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如何让高铁“百腐不侵”?

2018-04-19 13:21:41
作者:张三平
来源:武汉材料保护研究所有限公司

高铁动车在不同的环境下运行,材料的腐蚀是综合因素作用的结果,高铁的固定设施在某些特殊环境下同样遭受了严重的腐蚀。在南方某隧道常年高温高湿,局部相对湿度长期高于 95%,高铁轨道、扣件及电缆支架运行 6年后腐蚀非常严重。紧固件已锈蚀的很难拆卸,对高铁动车的安全运行产生了严重影响。

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张三平 武汉材料保护研究所有限公司副总工程师

 

    在交通运输中,从单位运量的能源消耗对环境资源的负面效应以及运营安全、高效等多方面综合分析,铁路运输优势最为明显。公路、铁路、航空运输比较,在大宗货物长途运输上,成本最低的是铁路运输。进入 21 世纪,随着社会经济与科学技术的快速发展,世界发达国家与新兴经济体国家重新审视和调整运输政策,逐步规划和发展高速铁路。近十年来,在我国社会、经济、科技快速发展中,高铁是一张亮丽的名片,据统计,截止 2017 年底我国高铁里程已突破 2.5 万 km,占世界高铁总量的 66.3%,高速动车组保有量达到 2100 多组,每天开行 4500 多列。快速的交通运输就像一根根有力的供血动 脉,促进着国民经济和社会的健康发展。


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图1 跨越国土的五纵五横

 

    高速铁路是一个精细化、可靠性要求极高的系统,集成了多学科的高端技术。由于高铁运营的特点,动车车体材料要求轻质高强,因此大量采用先进的不锈钢和铝合金材料,在特殊部位如车头更采用高强的复合材料;转向架的构架是特别重要的高强度部件,需满足耐磨损、易检修等要求,多采用优质碳素钢、低合金低碳高强度钢、耐候钢制造。接触网导线材料需要保证接触网导线与受电弓滑板之间在高速运行时具有良好的受流性能,因此要求它的使用材料必须可靠安全。无砟轨道系统,是由长钢轨、扣件系统、轨道板、水泥沥青砂浆、混凝土底座及凸形挡台组成的一种新型轨道结构。高铁铁轨所用到的高分子减振、降噪材料多达十几种,如聚氨酯、碳纤维复合材料、热塑性弹性体、聚氯乙烯、硅橡胶、环氧树脂、丁基橡胶、丁苯橡胶、三元乙丙胶等;高速运行的车体同样需用大量的阻尼减震材料,如车窗需要用性能优异的结构胶和密封胶与车体进行连接。京津高铁建设中使用聚脲材料超过 2000t,铺设防护面积达95 万 m 2 。京沪高速铁路全长 1318km,需要聚脲弹性体涂层 2 万 t、脂肪族 PU面层涂料 868t、PU 防水涂料 6707t。高铁快速发展过程中,大批高性能材料与新型材料集成应用构成其研发与运营的基础。高铁的建设凝聚了我国六大中央企业、25 所大学、11 个研究院所、51个国家重点实验室和国家工程中心的科技资源,数万名科技人员组成了一支“科研国家队”,使基础研发到产业化生产的时间缩短了几十年,促进了我国高端材料科学的迅速发展。


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图2 轨道及扣件腐蚀 

 

    我国是世界上少有的具有气候多样性的国家之一,气候区域从寒温带(漠河)一直到赤道热带(南沙),还包括特有的青藏高原气候大区。高速发展的高铁系统,纵贯南北,横跨东西,覆盖了我国主要的气候带。最北的哈齐高铁建在中温带,最南端海南环岛高铁运行在边缘热带,最西计划建设乌鲁木齐--喀什高铁将穿越暖温带沙漠,在青藏高原东边有西宁—格尔木段高铁。东南沿海从北向南重要城市均贯穿高铁,跨越了暖温带、北亚热带、中亚热带、南亚热带。我国高铁系统运行在多种气候环境下,材料会受到海洋大气、城市大气、工业污染大气、沙漠大气、高原大气环境的湿热、低温、强紫外线、海盐离子及工业污染物及一些特殊地段环境因素的腐蚀、老化破坏作用。由于多种环境因素的叠加强化效应会使这种破坏作用呈指数性的加大。下面的一些高铁材料的腐蚀案例,虽仅是极少部分的代表,但业已反映出腐蚀存在的严重性。


