高鹽高濕環境電務軌旁器材腐蝕壽命評估方法研究

白志偉，楊神林，張 威，李嵐昕

(1.中國鐵路廣州局集團有限公司電務部，廣州 510088；2.北京全路通信信號研究設計院集團有限公司，北京 100070；3.北京市高速鐵路運行控制系統工程技術研究中心，北京 100070)

軌道電路是高鐵列車控制系統的重要組成部分，關系到高鐵的行車安全和運輸效率[1-2]。鋼軌引接線、調諧匹配單元、雙體防護盒及其金屬支架等軌旁器材是軌道電路系統重要的組成單元。隨著運營時間的延長，線路上電務各類金屬構件的腐蝕問題日趨嚴重。其中高濕高鹽環境下的電務軌旁設備的銹蝕問題比較突出，如廣深港的獅子洋隧道，鋼軌引接線由于大氣腐蝕，導致引接線出現銹蝕甚至銹斷的情況，從而引起設備電氣性能下降。

金屬的腐蝕是一個普遍而且嚴重的問題，自20 世紀初大氣腐蝕便成為一個重要的研究領域。1916 年美國實驗和材料學會(ASTM)開始了大氣腐蝕的研究。Larrabee[3]等先后進行了大氣腐蝕的數據積累工作，總結腐蝕規律，探討腐蝕機理,研究表明溫度、濕度及氯化物含量是影響金屬腐蝕的主要因素。

國內外研究者對海洋環境因素和材料腐蝕之間的影響做了更深入的研究，并提出了一些可行的腐蝕預測模型。例如KkochNim[4]等采用動電位極化和恒電位技術研究了海水壓力對Fe-20Cr 合金點蝕行為的影響。Yang Y[5]等研究學者通過使用交流阻抗（EIS）、動電位極化、以及電化學噪聲等不同的電化學實驗研究方法研究了海水中靜水壓力對Ni-Cr-Mo-V 高強鋼的腐蝕行為機理的影響。高鹽高濕的隧道環境成為了金屬構件的噩耗，大氣腐蝕導致金屬構件的壽命遠小于其設計壽命。針對隧道內高鹽高濕環境，對電務軌旁金屬構件腐蝕壽命的評估，文獻中尚未研究，腐蝕對鐵路的影響查閱《高速鐵路設計規范》（TB10621—2014），在設計之時也未考慮[6]。

本文針對電務軌旁器材，結合獅子洋隧道環境評估，通過制定加速腐蝕實驗方案，研究電務軌旁器材腐蝕壽命評估方法，為優化電務軌旁金屬設備耐腐蝕性設計提供參考。

1 高鹽高濕隧道內產品服役情況

鋼軌引接線是軌道電路信號傳輸的關鍵器材，必須保證其信號傳輸精度。固定件銹蝕情況如圖1所示，對鋼軌引接線的固定作用逐漸減弱，由于軌旁振動的存在，增加了鋼軌引接線斷線的概率。

在軌旁存在兩大嚴重影響行車安全的失效風險：金屬固定件失效和引接線斷線。鋼軌引接線銹蝕導致其阻值的增大，引起軌道電路電氣性能下降。嚴重情況下銹蝕導致引接線斷線，從而導致軌道電路出現“紅光帶”，影響高速鐵路運輸效率。金屬固定件銹蝕引起線纜及雙體防護盒等固定失效，在列車高速通過隧道時存在軌旁設備飛起傷及車體的風險。

圖1 金屬固定件銹蝕情況Fig.1 Corrosion of metal fixings

2 高鹽高濕隧道環境評估

研究海底隧道內高鐵軌旁的金屬設備腐蝕行為，需要對其服役環境進行研究，確定該環境下影響腐蝕的主要因素。采用實地實時測量和設置傳感器監測點兩種方法對隧道內部溫度、濕度及氯化物含量進行統計和評估。

2.1 實地測量

2019 年8 月利用溫濕度計對隧道內1 000 m、1 500 m、3 000 m 及4 000 m 處的溫濕度進行實地測量，溫度在33 °C 左右，濕度最高達到85.1%。

2.2 傳感器監測

在獅子洋海底隧道內4 500 m 處安裝溫濕度傳感器、鹽霧掛片，采用安裝方式如圖2 所示。溫濕度傳感器數據采集頻率為5 分鐘/次，每一個月對數據進行導出。實驗周期為2019 年8 月16 日至2020 年5 月18 日。

