典型海洋大氣環(huán)境的接觸網(wǎng)鋼腕臂定位裝置表面防護(hù)體系設(shè)計(jì)

石瑞霞

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,武漢 430063)

1 概述

目前，電氣化鐵路接觸網(wǎng)系統(tǒng)中，我國(guó)采用的接觸網(wǎng)鋼腕臂組件表面防護(hù)大都是按照部頒標(biāo)準(zhǔn)《電氣化鐵路接觸網(wǎng)零部件》(TB /T 2075.1～23—2010)采用了3個(gè)不同等級(jí)的熱浸鍍鋅防腐處理[1]。實(shí)際使用后發(fā)現(xiàn)，接觸網(wǎng)鋼腕臂組件采取單一的熱浸鍍鋅防腐措施難以滿足當(dāng)今環(huán)境腐蝕保護(hù)要求，如廣深港高鐵和海南東環(huán)高鐵，自正式投入使用7年后對(duì)接觸網(wǎng)腐蝕狀況調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一些地方如獅子洋隧道及海南東環(huán)高鐵接觸網(wǎng)鋼腕臂[2-3]都已出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕。于是提出在熱浸鍍鋅層的表面再施加一層有機(jī)涂層的方案，但普遍存在油漆涂層和熱浸鍍鋅層之間結(jié)合不好，油漆涂層容易脫落等現(xiàn)象，防腐效果并不理想；后又有人提出用達(dá)克羅技術(shù)取代熱浸鍍鋅，效果也不理想[4]。而且這些表面處理工藝還都存在廢水排放的問題，對(duì)生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的危害[5]。以熱浸鋅工藝為例，熱浸鋅工藝過程中會(huì)產(chǎn)生大量的酸性廢液，排放困難，處理成本高，且期間需要長(zhǎng)期維持鋅槽溫度在470 ℃以上[6]，耗能大且勢(shì)必產(chǎn)生一定污染。為了保證軌道交通的安全運(yùn)行，需要提出一種具有15年以上在役壽命的鋼腕臂定位裝置表面防護(hù)涂層體系，以應(yīng)用于我國(guó)高溫、高濕、高鹽環(huán)境下的高鐵接觸網(wǎng)中。

2 鋼質(zhì)零部件表面防護(hù)方案研究

英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)在其《鋼鐵結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)手冊(cè)》中特別強(qiáng)調(diào)，就油漆、熱浸和熱噴涂3種防護(hù)方法而言，只有金屬噴涂才能在各類環(huán)境條件，尤其是在海水全浸和飛濺條件下，可為鋼鐵結(jié)構(gòu)提供20年以上的有效防護(hù)壽命[7]；美國(guó)焊接學(xué)會(huì)和美國(guó)腐蝕學(xué)會(huì)聯(lián)合進(jìn)行的一項(xiàng)長(zhǎng)達(dá)19年的海水和鹽霧大氣腐蝕試驗(yàn)的調(diào)查結(jié)果也表明，熱噴涂鋅、鋁及其合金涂層在海水和海洋鹽霧大氣腐蝕環(huán)境條件下可保護(hù)鋼鐵構(gòu)件19年不發(fā)生腐蝕[8]。

美國(guó)腐蝕學(xué)會(huì)和美國(guó)海軍推薦使用的Zn-50Al高鋁鋅合金涂層，較常規(guī)的Zn-15Al合金涂層具有更好的抗近海地區(qū)嚴(yán)酷的海洋環(huán)境和工業(yè)大氣的腐蝕[9]，同等的涂層厚度具有更長(zhǎng)的保護(hù)年限[10-14]。

鋼結(jié)構(gòu)熱噴涂長(zhǎng)效防腐技術(shù)在應(yīng)用時(shí)一般采用噴涂層+封閉層形成復(fù)合涂層，封閉層可對(duì)熱噴涂層進(jìn)行有效封孔作用并且兼具一定裝飾作用。同時(shí)二者形成的復(fù)合涂層效果遠(yuǎn)超過單一涂層效果[13]。

3 接觸網(wǎng)鋼腕臂表面防護(hù)涂層體系方案設(shè)計(jì)

