高速磁浮列車走行機(jī)構(gòu)通信連接器腐蝕機(jī)理研究

劉齊山

(上海磁浮交通發(fā)展有限公司，上海 201204)

上海磁浮示范運(yùn)營(yíng)線是世界上唯一一條投入商業(yè)運(yùn)行的高速磁浮線，磁浮列車車體按結(jié)構(gòu)分為上部車體、夾層和走行機(jī)構(gòu)三大部分。磁浮列車通信信號(hào)連接器是列車的重要電氣連接部件，通過電纜連接將所有電氣設(shè)備構(gòu)成通信回路，安裝位置遍布于整個(gè)列車結(jié)構(gòu)層面。其中列車走行機(jī)構(gòu)安裝有磁鐵模塊，模塊上的各類傳感器通過連接器、電纜將信號(hào)傳遞給控制器，以控制高速磁浮列車運(yùn)行時(shí)狀態(tài)。

目前，上海線高速磁浮列車所用通信連接器主要是由法國SOURIAU公司生產(chǎn)的D38999系列。D38999系列電連接器是符合美軍標(biāo)MIL-C-38999的標(biāo)準(zhǔn)，而在國內(nèi)軍品上比較早就開始使用這一系列的連接器，也形成了自己的國軍標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，GJB 599A—1993《耐環(huán)境快速分離高密度小圓形電連接器總規(guī)范》就是國內(nèi)現(xiàn)行的等效于38999系列的連接器的標(biāo)準(zhǔn)。

1 通信信號(hào)連接器運(yùn)行現(xiàn)狀

磁浮列車通信信號(hào)連接器的外殼材料為鋁合金鍍鎳，完好的連接器的零件不應(yīng)有影響壽命、使用性能或外觀的缺陷。但現(xiàn)在，凡是新安裝上列車走行機(jī)構(gòu)處的連接器三年以上就會(huì)出現(xiàn)不同程度的腐蝕，主要表現(xiàn)為：連接器表面出現(xiàn)破碎、起皮、鼓包、白點(diǎn)等；連接螺帽旋動(dòng)困難，甚至無法旋動(dòng)；尾附件與接地線連接處腐蝕成粉狀。列車日常預(yù)防性維護(hù)、故障處理期間，如拆裝磁鐵模塊、傳感器都需要分離或?qū)有盘?hào)連接器，以下幾種典型的故障情況則給維護(hù)作業(yè)帶來影響。

1.1 連接器旋合不動(dòng)

連接器旋合不動(dòng)對(duì)維護(hù)影響最大，正常情況下連接螺帽用手就可旋松或擰緊，當(dāng)無法用手旋動(dòng)時(shí)，維護(hù)人員只有采用電纜鉗、管鉗等輔助工具，但這些工具使用超過適用力矩就會(huì)破壞連接器表面結(jié)構(gòu)，造成鍍層破損、殼體變形(見圖1)，極端情況下就是使用工具也無法拆除，最后只有破壞連接器或切斷電纜，給維護(hù)帶來極大不便。

1.2 連接器尾附件腐蝕成粉狀

對(duì)外部密封縮管進(jìn)行剖解，發(fā)現(xiàn)尾附件內(nèi)部存在大量白色板結(jié)硬塊，實(shí)際狀態(tài)呈現(xiàn)白色粉末狀(見圖2)，原固定接地線的尾部附件尾端結(jié)構(gòu)已腐蝕消失，接地線的脫離使通信連接器降低電磁屏蔽效果。

1.3 連接器螺紋鍍層剝落

在對(duì)接連接器時(shí)，由于螺紋鍍層腐蝕剝落(見圖3)，金屬碎片極易侵入接觸件，造成傳感器信號(hào)短路而引發(fā)故障，連接器每一次操作對(duì)接就有潛在風(fēng)險(xiǎn)。同樣各類傳感器上安裝的連接器插座如存在腐蝕，就需要專業(yè)廠家使用專用工裝進(jìn)行拆裝，且翻修傳感器的費(fèi)用成本很高。

2 通信信號(hào)連接器腐蝕機(jī)理分析

2.1 鍍層失效原因分析

現(xiàn)有連接器采用的化學(xué)鍍鎳層屬于典型的陰極鍍層，它對(duì)鋁基體沒有電化學(xué)保護(hù)作用(注：相對(duì)應(yīng)陽極氧化鍍層具有電化學(xué)保護(hù)作用)，僅起到機(jī)械保護(hù)作用，其防護(hù)特性主要取決于鍍層厚度與孔隙率，同時(shí)，基材表面粗糙度會(huì)直接影響鍍層的耐腐蝕能力。另外，鍍鎳層含磷量的高低也會(huì)影響鍍層的耐腐蝕性能[1]。鍍層越厚，孔隙率越低，耐蝕性越高；基材表面狀態(tài)越平整，表面鍍層質(zhì)量越一致，耐蝕性越強(qiáng)；鍍鎳層磷含量越高，越易形成穩(wěn)定致密的磷化物膜，耐蝕性越強(qiáng)[2]。因此，鍍層失效方式為機(jī)械保護(hù)失效，主要?dú)w納出如下幾種類型。