圖2 溫濕度計及鹽霧掛片布置圖Fig.2 Layout of thermo-hygrometer and salt spray samples

對隧道內溫濕度的監測結果如表1 所示，結合《金屬和合金的腐蝕大氣腐蝕性分類》（GB19292.1-2018）[7]中潮濕時間的等級分類。相對濕度大于60%在一整年中所占時間比大于5 500 h，因此潮濕等級為τ5。

采用離線式掛片采樣分析法，每次現場實驗周期為1～2 個月并取樣。根據《金屬和合金的腐蝕大氣腐蝕性分類》（GB19292.1-2018）中氯離子污染物等級分類，8～9 月海底隧道內鹽霧粒子沉降量最大，等級達到S2 級，鹽霧粒子的沉降等級屬于中高級別，如表2 所示。

2.3 軌旁滲水pH值的測量

通過對隧道內軌旁滲水進行取樣，在實驗室通過pH 測試儀器對滲水的酸堿度進行測量，pH 值為7.31 左右，pH 處于7.15～7.50，確定其環境為中性環境。

3 加速腐蝕實驗方案

結合隧道內環境因素評估結果，采用周期浸潤構成的循環加速實驗環境譜，模擬隧道內溫度、濕度及隧道環境中氯離子的影響。

海洋環境中鹽霧的作用采用5%的NaCl 溶液來模擬腐蝕溶液。溫度40 ℃，相對濕度為95%。

在實驗室采用周期循環噴霧的噴霧周期為30 min，其中8 min 噴霧，22 min 干燥，噴霧時間比干燥時間為3：1。根據隧道內所監測的環境參數換算成鹽霧實驗中的設置條件如表3 所示。

表1 隧道環境溫濕度監測結果（截至2020年5月18日）Tab.1 Tunnel environmental temperature and humidity monitoring results (as of May 18,2020)

如圖3 所示，選取10 個樣品在鹽霧實驗箱內進行鹽霧加速實驗，根據GB/T20854-2007[8]金屬覆蓋層中性鹽霧實驗的時間推薦的實驗周期，選用168 h（7 d）、360 h（15 d）、480 h（20 d）、720 h（30 d）、1 440 h（60 d）為本次實驗的取樣周期。

表2 鹽霧粒子濃度監測結果Tab.2 Monitoring results of salt spray particle concentration

表3 鹽霧實驗條件Tab.3 Salt spray test conditions

4 金屬腐蝕壽命評估

4.1 樣品腐蝕形貌

軌旁線纜卡具在實驗室加速環境下經過腐蝕周期7 d、15 d、20 d、60 d 的腐蝕宏觀形貌如圖3所示。從圖3 中可以看到腐蝕7 d 時腐蝕最早萌生的位置為試樣的邊緣部位，邊緣部位開始出現紅色的銹蝕產物，在試樣的表面由于鍍鋅層的消耗，導致試樣的表面凹凸不平。

圖3 金屬緊固件腐蝕宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of metal fastener corrosion

隨著實驗周期的增長表面鍍鋅層的消耗，腐蝕逐漸從試樣邊緣部位擴散至試件螺釘孔周圍，伴隨著紅棕色的銹蝕產物的出現，如圖3 中15 d、20 d所示。在腐蝕進行到20 d 時，試樣的表面凹凸的深度增加，在緊固件的表面出現紅棕色的腐蝕產物。腐蝕60 d 時，試樣表面出現黑褐色和紅棕色腐蝕層，腐蝕層呈現層狀并與金屬件基體結合緊密，試樣大部分區域的鍍層已經被消耗完。

如圖4 所示，緊固件試樣拱部平面位置在光鏡下腐蝕周期為7 d、15 d、20 d、60 d 的腐蝕微觀形貌。可以看到周期為7d 時開始出現約為50 μm的點蝕坑，蝕坑位置顏色為紅色，和周圍基體鍍鋅層形成明顯的反差。15 d 時點蝕坑逐漸擴大，表層的鍍鋅層也被消耗的較多，此時的腐蝕部位已多呈現出紅褐色，在部分蝕坑的邊緣位置還有部分鍍層金屬的亮白色。20～60 d 試樣的腐蝕形貌出現明顯腐蝕產物，腐蝕面積逐漸變得更大。原來的點蝕位置已逐漸被腐蝕產物填充，并呈現出紅褐色，亮白色的鍍層金屬存在的很少。

圖4 光學顯微鏡下金屬緊固件腐蝕微觀形貌Fig.4 Microscopic morphology of metal fastener corrosion under optical microscope

