廣深港客專獅子洋隧道照明系統(tǒng)改造防腐措施的探討

廖芳芳

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

1 概述

廣深港客專獅子洋隧道位于廣深港客運專線慶盛站至虎門站區(qū)間，穿越珠江入?？?，河面寬度6 100 m(含2個江心洲總寬1 770 m)，隧道建筑全長10.8 km，為單線雙通道隧道，隧道在海底30 m左右，呈東西走向。獅子洋隧道被定義為世界上目標難度值大、總長度長、標準高、國內盾構一次性單機推進最長的水下隧道[1]。自2011年12月26日開通至今，隧道內開始出現(xiàn)海水滲漏現(xiàn)象，獅子洋隧道內照明供電系統(tǒng)的設備[2]，包括低壓電纜、隧道照明燈具、管線、開關以及隧道內照明配電箱、控制箱、按鈕箱、EPS電源柜及遠動RTU箱等電氣照明設備腐蝕嚴重，大大降低了隧道電力供電系統(tǒng)的可靠性，危及行車安全。

2 隧道內環(huán)境因素調查

獅子洋隧道內常年滲水、通風不足，采用陽溝排水系統(tǒng)。隧道內空氣濕度長期保持在95%～100%，潮濕空氣及水分中含有大量海鹽、酸、堿物質，從而導致隧道內形成潮濕、鹽、腐的惡劣環(huán)境，由于隧道內縱面為“V”形結構，潮濕、腐蝕空氣、水分常年積聚，使得隧道中部區(qū)段更為嚴重，設備運行環(huán)境極為惡劣。圖1為獅子洋海底隧道運行環(huán)境分布。

圖1 獅子洋海底隧道運行環(huán)境分布

獅子洋隧道內的氣候為典型的海洋大氣和工業(yè)大氣的混合大氣，這種大氣類型既有海洋大氣所具有的特征，又有工業(yè)大氣多污染物的特征[3]。這種環(huán)境下，金屬腐蝕速度比單純的海洋大很多。同時通過現(xiàn)場對獅子洋隧道大氣成分、水樣成分、表面沉積物等采樣與分析，初步判定隧內為堿性腐蝕。而減緩腐蝕的主要措施有：(1)選用耐腐蝕材料；(2)采用覆蓋涂層[4-5]防護；(3)降低環(huán)境相對濕度[6]。通過對腐蝕原因的分析，找出既有照明供電設施腐蝕的原因，以便制定防腐改造控制措施，是本次改造重點。

3 既有照明供電設備現(xiàn)狀調查與分析

既有獅子洋隧道南、北出口有低壓所各1座，隧道內聯(lián)絡洞室18個，電力箱變3臺，應急照明燈1 066盞，疏散指示燈872盞，各類纜線加起來162 km(低壓控制電纜21.6 km，低壓電纜75.6 km，貫通電纜64.8 km)。各設備現(xiàn)狀具體如下。

(1)隧道內設備箱體、燈具及管道等金屬附件銹蝕、脫落。

隧道內疏散指示燈的線管出現(xiàn)大范圍的銹蝕，嚴重的已經(jīng)松脫。隧道燈具出現(xiàn)驅動電路短路、反光板銹蝕。隧道照明開關箱體腐蝕尤為嚴重，金屬部件出現(xiàn)脆化脫落，失去原有的硬度，導致在隧道風壓作用下出現(xiàn)松脫。主要原因一是由于隧道內的既有箱(柜)外殼材質是壓鑄鋁、冷軋鋼及鐵質等，這些材質都沒有較好的化學穩(wěn)定性，且制作及組裝工藝沒有考慮在隧道潮濕、高鹽的環(huán)境下，其材質與水、鹽產生化學反應，導致氧化腐蝕；二是由于箱體、線管及固定件都是緊貼隧道壁及地面安裝，但由于隧道滲水嚴重，導致隧道壁及地面受海水的浸泡及沖刷，從而造成金具加速氧化銹蝕，導致箱體脫落、垮塌。隧道照明燈具由于密封等級達不到相關要求，或在維修中需拆卸燈具引起密封性能降低，導致光源室及電器室進水或潮濕，引起驅動電路短路、反光板銹蝕而出現(xiàn)質量問題。