1)由于零件表面結(jié)構(gòu)不同，通過采用不同的加工方式成型而造成表面粗糙度不一致，基材表面鍍層結(jié)合力不一致，耐腐蝕性能有差別。

2)零件存在尖邊銳角等結(jié)構(gòu)突變處，該位置鍍層物理磨損較大，隨著使用時(shí)間延長(zhǎng)，易形成局部失效，進(jìn)而引起基材暴露，基材一旦暴露腐蝕，會(huì)伴有結(jié)構(gòu)變化，形成氧化物，造成基材體積膨脹，反向引起鍍層起皮甚至脫落等。

3)多個(gè)零件配合關(guān)系中存在某些間隙配合，當(dāng)配合位置積攢具有腐蝕性的溶液而未及時(shí)除去時(shí)，會(huì)引起局部位置環(huán)境惡劣程度高于連接器實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，腐蝕速率加劇，局部位置開始腐蝕明顯早于標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)驗(yàn)證的耐受時(shí)間。

2.2 基材腐蝕機(jī)理

鋁發(fā)生腐蝕時(shí)的過程，其具體的反應(yīng)方程式如下。

1)金屬鋁變成Al3+時(shí)，與水快速發(fā)生反應(yīng)：

Al3++H2O=H++Al(OH)2+

2)生成的Al(OH)2+與Cl-發(fā)生反應(yīng)：

Al(OH)2++Cl-=Al(OH)Cl+

3)Al(OH)Cl+與H2O反應(yīng)后形成酸性條件：

Al(OH)Cl++H2O=Al(OH)2Cl+H+

從上述方程式中可知，鋁腐蝕產(chǎn)生了酸性條件，這將會(huì)發(fā)生析氫反應(yīng)，進(jìn)一步加劇腐蝕反應(yīng)進(jìn)行。由于鋁處于免蝕區(qū)的電位較負(fù)，因此在自然條件下，鋁合金會(huì)自發(fā)地發(fā)生腐蝕過程，又因?yàn)殇X為兩性金屬，其在酸性和堿性環(huán)境下均有可能出現(xiàn)陽極溶解反應(yīng)和陰極析氫反應(yīng)。因此，在鍍層失效的情況下，鋁合金基材本身的耐候性能較差，極易腐蝕損壞。

2.3 連接器的腐蝕類型

鋁及其合金只有在少數(shù)的介質(zhì)如堿溶液和磷酸溶液中是呈現(xiàn)全面腐蝕，而除此之外一般是發(fā)生局部腐蝕，其常見的腐蝕形態(tài)有晶間腐蝕、層狀腐蝕、點(diǎn)腐蝕、接觸腐蝕、縫隙腐蝕和絲狀腐蝕等，磁浮列車通信信號(hào)連接器呈現(xiàn)其中幾類典型腐蝕現(xiàn)象。

1)點(diǎn)腐蝕也稱為孔蝕，是鋁合金經(jīng)常出現(xiàn)的腐蝕形態(tài)，其經(jīng)常發(fā)生在自然環(huán)境、海洋環(huán)境以及中性水溶液介質(zhì)中。鋁合金點(diǎn)腐蝕的程度與合金組成及介質(zhì)有關(guān)，圖5所示可以清楚地看到連接器已經(jīng)發(fā)生了點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象，這種腐蝕現(xiàn)象經(jīng)常會(huì)從殼體表面的磕碰傷及滾花處開始發(fā)生。

2)接觸腐蝕又稱雙金屬腐蝕，即鋁需要和其他金屬進(jìn)行接觸，這樣構(gòu)成腐蝕電池，鋁作為陽極，使腐蝕加速，并且當(dāng)兩者的電位相差越大時(shí)，發(fā)生接觸腐蝕的程度也越大，幾乎所有的鋁合金均會(huì)發(fā)生接觸腐蝕。圖6所示為與接地線固定處的尾附件末端嚴(yán)重腐蝕分化。

