跨海電氣化鐵路特大橋接觸網(wǎng)防腐蝕設(shè)計(jì)研究

胡祥杰，于素芬，李春林

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京　100055)

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跨海電氣化鐵路特大橋接觸網(wǎng)防腐蝕設(shè)計(jì)研究

胡祥杰，于素芬，李春林

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京100055)

摘要：通過研究金屬腐蝕機(jī)理和試驗(yàn)的方式，構(gòu)建跨海電氣化鐵路接觸網(wǎng)防腐蝕技術(shù)設(shè)計(jì)，保證接觸網(wǎng)在海洋大氣環(huán)境中使用壽命。通過防腐理論研究及鹽霧試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論：(1)熱浸鍍鋅防腐技術(shù)處理的鋼材質(zhì)構(gòu)件在海洋大氣環(huán)境適用過程中，防腐耐久性很難滿足長期適用要求；(2)鋼材質(zhì)構(gòu)件、鋁合金材質(zhì)構(gòu)件采用涂層防腐處理，可以大幅度地提高金屬表層的抗防腐能力，延長金屬構(gòu)件的使用壽命；(3)鋁合金材質(zhì)構(gòu)件在典型的大氣環(huán)境下抗腐蝕能力要強(qiáng)于鋼材質(zhì)構(gòu)件。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路；接觸網(wǎng)；海洋大氣環(huán)境；防腐；鍍鋅；涂層

1概述

電氣化鐵路接觸網(wǎng)的防腐蝕問題是設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)之一，接觸網(wǎng)裸露在自然環(huán)境中，腐蝕嚴(yán)重影響了接觸網(wǎng)的使用壽命，增加了維護(hù)成本。我單位設(shè)計(jì)的東海島電氣化鐵路通明灣跨海特大橋位于我國廣東省湛江市霞山區(qū)與東海島之間，距東海大堤1.8 km左右，橋梁全長8 973.07 m，受海水潮汐影響較明顯。大橋處在典型海洋大氣環(huán)境下，既有海洋大氣特有的特征，又具有工業(yè)大氣多污染物的特征。在這種環(huán)境下，金屬腐蝕更為嚴(yán)重，因?yàn)檫@種大氣環(huán)境，不僅含有豐富的CL-離子，同時又含有SO2、HF和NOx等酸性氣體污染物。因此，通明灣特大橋上接觸網(wǎng)設(shè)備選擇合適的防腐技術(shù)十分必要。通過鹽霧試驗(yàn)的方法對鋼材質(zhì)構(gòu)件、鋁合金材質(zhì)構(gòu)件的防腐方案進(jìn)行對照，確定接觸網(wǎng)設(shè)備的防腐處理方案，為東海島鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)防腐設(shè)計(jì)提供可靠的支持。

2既有沿海地區(qū)接觸網(wǎng)設(shè)備調(diào)查

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)隧道內(nèi)海水滲透區(qū)域接觸網(wǎng)腐蝕偏于嚴(yán)重，隧道外接觸網(wǎng)腐蝕稍好些。

接觸網(wǎng)零部件、平斜腕臂管等鋼結(jié)構(gòu)零件嚴(yán)重腐蝕。見圖1。

圖1　接觸網(wǎng)零部件腐蝕

螺栓、螺母、開口銷等緊固零部件長時間暴露于沿海鹽霧環(huán)境后造成鍍鋅層完全腐蝕，出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。見圖2。

圖2　緊固件腐蝕

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。見圖3。

圖3　鋁合金定位器裝置腐蝕

3金屬腐蝕原因分析

腐蝕是指因工程材料與其周圍的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致解體的現(xiàn)象。通常這個術(shù)語用來表示金屬物質(zhì)與氧化物物質(zhì)發(fā)生電化學(xué)的氧化反應(yīng)。在海洋大氣環(huán)境中，一方面空氣濕度較高，鍍鋅層表面易形成液膜，另一方面氯化物鹽含量相對較高，造成液膜中含有大量氯離子。

