跨海电气化铁路特大桥接触网防腐蚀设计研究

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跨海电气化铁路特大桥接触网防腐蚀设计研究

胡祥杰，于素芬，李春林

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

摘　要：通过研究金属腐蚀机理和试验的方式，构建跨海电气化铁路接触网防腐蚀技术设计，保证接触网在海洋大气环境中使用寿命。通过防腐理论研究及盐雾试验验证，结论：(1)热浸镀锌防腐技术处理的钢材质构件在海洋大气环境适用过程中，防腐耐久性很难满足长期适用要求；(2)钢材质构件、铝合金材质构件采用涂层防腐处理，可以大幅度地提高金属表层的抗防腐能力，延长金属构件的使用寿命；(3)铝合金材质构件在典型的大气环境下抗腐蚀能力要强于钢材质构件。

关键词：电气化铁路；接触网；海洋大气环境；防腐；镀锌；涂层

1　概述

电气化铁路接触网的防腐蚀问题是设计关注的重点之一，接触网裸露在自然环境中，腐蚀严重影响了接触网的使用寿命，增加了维护成本。我单位设计的东海岛电气化铁路通明湾跨海特大桥位于我国广东省湛江市霞山区与东海岛之间，距东海大堤1.8 km左右，桥梁全长8 973.07 m，受海水潮汐影响较明显。大桥处在典型海洋大气环境下，既有海洋大气特有的特征，又具有工业大气多污染物的特征。在这种环境下，金属腐蚀更为严重，因为这种大气环境，不仅含有丰富的CL-离子，同时又含有SO2、HF和NOx等酸性气体污染物。因此，通明湾特大桥上接触网设备选择合适的防腐技术十分必要。通过盐雾试验的方法对钢材质构件、铝合金材质构件的防腐方案进行对照，确定接触网设备的防腐处理方案，为东海岛铁路接触网系统防腐设计提供可靠的支持。

2　既有沿海地区接触网设备调查

现场调查发现隧道内海水渗透区域接触网腐蚀偏于严重，隧道外接触网腐蚀稍好些。

接触网零部件、平斜腕臂管等钢结构零件严重腐蚀。见图1。

图1　接触网零部件腐蚀

螺栓、螺母、开口销等紧固零部件长时间暴露于沿海盐雾环境后造成镀锌层完全腐蚀，出现锈蚀现象。见图2。

图2　紧固件腐蚀

铝合金定位器等铝材质的零部件在盐雾环境下出现麻面锈蚀现象。见图3。

图3　铝合金定位器装置腐蚀

3　金属腐蚀原因分析

腐蚀是指因工程材料与其周围的物质发生化学反应而导致解体的现象。通常这个术语用来表示金属物质与氧化物物质发生电化学的氧化反应。在海洋大气环境中，一方面空气湿度较高，镀锌层表面易形成液膜，另一方面氯化物盐含量相对较高，造成液膜中含有大量氯离子。

3.1　湿度的影响

在清洁的大气中所有普通的金属在室温下都可产生不可见的氧化膜。如果大气的湿度没有超过临界湿度，铁和钢的表面将保持着光亮，这种腐蚀速度小，破坏性小，它主要是由纯化学作用引起的[1]。潮湿的大气腐蚀主要是由电化学引起的，这种腐蚀速度快，破坏性尤其是对钢板表面的破坏性非常强。潮湿的大气腐蚀可概括为如下过程：

3.2　氯离子的影响

海洋大气中富含大量的海盐粒子，这些盐粒子杂质溶于钢铁表面的水膜中，使这层水膜变为腐蚀性很强的电解质，加速了腐蚀的进行，这是与其他气体环境的重要区别。盐粒当中对大气腐蚀发生较大影响的是 NaCl、MgCl2等氯化物，NaCl的存在更是促进了腐蚀的发生。高浓度的NaCl溶液迅速分解为Na+离子和活跃的Cl-离子，并与分子式很活跃的金属材料发生化学反应生成强酸性的金属盐，其中的金属离子与氧气接触后又还原生成较稳定的金属氧化物，对金属造成腐蚀。同时，盐颗粒沉降在金属表面上，由于它具有吸潮性及增大表面液膜的导电作用，而且Cl-本身又具有很强的侵蚀性，因而加重了金属表面的腐蚀。基本过程简单表述如下

