鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌防腐技術(shù)研究

張峰

【摘?要】越來(lái)越多的城市軌道交通采用鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌供電，但在青島、深圳等沿海城市，鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌處于近海洋環(huán)境中，鹽霧成為金屬銹蝕的最主要原因，會(huì)大大影響鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌的運(yùn)行性能和使用壽命，解決在海洋環(huán)境中鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌的防腐問(wèn)題，就成了當(dāng)務(wù)之急。本文重點(diǎn)對(duì)剛鋁復(fù)合導(dǎo)電軌防腐涂料的選用、鋁合金軌體及附件防腐措施以及防腐后復(fù)合導(dǎo)電軌溫升的影響等方面進(jìn)行了闡述。

【關(guān)鍵詞】剛鋁復(fù)合導(dǎo)電軌;防腐涂料;技術(shù)方案;鹽霧試驗(yàn);溫升分析計(jì)算

一、前言

越來(lái)越多的城市軌道交通采用鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌供電，其優(yōu)點(diǎn)是傳輸電流大、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)，綜合經(jīng)濟(jì)性好、運(yùn)行維護(hù)簡(jiǎn)單、不影響沿線景觀等等。但在青島、深圳等沿海城市，鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌處于近海洋環(huán)境中，鹽霧成為金屬銹蝕的最主要原因，會(huì)大大影響鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌的運(yùn)行性能和縮短使用壽命。按照ISO12944國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境分類，青島地鐵R3線所處環(huán)境為C-4類，屬于中等鹽霧度的沿海地區(qū)，采用具有防腐性能的鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌就顯得尤為必要。在北京、武漢等非沿海城市鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌只要磨耗小于0.05mm/70萬(wàn)次，壽命可達(dá)30年甚至60年。但在C-4類海洋環(huán)境中，采用1Cr17不銹鋼的鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌經(jīng)過(guò)50g/L氯化鈉鹽霧試驗(yàn)（按《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》GB/T 10125-2012規(guī)定）120小時(shí)鋼面和鋁合金軌體就已經(jīng)腐蝕，1000小時(shí)的鹽霧試驗(yàn)后鋁合金軌體腐蝕超過(guò)了30%。試驗(yàn)表明，這種鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌在海洋C-4環(huán)境中的使用壽命將大大縮短，因而解決在海洋環(huán)境中使用鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌的防腐問(wèn)題，就成了當(dāng)務(wù)之急。防腐鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌研究的目標(biāo)就是要保證其在海洋環(huán)境下使用壽命達(dá)到60年。

二、涂料防腐機(jī)理

金屬腐蝕可以分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕是金屬與環(huán)境介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)作用而產(chǎn)生的損壞，在腐蝕的過(guò)程中沒(méi)有電流生成。電化學(xué)腐蝕是具有不同電極電位的兩種金屬（點(diǎn)）直接接觸連通，加之有電解質(zhì)居于二者之間形成腐蝕原電池閉合回路，而產(chǎn)生的腐蝕，在腐蝕的過(guò)程中有電流產(chǎn)生。防止電化學(xué)腐蝕的措施，對(duì)于鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌就是要阻斷二者之間的電解質(zhì)的連接。

防腐涂料層可以阻隔酸、堿、鹽與被涂物體的接觸，從而防止被涂金屬的銹蝕。防腐涂料的底漆與被涂金屬表面粘著性好，例如中航材料院的環(huán)氧改性涂料，用于國(guó)產(chǎn)飛機(jī)，在強(qiáng)大的氣流擾動(dòng)力作用下，涂層毫無(wú)剝離。鋼鋁復(fù)合軌使用過(guò)程中僅有輕微的振動(dòng)，加速度小于0.3g，這比飛機(jī)振動(dòng)加速度3～5g就要小10倍，所以采用中航材料院的環(huán)氧改性涂料，可以保證涂層長(zhǎng)久的粘著性，在預(yù)期壽命周期內(nèi)涂層不會(huì)剝離。

