簡統(tǒng)化接觸網(wǎng)零部件防腐方案研究

何常紅

0 引言

隨著新一代“簡統(tǒng)化”接觸網(wǎng)裝備開始在各項(xiàng)目上應(yīng)用，中國接觸網(wǎng)裝備自主化進(jìn)程又向前邁出了一大步，但目前在其防腐工藝方面仍存在技術(shù)空缺，尚未提出與之配套的成熟防腐方案。既有項(xiàng)目中的接觸網(wǎng)零部件由于常年暴露在潮濕環(huán)境，極易造成腐蝕現(xiàn)象。傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)裝備存在一些不合理的防腐工藝設(shè)計(jì)，直接導(dǎo)致零部件使用壽命縮減。同時(shí)由于防腐工藝的多元化、復(fù)雜化，其在接觸網(wǎng)行業(yè)并不統(tǒng)一，同一地區(qū)不同項(xiàng)目采用存在較大差異的防腐工藝的情況屢見不鮮[1]。

本文通過對國內(nèi)外部分鐵路項(xiàng)目接觸網(wǎng)零部件服役性能調(diào)研，對其所采用的防腐技術(shù)進(jìn)行對比，結(jié)合目前高校、廠家研究的最新防腐技術(shù)成果，得出適用于“簡統(tǒng)化”接觸網(wǎng)裝備的防腐方案，并在線路上進(jìn)行試驗(yàn)、應(yīng)用，提高設(shè)備服役性能的同時(shí)，完善“簡統(tǒng)化”接觸網(wǎng)裝備技術(shù)積累，為研制中國特色的接觸網(wǎng)技術(shù)與裝備提供設(shè)計(jì)思路。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)現(xiàn)狀

我國的接觸網(wǎng)零部件技術(shù)領(lǐng)域是隨著我國電氣化鐵路的不斷發(fā)展，在積極對外開放技術(shù)交流、廣泛吸收國際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展壯大的。目前接觸網(wǎng)鋼材質(zhì)件一般采用熱浸鍍鋅工藝進(jìn)行防腐處理，工藝較復(fù)雜，伴隨有“三高”（高耗能、高污染、高職業(yè)危害）問題，且后期不能進(jìn)行切割處理，一般適用于普通環(huán)境鐵路[2]。熱浸鍍鋅工藝對于沿海、高寒高熱、大風(fēng)地區(qū)耐用性能明顯下降，嚴(yán)酷環(huán)境會加速其表面起皮、霧化、發(fā)黑、銹蝕等。鋁合金件采用鈍化等工藝進(jìn)行防腐處理，后期可進(jìn)行切割處理，但制造成本高[3]。

鋼鐵制件在沿海、化工企業(yè)周邊、隧道等空氣中含有鹽、堿、酸、硫等腐蝕性物質(zhì)的地域以及高溫、潮濕交替變化的區(qū)域，腐蝕情況非常嚴(yán)重[4]。在以往建設(shè)的鐵路線路中，接觸網(wǎng)零部件大部分采用較成熟的熱浸鍍鋅防腐技術(shù)，該技術(shù)與電鍍、化學(xué)鍍等技術(shù)相比，可獲得較厚較致密的鍍層作為防護(hù)涂層，其耐蝕性能完全滿足普通地區(qū)線路的使用要求。熱鍍鋅的主要成分是鋅，在干燥少雨的大氣中，化學(xué)性能活躍、腐蝕速度較慢的兩性金屬鋅的腐蝕速度約為0.3 UILL/年；鋅能與二氧化硫、二氧化碳、氧氣、水等在潮濕的工業(yè)大氣中發(fā)生電化學(xué)腐蝕，其腐蝕速度可達(dá)5.3 UILL/年；鋅在潮濕的工業(yè)大氣中則能與二氧化硫、二氧化碳、氧氣、水等發(fā)生電化學(xué)腐蝕作用，其腐蝕速度可達(dá)5.3 UILL/年。通常所見的鋅層表面的“白霜”或“白毛”就是鍍鋅層的腐蝕性產(chǎn)物[5]。有機(jī)材料具有一定的腐蝕性，如果鍍鋅層與有機(jī)材料再次接觸，鍍鋅層腐蝕速度會進(jìn)一步加快并變薄，甚至喪失保護(hù)鋼鐵基材的能力。

