硅基絕緣材料在軌道絕緣技術(shù)中的應(yīng)用

劉國平

(青島地鐵集團有限公司，266001，青島∥高級工程師)

隨著近年來市內(nèi)地鐵線網(wǎng)的逐漸形成，地鐵雜散電流泄漏對外界金屬設(shè)施所造成的影響也愈受重視，已引發(fā)相關(guān)產(chǎn)權(quán)單位的強烈維權(quán)[1-2]。地鐵雜散電流形成的首要途徑，是鋼軌上流過的電流透過軌道對地絕緣薄弱區(qū)域向大地中泄散，因此國家及軌道交通行業(yè)對于地鐵軌道絕緣性能一直有著明確的要求。以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為例，CJJ/T 49—2020《地鐵雜散電流腐蝕防護技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中明確規(guī)定軌道絕緣性能指標(biāo)，即鋼軌的對地電阻不應(yīng)低于15 Ω km[3]。

當(dāng)前對于地鐵雜散電流的研究更多著重于雜散電流產(chǎn)生之后的防護措施，如對雜散電流的智能化監(jiān)測、收集、排流、日常維護和陰極保護等方面。地鐵線路中的軌道絕緣薄弱問題，同時也是雜散電流最直接來源的問題。受限于工程成本和線路每日運營要求，往往缺乏真正有效的整改技術(shù)。

1 復(fù)合絕緣技術(shù)方案

結(jié)合硅基納米絕緣材料，本文提出一種能夠阻斷回流軌電流泄漏路徑的復(fù)合絕緣技術(shù)，簡稱為軌道復(fù)合絕緣技術(shù)。使用該技術(shù)的軌道簡稱為復(fù)合絕緣軌道。

軌道復(fù)合絕緣技術(shù)采用雙層物理絕緣設(shè)計。軌道復(fù)合絕緣技術(shù)的第一層次為硅基復(fù)合絕緣墊層。該墊層又分為三層，即底層絕緣層、中間增強層和表面防污層；其中，絕緣層提供強絕緣功能，增強層提供高強度功能，防污層提供表面防污染及防閃絡(luò)功能。軌道復(fù)合絕緣技術(shù)第二層次絕緣設(shè)計是對扣件上彈條、螺栓等關(guān)鍵位置噴涂室溫硫化硅基材料。該材料具有較強的絕緣性能及耐污閃能力，可有效提升扣件表面電阻。

2 試驗驗證分析

選取運營線路中常見的軌道結(jié)構(gòu)，進行老化、疲勞、電氣絕緣對比試驗，驗證軌道復(fù)合絕緣技術(shù)的效果和穩(wěn)定性。

2.1 老化試驗

模擬我國亞熱帶濕度環(huán)境和飽和濕度環(huán)境，對軌道復(fù)合絕緣技術(shù)中的相關(guān)絕緣材料(簡稱“RTV材料”)，進行高溫高濕狀態(tài)下的老化試驗。試驗中環(huán)境溫度選擇為40 ℃，環(huán)境濕度選擇為75%和96%，試驗完成后采用電鏡掃描來分析材料特性。

通過電鏡掃描照片發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過3 600 h的高溫、高濕環(huán)境老化試驗后，RTV材料與被涂刷絕緣體之間的界面沒有出現(xiàn)分層現(xiàn)象和脫落跡象；且材料交接處變得模糊，兩種材料之間出現(xiàn)了相互滲透的趨勢。這表明軌道復(fù)合絕緣技術(shù)中所使用的絕緣材料可保證粘接效果在惡劣環(huán)境下的長期穩(wěn)定性。

2.2 疲勞試驗

在疲勞試驗中，首先，分析復(fù)合絕緣軌道和普通軌道的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)在進行疲勞試驗前的性能指標(biāo)差異性[4]。選取普通扣件組裝的軌道為對照組，其中，令扣件絕緣材料為聚氨酯材料的普通軌道為對照組1，采用橡膠材料的普通軌道作為對照組2；在對照組1、對照組2的基礎(chǔ)上使用軌道復(fù)合絕緣技術(shù)的軌道分別作為試驗組1、試驗組2。普通軌道與復(fù)合絕緣軌道的扣件力學(xué)性能對比如圖1所示。

根據(jù)圖1的數(shù)據(jù)可得，兩種扣件材料類型的對照組與試驗組力學(xué)性能指標(biāo)基本一致，相差比例最大值為4.8%，變化范圍為1%～5%。

圖1 普通軌道與復(fù)合絕緣軌道的力學(xué)性能對比

隨后，在實驗室環(huán)境中開展針對復(fù)合絕緣軌道試驗組1、試驗組2的300萬次疲勞性試驗，以評價軌道復(fù)合絕緣技術(shù)的性能穩(wěn)定性。測試項目包括靜剛度、動剛度、軌道縱向阻力、扣件扣壓力、絕緣電阻等。

由圖2的數(shù)據(jù)可得，試驗組1、試驗組2的力學(xué)性能指標(biāo)相差比例最大值為6.12%，變化范圍為3%～7%，其中使用聚氨酯材料的試驗組1性能變化幅度稍大于使用絕緣材料的試驗組2；電學(xué)性能方面，試驗組1、試驗組2的扣件絕緣電阻在經(jīng)過疲勞試驗后均有不同程度的降低，最大降低幅度達(dá)到72.1%，其中使用聚氨酯材料的試驗組1性能變化幅度稍大于使用絕緣材料的試驗組2；但試驗組1、試驗組2絕緣電阻數(shù)值仍明顯高于對照組軌道絕緣電阻1×105倍以上。