在防腐涂料的底漆中加金屬鋅粉末，可起陰極保護(hù)作用，這也是繼涂層阻隔作用外的又一層保護(hù)重要作用。無(wú)機(jī)硅酸鋅底漆是一種無(wú)機(jī)富鋅涂料，可與面漆配合使用，也可作為單涂層防護(hù)材料。超硬耐磨、施工方便、不龜裂、能抵御惡劣海洋環(huán)境的侵蝕，適用于船體、海洋平臺(tái)等C-4或C-5，M等高鹽度海洋環(huán)境。該涂層符合SSPC（美國(guó)鋼結(jié)構(gòu)涂裝協(xié)會(huì)）和NACE（美國(guó)國(guó)家腐蝕工程師協(xié)會(huì)）的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在5000小時(shí)的鹽霧試驗(yàn)、4000小時(shí)的耐老化試驗(yàn)等多項(xiàng)嚴(yán)酷試驗(yàn)后保持了優(yōu)異的性能。

FEVE樹(shù)脂在氟烯烴的基礎(chǔ)上引進(jìn)了溶解性官能團(tuán)、附著性官能團(tuán)、交聯(lián)固化官能團(tuán)、促進(jìn)流變性官能團(tuán)，秉承了氟樹(shù)脂所有的優(yōu)良品質(zhì)，使得氟碳涂料的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大到了塑料、玻璃鋼等不耐高溫的材料上，尤其適合超長(zhǎng)鋁合金軌體的防腐處理。基于FEVE樹(shù)脂開(kāi)發(fā)的828氟碳涂料是一種雙組分涂料，施工方便，具有超長(zhǎng)的戶外耐候性、保光性、保色性和耐污染性，漆膜堅(jiān)韌、耐磨損、耐碰撞，耐候性更好，可經(jīng)受人工加速老化6000小時(shí)，耐鹽霧試驗(yàn)4700小時(shí)，可以噴涂、輥涂，使用方便，其與環(huán)氧底漆或無(wú)機(jī)硅酸鋅底漆相容性好，附著力強(qiáng)，各項(xiàng)性能指標(biāo)超過(guò)GB5237.5-2008國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。在828氟碳涂料基礎(chǔ)上的改性，則是在其乳液中添加金屬鋁粉，其抗老化性能有很大提高，具有超長(zhǎng)耐久性，其壽命可達(dá)60年至80年。

三、技術(shù)方案

鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌本體由不銹鋼受流面層和鋁合金軌體兩部分和相關(guān)配件組成。防腐鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌的技術(shù)難點(diǎn)在于鋁合金軌體的防腐。

1、不銹鋼材質(zhì)及相關(guān)配件的防腐

試驗(yàn)表明，通常不銹鋼受流面采用的1Cr17不銹鋼耐腐蝕性能較差。國(guó)內(nèi)外大量實(shí)例證明，00Cr17Ni14Mo2不銹鋼可耐受4000小時(shí)50g/L氯化鈉鹽霧試驗(yàn)，有優(yōu)良的耐腐蝕性能。不銹鋼受流面層采用00Cr17Ni14Mo2鋼，在C-4海洋環(huán)境中壽命可達(dá)60年的要求。鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌附件中，膨脹接頭中的銅材料零部件采取鍍錫工藝可有效延長(zhǎng)壽命;緊固標(biāo)準(zhǔn)件一律采用00Cr17Ni14Mo2不銹鋼材料制造;電纜連接板的鍍銅過(guò)渡段再鍍錫;魚(yú)尾板和錨結(jié)接頭的防腐采用與鋁合金軌體相同的防腐措施;鋼鋁復(fù)合軌的絕緣支架與罩殼也采取耐老化的防腐涂層。

2、鋁合金軌體的防腐

鋁合金軌體通常通過(guò)陽(yáng)極化處理在表面形成一層具有一定防腐性能的氧化鋁防銹層，但這種防銹層存在兩個(gè)問(wèn)題：

1）氧化鋁防銹層的導(dǎo)電率很低，經(jīng)過(guò)陽(yáng)極化處理的鋁合金軌體與不銹鋼復(fù)合后，鋼鋁之間接觸電阻明顯增大，鋁合金軌體中間的電流難以通過(guò)不銹鋼表面?zhèn)鹘o電力機(jī)車的受流器，不利于鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌導(dǎo)電;