(2)低壓電纜線路絕緣下降，短路或接地無法供電。

由于隧道洞室內積水，設備大面積腐蝕，各類纜線槽內積水、臟污嚴重。獅子洋隧道既有照明系統(tǒng)電纜其敷設方式分為掛墻明敷設及電纜溝內敷兩種，如電纜溝排水不及時，時常會浸泡在含鹽成分較高的海水中，造成電纜腐蝕嚴重。根據(jù)近年電纜缺陷處理情況分析，其主要原因：一是電纜駁接頭、接線盒在隧道壁滲水及電纜溝水中浸泡導致受潮、滲水造成線路短路；二是電纜外皮破損后，水分滲入電纜內部，使電纜絕緣性能下降，導致短路、接地。

(3)電氣元件及板件故障，控制回路癱瘓。

隧道潮濕腐蝕的空氣對控制開關及板件的影響也尤為嚴重，潮濕的空氣造成接觸器及電路板等短路，使得控制回路癱瘓。主要原因：一是由于配電箱(柜)體密封性較低，或在維修中拆卸箱門引起密封性能降低，導致內部元件進水或潮濕，潮濕的空氣在箱內形成凝露，造成開關、接觸器等元件短路；二是由于配電箱(柜)內設備發(fā)熱使箱內空氣中的鹽分及雜質烘干后，形成海鹽及金屬的粉塵，依附在各類板件上，導致板件故障。

4 照明系統(tǒng)改造的防腐措施

根據(jù)對隧道內既有照明供電設備現(xiàn)狀調查與分析，針對廣深港獅子洋隧道高潮濕、高鹽分、強腐蝕等特點，對隧道照明燈具、配電箱(柜)等設備材料進行優(yōu)化，選擇適應耐高濕、高鹽環(huán)境的電氣箱體結構材料；對隧道照明電力電纜、開關和管線進行改造，選擇適應于在隧道潮濕、海水運行環(huán)境，以保障獅子洋隧道照明系統(tǒng)設備可靠、安全運行。

(1)全面更新設備材質，提高設備防腐能力

結合廣深港所處的大氣實際情況，選擇滿足實用要求的設備外殼材質、加工工藝及表面處理，提高其耐蝕性能。為改善設備外殼材質防腐蝕能力較低的缺陷，選用目前金屬中防腐能力十分優(yōu)秀的材料—316L不銹鋼[7-8]，更換既有電源箱、控制箱、按鈕箱、插座箱及EPS柜等箱體；并在不銹鋼的箱體加噴涂船艦漆[9-10]；安裝時，加裝支架(不銹鋼材質)及基礎(混凝土)，使箱體與墻壁、地面隔開，防止海水沖刷、浸泡。316L不銹鋼為奧氏體不銹鋼，是一種超低碳不銹鋼[11]，其化學成分見表1。

表1 316L不銹鋼的化學成分 %

由于316L不銹鋼含碳量極微，且比一般304不銹鋼中多了Mo(鉬)元素，其抗腐蝕能力更加優(yōu)越。同時加噴船艦漆具有良好的附著力和耐水性、耐化學品及腐蝕性，長期用于在條件苛刻的海洋環(huán)境下，具有長效防腐的壽命。

(2)應用抗氧化工藝，提升設備使用壽命

由于燈具難以用不銹鋼材質制作，而一般壓鑄鋁的抗氧化能力差，因此，在新燈具的制作工藝上，需采用防氧化工藝——氧化鋁，對獅子洋隧道應急照明燈及疏散指示燈的燈具表面加一層氧化鋁薄膜，從而隔絕水和空氣中的腐蝕物對鋁材的腐蝕。氧化鋁(Al2O3)的作用能起到防止金屬鋁繼續(xù)氧化作用，在鋁制品的表面加一層氧化鋁膜，可以防止鋁材的進一步氧化，從而起到防氧化的作用。