結(jié)合鋼結(jié)構(gòu)件長(zhǎng)效防腐工作經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)高溫、高濕、高鹽的復(fù)雜腐蝕環(huán)境，涂層體系方案設(shè)計(jì)以熱噴涂長(zhǎng)效防腐復(fù)合涂層為主，引入最新浸涂工藝、噴涂工藝，采用鹽霧加速腐蝕試驗(yàn)方法[15]和模擬海洋環(huán)境加速試驗(yàn)方法，進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)制備試件的相應(yīng)涂層體系進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)。為使管件內(nèi)壁得到有效保護(hù)，對(duì)于管件內(nèi)壁采用灌涂工藝，灌涂改進(jìn)型環(huán)氧涂料為內(nèi)壁提供防護(hù)保護(hù)。接觸網(wǎng)鋼腕臂定位裝置表面防護(hù)涂層體系方案設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 接觸網(wǎng)鋼腕臂表面防護(hù)涂層體系方案設(shè)計(jì)

4 涂層體系試驗(yàn)方案及試驗(yàn)過程

(1)試驗(yàn)方案

試驗(yàn)試件采用真實(shí)的接觸網(wǎng)零部件，組裝試件有焊接后的彎型平腕臂管、斜腕臂、腕臂套管、定位管、定位環(huán)、定位支座、承力索座。對(duì)比試件有定位管、定位支座、承力索座、焊接后的彎型平腕臂管。

(2)試驗(yàn)過程

①進(jìn)行試樣涂層厚度檢測(cè)。②零部件疲勞試驗(yàn)：表面防護(hù)處理后零部件的疲勞試驗(yàn)。③組裝試件綜合試驗(yàn)：涂層振動(dòng)試驗(yàn)—鹽霧試驗(yàn)(500 h)—涂層振動(dòng)試驗(yàn)。④定位支座的滑移試驗(yàn)，測(cè)試定位支座的靜態(tài)摩擦系數(shù)。⑤模擬海洋環(huán)境加速試驗(yàn)。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證分析及綜合數(shù)據(jù)匯總

試驗(yàn)過程①～④步驗(yàn)證分析表明：

(1)振動(dòng)、疲勞試驗(yàn)是機(jī)械物理式試驗(yàn)，主要檢測(cè)涂層的耐久性和抗疲勞性，所有試樣均通過檢測(cè)[19-20]。通過試驗(yàn)結(jié)果可知，試樣在振動(dòng)和疲勞試驗(yàn)中涂層表面均完好，無脫落和損壞，并且通過劃格試驗(yàn)，涂層與基體間依然有良好的結(jié)合強(qiáng)度，僅個(gè)別體系方案在局部活動(dòng)連接處存在輕微磨損。

(2)鹽霧試驗(yàn)是在試件振動(dòng)和疲勞試驗(yàn)完畢后進(jìn)行的，通過此試驗(yàn)檢驗(yàn)涂層的耐腐蝕性能。試驗(yàn)過程中所有試件基體均未出現(xiàn)銹蝕，僅有部分試件出現(xiàn)了輕微銹蝕，銹蝕發(fā)生部位為疲勞、振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)p區(qū)域。所有試樣分別進(jìn)行100，300，500 h鹽霧試驗(yàn)，其中有部分試樣在經(jīng)過500 h鹽霧腐蝕試驗(yàn)后，VCI片鋅浸涂、雙金屬浸涂、納米滲鋅等3種方案基材發(fā)生明顯銹蝕，熱浸鍍鋅+VCI片鋅浸涂1種發(fā)生輕微點(diǎn)蝕。另外，熱噴涂+雙金屬浸涂、熱噴涂+VCI片鋅浸涂、熱噴涂+環(huán)氧封閉等3種方案未見銹蝕。

(3)復(fù)合涂層的強(qiáng)度、鹽霧試驗(yàn)結(jié)果等指標(biāo)遠(yuǎn)高于單一雙金屬涂層，雙金屬涂層的耐腐蝕性能優(yōu)于環(huán)氧漆膜封閉。