2）如果軌頂面層不銹鋼與鋁合金軌體先復(fù)合后，再陽(yáng)極化處理，則酸液容易殘留在夾層里，反而增加了腐蝕，也是不可行的。

對(duì)鋁合金軌體防腐涂層的選擇要從兩方面考慮：（1）要有優(yōu)良的防腐性能，又具有長(zhǎng)期穩(wěn)定的耐老化性能。例如，通常采用的聚氨酯類和環(huán)氧類涂料防腐性能很好，但耐老化性能不足，它們的壽命只能在15年以內(nèi)，滿足不了運(yùn)用要求;（2）要能實(shí)現(xiàn)15m/根鋼鋁復(fù)合軌的批量生產(chǎn)的工藝要求。例如，采用高溫固化的四氟類或PVDF氟碳涂料綜合物理性能特好，但整個(gè)涂敷工藝比較復(fù)雜。

經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，剛鋁復(fù)合導(dǎo)電軌采用如下防腐方案：

（1）鋁合金軌體的防腐涂料底漆采用環(huán)氧類改性涂層，面漆采用FEVE類828氟碳涂料;端部彎頭是鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌軌體的延伸產(chǎn)品，也采用同樣的處理方案。

（2）鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌的所有附件普通接頭、錨結(jié)接頭、膨脹接頭等均需做防腐處理，鋁合金材料噴涂環(huán)氧富鋅底漆后再噴涂FEVE氟碳涂料，銅件鍍錫，緊固件采用00Cr17Ni14Mo2不銹鋼。

（3）玻璃鋼制作的絕緣支架和罩殼也噴涂氟碳涂料。

（4）在地鐵現(xiàn)場(chǎng)安裝后的防腐處理：在各附件與鋼鋁復(fù)合軌的結(jié)合處和普通接頭的魚(yú)尾板周圍噴涂氟碳涂料，接縫處密封處理，防止普通接頭和各附件交接處的腐蝕往接縫深處滲透，使鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌供電系統(tǒng)處于完全的防腐保護(hù)之中。

該方案采用氟碳涂料的原因是其耐高溫特性，因?yàn)殇撲X復(fù)合軌在連續(xù)通過(guò)3000A或4000A電流時(shí)有30～45℃的溫升，軌溫達(dá)85℃，而氟碳涂料可耐+230℃高溫。

四、防腐性能試驗(yàn)

防腐鋼鋁復(fù)合軌樣品送鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心接觸網(wǎng)零部件檢驗(yàn)站按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》GB/T 10125-2012進(jìn)行檢測(cè)。分別對(duì)120小時(shí)、360小時(shí)、500小時(shí)及1000小時(shí)樣品取出進(jìn)行試樣對(duì)比。

鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心接觸網(wǎng)零部件檢驗(yàn)站的試驗(yàn)報(bào)告（2013JCW字第W-1107號(hào)）指出，對(duì)比樣品在經(jīng)過(guò)1000小時(shí)50g/L，35℃環(huán)境鹽霧試驗(yàn)，未經(jīng)防腐處理的樣品“鋁面有30%面積出現(xiàn)腐蝕”，有防腐涂料的樣品“未見(jiàn)明顯腐蝕痕跡;涂顏色變淡”。

鹽霧試驗(yàn)結(jié)果表明，剛鋁復(fù)合導(dǎo)電軌的防腐涂料選配、組分匹配及防腐涂層涂敷固化等處理工藝，效果良好，使用壽命可以預(yù)期達(dá)到60年。

五、防腐鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌的溫升分析

防腐鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌的鋁合金表面的防腐涂料會(huì)消除鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌的熱輻射作用，本文的計(jì)算和分析表明噴涂防腐涂料對(duì)防腐鋼鋁復(fù)合軌溫升的影響很小，而影響最大的是防腐鋼鋁復(fù)合軌所處環(huán)境的風(fēng)速（高架上的溫升比隧道中小得多）。

無(wú)防腐涂層的鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌在青島R3線下述條件下的溫升作如下計(jì)算：

條件：電流I=3000A，4小時(shí)內(nèi)溫升后達(dá)溫度平衡。Z=4小時(shí)