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图3 扣件腐蚀严重 

 

    高铁动车在不同的环境下运行,材料的腐蚀是综合因素作用的结果,高铁的固定设施在某些特殊环境下同样遭受了严重的腐蚀。在南方某隧道常年高温高湿,局部相对湿度长期高于 95%,高铁轨道、扣件及电缆支架运行 6 年后腐蚀非常严重。紧固件已锈蚀的很难拆卸,对高铁动车的安全运行产生了严重影响。


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图4 电缆支架腐蚀(白锈)

 

    车体材料由于部位不同腐蚀差异很大,在门框部位的结构件和靠近洗手间区域(包括上下水部位)的铝合金材料腐蚀较快;车窗的外表面粘接胶老化产生裂纹;有些部位由于隔绝材料的损坏存在电偶(不锈钢与铝合金)腐蚀倾向。


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    为保证高铁系统可靠安全运行,进行科学的维护管理,对使用的各类材料都要进行大量的性能检测,包括功能性检测、可靠性检测、环境适应性检测,进而对材料的使用性能和使用寿命进行科学的评估。在这些检测中,将材料在使用(或模拟使用)环境中进行性能测试是一个不可或缺的重要方法。通过环境试验可了解不同材料在不同环境下的腐蚀老化性能,为高铁系统材料的使用以及系统的管理维修提供数据保障。


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    针对某型号动车的几种材料开展了在我国典型环境下的腐蚀老化试验研究,发现了许多不被重视的现象。车顶高压电缆接线端子材料采用紫铜镀锡,在我国漠河低温环境进行暴露试验一年时间,镀锡层大部分脱落;在沈阳工业环境暴露两年也出现了少量的镀锡层脱落;在其他试验站如万宁(高温、高湿、高海盐离子环境)试验站两年暴露后虽腐蚀(大量白锈)较严重,但没有产生镀层脱落。在低温下,白锡转化为灰锡(镀锡层产生崩碎成粉末)的现象称为锡疫。常见的金属锡是白锡(β 锡),在低于 13.2℃开始转变为它的同素异形体灰锡(α 锡), 但转变速度很慢,当温度冷到- 30 ~- 40℃才达到最大的转变速度。在漠河冬季最低温度可达零下 40℃,在沈阳冬季最低温度也可达零下 30℃,因此锡疫在这两处的冬季可较快的发展。锡疫产生后镀锡层就会较快速的分化崩脱,一方面影响其保护性能,另外由于脱落的粉末也可对接线端子的导电性产生影响。动车天南地北的运行,因此通过试验证实这种工艺不可取,应采取其他的防护措施,保护铜不被氧化。


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    动车车厢材料主要采用铝合金材料,许多部位也使用不锈钢材料,铝合金焊接对于腐蚀的影响较小,而不锈钢焊接件如不经严格的工艺控制或采用良好的防护措施,在沿其焊缝边缘极易产生贫铬区的晶间腐蚀。图 12、图 13 按实际制造工艺制作的不锈钢焊接件试样,在万宁暴晒一年,就产生了明显的沿焊缝的腐蚀。


    高分子材料橡胶、粘接胶在高铁系统中大量使用,这类材料受气候环境的老化作用也会给动车运行的安全性产生影响。为此进行环境试验,了解高分子材料的抗老化性能。将粘接胶制成片状试样进行曝晒试验,聚氨酯胶经一年的曝晒出现明显的裂纹。在万宁一年的时间曝晒,最大裂纹深度达 23 微米,这种裂纹破坏形式与运行 240 万公里的侧窗密封胶基本相同,但后者深度更大。


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图14 粘粘胶曝晒后的表面微观形貌(万宁1年)

 

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图15 橡胶片试样曝晒后外观(万宁2年)

 

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图16 动车运行时的泥沙(空气流动方向的)沾污

 