(4)試驗(yàn)過程①～④綜合數(shù)據(jù)匯總見表2。

表2 試驗(yàn)過程①～④綜合數(shù)據(jù)匯總分析

(5)試驗(yàn)過程⑤。

為了進(jìn)一步評(píng)價(jià)不同涂層體系在模擬高溫高濕高鹽海洋環(huán)境中的耐腐蝕性能，參照《金屬和合金的腐蝕鹽溶液周浸試驗(yàn)》(GB/T 19746—2005)標(biāo)準(zhǔn)的周浸試驗(yàn)[21]，通過干濕交變、溫度交變等試驗(yàn)方法模擬獅子洋海洋環(huán)境條件的加速腐蝕試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。從試驗(yàn)過程①～④篩選出的涂層體系2、3、4、5、9號(hào)樣件繼續(xù)完成試驗(yàn)過程⑤，即模擬海洋環(huán)境加速試驗(yàn)。周浸試驗(yàn)溶液的離子濃度根據(jù)某高鐵工程高溫、高濕、高鹽海洋環(huán)境的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行配制。為加速試驗(yàn)?zāi)M，適當(dāng)增大硫酸根離子和氯離子濃度，提高10～15倍。通過周浸試驗(yàn)和電化學(xué)阻抗譜測(cè)試[22]評(píng)價(jià)涂層在模擬海洋環(huán)境溶液中的耐腐蝕性能。

試驗(yàn)過程⑤結(jié)果綜合匯總分析見表3。

對(duì)試驗(yàn)過程⑤的綜合分析如下。

①試驗(yàn)表明9號(hào)涂層方案(熱噴涂+環(huán)氧封閉涂處理)未見明顯涂層或基材的腐蝕產(chǎn)物出現(xiàn)，但在周浸試驗(yàn)中出現(xiàn)嚴(yán)重的鼓泡現(xiàn)象。這是因?yàn)樵囼?yàn)過程中環(huán)氧涂層浸泡在溶液里的原因，而實(shí)際使用環(huán)境中，試件是暴露在潮濕的大氣液膜狀態(tài)中而不是浸泡在溶液中，鼓泡現(xiàn)象可參考常規(guī)的鹽霧試驗(yàn)進(jìn)行評(píng)估，或推薦采用附著力更好的金屬封閉涂層，因此9號(hào)試樣具有對(duì)基材保護(hù)最佳的耐腐蝕性能，建議作為推薦方案。

②相比之下2號(hào)涂層方案(熱浸鍍鋅+VCI片鋅浸涂)在該模擬環(huán)境前期具有最佳耐腐蝕性能，但在27 d后的耐蝕性能降低顯著，出現(xiàn)少量的基材腐蝕產(chǎn)物，而且電化學(xué)交流阻抗下降明顯，說明涂層對(duì)該溶液環(huán)境有衰減現(xiàn)象，建議結(jié)合長(zhǎng)期運(yùn)行監(jiān)測(cè)進(jìn)一步分析確定，可作為備選方案之一。

③3號(hào)涂層方案(熱噴涂+雙金屬浸涂處理)的耐腐蝕性能較差，原因是金屬封閉涂層受損嚴(yán)重，導(dǎo)致熱噴涂的涂層主體腐蝕白色產(chǎn)物明顯，但未見明顯基材的紅色腐蝕產(chǎn)物富集。

④4號(hào)涂層方案(熱噴涂+VCI片鋅浸涂處理)表現(xiàn)了較佳的耐腐蝕特征，具備熱噴涂和VCI技術(shù)的優(yōu)選特點(diǎn)，建議結(jié)合涂層工藝進(jìn)一步確定，可作為備選方案之一。

表3 試驗(yàn)過程⑤綜合數(shù)據(jù)匯總分析

⑤5號(hào)涂層方案(雙金屬浸涂)涂層厚度僅為其他方案的1/3，在30 d的模擬周浸試驗(yàn)后，腐蝕最為嚴(yán)重，表面覆蓋大量的紅色基材腐蝕產(chǎn)物層，不建議作為單獨(dú)的腐蝕防護(hù)措施。