(3)提高電纜線路絕緣性能，加強電纜防潮抗腐蝕能力

一是改良施工安裝工藝，將疏散指示燈電纜中間不進行T接，將進、出電纜直接在燈具內駁接，從而減少疏散指示燈電纜分接盒短路的現(xiàn)象； 二是采用電纜預分支電纜頭，根據(jù)現(xiàn)場安裝需要，由廠家直接生產出含預分支的一體電纜，從而取消了應急照明燈分接盒； 三是嘗試使用新型防水電纜，采用海洋電纜技術，在新電纜中增加一體壓制的鉛護層，防止電纜破損后水分直接滲入電纜內部，從而提高電纜防潮抗腐能力。鉛護層材質為惰性金屬，耐腐蝕性能十分優(yōu)異，常用來做海底電纜防水防腐層，同時作為金屬具有導電性能，電纜標準結構中也常用來做金屬屏蔽層代替銅帶，通過增加厚度提高導電率達到銅帶相同電阻水平。新電纜中增加電纜鉛護層，一是鉛具有良好的抗腐蝕能力，有良好的化學穩(wěn)定性；二是一體壓制的鉛護套可以防止水分的滲入，起到隔絕水分的作用，同時在鉛護套與不銹鋼鎧帶之間設置隔離套，隔離鉛套和不銹鋼帶，防止鉛套和不銹鋼帶之間發(fā)生電化學腐蝕，新型防水電纜結構如圖2、圖3所示。

圖2 0.6/1 kV低壓新型防水電纜結構

圖3 10 kV中壓新型防水電纜結構

(4)采用合理的防腐設計，對產品進行合理的結構設計和工藝設計，以減少產品的腐蝕

①對各配電箱(柜)進行合理的結構設計和工藝設計，改善電氣元件、板件運行環(huán)境，以減少產品的腐蝕；獅子洋隧道既有開關箱(柜)均為IP65箱內敞開式設計，再加上日常使用及檢修的反復開關箱門，使原有的防水膠圈逐漸失效，從而降低其密封性；因此，新制作箱體采用雙層結構——分為操作室和元件室，操作室與元件室是單獨隔開，同時將箱體的防護等級提升至IP67，進一步保證了元件室的密封性，降低了電氣元件及電子板件受潮滲水的幾率。同時在各配電箱(柜)放置氣相緩蝕劑，其具有足夠高的蒸氣壓，在常溫下有一定揮發(fā)性，能很快充滿配電箱(柜)，在金屬表面上形成吸附膜，從而阻滯金屬的腐蝕過程，起到防腐蝕的作用。

圖4為新制作箱體結構。

圖4 隧道內新型箱體結構

②針對目前燈具密封等級達不到相關要求或在維修中需拆卸燈具引起密封性能降低，導致光源室及電器室進水或潮濕，引起驅動電路短路、反光板銹蝕而出現(xiàn)質量問題，對隧道照明燈具的結構進行合理防腐設計。對隧道照明燈具結構采用光源室和驅動電路室相互獨立結構，兩腔室均須滿足IP65防護等級，燈具外掛接線盒，與主電源連接。對疏散指示燈要求采用立體三角形結構。兩個光源面相互對立，兩個光源面采用前開方式，在維修中更換芯片、驅動電源及面板玻璃時不拆卸燈具主體；燈具及接線盒與三角形結構一體化。線纜進入燈具提供密封措施。

(5)設計新照明系統(tǒng)，減少設備容量及數(shù)量，實行良好的維護管理[12]

原獅子洋隧道照明燈為50 W無極照明燈，其電源取隧道內5處變電所(箱變)接引隧道照明電源，并在隧道的18個洞室中設置了電源及控制等開關設備(500 m控制范圍)，存在設備多，維護工作量大的問題；若將照明燈改用25 W的LED照明燈[13-15]，一方面照明系統(tǒng)的負荷容量降低一半，同時低壓供電電纜截面積[16]也可以減小一半，另一方面，由于每段供電范圍的容量減半，意味著同樣容量的開關可供電的范圍加大，將原每個洞室單側500 m控制范圍，可擴大為兩側1 500 m的控制范圍，這樣隧道照明洞室內的設備將減少75%，大大減少了設備數(shù)量和日常維護工作量，實行良好的維護管理。