3.1濕度的影響

在清潔的大氣中所有普通的金屬在室溫下都可產(chǎn)生不可見的氧化膜。如果大氣的濕度沒有超過臨界濕度，鐵和鋼的表面將保持著光亮，這種腐蝕速度小，破壞性小，它主要是由純化學(xué)作用引起的[1]。潮濕的大氣腐蝕主要是由電化學(xué)引起的，這種腐蝕速度快，破壞性尤其是對鋼板表面的破壞性非常強(qiáng)。潮濕的大氣腐蝕可概括為如下過程：

3.2氯離子的影響

海洋大氣中富含大量的海鹽粒子，這些鹽粒子雜質(zhì)溶于鋼鐵表面的水膜中，使這層水膜變?yōu)楦g性很強(qiáng)的電解質(zhì)，加速了腐蝕的進(jìn)行，這是與其他氣體環(huán)境的重要區(qū)別。鹽粒當(dāng)中對大氣腐蝕發(fā)生較大影響的是 NaCl、MgCl2等氯化物，NaCl的存在更是促進(jìn)了腐蝕的發(fā)生。高濃度的NaCl溶液迅速分解為Na+離子和活躍的Cl-離子，并與分子式很活躍的金屬材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成強(qiáng)酸性的金屬鹽，其中的金屬離子與氧氣接觸后又還原生成較穩(wěn)定的金屬氧化物，對金屬造成腐蝕。同時，鹽顆粒沉降在金屬表面上，由于它具有吸潮性及增大表面液膜的導(dǎo)電作用，而且Cl-本身又具有很強(qiáng)的侵蝕性，因而加重了金屬表面的腐蝕。基本過程簡單表述如下

4接觸網(wǎng)設(shè)備防腐技術(shù)試驗(yàn)

金屬防腐技術(shù)主要有改變金屬的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、保護(hù)層法、電化學(xué)保護(hù)法、對腐蝕介質(zhì)進(jìn)行處理等方案。目前，接觸網(wǎng)設(shè)備的防腐處理方案基本都采用了保護(hù)層法，對于鋼材質(zhì)主要是熱浸鍍鋅技術(shù)[2-9]；對于鋁合金材質(zhì)采用陽極氧化處理形成金屬氧化層，還可以采用微弧氧化技術(shù)形成陶瓷膜[10-12]。鍍鋅層、金屬氧化層、陶瓷膜能夠阻止或者延緩腐蝕介質(zhì)與基體金屬的接觸，腐蝕介質(zhì)直接作用在鍍鋅層、金屬氧化層、陶瓷膜上，增加了金屬的耐腐蝕性。如果在鍍鋅、金屬氧化層的基礎(chǔ)上增加一層涂料，則可以更有效地控制腐蝕的發(fā)生[13]。

因此可以對鋼材質(zhì)結(jié)構(gòu)件、鋁合金材質(zhì)結(jié)構(gòu)件防腐方案進(jìn)行試驗(yàn)對照，找到效果好的防腐方案。主要試驗(yàn)試件有熱浸鍍鋅鋼管、鋼管熱浸鍍鋅+涂層、威塔格鋼板、陽極氧化鋁管、鋁管+涂層。微弧氧化鋁管由于工藝、試驗(yàn)條件限制，沒有列入試驗(yàn)。

4.1試驗(yàn)方法

采用鹽霧試驗(yàn)?zāi)M海洋大氣環(huán)境考核金屬材料及其防護(hù)層抗腐蝕能力。鹽霧試驗(yàn)是在鹽霧試驗(yàn)箱內(nèi)采用人工的方法造成鹽霧環(huán)境，將試件放置在箱內(nèi)。在試驗(yàn)箱內(nèi)使用鹽水噴霧試驗(yàn)機(jī)將含有氯化鈉的溶液以霧狀噴于試件保護(hù)層上，鹽霧的微粒沉降并附著在材料的表面，逐步引起金屬的腐蝕。

4.2鹽霧試驗(yàn)主要控制參數(shù)