廣深港鐵路獅子洋隧道位于沿海區(qū)域，常年潮濕，空氣流通性差，粉塵積聚，其所有接觸網(wǎng)零部件均經(jīng)過了最高級別的3級熱浸鍍鋅防腐保護(hù)[6]。線路開通運(yùn)營前，零件外觀均勻光亮，但在運(yùn)營2年后，零件出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕，機(jī)械和電氣性能大幅降低，存在較嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 國外現(xiàn)狀

德國鐵路初期應(yīng)用的腕臂結(jié)構(gòu)中，腕臂管采用鍍鋅鋼管，連接零件采用熱浸鍍鋅防腐的可鍛鑄鐵。到20世紀(jì)80年代中期，為了提高接觸網(wǎng)零件的防腐蝕性能，開始廣泛應(yīng)用鋁合金。鋁材有較好的耐腐蝕性能，其表面會生成一層厚的氧化層，該氧化層在受到機(jī)械損傷時(shí)可以再生，因此其保護(hù)功能不會喪失。同時(shí)，鋁材的導(dǎo)電能力和傳熱能力分別是鋼材的10倍和2倍，抗短路能力較強(qiáng)[7]。

日本鐵路采用整體式鋼腕臂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的連接件較少，防腐方案采用熱浸鍍鋅。

法國鐵路采用鋼腕臂系統(tǒng)，支撐結(jié)構(gòu)采用方鋼，連接零件采用高強(qiáng)度、大塑性銅合金件，確保了接觸網(wǎng)零件的安全性、可靠性和穩(wěn)定性。銅合金與鋼管腕臂連接具有良好的電偶性，定位器與支座之間不需要電氣連接線連接；連接件采用金屬型銅合金鑄造工藝。鋁青銅最主要的特點(diǎn)是強(qiáng)度高，具有良好的伸長率及耐腐蝕性，電氣性能優(yōu)良，在連接處不需要導(dǎo)電線、不需要處理或保護(hù)，具有良好的耐磨性。法國的合金冶煉及鑄造技術(shù)較發(fā)達(dá)，定位線夾采用無螺栓結(jié)構(gòu)，采用青銅合金鑄造工藝，具備強(qiáng)度高、延伸率高、耐疲勞性好、導(dǎo)電性好、耐腐蝕性好的特點(diǎn)[8]。

通過以上對國內(nèi)、國外（德、日、法）腕臂零部件防腐工藝的梳理分析可以看出，不同國家接觸網(wǎng)腕臂和定位裝置的結(jié)構(gòu)和材質(zhì)均與各自的系統(tǒng)相匹配，防腐方案與本國環(huán)境條件、工業(yè)基礎(chǔ)、經(jīng)濟(jì)模式有關(guān)，對研究適用于我國的設(shè)備防腐方案有重要的指導(dǎo)意義，即應(yīng)滿足中國接觸網(wǎng)系統(tǒng)的要求，適應(yīng)中國的自然、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平等。

2 防腐方案

現(xiàn)有接觸網(wǎng)零件的材質(zhì)主要分為鋼、鋁合金、銅合金等，鋼、鋁合金材質(zhì)主要用于腕臂、支柱、底座類零部件，銅合金主要用于線夾、線材等。本文針對多種防腐方案進(jìn)行探討，為接觸網(wǎng)裝備防腐方案選擇提供參考。

2.1 多元合金共滲防腐工藝

多元共滲是將多種元素的活性原子吸附在金屬材料表面，在零件處理過程中經(jīng)過界面反應(yīng)和擴(kuò)散滲透到材料內(nèi)部，形成金屬材料表層的金屬間化合物滲層，其中含有多種元素的滲層[9]。