4　接触网设备防腐技术试验

金属防腐技术主要有改变金属的内部组织结构、保护层法、电化学保护法、对腐蚀介质进行处理等方案。目前，接触网设备的防腐处理方案基本都采用了保护层法，对于钢材质主要是热浸镀锌技术[2-9]；对于铝合金材质采用阳极氧化处理形成金属氧化层，还可以采用微弧氧化技术形成陶瓷膜[10-12]。镀锌层、金属氧化层、陶瓷膜能够阻止或者延缓腐蚀介质与基体金属的接触，腐蚀介质直接作用在镀锌层、金属氧化层、陶瓷膜上，增加了金属的耐腐蚀性。如果在镀锌、金属氧化层的基础上增加一层涂料，则可以更有效地控制腐蚀的发生[13]。

因此可以对钢材质结构件、铝合金材质结构件防腐方案进行试验对照，找到效果好的防腐方案。主要试验试件有热浸镀锌钢管、钢管热浸镀锌+涂层、威塔格钢板、阳极氧化铝管、铝管+涂层。微弧氧化铝管由于工艺、试验条件限制，没有列入试验。

4.1　试验方法

采用盐雾试验模拟海洋大气环境考核金属材料及其防护层抗腐蚀能力。盐雾试验是在盐雾试验箱内采用人工的方法造成盐雾环境，将试件放置在箱内。在试验箱内使用盐水喷雾试验机将含有氯化钠的溶液以雾状喷于试件保护层上，盐雾的微粒沉降并附着在材料的表面，逐步引起金属的腐蚀。

4.2　盐雾试验主要控制参数

(1)盐溶液成分

采用接近于海水的浓度盐溶液，盐溶液浓度为5%。

(2)温度

温度选用35 ℃，这个温度模拟了许多国家夏季最高平均温度。

(3)pH值

盐雾的酸碱度对腐蚀速度有较大影响，中性盐雾pH值需控制在6.5～7.2，试验过程主要是通过测试盐雾收集液的pH值来调整和控制配制盐液的酸碱度，以保证试验箱内盐雾的pH值在要求的范围内。