鋁軌截面積F1=3915mm2=0.003915 m2

鋁軌重量M=10.57kg/m×15m=158.55kg

鋁軌總電阻R=8.4μΩ/m×15m=126μΩ

基準(zhǔn)溫度t1=20℃

由試驗(yàn)得知溫升后的平衡溫度t2=42℃

鋁軌有效散熱周長(zhǎng)401mm，鋁軌長(zhǎng)度δ=15m

鋁軌散熱面積F=0.401×15m=6.015 m2

1、電熱：由持續(xù)電流通過(guò)鋁軌而產(chǎn)生的熱能Q1

Q1=0.24?I2?RZ

=0.24×30002×126×10-6×4×3600=3919KC

2、熱導(dǎo)：由鋁軌向二端傳導(dǎo)的熱能Q2

Q2=λF1Z（t2- t1）/δ

=200×0.003915×4×60×（42-20）/15=276KC

3、散熱：通過(guò)與鋁軌表面空氣對(duì)流帶走的熱能Q3

Q3=FZ（t2- t1）X

=6.015×4×（42-20）×（5+4×0.1）=2858 KC

上式中X為風(fēng)速系數(shù)X=5+4W，隧道中為零級(jí)風(fēng)，W=0.1m/s

4、熱輻射：由鋁軌外表面向外輻射的熱能Q4

Q4=C1F[（T01/100）4-（T02/100）4]

上式中鋁合金的熱輻射系數(shù)為C1，C1=1.0

絕對(duì)溫度零度的絕對(duì)值為273

5、吸熱：鋁軌本身吸收的熱能Q5

Q5=CM（t2- t1）

=0.23×158.55×（42-20）=802KC

上式中鋁合金的吸能系數(shù)為C，C=0.23

6、被消耗的總熱能Q6

Q6= Q2+ Q3+ Q4+ Q5

=276+2858+149+802=4085KC

由上述計(jì)算進(jìn)一步分析可看出三點(diǎn)：

防腐涂料會(huì)使鋼鋁復(fù)合軌的熱輻射作用消失，Q4沒(méi)被消耗掉。但Q4/Q6=149/4085=3.65%，熱輻射能量與被消耗的總熱能之比很小，反之說(shuō)明防腐涂料最多能僅使溫升增加3.7%，溫升K值增加0.8℃，影響很小。

被消耗的總熱能Q6與電熱Q1接近，Q6≥Q1，4085KC略大于3919KC，說(shuō)明在溫升22℃后，鋼鋁復(fù)合軌的溫度在42℃處于平衡狀態(tài)。在環(huán)境溫度達(dá)+40℃時(shí)鋼鋁復(fù)合軌的溫度不會(huì)超過(guò)62℃，噴涂防府涂料后也不會(huì)超過(guò)63℃。對(duì)于青島R3線而言，夏天鋼鋁復(fù)合軌不會(huì)超過(guò)58℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（CJ/T414-2012）所要求的+85℃。

散熱能量Q3在被消耗的總熱能Q6中比重最大，Q3/Q6=2858/4085=70%，而Q3又受風(fēng)速W影響很大，在青島R3線的高架上，平均有4級(jí)風(fēng)，風(fēng)速W=6.5m/s，此時(shí)溫升K值為：

上式說(shuō)明在高架上有風(fēng)時(shí)溫升很小，4級(jí)風(fēng)時(shí)溫升K值小于4℃。

結(jié)論：在青島R3線鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌噴涂防腐涂料對(duì)溫升的影響很小，高架上的風(fēng)會(huì)使鋼鋁復(fù)合軌的溫升大大降低。

六、應(yīng)用前景及社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益

防腐鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)滿足了我國(guó)城市軌道交通發(fā)展的需求，也擴(kuò)大了企業(yè)的產(chǎn)品范圍。鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌的防腐技術(shù)，能夠減少更換維修次數(shù)，增強(qiáng)安全使用性能，在國(guó)家礦產(chǎn)資源緊張的情況下，更有效節(jié)約原材料鋁合金軌體的使用及浪費(fèi)，降低城市軌道交通運(yùn)用工程中的維護(hù)成本。按全國(guó)7個(gè)沿海城市將建設(shè)城市軌道交通，若每個(gè)城市有3條線路處于C-4海洋環(huán)境中、每條線路采用70公里防腐鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌計(jì)算，約需投入15億元，若采用無(wú)防腐的普通鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌，在今后60年中將更換3次，需要增加總投入45億元。防腐鋼鋁復(fù)合導(dǎo)電軌的生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程無(wú)污染物產(chǎn)生，對(duì)生態(tài)環(huán)境不存在危害，符合環(huán)保要求。對(duì)我國(guó)城市軌道交通行業(yè)將會(huì)產(chǎn)生巨大的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

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（作者單位：中鐵二十三局集團(tuán)有限公司）