⑥值得注意的是2號(hào)和4號(hào)均是引入VCI氣相緩蝕劑提高涂層的耐腐蝕性能，然而在高溫高濕高鹽大氣、大風(fēng)和日照的多因素耦合環(huán)境如隧道內(nèi)、沿海、近海、瀕海、海洋暴露環(huán)境中，并且存在嚴(yán)重的高速氣流(高速列車通過時(shí))的沖刷作用，氣相緩蝕劑的釋放速率可能較快，當(dāng)其完全釋放后，接觸網(wǎng)鋼腕臂的腐蝕速率仍會(huì)增加，建議結(jié)合長(zhǎng)期運(yùn)行監(jiān)測(cè)分析研究。

6 現(xiàn)場(chǎng)試掛和工程應(yīng)用

(1)廣深港獅子洋隧道

廣深港客專獅子洋隧道位于穿珠江入?？诘叵律疃?0 m左右，隧道全長(zhǎng)10.8 km，海鹽離子濃度和SO3濃度平均值為0.103 4 mg/(100 cm2·d)和0.369 4 mg/(100 cm2·d)，屬于典型海洋大氣環(huán)境。在隧道內(nèi)S280吊柱處試掛了1套鋼腕臂定位裝置，采用的表面防護(hù)體系設(shè)計(jì)見表4。

按表4涂覆表面防護(hù)涂層后，現(xiàn)場(chǎng)試掛安裝的獅子洋隧道S280吊柱鋼腕臂定位裝置見圖1。

(2)深茂鐵路陽(yáng)江站

深茂鐵路陽(yáng)江站DK268+000～DK273+000區(qū)段線路線位距離南海海岸線小于5 km，屬于典型的高溫、高濕、高鹽的海洋大氣環(huán)境，空氣中海鹽離子和SO3濃度平均值為0.057 17 mg/(100 cm2·d)和0.369 4 mg/(100 cm2·d)，屬?gòu)?qiáng)腐蝕性地區(qū)。采用本次研究的鋼腕臂定位裝置表面防護(hù)成果，該區(qū)段應(yīng)用的表面防護(hù)體系的工程設(shè)計(jì)方案見表5。

表4 廣深港獅子洋隧道S280吊柱的接觸網(wǎng)鋼腕臂定位裝置表面防護(hù)體系設(shè)計(jì)

圖1 典型海洋環(huán)境獅子洋隧道試掛的接觸網(wǎng)鋼腕臂定位裝置

利用表5完成的接觸網(wǎng)腕臂懸掛系統(tǒng)在2017年10月開始在陽(yáng)江站試掛應(yīng)用，并通過了2018年4月10日中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)廣州供電段的靜態(tài)驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)了提升該臨海高鐵強(qiáng)腐蝕性地區(qū)接觸網(wǎng)腕臂系統(tǒng)的安全性和可靠性的目標(biāo)，在長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中積累腐蝕情況數(shù)據(jù)，具有示范效應(yīng)和推廣價(jià)值。

表5 深茂鐵路陽(yáng)江站接觸網(wǎng)鋼腕臂定位裝置表面防護(hù)體系工程設(shè)計(jì)方案

按表5涂覆表面防護(hù)涂層后的深茂鐵路陽(yáng)江站鋼腕臂定位裝置安裝見圖2。

圖2 典型海洋環(huán)境深茂鐵路陽(yáng)江站應(yīng)用的接觸網(wǎng)鋼腕臂定位裝置

7 結(jié)語(yǔ)

接觸網(wǎng)鋼腕臂定位裝置長(zhǎng)效防護(hù)處理指導(dǎo)工藝為熱噴涂層+環(huán)氧封閉層組合的復(fù)合涂層體系方案。該方案在試驗(yàn)結(jié)果中表現(xiàn)優(yōu)良，并且可以滿足現(xiàn)場(chǎng)在線修復(fù)要求。

所有接觸網(wǎng)鋼腕臂組件均采取熱噴涂涂層作為防護(hù)的基礎(chǔ)層。熱噴涂層覆蓋除工藝死角和管壁內(nèi)表面的所有外表面。

管件類外壁及精細(xì)零部件涂層體系采用高鋁鋅熱噴涂涂層+雙金屬環(huán)氧封閉涂層。有內(nèi)壁需要防護(hù)的管件，管件內(nèi)壁采取灌涂環(huán)氧涂料。