(4)盐雾沉降率

一般盐雾沉降率控制在1.0～2.0 mL/80 cm·h，这个范围的沉降率会使腐蚀速度稳定。

(5)样品摆放

样品摆放角度决定了样品的迎雾面，一般标准规定平板样品与垂直方向角度在15°～30°。

(6)箱体

本次试验箱体容积0.6 m3，设备材料必须抗盐雾腐蚀，且不影响试验结果。

4.3　防腐方案试件

铝合金材质防腐方案试件：

①阳极氧化铝管

阳极氧化铝管是指在铝及铝合金表面镀一层致密氧化铝，为了防止进一步氧化，其化学性质与氧化铝相同。

②铝管+聚酯型热固性粉末喷涂

防腐涂层材料与⑤一致，但采用工艺为电泳处理。

钢材质防腐方案试件：

③热浸镀锌

热浸镀锌，是钢铁构件浸入熔融的锌液中获得金属覆盖层的一种方法。广泛应用于钢结构防腐处理。

④钢管热浸镀锌+厚浆型聚硅氧烷面漆涂层

厚浆型聚硅氧烷面漆是一种高固体含量产品，它的漆膜表面光泽度高，保光性能优异。多用于桥梁、船舶防腐处理。

⑤钢管热浸镀锌+聚酯型热固性粉末涂层

聚酯型热固性粉末涂料是一种新型的不含溶剂100%固体粉末状涂料。具有不用溶剂、无污染、节省能源和资源、减轻劳动强度和涂膜机械强度高等特点。

⑥钢管热浸镀锌+氟碳涂层

氟碳涂料是在氟树脂基础上经改性、加工而成的一种新型涂层材料。氟碳涂料具有优异的耐酸、耐碱、抗腐性、抗污染性能。

⑦薄膜威塔格钢板

⑧厚膜威塔格钢板

“威塔格”是一种薄型重防腐技术及其系列涂料品种的总称。该涂料产品具有超强的附着力、耐腐蚀性，可延长基体的使用寿命。其一次性成膜的防腐技术，无需底漆和中间涂层，施工简便易行。薄膜威塔格钢板膜厚10～20 μm，厚膜威塔格钢板膜厚20～30 μm。

4.4　试件在箱体的摆放(图4)

图4　试验箱体内试件摆放

4.5　试验结果分析(表1、表2)

表1　铝合金构件防腐效果分析对照

样品编号样品名称及其材料工艺实验前试验后照片试验结果分析效果评价①阳极氧化铝管试验进行至48h,氧化膜表面出现4～5个点蚀,试验进行至120h,氧化膜表面出现近10个点蚀,并有白色腐蚀流痕出现一般②铝管+聚酯型热固性粉末电泳试验进行至120h,样品的涂层表面无可见变化优

表2　钢构件防腐效果分析对照

样品编号样品名称及其材料工艺试验前试品试验后试品试验结果分析效果评价③热浸镀锌钢管1.试验进行至12h,镀锌表面开始变黑,并出现灰白色腐蚀产物;试验进行至96h,表面开始出现褐色锈蚀,表明其基体开始腐蚀2.单纯镀锌处理,无法适用酸性环境,锌层及基体试验后腐蚀严重差④钢管热浸镀锌+厚浆型聚硅氧烷面漆涂层试验进行至24h,钢管焊接部位的涂层表面出现1个浅绿色蚀点,试验进行至120h,焊接部位涂层的浅绿色蚀点略微变大,其他部分涂层无明显变化,未见基体腐蚀优⑤钢管热浸镀锌+聚酯型热固性粉末试验进行至24h,钢管的焊接部位的涂层出现1个黑色蚀点,试验进行至120h,焊接部位的涂层黑色蚀点变大,且其他部位涂层出现了4～5个点蚀,未见基体腐蚀优⑥钢管热浸镀锌+氟碳涂层试验进行至120h,样品的涂层表面无可见变化,未见基体腐蚀优⑦薄膜威塔格钢板试验进行至12h,样品涂层表面出现4～5个褐色点蚀,试验进行至120h,褐色点蚀发展到20个以上,并明显变大,褐色点蚀表明其基体从试验12h就开始腐蚀一般⑧厚膜威塔格钢板试验进行至12h,焊接部位涂层表面出现2处局部腐蚀,并有褐色腐蚀流痕,试验进行至120h,焊接部位涂层表面出现5处局部腐蚀,褐色腐蚀流痕遍布样品表面,并在其他部位出现1个褐色点蚀,褐色局部腐蚀表明其基体从试验12h就开始腐蚀优

