石瑞霞

(中铁第四勘察设计院集团有限公司,武汉 430063)

1 概述

目前，电气化铁路接触网系统中，我国采用的接触网钢腕臂组件表面防护大都是按照部颁标准《电气化铁路接触网零部件》(TB /T 2075.1～23—2010)采用了3个不同等级的热浸镀锌防腐处理[1]。实际使用后发现，接触网钢腕臂组件采取单一的热浸镀锌防腐措施难以满足当今环境腐蚀保护要求，如广深港高铁和海南东环高铁，自正式投入使用7年后对接触网腐蚀状况调查发现，一些地方如狮子洋隧道及海南东环高铁接触网钢腕臂[2-3]都已出现了严重的腐蚀。于是提出在热浸镀锌层的表面再施加一层有机涂层的方案，但普遍存在油漆涂层和热浸镀锌层之间结合不好，油漆涂层容易脱落等现象，防腐效果并不理想；后又有人提出用达克罗技术取代热浸镀锌，效果也不理想[4]。而且这些表面处理工艺还都存在废水排放的问题，对生态环境造成了严重的危害[5]。以热浸锌工艺为例，热浸锌工艺过程中会产生大量的酸性废液，排放困难，处理成本高，且期间需要长期维持锌槽温度在470 ℃以上[6]，耗能大且势必产生一定污染。为了保证轨道交通的安全运行，需要提出一种具有15年以上在役寿命的钢腕臂定位装置表面防护涂层体系，以应用于我国高温、高湿、高盐环境下的高铁接触网中。

2 钢质零部件表面防护方案研究

英国标准协会在其《钢铁结构腐蚀防护手册》中特别强调，就油漆、热浸和热喷涂3种防护方法而言，只有金属喷涂才能在各类环境条件，尤其是在海水全浸和飞溅条件下，可为钢铁结构提供20年以上的有效防护寿命[7]；美国焊接学会和美国腐蚀学会联合进行的一项长达19年的海水和盐雾大气腐蚀试验的调查结果也表明，热喷涂锌、铝及其合金涂层在海水和海洋盐雾大气腐蚀环境条件下可保护钢铁构件19年不发生腐蚀[8]。

美国腐蚀学会和美国海军推荐使用的Zn-50Al高铝锌合金涂层，较常规的Zn-15Al合金涂层具有更好的抗近海地区严酷的海洋环境和工业大气的腐蚀[9]，同等的涂层厚度具有更长的保护年限[10-14]。

钢结构热喷涂长效防腐技术在应用时一般采用喷涂层+封闭层形成复合涂层，封闭层可对热喷涂层进行有效封孔作用并且兼具一定装饰作用。同时二者形成的复合涂层效果远超过单一涂层效果[13]。

3 接触网钢腕臂表面防护涂层体系方案设计

结合钢结构件长效防腐工作经验，针对高温、高湿、高盐的复杂腐蚀环境，涂层体系方案设计以热喷涂长效防腐复合涂层为主，引入最新浸涂工艺、喷涂工艺，采用盐雾加速腐蚀试验方法[15]和模拟海洋环境加速试验方法，进行对比试验，对制备试件的相应涂层体系进行对比评价。为使管件内壁得到有效保护，对于管件内壁采用灌涂工艺，灌涂改进型环氧涂料为内壁提供防护保护。接触网钢腕臂定位装置表面防护涂层体系方案设计如表1所示。

表1 接触网钢腕臂表面防护涂层体系方案设计

4 涂层体系试验方案及试验过程

(1)试验方案

试验试件采用真实的接触网零部件，组装试件有焊接后的弯型平腕臂管、斜腕臂、腕臂套管、定位管、定位环、定位支座、承力索座。对比试件有定位管、定位支座、承力索座、焊接后的弯型平腕臂管。

(2)试验过程

①进行试样涂层厚度检测。②零部件疲劳试验：表面防护处理后零部件的疲劳试验。③组装试件综合试验：涂层振动试验—盐雾试验(500 h)—涂层振动试验。④定位支座的滑移试验，测试定位支座的静态摩擦系数。⑤模拟海洋环境加速试验。

5 试验验证分析及综合数据汇总

试验过程①～④步验证分析表明：

(1)振动、疲劳试验是机械物理式试验，主要检测涂层的耐久性和抗疲劳性，所有试样均通过检测[19-20]。通过试验结果可知，试样在振动和疲劳试验中涂层表面均完好，无脱落和损坏，并且通过划格试验，涂层与基体间依然有良好的结合强度，仅个别体系方案在局部活动连接处存在轻微磨损。

(2)盐雾试验是在试件振动和疲劳试验完毕后进行的，通过此试验检验涂层的耐腐蚀性能。试验过程中所有试件基体均未出现锈蚀，仅有部分试件出现了轻微锈蚀，锈蚀发生部位为疲劳、振动试验磨损区域。所有试样分别进行100，300，500 h盐雾试验，其中有部分试样在经过500 h盐雾腐蚀试验后，VCI片锌浸涂、双金属浸涂、纳米渗锌等3种方案基材发生明显锈蚀，热浸镀锌+VCI片锌浸涂1种发生轻微点蚀。另外，热喷涂+双金属浸涂、热喷涂+VCI片锌浸涂、热喷涂+环氧封闭等3种方案未见锈蚀。