(1)鹽溶液成分

采用接近于海水的濃度鹽溶液，鹽溶液濃度為5%。

(2)溫度

溫度選用35 ℃，這個溫度模擬了許多國家夏季最高平均溫度。

(3)pH值

鹽霧的酸堿度對腐蝕速度有較大影響，中性鹽霧pH值需控制在6.5～7.2，試驗(yàn)過程主要是通過測試鹽霧收集液的pH值來調(diào)整和控制配制鹽液的酸堿度，以保證試驗(yàn)箱內(nèi)鹽霧的pH值在要求的范圍內(nèi)。

(4)鹽霧沉降率

一般鹽霧沉降率控制在1.0～2.0 mL/80 cm·h，這個范圍的沉降率會使腐蝕速度穩(wěn)定。

(5)樣品擺放

樣品擺放角度決定了樣品的迎霧面，一般標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定平板樣品與垂直方向角度在15°～30°。

(6)箱體

本次試驗(yàn)箱體容積0.6 m3，設(shè)備材料必須抗鹽霧腐蝕，且不影響試驗(yàn)結(jié)果。

4.3防腐方案試件

鋁合金材質(zhì)防腐方案試件：

①陽極氧化鋁管

陽極氧化鋁管是指在鋁及鋁合金表面鍍一層致密氧化鋁，為了防止進(jìn)一步氧化，其化學(xué)性質(zhì)與氧化鋁相同。

②鋁管+聚酯型熱固性粉末噴涂

防腐涂層材料與⑤一致，但采用工藝為電泳處理。

鋼材質(zhì)防腐方案試件：

③熱浸鍍鋅

熱浸鍍鋅，是鋼鐵構(gòu)件浸入熔融的鋅液中獲得金屬覆蓋層的一種方法。廣泛應(yīng)用于鋼結(jié)構(gòu)防腐處理。

④鋼管熱浸鍍鋅+厚漿型聚硅氧烷面漆涂層

厚漿型聚硅氧烷面漆是一種高固體含量產(chǎn)品，它的漆膜表面光澤度高，保光性能優(yōu)異。多用于橋梁、船舶防腐處理。

⑤鋼管熱浸鍍鋅+聚酯型熱固性粉末涂層

聚酯型熱固性粉末涂料是一種新型的不含溶劑100%固體粉末狀涂料。具有不用溶劑、無污染、節(jié)省能源和資源、減輕勞動強(qiáng)度和涂膜機(jī)械強(qiáng)度高等特點(diǎn)。

⑥鋼管熱浸鍍鋅+氟碳涂層

氟碳涂料是在氟樹脂基礎(chǔ)上經(jīng)改性、加工而成的一種新型涂層材料。氟碳涂料具有優(yōu)異的耐酸、耐堿、抗腐性、抗污染性能。

⑦薄膜威塔格鋼板

⑧厚膜威塔格鋼板

“威塔格”是一種薄型重防腐技術(shù)及其系列涂料品種的總稱。該涂料產(chǎn)品具有超強(qiáng)的附著力、耐腐蝕性，可延長基體的使用壽命。其一次性成膜的防腐技術(shù)，無需底漆和中間涂層，施工簡便易行。薄膜威塔格鋼板膜厚10～20 μm，厚膜威塔格鋼板膜厚20～30 μm。

4.4試件在箱體的擺放(圖4)

圖4　試驗(yàn)箱體內(nèi)試件擺放

4.5試驗(yàn)結(jié)果分析(表1、表2)

表1　鋁合金構(gòu)件防腐效果分析對照

表2　鋼構(gòu)件防腐效果分析對照

5結(jié)論

(1)通過防腐理論研究及鹽霧試驗(yàn)驗(yàn)證，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。

(2)采用鍍鋅+涂層的防腐技術(shù)對接觸網(wǎng)鋼材質(zhì)構(gòu)件、鋁合金材質(zhì)構(gòu)件進(jìn)行防護(hù)處理，可以大幅度地提高金屬表層的防腐能力，延長金屬構(gòu)件的使用壽命。