5 結語

根據(jù)獅子洋隧道這種海洋和工業(yè)混合大氣環(huán)境，通過對既有照明供電設備腐蝕原因的調查與分析，制定相應的腐蝕控制措施。

(1)根據(jù)使用的環(huán)境，正確地選用合適耐腐蝕金屬材料并加涂料涂裝的方法提供抗腐蝕能力——對各照明系統(tǒng)配電箱(柜)材質選擇方面采用316L不銹鋼并加噴涂船艦漆。

(2)對照明燈具表面，在基材上施加適合的保護涂層——對獅子洋隧道照明燈及疏散指示燈的燈具表面加一層氧化鋁薄膜。

(3)對于隧道電力電纜，施加耐蝕性較好的涂層——在電力電纜中增加鉛護套，提高電纜防潮抗腐能力。

(4)產品合理的防腐設計——對各配電箱采用雙層結構；對照明燈具結構采用光源室和驅動電路室相互獨立結構。

(5)實行良好的維護管理，對隧道的照明供電及控制系統(tǒng)進行改造，整個隧道以變電所供電半徑為界劃分各照明控制段，以減少控制開關和電源設備，大大減少了設備數(shù)量和日常維護工作量，實行良好的維護管理。

以上防腐蝕控制措施在獅子洋隧道K2336+019.4～K2337+629段隧道照明系統(tǒng)改造工程得到應用，實施效果顯著，可為今后類似環(huán)境下的隧道照明系統(tǒng)防腐蝕控制措施提供借鑒和參考。

[1] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.廣深港客運專線廣州至深圳段施工設計[Z].武漢：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2010.

[2] 楊劍.鐵路客運專線隧道照明設計[J].鐵道標準設計，2010 (1):131-134.

[3] 候保榮.海洋腐蝕環(huán)境理論及其應用[M].北京：科學出版社，1999.

[4] 胡祥杰，于素芬，李春林.跨海電氣化鐵路特大橋接觸網(wǎng)防腐蝕設計研究[J].鐵道標準設計，2016 (7):140-144.

[5] 劉莉蓉，雍興躍，郭奉迎.電氣化接觸網(wǎng)零部件在典型環(huán)境的腐蝕研究[J].鐵道工程學報，2015(3):82-85.

[6] 劉敬福.材料腐蝕及控制工程[M].北京大學出版社，2014.

[7] 于林科，鄭解良，羅小勇，等. 海洋環(huán)境下不銹鋼管道腐蝕機理分析及防腐研究[J].山東工業(yè)技術，2012(4):235-235.

[8] Chen Jun， Zhang Qing， Li Quanan， et al. Corrosion and tribocorrosion behaviors of AISI 316 stainless steel and Ti6A14V alloys in artificial seawater[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2014，24(4):1022-1031.

[9] 聶薇，姚曉紅，盧本才.海洋工程重防腐技術[J].造船技術，2016(6)：82-86.

[10] 劉曉建.海洋環(huán)境中的防腐蝕涂層技術及發(fā)展[J].現(xiàn)代涂料與涂裝,2010，13(4)：20-22.

[11] 馮新萍.316L+L316不銹鋼復合管焊接技術[J].中國化工貿易，2012(4)：262-263.

[12] 中鐵第四勘察設計院集團有限公司.廣深港客運專線獅子洋隧道照明系統(tǒng)改造工程施工設計[Z].武漢：中鐵第四勘察設計院集團有限公司，2016.

[13] 國家鐵路局.TB10008—2015 鐵路電力設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2015.

[14] 國家鐵路局.TB10621—2014 高速鐵路設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2014.

[15] 國家鐵路局.TB10089—2015 鐵路照明設計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2015.

[16] 中國航空工業(yè)規(guī)劃設計研究院有限公司.工業(yè)與民用配電設計手冊[M].4版.北京：中國電力出版社，2016.