多元共滲滲層的化學(xué)成分及組織結(jié)構(gòu)與基體材料完全不同，可大幅提高零件表層耐磨性能及力學(xué)性能。由表1可知，經(jīng)多元共滲工藝處理后的零件表面的硬度為處理前的2～3倍，耐磨性能優(yōu)越。表2是鋼件在多元共滲處理前后的力學(xué)指標(biāo)對比，經(jīng)處理后各項(xiàng)力學(xué)性能都有提高。最重要的是，多元共滲是將多元非金屬元素滲入零件內(nèi)部，幾乎不增加零件厚度，免去了因?yàn)橥繉釉黾雍穸缺仨氈匦驴紤]與其他零件的公差配合問題，并且免除了涂層能否在零件表面附著牢靠的顧慮。此外，多元共滲工藝還可通過與其他工藝結(jié)合，進(jìn)一步提高零件耐腐蝕、耐疲勞與耐磨性能，而且還可以改變零件外觀顏色。

表1 Q235和45#鋼在多元共滲前后硬度（HV0.05）對比

表2 Q235材質(zhì)零件在多元共滲處理前后力學(xué)性能 MPa

經(jīng)多元共滲工藝處理過的鋼零件的耐磨性、耐腐蝕性能均強(qiáng)于熱浸鍍鋅零件，滿足現(xiàn)行鐵標(biāo)中的相關(guān)要求。多元共滲和熱浸鍍鋅工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比詳見表3、表4。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，鋼材質(zhì)采用多元共滲工藝不會造成環(huán)境污染，是替代熱浸鍍鋅工藝的理想措施。

表3 3%硫酸浸泡實(shí)驗(yàn)

表4 3%氫氧化鈉溶液浸泡實(shí)驗(yàn)

2.2 滲鋅防腐工藝

滲鋅工藝是將鋅活性原子通過熱擴(kuò)散運(yùn)動滲入鋼材質(zhì)表面，形成一種鋅鐵合金保護(hù)層，以防止構(gòu)件表面腐蝕的一種防腐方法。對滲鋅工藝和鍍鋅工藝進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對比，結(jié)果如表5所示。

可以看出，滲鋅工藝比熱浸鍍鋅耐腐蝕性高得多。滲鋅層厚度均勻且可以精確控制，耐磨性也強(qiáng)于熱浸鍍鋅零件，滲鋅和熱浸鍍鋅工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對比詳見表6。滲鋅層厚度可以根據(jù)對應(yīng)環(huán)境下滲鋅層的腐蝕速率和產(chǎn)品設(shè)計(jì)耐腐蝕年限相乘的結(jié)果估算。當(dāng)滲鋅層厚度達(dá)到100 μm以上時(shí)，該工藝就可以保證接觸網(wǎng)鋼零件在最嚴(yán)酷的工業(yè)腐蝕環(huán)境中的耐腐蝕年限達(dá)到20年左右。此外，滲鋅工藝不會造成環(huán)境污染，是替代熱浸鍍鋅工藝的理想防腐措施[10]。

表6 滲鋅與熱浸鍍鋅工藝對比

2.3 微弧氧化防腐工藝

微弧氧化工藝是在普通陽極氧化的基礎(chǔ)上，利用弧光放電，增強(qiáng)并激活在陽極上發(fā)生反應(yīng)，在鋁、鎂、鈦等金屬及其合金材料的工件表面形成優(yōu)質(zhì)的強(qiáng)化陶瓷膜的方法。

本文按照GB/T 10125—2021中方法對樣本進(jìn)行中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)和三氯化鐵點(diǎn)蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。

表7 微弧氧化中性鹽霧試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

通過統(tǒng)計(jì)不同氧化膜腐蝕速率可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)氧化膜厚度低于20 μm時(shí)，隨厚度的增加，氧化層腐蝕性能提高較明顯，但需要通過封孔處理進(jìn)一步提高其耐腐蝕性能；當(dāng)氧化膜厚度超過20 μm時(shí)，其腐蝕率隨膜厚的增加變化不大，氧化膜具有較好的耐腐蝕性能。因此可得出結(jié)論：若氧化膜厚度低于15 μm，需要通過封孔處理進(jìn)一步提高其耐腐蝕性能，而氧化膜厚度大于20 μm時(shí)可不進(jìn)行封孔處理，氧化膜的耐蝕性能就可以達(dá)到要求。