圖2 復(fù)合絕緣軌道的力學(xué)性能疲勞試驗

2.3 電氣絕緣試驗

鑒于實驗室環(huán)境下的復(fù)合絕緣軌道疲勞性試驗中，電學(xué)性能指標(biāo)的變化比例大于力學(xué)性能指標(biāo)的變化比例，因此對普通軌道和復(fù)合絕緣軌道進行軌道絕緣的現(xiàn)場對比試驗。

2.3.1 扣件絕緣電阻對比試驗

對新建線路單一扣件進行軌道絕緣對比試驗[6]。按照地鐵正線常用標(biāo)準(zhǔn)建造兩塊板式道床(2.00 m長×6.25 m寬)作為新建線路試驗環(huán)境。其中，道床板和軌枕混凝土材料、配置鋼筋、施工工藝等與常規(guī)線路的正線完全一致，扣件類型為DZⅢ型。

對比試驗中將采用常規(guī)類型扣件的普通軌道設(shè)定為對照組3。對使用同樣扣件類型的復(fù)合絕緣軌道設(shè)定為試驗組3。對照組采用了普通混凝土道床、普通混凝土軌枕、常規(guī)扣件，而試驗組采用了普通混凝土道床、普通混凝土軌枕、常規(guī)扣件和軌道復(fù)合絕緣技術(shù)。由表1可見，采用了軌道復(fù)合絕緣技術(shù)的試驗組，其軌道絕緣電阻測試結(jié)果普遍高于對照組，整體較對照組高出約7倍。

表1 對照組和試驗組的絕緣電阻測試數(shù)據(jù)

2.3.2 鋼軌對地電阻對比試驗

選取兩種不同扣件型式(DTVI2型、ZX-2型)的、長度各為200 m的軌道區(qū)間，其中軌道扣件型式僅為DTVI2型或ZX-2型的普通軌道的區(qū)間分別設(shè)定為對照組4、對照組5；對使用同樣扣件類型的復(fù)合絕緣軌道區(qū)間分別設(shè)定為試驗組4、試驗組5。其中，對照組和試驗組測試長度均為200 m。濕態(tài)測試時，使用60 L自來水噴淋，將軌條及扣件反復(fù)淋濕以模擬濕態(tài)環(huán)境。

結(jié)合表2中試驗測試數(shù)據(jù)可見，使用DTVI2型扣件的軌道，在干態(tài)環(huán)境下試驗組4的鋼軌對地電阻與對照組4的相比，提升了10.1 Ω·km；在濕態(tài)環(huán)境下試驗組4的鋼軌對地電阻與對照組4的相比，提升了9.3 Ω·km。由此可見，對于使用普通DTVI2型扣件的軌道，采用軌道復(fù)合絕緣技術(shù)在干、濕態(tài)環(huán)境下均能夠顯著提升軌道對地的絕緣性能，提升效果高達(dá)70%及以上；使用ZX-2型扣件的軌道，在干態(tài)環(huán)境下試驗組5的鋼軌對地電阻較對照組5提升了13.8 Ω·km。

表2 鋼軌對地電阻測試結(jié)果

3 仿真驗證分析

隨著線路開通后每日不間斷的密集行車，扣件很容易受到隧道水汽、灰塵、車輪與鋼軌摩擦鐵屑等物質(zhì)的侵蝕和附著，隨著表面污垢的累積、集聚效應(yīng)，會在表面形成一層表面污垢[8]。隨著線路運營年限的增加，扣件自身也會發(fā)生老化現(xiàn)象。

首先，進行軌道扣件表面污垢層厚度變化對軌道絕緣性能影響的仿真分析。模型中表面污垢層厚度變化范圍設(shè)定為0.1～2.0 mm，此時表面污垢層電阻率為1×105Ω·m。復(fù)合絕緣軌道為試驗組6，普通軌道為對照組6，模型仿真結(jié)果如表3所示。在污垢層厚度變化20倍情況下，試驗組6的鋼軌對地電阻變化僅為對照組6的9.42%。

表3 表面污垢層厚度變化對鋼軌對地電阻的影響分析表

其次，進行軌道扣件老化對軌道絕緣性能影響的仿真分析。模型中設(shè)定扣件中絕緣材料的電阻率變化范圍為1×103～1×108Ω·m，數(shù)值變化了105倍；扣件表面污垢層厚度為0.3 mm，電阻率為1×105Ω·m。復(fù)合絕緣軌道用于試驗組7，普通軌道用于對照組7，模型仿真結(jié)果如表4所示。

從表4可見，試驗組7在扣件絕緣材料電阻率變化了105倍的情況下，試驗組7的鋼軌對地電阻變化僅為對照組7的0.14%。

綜合以上仿真分析結(jié)果可知，在扣件表面出現(xiàn)污垢層和扣件老化情況下，軌道復(fù)合絕緣技術(shù)的絕緣性能具有較好的穩(wěn)定性和可靠性。

4 結(jié)論

1)150 d高溫高濕的老化試驗表明，軌道復(fù)合絕緣技術(shù)中的絕緣材料能滿足材料穩(wěn)定的界面特性，不會產(chǎn)生分層現(xiàn)象，具有極高的穩(wěn)定性。

2)300萬次疲勞試驗表明，軌道復(fù)合絕緣技術(shù)對軌道聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能基本不構(gòu)成負(fù)面影響，且電氣絕緣性能要顯著優(yōu)于普通軌道。

3)現(xiàn)場試驗結(jié)果表明，軌道復(fù)合絕緣技術(shù)在不同扣件類型和干濕態(tài)環(huán)境下的軌道絕緣性能提升范圍為9.3～13.8 Ω·km，提升效果至少達(dá)到70%及以上。

4)仿真結(jié)果表明，軌道復(fù)合絕緣技術(shù)可有效減緩普通軌道對地絕緣性能隨時間持續(xù)降低的現(xiàn)象，并可有效延緩降低的比例。