鋼鋁復合導電軌防腐技術(shù)研究

張峰

【摘?要】越來越多的城市軌道交通采用鋼鋁復合導電軌供電，但在青島、深圳等沿海城市，鋼鋁復合導電軌處于近海洋環(huán)境中，鹽霧成為金屬銹蝕的最主要原因，會大大影響鋼鋁復合導電軌的運行性能和使用壽命，解決在海洋環(huán)境中鋼鋁復合導電軌的防腐問題，就成了當務(wù)之急。本文重點對剛鋁復合導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合導電軌溫升的影響等方面進行了闡述。

【關(guān)鍵詞】剛鋁復合導電軌;防腐涂料;技術(shù)方案;鹽霧試驗;溫升分析計算

一、前言

越來越多的城市軌道交通采用鋼鋁復合導電軌供電，其優(yōu)點是傳輸電流大、可靠性高、使用壽命長，綜合經(jīng)濟性好、運行維護簡單、不影響沿線景觀等等。但在青島、深圳等沿海城市，鋼鋁復合導電軌處于近海洋環(huán)境中，鹽霧成為金屬銹蝕的最主要原因，會大大影響鋼鋁復合導電軌的運行性能和縮短使用壽命。按照ISO12944國際標準的環(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合導電軌就顯得尤為必要。在北京、武漢等非沿海城市鋼鋁復合導電軌只要磨耗小于0.05mm/70萬次，壽命可達30年甚至60年。但在C-4類海洋環(huán)境中，采用1Cr17不銹鋼的鋼鋁復合導電軌經(jīng)過50g/L氯化鈉鹽霧試驗（按《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》GB/T 10125-2012規(guī)定）120小時鋼面和鋁合金軌體就已經(jīng)腐蝕，1000小時的鹽霧試驗后鋁合金軌體腐蝕超過了30%。試驗表明，這種鋼鋁復合導電軌在海洋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)境中使用鋼鋁復合導電軌的防腐問題，就成了當務(wù)之急。防腐鋼鋁復合導電軌研究的目標就是要保證其在海洋環(huán)境下使用壽命達到60年。

二、涂料防腐機理

金屬腐蝕可以分為化學腐蝕和電化學腐蝕。化學腐蝕是金屬與環(huán)境介質(zhì)直接發(fā)生化學作用而產(chǎn)生的損壞，在腐蝕的過程中沒有電流生成。電化學腐蝕是具有不同電極電位的兩種金屬（點）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，在腐蝕的過程中有電流產(chǎn)生。防止電化學腐蝕的措施，對于鋼鋁復合導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，用于國產(chǎn)飛機，在強大的氣流擾動力作用下，涂層毫無剝離。鋼鋁復合軌使用過程中僅有輕微的振動，加速度小于0.3g，這比飛機振動加速度3～5g就要小10倍，所以采用中航材料院的環(huán)氧改性涂料，可以保證涂層長久的粘著性，在預期壽命周期內(nèi)涂層不會剝離。

在防腐涂料的底漆中加金屬鋅粉末，可起陰極保護作用，這也是繼涂層阻隔作用外的又一層保護重要作用。無機硅酸鋅底漆是一種無機富鋅涂料，可與面漆配合使用，也可作為單涂層防護材料。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、海洋平臺等C-4或C-5，M等高鹽度海洋環(huán)境。該涂層符合SSPC（美國鋼結(jié)構(gòu)涂裝協(xié)會）和NACE（美國國家腐蝕工程師協(xié)會）的相關(guān)標準，在5000小時的鹽霧試驗、4000小時的耐老化試驗等多項嚴酷試驗后保持了優(yōu)異的性能。

FEVE樹脂在氟烯烴的基礎(chǔ)上引進了溶解性官能團、附著性官能團、交聯(lián)固化官能團、促進流變性官能團，秉承了氟樹脂所有的優(yōu)良品質(zhì)，使得氟碳涂料的應(yīng)用領(lǐng)域擴大到了塑料、玻璃鋼等不耐高溫的材料上，尤其適合超長鋁合金軌體的防腐處理。基于FEVE樹脂開發(fā)的828氟碳涂料是一種雙組分涂料，施工方便，具有超長的戶外耐候性、保光性、保色性和耐污染性，漆膜堅韌、耐磨損、耐碰撞，耐候性更好，可經(jīng)受人工加速老化6000小時，耐鹽霧試驗4700小時，可以噴涂、輥涂，使用方便，其與環(huán)氧底漆或無機硅酸鋅底漆相容性好，附著力強，各項性能指標超過GB5237.5-2008國家標準。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，具有超長耐久性，其壽命可達60年至80年。

三、技術(shù)方案

鋼鋁復合導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。防腐鋼鋁復合導電軌的技術(shù)難點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。國內(nèi)外大量實例證明，00Cr17Ni14Mo2不銹鋼可耐受4000小時50g/L氯化鈉鹽霧試驗，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60年的要求。鋼鋁復合導電軌附件中，膨脹接頭中的銅材料零部件采取鍍錫工藝可有效延長壽命;緊固標準件一律采用00Cr17Ni14Mo2不銹鋼材料制造;電纜連接板的鍍銅過渡段再鍍錫;魚尾板和錨結(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陽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問題：