(3)鋁合金材質(zhì)構(gòu)件在典型的大氣環(huán)境下抗腐蝕能力要強(qiáng)于鋼材質(zhì)構(gòu)件。

6建議

新建東海島電氣化鐵路通明灣跨海特大橋處在海洋大氣環(huán)境下，接觸網(wǎng)設(shè)備遭受較嚴(yán)重的氯離子、工業(yè)污染物的腐蝕。因此對通明灣跨海特大橋上接觸網(wǎng)防腐設(shè)計(jì)建議如下。

(1)接觸網(wǎng)鋼支柱

通過鹽霧試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)單純熱浸鍍鋅的鋼管在鹽霧環(huán)境下腐蝕情況嚴(yán)重。采用厚漿型聚硅氧烷面漆涂層、鍍鋅+聚酯型熱固性粉末防腐技術(shù)在試驗(yàn)中出現(xiàn)腐蝕點(diǎn)，特別是在焊接部位。采用鍍鋅+氟碳涂層技術(shù)，試驗(yàn)過程中無明星變化，得到令人滿意的效果。因此在東海島鐵路跨海特大橋接觸網(wǎng)支柱建議采用鍍鋅+氟碳涂層進(jìn)行防腐處理，在地腳螺栓外漏部分或出現(xiàn)防腐層損壞的地方可以采用威塔格技術(shù)進(jìn)行表面涂抹。

(2)接觸網(wǎng)腕臂及定位系統(tǒng)采用鋁合金結(jié)構(gòu)，鋁合金零部件采用陽極氧化技術(shù)或微弧氧化技術(shù)進(jìn)行防腐，通過鹽霧試驗(yàn)說明采用陽極氧化處理的鋁合金材質(zhì)要強(qiáng)于鋼結(jié)構(gòu)鍍鋅層。目前，接觸網(wǎng)零部件比較大的廠家正在推廣微弧氧化技術(shù)在鋁合金零部件上的應(yīng)用，微弧氧化技術(shù)具有工藝簡單、生產(chǎn)效率高、不引入有毒物的特點(diǎn)。采用微弧氧化技術(shù)形成的陶瓷膜同時具備陽極氧化膜和陶瓷噴涂層兩者的優(yōu)點(diǎn)。采用聚酯型熱固性粉末涂層對鋁合金零件進(jìn)行二次保護(hù)的方法工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率低、價(jià)格昂貴。因此建議在東海島鐵路跨海特大橋上接觸網(wǎng)鋁合金零件采用微弧氧化技術(shù)進(jìn)行防腐處理。

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收稿日期：2016-02-11； 修回日期：2016-03-01

基金項(xiàng)目：中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃(2014J005-C)

作者簡介：胡祥杰(1979—)，男，工程師，2008年畢業(yè)于西南交通大學(xué)電力系統(tǒng)及其自動化專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail：562247666@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)07-0140-04

中圖分類號：U225.6

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.032

Research on Anti-corrosion Design of OCS on Sea-crossing Electric Railway Bridge

HU Xiang-jie， YU Su-fen， LI Chun-lin

(China Railway Engineering Design and Consultant Group Co.， Ltd.， Beijing 100055, China)

Abstract：The corrosion protection design of the overhead contact system on the sea-crossing electric railway is conducted based on the study of metal corrosion mechanism and test method to ensure the service life of OCS in the marine atmospheric environment. The corrosion theory study and the salt spray test show that: (1) the metal corrosion by means of hot-dip galvanized anti-corrosion treatment can hardly meet the long-term durability requirement; (2) the anti-corrosion coating treatment can greatly improve anti-corrosion performance of the steel material components and aluminum alloy components， and extend the lifetime of metal components; (3) the anti-corrosion performance of aluminum alloy components is stronger than that of the steel material components under the typical atmospheric condition.

Key words：Electric railway; Overhead contact system; Marine atmospheric environment; Anti-corrosion; Galvanizing; Coating