5　结论

(1)通过防腐理论研究及盐雾试验验证，传统的热浸镀锌防腐处理在海洋大气环境适用过程中，防腐耐久性很难满足长期适用要求。

(2)采用镀锌+涂层的防腐技术对接触网钢材质构件、铝合金材质构件进行防护处理，可以大幅度地提高金属表层的防腐能力，延长金属构件的使用寿命。

(3)铝合金材质构件在典型的大气环境下抗腐蚀能力要强于钢材质构件。

6　建议

新建东海岛电气化铁路通明湾跨海特大桥处在海洋大气环境下，接触网设备遭受较严重的氯离子、工业污染物的腐蚀。因此对通明湾跨海特大桥上接触网防腐设计建议如下。

(1)接触网钢支柱

通过盐雾试验可发现单纯热浸镀锌的钢管在盐雾环境下腐蚀情况严重。采用厚浆型聚硅氧烷面漆涂层、镀锌+聚酯型热固性粉末防腐技术在试验中出现腐蚀点，特别是在焊接部位。采用镀锌+氟碳涂层技术，试验过程中无明星变化，得到令人满意的效果。因此在东海岛铁路跨海特大桥接触网支柱建议采用镀锌+氟碳涂层进行防腐处理，在地脚螺栓外漏部分或出现防腐层损坏的地方可以采用威塔格技术进行表面涂抹。

(2)接触网腕臂及定位系统采用铝合金结构，铝合金零部件采用阳极氧化技术或微弧氧化技术进行防腐，通过盐雾试验说明采用阳极氧化处理的铝合金材质要强于钢结构镀锌层。目前，接触网零部件比较大的厂家正在推广微弧氧化技术在铝合金零部件上的应用，微弧氧化技术具有工艺简单、生产效率高、不引入有毒物的特点。采用微弧氧化技术形成的陶瓷膜同时具备阳极氧化膜和陶瓷喷涂层两者的优点。采用聚酯型热固性粉末涂层对铝合金零件进行二次保护的方法工艺复杂、生产效率低、价格昂贵。因此建议在东海岛铁路跨海特大桥上接触网铝合金零件采用微弧氧化技术进行防腐处理。

参考文献：

[1]　林玉珍，杨德钧.腐蚀与腐蚀控制原理[M].北京：中国石化出版社，2014.

[2]　蒋先国.电气化铁道接触网零部件设计与制造[M].北京：中国铁道出版社，2009:148-172.

[3]　[德]KieBling，Puschmann，Schmieder.电气化铁道接触网[M].北京：中国电力出版社，2004.

[4]　中华人民共和国铁道部.TB/T2073—2010电气化铁路接触网零部件技术条件[S].北京：中国铁道出版社，2010.

[5]　刘莉蓉，雍兴跃，郭奉迎.电气化接触网零部件在典型环境的腐蚀研究[J].铁道工程学报，2015(3)：82-85.

[6]　胡喜艳，刘莉蓉，黎仕强，等.接触网部件材料在模拟典型大气环境介质中的腐蚀—热浸镀锌材料的腐蚀(Ⅰ)[J].全面腐蚀控制，2014(12):68-73.

[7]　孙传福，张峰.高速铁路接触网钢柱防腐新技术[J].铁道建筑技术，2010(7):15-16.

[8]　魏亚娟.电气化铁路授触网的若干问题的分析探讨[J].上海铁道科技，2009(1):101-103.

[9]　朱立.钢材热镀锌[M].北京：化学工业出版社，2006：8-16.

[10]马远征.高速铁路铸造铝合金接触网零部件腐蚀失效分析[J].铁道技术监督，2015(7):36-39.

[11]黎仕强，刘慕懿，胡喜艳，等.接触网部件材料在模拟典型大气环境介质中的腐蚀—铝合金材料的腐蚀(Ⅰ)[J].全面腐蚀控制，2015(1):57-60.

[12]蔡健平，刘明，罗振华，等.航空铝合金大气腐蚀加速试验研究[J].中国腐蚀与防护学报，2005，25(5):262-266.

[13]杨松柏.铁道行业防腐蚀及涂装技术的发展[J].中国铁道科学，2003(8):119-123.

[14]任兴堂.高速接触网器材检验技术研究[J].铁道技术监督，2010(12)：9-13.

收稿日期：2016-02-11； 修回日期：2016-03-01

基金项目：中国铁路总公司科技研究开发计划(2014J005-C)

作者简介：胡祥杰(1979—)，男，工程师，2008年毕业于西南交通大学电力系统及其自动化专业，工学硕士，E-mail：[e-mail]。

文章编号：1004-2954(2016)07-0140-04

中图分类号：U225.6

文献标识码：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