），需要通過防腐性能更好的防腐技術(shù)來提高金屬表層的防腐性能，延長金屬構(gòu)件的使用壽命。通過研究，目前適用于海洋大氣環(huán)境的鋼件防腐技術(shù)為熱浸鍍鋅+VCI涂層。

3.1.1 熱浸鍍鋅+VCI涂層原理

熱浸鍍鋅技術(shù)是將鋼制件浸入熔融的鋅液中，使熔融鋅液與鋼基體反應(yīng)而產(chǎn)生合金層，使二者相結(jié)合而獲得合金覆蓋層，即形成第一道合金防腐層。在合金覆蓋層外面，將VCI混入樹脂中，樹脂與涂料攪拌在一起，利用片鋅、片鋁的魚鱗搭接結(jié)構(gòu)，VCI如同在密閉的環(huán)境中，起到一層防腐保護(hù)作用，鋅粉底漆和鋁粉面漆再次起到防腐保護(hù)作用。此外，鱗片狀顏料平行搭接形成致密的瓦片式結(jié)構(gòu)（圖4），對富鋅底漆提供了極佳的表面屏蔽，有效阻止水、氧等腐蝕介質(zhì)的滲入，并可反射太陽光中的紫外線，從而使涂層系統(tǒng)的抗蝕性和耐侯性進(jìn)一步增強(qiáng)，形成復(fù)合防腐層，提高鋼制件防腐效果。

圖4 片鋅涂層和球鋅涂層結(jié)構(gòu)掃描電鏡形貌

3.1.2 工藝流程

工件→脫脂→酸洗→活化→烘干→熱鍍鋅→冷卻→鈍化→漂洗→干燥→除油→水洗→燥化→烘干→噴涂底漆→表干→噴涂面漆→烘干→成品。

3.1.3 工藝特點(diǎn)

（1）熱鍍鋅工藝成熟，應(yīng)用時(shí)間長，鍍鋅層結(jié)合力強(qiáng)，耐磨性好，工件邊角部分防護(hù)性能優(yōu)良。VCI技術(shù)耐酸蝕、耐紫外線性能優(yōu)良。二者復(fù)合，揚(yáng)長補(bǔ)短，提高了鋼制件的整體防腐性能。

（2）生產(chǎn)周期短，成本經(jīng)濟(jì)合理。

（3）滿足沿海地區(qū)及強(qiáng)污染地區(qū)防腐等級(jí)。

3.1.4 工藝對比試驗(yàn)

將經(jīng)熱浸鍍鋅、VCI涂層工藝處理的零部件按GB/T 10125—2012《人造氣氛腐蝕試驗(yàn)鹽霧試驗(yàn)》中相關(guān)要求進(jìn)行中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)500 h，照片如圖5所示：熱浸鍍鋅試樣表面出現(xiàn)了非常嚴(yán)重的白色腐蝕和較輕微的紅色碳鋼基體腐蝕；VCI涂層試樣表面未出現(xiàn)明顯的腐蝕現(xiàn)象，防腐效果良好。

圖5 500 h中性鹽霧試驗(yàn)照片

表4 所示為各工藝耐腐蝕試驗(yàn)對比結(jié)果。經(jīng)試驗(yàn)對比、現(xiàn)場試掛等對比分析，VCI涂層的防腐效果優(yōu)于熱浸鍍鋅。從防腐效果、結(jié)合力、性價(jià)比、環(huán)保性考慮，推薦在沿海、重污染地區(qū)使用熱浸鍍鋅+ VCI涂層復(fù)合防腐技術(shù)。

表4 各工藝耐腐蝕試驗(yàn)對比結(jié)果

3.1.5 碳鋼表面防腐處理產(chǎn)品應(yīng)用情況

深茂鐵路陽江區(qū)段為沿海線路，外部海水飛濺，環(huán)境惡劣，腐蝕嚴(yán)重。2017年，該區(qū)段的接觸網(wǎng)零部件采用熱浸鍍鋅+VCI涂層復(fù)合防腐技術(shù)，加強(qiáng)零部件的防腐性能（圖6）。該防腐技術(shù)水平較高，其實(shí)際應(yīng)用為深茂鐵路打造“運(yùn)維一體，精品深茂”創(chuàng)造了有利條件，經(jīng)過2年多的實(shí)際工程應(yīng)用證明，達(dá)到了預(yù)期效果（運(yùn)營2年后照片見圖7）。該復(fù)合防腐技術(shù)同時(shí)在廣深港獅子洋隧道等項(xiàng)目中進(jìn)行了試用，實(shí)現(xiàn)了提升臨海高鐵強(qiáng)腐蝕性地區(qū)接觸網(wǎng)腕臂系統(tǒng)的安全性和可靠性的目標(biāo)。

圖6 熱浸鍍鋅+VCI涂層的接觸網(wǎng)零件

圖7 深茂線陽江區(qū)段采用熱浸鍍鋅+VCI雙金屬涂層

3.2 鋁合金接觸網(wǎng)零部件推薦防腐工藝

未經(jīng)防腐、表面鈍化處理的接觸網(wǎng)鋁合金零部件難以滿足海洋大氣環(huán)境適用要求，針對沿海地區(qū)需要通過采用防腐性能更好的防腐技術(shù)來提高鋁合金金屬表層的防腐性能，延長金屬構(gòu)件的使用壽命。目前研制出適用于海洋大氣環(huán)境下鋁合金的防腐技術(shù)為微弧氧化防腐處理技術(shù)。