1）氧化鋁防銹層的導電率很低，經(jīng)過陽極化處理的鋁合金軌體與不銹鋼復合后，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不銹鋼表面?zhèn)鹘o電力機車的受流器，不利于鋼鋁復合導電軌導電;

2）如果軌頂面層不銹鋼與鋁合金軌體先復合后，再陽極化處理，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)，滿足不了運用要求;（2）要能實現(xiàn)15m/根鋼鋁復合軌的批量生產(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，但整個涂敷工藝比較復雜。

經(jīng)綜合技術(shù)經(jīng)濟比較，剛鋁復合導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;端部彎頭是鋼鋁復合導電軌軌體的延伸產(chǎn)品，也采用同樣的處理方案。

（2）鋼鋁復合導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)場安裝后的防腐處理：在各附件與鋼鋁復合軌的結(jié)合處和普通接頭的魚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，使鋼鋁復合導電軌供電系統(tǒng)處于完全的防腐保護之中。

該方案采用氟碳涂料的原因是其耐高溫特性，因為鋼鋁復合軌在連續(xù)通過3000A或4000A電流時有30～45℃的溫升，軌溫達85℃，而氟碳涂料可耐+230℃高溫。

四、防腐性能試驗

防腐鋼鋁復合軌樣品送鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心接觸網(wǎng)零部件檢驗站按國家標準《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》GB/T 10125-2012進行檢測。分別對120小時、360小時、500小時及1000小時樣品取出進行試樣對比。

鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心接觸網(wǎng)零部件檢驗站的試驗報告（2013JCW字第W-1107號）指出，對比樣品在經(jīng)過1000小時50g/L，35℃環(huán)境鹽霧試驗，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“未見明顯腐蝕痕跡;涂顏色變淡”。

鹽霧試驗結(jié)果表明，剛鋁復合導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，使用壽命可以預期達到60年。

五、防腐鋼鋁復合導電軌的溫升分析

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

無防腐涂層的鋼鋁復合導電軌在青島R3線下述條件下的溫升作如下計算：

條件：電流I=3000A，4小時內(nèi)溫升后達溫度平衡。Z=4小時

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

基準溫度t1=20℃

由試驗得知溫升后的平衡溫度t2=42℃

鋁軌有效散熱周長401mm，鋁軌長度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：由鋁軌向二端傳導的熱能Q2

Q2=λF1Z（t2- t1）/δ

=200×0.003915×4×60×（42-20）/15=276KC

3、散熱：通過與鋁軌表面空氣對流帶走的熱能Q3

Q3=FZ（t2- t1）X

=6.015×4×（42-20）×（5+4×0.1）=2858 KC

上式中X為風速系數(shù)X=5+4W，隧道中為零級風，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

絕對溫度零度的絕對值為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

由上述計算進一步分析可看出三點：

防腐涂料會使鋼鋁復合軌的熱輻射作用消失，Q4沒被消耗掉。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，說明在溫升22℃后，鋼鋁復合軌的溫度在42℃處于平衡狀態(tài)。在環(huán)境溫度達+40℃時鋼鋁復合軌的溫度不會超過62℃，噴涂防府涂料后也不會超過63℃。對于青島R3線而言，夏天鋼鋁復合軌不會超過58℃，遠遠低于鋼鋁復合導電軌的行業(yè)標準（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又受風速W影響很大，在青島R3線的高架上，平均有4級風，風速W=6.5m/s，此時溫升K值為：

上式說明在高架上有風時溫升很小，4級風時溫升K值小于4℃。

結(jié)論：在青島R3線鋼鋁復合導電軌噴涂防腐涂料對溫升的影響很小，高架上的風會使鋼鋁復合軌的溫升大大降低。

六、應(yīng)用前景及社會經(jīng)濟效益

防腐鋼鋁復合導電軌產(chǎn)品的研發(fā)和生產(chǎn)滿足了我國城市軌道交通發(fā)展的需求，也擴大了企業(yè)的產(chǎn)品范圍。鋼鋁復合導電軌的防腐技術(shù)，能夠減少更換維修次數(shù)，增強安全使用性能，在國家礦產(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，降低城市軌道交通運用工程中的維護成本。按全國7個沿海城市將建設(shè)城市軌道交通，若每個城市有3條線路處于C-4海洋環(huán)境中、每條線路采用70公里防腐鋼鋁復合導電軌計算，約需投入15億元，若采用無防腐的普通鋼鋁復合導電軌，在今后60年中將更換3次，需要增加總投入45億元。防腐鋼鋁復合導電軌的生產(chǎn)技術(shù)、產(chǎn)品的生產(chǎn)過程無污染物產(chǎn)生，對生態(tài)環(huán)境不存在危害，符合環(huán)保要求。對我國城市軌道交通行業(yè)將會產(chǎn)生巨大的社會及經(jīng)濟效益。

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（作者單位：中鐵二十三局集團有限公司）