(3)复合涂层的强度、盐雾试验结果等指标远高于单一双金属涂层，双金属涂层的耐腐蚀性能优于环氧漆膜封闭。

(4)试验过程①～④综合数据汇总见表2。

表2 试验过程①～④综合数据汇总分析

(5)试验过程⑤。

为了进一步评价不同涂层体系在模拟高温高湿高盐海洋环境中的耐腐蚀性能，参照《金属和合金的腐蚀盐溶液周浸试验》(GB/T 19746—2005)标准的周浸试验[21]，通过干湿交变、温度交变等试验方法模拟狮子洋海洋环境条件的加速腐蚀试验进行对比。从试验过程①～④筛选出的涂层体系2、3、4、5、9号样件继续完成试验过程⑤，即模拟海洋环境加速试验。周浸试验溶液的离子浓度根据某高铁工程高温、高湿、高盐海洋环境的实测数据进行配制。为加速试验模拟，适当增大硫酸根离子和氯离子浓度，提高10～15倍。通过周浸试验和电化学阻抗谱测试[22]评价涂层在模拟海洋环境溶液中的耐腐蚀性能。

试验过程⑤结果综合汇总分析见表3。

对试验过程⑤的综合分析如下。

①试验表明9号涂层方案(热喷涂+环氧封闭涂处理)未见明显涂层或基材的腐蚀产物出现，但在周浸试验中出现严重的鼓泡现象。这是因为试验过程中环氧涂层浸泡在溶液里的原因，而实际使用环境中，试件是暴露在潮湿的大气液膜状态中而不是浸泡在溶液中，鼓泡现象可参考常规的盐雾试验进行评估，或推荐采用附着力更好的金属封闭涂层，因此9号试样具有对基材保护最佳的耐腐蚀性能，建议作为推荐方案。

②相比之下2号涂层方案(热浸镀锌+VCI片锌浸涂)在该模拟环境前期具有最佳耐腐蚀性能，但在27 d后的耐蚀性能降低显著，出现少量的基材腐蚀产物，而且电化学交流阻抗下降明显，说明涂层对该溶液环境有衰减现象，建议结合长期运行监测进一步分析确定，可作为备选方案之一。

③3号涂层方案(热喷涂+双金属浸涂处理)的耐腐蚀性能较差，原因是金属封闭涂层受损严重，导致热喷涂的涂层主体腐蚀白色产物明显，但未见明显基材的红色腐蚀产物富集。

④4号涂层方案(热喷涂+VCI片锌浸涂处理)表现了较佳的耐腐蚀特征，具备热喷涂和VCI技术的优选特点，建议结合涂层工艺进一步确定，可作为备选方案之一。

表3 试验过程⑤综合数据汇总分析

⑤5号涂层方案(双金属浸涂)涂层厚度仅为其他方案的1/3，在30 d的模拟周浸试验后，腐蚀最为严重，表面覆盖大量的红色基材腐蚀产物层，不建议作为单独的腐蚀防护措施。

⑥值得注意的是2号和4号均是引入VCI气相缓蚀剂提高涂层的耐腐蚀性能，然而在高温高湿高盐大气、大风和日照的多因素耦合环境如隧道内、沿海、近海、濒海、海洋暴露环境中，并且存在严重的高速气流(高速列车通过时)的冲刷作用，气相缓蚀剂的释放速率可能较快，当其完全释放后，接触网钢腕臂的腐蚀速率仍会增加，建议结合长期运行监测分析研究。

6 现场试挂和工程应用

(1)广深港狮子洋隧道

广深港客专狮子洋隧道位于穿珠江入海口地下深度30 m左右，隧道全长10.8 km，海盐离子浓度和SO3浓度平均值为0.103 4 mg/(100 cm2·d)和0.369 4 mg/(100 cm2·d)，属于典型海洋大气环境。在隧道内S280吊柱处试挂了1套钢腕臂定位装置，采用的表面防护体系设计见表4。

按表4涂覆表面防护涂层后，现场试挂安装的狮子洋隧道S280吊柱钢腕臂定位装置见图1。

(2)深茂铁路阳江站

深茂铁路阳江站DK268+000～DK273+000区段线路线位距离南海海岸线小于5 km，属于典型的高温、高湿、高盐的海洋大气环境，空气中海盐离子和SO3浓度平均值为0.057 17 mg/(100 cm2·d)和0.369 4 mg/(100 cm2·d)，属强腐蚀性地区。采用本次研究的钢腕臂定位装置表面防护成果，该区段应用的表面防护体系的工程设计方案见表5。

表4 广深港狮子洋隧道S280吊柱的接触网钢腕臂定位装置表面防护体系设计

图1 典型海洋环境狮子洋隧道试挂的接触网钢腕臂定位装置

利用表5完成的接触网腕臂悬挂系统在2017年10月开始在阳江站试挂应用，并通过了2018年4月10日中国铁路广州局集团广州供电段的静态验收，实现了提升该临海高铁强腐蚀性地区接触网腕臂系统的安全性和可靠性的目标，在长期运营中积累腐蚀情况数据，具有示范效应和推广价值。

表5 深茂铁路阳江站接触网钢腕臂定位装置表面防护体系工程设计方案

按表5涂覆表面防护涂层后的深茂铁路阳江站钢腕臂定位装置安装见图2。

图2 典型海洋环境深茂铁路阳江站应用的接触网钢腕臂定位装置

7 结语

接触网钢腕臂定位装置长效防护处理指导工艺为热喷涂层+环氧封闭层组合的复合涂层体系方案。该方案在试验结果中表现优良，并且可以满足现场在线修复要求。

所有接触网钢腕臂组件均采取热喷涂涂层作为防护的基础层。热喷涂层覆盖除工艺死角和管壁内表面的所有外表面。

管件类外壁及精细零部件涂层体系采用高铝锌热喷涂涂层+双金属环氧封闭涂层。有内壁需要防护的管件，管件内壁采取灌涂环氧涂料。