3.2.1 微弧氧化原理

微弧氧化是在普通陽極氧化的基礎(chǔ)上，將Al、Mg、Ti等輕金屬或其合金置于特定電解質(zhì)槽液中，利用弧光放電增強(qiáng)并激活在陽極上發(fā)生反應(yīng)，從而在工件表面形成優(yōu)質(zhì)的強(qiáng)化陶瓷膜的方法。該氧化膜與基體之間屬于半冶金結(jié)合，具有很高的結(jié)合強(qiáng)度，陶瓷膜化學(xué)穩(wěn)定性和硬度高，具有很好的耐磨特性。但由于微弧氧化膜是一種多孔陶瓷膜層，表面較粗糙，分布著孔徑不等、類似火山口的微孔，這些微孔有一部分與金屬基體相連，使液體容易通過微孔進(jìn)入到零件基體而發(fā)生腐蝕，從而降低微弧氧化的防腐性能。微弧氧化膜越薄，該情況越嚴(yán)重，因此在氧化層較?。ê穸炔淮笥?5 μm）時(shí)必須對微弧氧化膜進(jìn)行封孔處理。

3.2.2 微弧氧化工藝流程

工藝流程：預(yù)處理→零件上掛→超聲波清洗→純水清洗→微弧氧化→噴淋清洗→烘干→封閉處理→烘干→表面質(zhì)量檢驗(yàn)。

以上工藝流程中“超聲波清洗”為重點(diǎn)工序，“微弧氧化”和“封閉處理”為關(guān)鍵工序。表面質(zhì)量檢驗(yàn)由操作人員自檢及質(zhì)檢人員專檢完成。

3.2.3 高溫、濕熱及化學(xué)氣體環(huán)境腐蝕試驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證微弧氧化防腐處理在高溫、濕熱以及化學(xué)氣體等環(huán)境中的耐腐蝕性能，使試驗(yàn)驗(yàn)證更加接近于沿海濕熱環(huán)境，依據(jù)GB/T 14093.4—2009《機(jī)械產(chǎn)品環(huán)境技術(shù)要求 工業(yè)腐蝕環(huán)境》的規(guī)定進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)方法及要求如表5所述，試驗(yàn)前后對比如圖8所示。試驗(yàn)證明，鋁合金微弧氧化防腐處理完全滿足高溫、高濕、沿海工業(yè)環(huán)境的使用要求。

圖8 高溫、濕熱以及工業(yè)環(huán)境試驗(yàn)前后對比

表5 高溫、濕熱、化學(xué)氣體腐蝕試驗(yàn)方法

3.2.4 微弧氧化在接觸網(wǎng)零部件的深化應(yīng)用研究

經(jīng)微弧氧化并封閉處理后的鋁合金零部件膜層厚度一般為10～25 μm，該科技成果在重污區(qū)段進(jìn)行了試掛運(yùn)行，耐腐蝕性能良好，可推廣應(yīng)用。

經(jīng)過哈大客專、瑞九客專、杭黃隧道內(nèi)、鄭西高鐵鞏義段、濟(jì)青等多條高鐵線路試掛運(yùn)行，經(jīng)微弧氧化處理的接觸網(wǎng)鋁合金零件在惡劣的服役環(huán)境下表現(xiàn)出了優(yōu)良的防腐性能。

目前該工藝已批量推廣應(yīng)用到哈大高鐵大連供電段、鄭西高鐵鞏義段接觸網(wǎng)腐蝕件的更換及濟(jì)青高鐵、京沈高鐵（遼寧段）、商合杭高鐵、鄭萬河南段及在建鐵路等高鐵項(xiàng)目。微弧氧化處理目前主要應(yīng)用于鋁合金材質(zhì)的接觸網(wǎng)零部件，例如承力索底座定位器鉤、拉線固定鉤、定位支座、套管雙耳等。經(jīng)微弧氧化處理的接觸網(wǎng)零部件耐腐蝕性極佳，微弧氧化膜的韌性和耐磨性均很優(yōu)異，因此適用于多種環(huán)境惡劣的地區(qū)，如風(fēng)沙地區(qū)、沿海地區(qū)、化工企業(yè)周邊以及隧道等空氣中含有鹽、堿和酸等腐蝕物質(zhì)的區(qū)段。

微弧氧化處理相比陽極氧化、鈍化工藝，單位面積的成本會(huì)略有提升，但是并未達(dá)到工件成本的15%。微弧氧化雖初次投入成本略有增加，但零件的服役周期延長，維護(hù)維修成本降低，宜從全壽命周期成本角度考慮零部件的防腐問題。

4 結(jié)語

從結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠和統(tǒng)一性、零部件表面處理防腐效果、制造成本、預(yù)配安裝成本和工效等方面綜合考慮，沿海高溫高濕環(huán)境下的高鐵接觸網(wǎng)裝備需要通過采用防腐性能更好的防腐技術(shù)來提高金屬表層的防腐性能，延長金屬構(gòu)件的使用壽命。通過研究，建議目前適用于沿海大氣環(huán)境的鋼件防腐技術(shù)為熱浸鍍鋅+VCI涂層，鋁合金管材、型材表面宜進(jìn)行陽極氧化防腐處理，鋁合金連接零部件表面宜進(jìn)行微弧氧化防腐處理，可解決沿海環(huán)境下接觸網(wǎng)裝備腐蝕隱患，降低運(yùn)營成本，滿足線路安全運(yùn)行的需要。