4.2 鍍層與腐蝕層

腐蝕層表示鍍層和腐蝕產物的結合在一起，不同于鋼基體的部分，在掃描電鏡下的腐蝕層和鋼基體形貌有所區別。研究腐蝕層的厚度，需要切割出腐蝕層的截面，并用砂紙打磨拋光，切割和拋磨時需要保護腐蝕層不被破壞。切好的腐蝕層截面在掃描電鏡下觀測形貌特點，其形貌如圖5 所示。從圖5 中可以看出，在整個加速實驗過程中腐蝕層表面凹凸不平，加速15 d 時鋼基體與腐蝕產物接觸部位疏松，鍍層變薄并且與腐蝕產物相混合，難以分清鍍層和腐蝕產物。腐蝕層與緊挨著腐蝕層的鋼基體有裂紋，會導致Cl-和其他環境因子從裂紋下滲透進鋼基體。腐蝕層的形貌和結構決定了Cl-通過腐蝕層往基體滲透更容易，導致腐蝕發生的更快。

為了更好的研究試樣研究腐蝕層的厚度，在試樣上取4 個點分別標為1、2、3、4，分別在掃描電鏡下測量每個位置最大厚度和最小厚度，如圖6 所示。在每個取樣位置，取3 個以上不相鄰的點進行測量，并求其平均值，結果如圖7 所示。從圖7 上可以看出，試樣整體腐蝕層和鍍層厚度減小，并且在3、4 號位置的減小幅度最大，說明這兩個位置更容易被侵蝕。這與海底隧道內的金屬件的厚度表征結果有一定差異，主要表現在1 號位置腐蝕層厚度差異，這是由于試樣在鹽霧實驗箱內加速時和在海底隧道地面上放置所產生的腐蝕速率不相同所致。

圖5 掃描電鏡下腐蝕層及鍍層厚度形貌Fig.5 Morphology of corrosion layer and coating thickness under scanning electron microscope

圖6 鍍層厚度測量取點位置Fig.6 Location of points for coating thickness measurement

圖7 鍍層平均厚度變化Fig.7 Changes in average thickness of coating

4.3 腐蝕壽命評價模型研究

在評價金屬件失重過程中，由于試樣原件自身重量差距較大，選取失重比來表征腐蝕程度，可以消除試樣自重差異的影響。試樣失重擬合曲線如圖8所示，加速實驗中的金屬緊固件腐蝕速率符合冪指數規律，線性相關性超過0.98。擬合數據如表4 所示，擬合式冪指數項約為1.01，所以金屬件的腐蝕速率基本以線性的方式增長。曲線未出現拐點，說明腐蝕依舊在發生，腐蝕層未產生保護作用，在腐蝕后期腐蝕速率沒有降低。

圖8 金屬緊固件失重擬合曲線Fig.8 Weightlessness fitting curve of metal fasteners

表4 加速實驗腐蝕速率擬合數據Tab.4 Fitting data on corrosion rate in accelerated test

5 總結及展望

5.1 總結

通過對高鹽高濕隧道環境進行實地測量和傳感器監測，對隧道環境進行總體評估。制定加速腐蝕實驗模擬獅子洋隧道內的腐蝕環境，對腐蝕的環境因素、機理和腐蝕動力學特性進行分析研究。結果表明如下。

1）通過測量和計算設計加速實驗環境譜，加速譜結果表明根據海底隧道調研的實地環境，其pH為7.31，潮濕等級為τ5，鹽霧粒子沉降量最大達到S2 級。

2）腐蝕加速實驗中腐蝕形貌的結構特征疏松，導致Cl-易滲透進未被腐蝕的鋼基體，加速金屬的腐蝕。腐蝕過程中銹層和鍍層分別是生長和消耗的過程，隨著實驗時間的進行，鍍層逐漸變薄，腐蝕層逐漸增厚。

3）Q235 材料在加速實驗中的腐蝕速率穩定，腐蝕壽命評估模型的曲線擬合基本呈線性分布，擬合冪指數為1.01，實驗進行到60 d 時，腐蝕速率沒有出現下降趨勢。

5.2 展望

對后續高鹽高濕環境下的金屬腐蝕壽命評估方法研究，提出以下展望。

1）進行加速腐蝕實驗時，通過對溫度、濕度及鹽霧濃度進行交替的變化，更加真實的模擬現場的試驗環境。

2）通過在隧道內放置相同規格的樣件，進行隧道內樣品腐蝕的觀測，與實驗室環境下的加速腐蝕實驗形成對比。通過現場樣品的腐蝕失重比來校核實驗室環境下的試驗，為后續高鹽高濕環境金屬腐蝕壽命評估提供依據。