    由于粘接胶老化,抗拉强度、断裂伸长率、附着力均明显下降。经万宁试验站2 年曝晒,橡胶试样的抗拉强度下降了11%。


    有机涂层是动车车厢的主要防护材料,车体外表面的涂层除受到各类环境气候因素的腐蚀(老化)作用外,还收到泥沙的冲刷腐蚀,在西北的沙漠地区还要抵抗大风沙天气时的沙砾的冲刷磨蚀。


    高铁系统是一个庞大而又复杂的体系,包括运动的动车系统和固定的设施(轨道系统、电力系统、通讯系统等),要保持全系统的高效、安全运行,材料的安全服役是一个重要保证,因此科学的利用好现有的保护和维护技术,将有效的提高运行效率,降低运营成本。材料的环境适应性以及腐蚀防护从设计开始,在材料的选用上要根据具体环境因素和条件加以区别对待,通过系统的环境适用性试验研究,充分了解各类材料的使役性能,为进行(包括大修期的)精准设计提供技术支撑。


    动车运行在多种大气环境下,虽会考虑全区域不同环境的耐蚀性要求进行材料设计,但对于一些腐蚀严酷的环境中长期运行的动车,要科学的提高易腐蚀部位设备、结构材料的防腐蚀等级,如在离海岸线距离小于1 km 的海洋环境、高温高湿环境,动车防腐蚀等级应加大。在低温环境运行,要考虑材料的抗低温性能;在西部沙漠环境运行的动车车体外表面涂层,要求具有较高的抗风沙冲蚀性能,在选材阶段,对涂层进行抗石击的性能测试。另外对于车体内部的一些特殊易腐蚀部位,进行防腐蚀等级分类,提高易腐蚀部位的防腐蚀措施等级。对于固定的高铁设施,在一些服役的特殊地段,如靠近近海岸区域、在南方高温高湿的隧道等环境,要相应提高轨道扣件、紧固件、电气设施等材料的防腐蚀等级,环境腐蚀参照标准腐蚀等级 5 级或以上的要求进行防腐蚀设计或材料选用。


    除合理的材料选用设计,科学的维护管理对于高铁的安全高效运行同样是不可或缺的重要保障。据了解粘接胶的大修周期,就是一个很难确定的数据,各国都在大力研究,即使是国内外供应商也提不出准确的科学依据。大修工程量巨大,如何科学的把握更换时间,对于高铁动车安全运行以及提高效能都是举足轻重的大事,因此要加大各类高分子材料,特别是粘接胶材料的环境适应性的基础研究,确定大修更换周期。加强高铁运行材料服役性能的动态监测管理,为维护、大修提供数据支撑。每一种型号的动车均需要进行长时间的实车运行试验,如某型号动车在海南岛环岛进行一年的运行试验,发现了大量的腐蚀问题。实车运行试验时,为检测各系统的性能参数,使用了上千个各种探头。加强高铁运行材料使役性能的适时在线捡监测研究,可使高铁系统的材料服役的性能和科学管理得到明显的提升。我国高铁技术已处于国际领跑地位,但对于材料服役性能的研究,如何进一步提高材料防腐蚀、抗老化的性能,还有许多问题值得系统的科学研究。


    ●  人物简介

 

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    张三平,研究员,武汉材料保护研究所有限公司副总工程师,特种表面保护材料及应用技术国家重点实验室副主任,中国腐蚀与防护学会副理事长,中国建筑构件材料环境条件及环境试验标准化技术委员会副主任委员,湖北省腐蚀与防护学会秘书长,《中国腐蚀与防护学报》、《材料保护》、《装备环境工程》杂志编委。长期从事腐蚀与防护研究,研究领域包括环境腐蚀、金属表面涂层及其改性、工程防腐蚀设计、腐蚀试验标准制定、腐蚀失效分析。主持完成国家、省部级项目十余项,获国家科技进步二等奖2项、省部级奖3项。发表论文 100 余篇。培养研究生 30 余名。2005 年获国务院特殊专家津贴,2013 年度武汉市先进科技工作者。

标签: 张三平, 高铁, 腐蚀, 腐蚀防护

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