由于電解液自身是堿性的（含約3%的氫氧化鈉），所以微弧氧化膜的耐堿性較好；對于耐酸性，通過查閱文獻(xiàn)，5%濃度的硫酸對于陶瓷層的腐蝕作用很小，為了凸顯不同膜層的區(qū)別，按《不銹鋼三氯化鐵點(diǎn)蝕實(shí)驗(yàn)》（GB/T 17897—1999）采用腐蝕性更強(qiáng)的三氯化鐵進(jìn)行浸泡實(shí)驗(yàn)。表8為浸泡實(shí)驗(yàn)后不同厚度氧化層試樣的失重情況，可以看出，氧化層越厚，抗點(diǎn)蝕能力越好。微弧氧化與鈍化、陽極氧化工藝對比見表9。

表8 三氯化鐵浸泡實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表9 微弧氧化與鈍化、陽極氧化工藝對比

由以上實(shí)驗(yàn)可知，微弧氧化工藝的耐腐蝕性和耐磨性優(yōu)于現(xiàn)有鈍化、陽極氧化工藝，可以較高地提升接觸網(wǎng)鋁合金零部件耐腐蝕性能。微弧氧化工藝無環(huán)境污染，雖然成本較高，但是可以免去后期維護(hù)檢修的成本和工作量，是理想的替代鈍化和陽極氧化的鋁合金零件防腐工藝，尤其適用于隧道內(nèi)及隧道口附近、海洋或腐蝕嚴(yán)重的工業(yè)環(huán)境。

除考慮防腐工藝對零部件的影響外，經(jīng)濟(jì)性也是工程上非常重要的參考指標(biāo)之一。本文通過對目前市場上防腐工藝廠家對不同工藝的制造成本的調(diào)研，探討不同工藝對成本控制的影響。

目前主流防腐工藝成本主要包括兩個(gè)方面內(nèi)容：一是電解液使用的藥品和去離子水成本；二是電力、人力及設(shè)備成本。經(jīng)調(diào)研，由于電解液、去離子水、人工等由于規(guī)模化生產(chǎn)、可重復(fù)利用性等原因各工藝差異不大且對最終成本影響較小，電力成本是導(dǎo)致各不同工藝經(jīng)濟(jì)性差距較大的部分，故對此進(jìn)行深入調(diào)查，詳見表10。

表10 用電量檢測

相比現(xiàn)階段常用的鈍化工藝，微弧氧化處理單位面積成本略有提升，對總體成本控制影響較大。

2.4 其他防腐工藝

除以上防腐工藝外，目前還有很多項(xiàng)目試用了VCI片鋅涂層防腐工藝、冷噴鋅鍍層防腐工藝、鋅鎳滲層防腐工藝、底座密封防腐工藝、鍍錫防腐工藝、耐候鋼防腐工藝，不同工藝對零部件服役壽命均有不同的影響，鑒于篇幅限制，本文不再贅述。

3 總結(jié)及建議

“簡統(tǒng)化”接觸網(wǎng)腕臂系統(tǒng)分為鋼材質(zhì)和鋁合金材質(zhì)。鑒于以上試驗(yàn)結(jié)果，對于內(nèi)陸氣候較為干燥、污染情況一般的鐵路項(xiàng)目，建議鋼材質(zhì)件防腐方案采用鍍鋅工藝；對于沿海、環(huán)境污染較嚴(yán)重的地區(qū)采用滲鋅和多元共滲工藝，其防腐效果和零件表面耐磨性均優(yōu)于熱浸鍍鋅，且環(huán)境污染均較小，可以考慮替代傳統(tǒng)的熱浸鍍鋅防腐工藝。

對于鋁合金腕臂系統(tǒng)防腐，考慮到零件結(jié)構(gòu)外形、加工工藝以及制造成本的共同影響，對于一般內(nèi)陸地區(qū)建議管狀類零件（如平斜腕臂）采用較為經(jīng)濟(jì)、成熟的鈍化處理，鍛造件（如腕臂連接器）采用陽極氧化處理。由于微弧氧化工藝的耐磨性、耐腐蝕性均優(yōu)于鈍化、陽極氧化，但考慮到其造價(jià)較高，可以作為試點(diǎn)或在海洋環(huán)境、污染嚴(yán)重的區(qū)域中使用。