3)縫隙腐蝕也可叫間隙腐蝕，其原理和接觸腐蝕相類似，即鋁和其他材料相接觸的界面處有縫隙，在介質(zhì)環(huán)境下，縫隙內(nèi)部位置(見圖7)會(huì)發(fā)生加速腐蝕，這與合金的組成及類型沒有太大關(guān)系，耐腐蝕性能很強(qiáng)的合金也會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕。尤其是D38999系列產(chǎn)品，在連接螺帽處發(fā)生了嚴(yán)重的縫隙腐蝕后，會(huì)無法旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致無法拆卸或更換。

3 連接器耐腐試驗(yàn)

通過對(duì)連接器采用基材及鍍層的失效模式分析，以及取樣進(jìn)行耐腐蝕試驗(yàn)(故障復(fù)現(xiàn))，總結(jié)故障產(chǎn)生原因如下。

1)連接器連接螺帽扭轉(zhuǎn)不暢或卡死，無法拆卸。主要是由于在惡劣條件下連接螺帽與殼體間易產(chǎn)生縫隙腐蝕，局部鍍層起皮脫落進(jìn)而基材腐蝕膨脹，造成間隙配合失效，連接螺帽卡制。

2)連接器尾部附件表面出現(xiàn)不同程度腐蝕，鍍層脫落，基材銹蝕嚴(yán)重，主要原因是電纜尾部密封處理結(jié)構(gòu)較短，易進(jìn)入腐蝕液體造成金屬外殼間縫隙腐蝕，同時(shí)尾部具有屏蔽搭接結(jié)構(gòu)，采用銅線搭接、不銹鋼材質(zhì)扎帶固定的模式，形成銅鹽加速反應(yīng)，引發(fā)接觸腐蝕現(xiàn)象，基材完全氧化，形成粉狀化合物板結(jié)在原基材位置，造成功能失效。

依據(jù)GJB 150.9A—2009的鹽霧實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試，試驗(yàn)樣品經(jīng)36 h后出現(xiàn)龜裂、起皮、基體腐蝕現(xiàn)象[3-4]。依據(jù)GB/T 5095.6—1997中試驗(yàn)11f、依據(jù)GJB 150.9A—2009的濕熱—鹽霧試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)連接器進(jìn)行交變濕熱周期試驗(yàn)[5-6]，交變濕熱后試驗(yàn)樣品(見圖8)外觀良好，但在隨后鹽霧試驗(yàn)(見圖9)后，試驗(yàn)樣品經(jīng)36 h后出現(xiàn)龜裂、起皮、基體腐蝕現(xiàn)象[7-8](見圖10)，最終實(shí)現(xiàn)了故障復(fù)現(xiàn)(見圖11)。

4 結(jié)語

上海線高速磁浮列車信號(hào)電纜連接器都是符合軍標(biāo)的航空類電子產(chǎn)品，航空類產(chǎn)品雖然要求很高，但它安裝環(huán)境一般是在封閉環(huán)境，同樣型號(hào)連接器使用在磁浮列車車廂電器柜或夾層結(jié)構(gòu)內(nèi)的就沒有出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象。相對(duì)車廂內(nèi)部環(huán)境，列車高速運(yùn)行時(shí)走行機(jī)構(gòu)周圍存在高速氣流、灰塵、溫度、濕度、磁場(chǎng)、振動(dòng)、鹽霧等影響，經(jīng)常處于高溫高濕環(huán)境，并伴有酸性大氣及鹽霧性氣候，在此環(huán)境下現(xiàn)有連接器沒有例外全部出現(xiàn)腐蝕[9]。

目前，通信連接器均采用鋁合金基材，表面涂覆鎳鍍層，國軍標(biāo)中通信信號(hào)連接器的鹽霧測(cè)試要求是按GJB 1217—1991中方法1001的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，可以耐中性鹽霧48 h。但商業(yè)化高頻次運(yùn)行的列車，連接器存在時(shí)間遠(yuǎn)大于48 h，鍍層在腐蝕環(huán)境中一經(jīng)破壞失效，鍍層保護(hù)下的基材在鍍層破壞處就會(huì)暴露于外部環(huán)境，基材會(huì)迅速腐蝕擴(kuò)散，造成連接器外觀破壞，進(jìn)而產(chǎn)生功能失效[10]。

通過對(duì)故障連接器失效模式進(jìn)行理論分析，同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)條件搭建并驗(yàn)證，筆者得出了連接器腐蝕的主要是由于金屬材料及其鍍層的耐鹽霧等級(jí)不能滿足實(shí)際使用情況，造成了連接器損壞失效。今后可采用消除尾附件螺紋配合時(shí)的間隙，采用銅合金材質(zhì)，加強(qiáng)熱縮管密封等措施對(duì)連接器結(jié)構(gòu)、選材及裝配工藝進(jìn)行優(yōu)化，以提升高速磁浮列車通信連接器耐腐蝕性能。