1 概述
我国近海地区高铁接触网系统不可避免地受到高盐雾、含硫或氯、高湿度、高温等极端多因素耦合环境的腐蚀，尤其在半封闭的海底长大隧道空间内更为恶劣，加剧了接触网金属件的性能损伤、缩短了服役寿命、增加了维护成本，更为严重的是对高铁的安全运行构成了威胁。因此，近海高铁隧道环境中接触网系统的腐蚀机理及防护对策已经成为高铁和电气化业内关注的焦点。 以我国近海高铁的某典型长大隧道为例进行取样分析，隧道为全长约10 km的单线单洞盾构隧道，下穿与海洋相连的大河，河面宽度约6.1 km，地下深度约30 m。开通运营以来隧道内的接触网腕臂及定位装置安装已有6年之久，有海水渗漏、通风排水不充分等现象，隧道内大气环境为海洋大气，环境腐蚀性等级为最高等级Ⅵ，腐蚀程度为强腐蚀。随着运营时间的增长，潮湿空气含有的大量海盐、酸、碱、粉尘物质沉积，伴随着高速动车组和受电弓运动堆积于安装在隧道中上部的接触网装备上。因接触网定位器位于动车组受电弓正上方，其表面污染物堆积腐蚀严重，降低了设备机械强度及性能，具有一定的安全隐患。因此，为了保障铁路运营安全，必须研究强腐蚀环境下接触网铝合金定位器的失效状态，明确判断和评价标准，提出相应对策。 2 隧道内环境及腐蚀物数据采集及分析
2.1 环境数据采集和分析
为了表征我国典型高温、高湿、高盐地区高铁所处的环境，以所选隧道内的大气环境为样本，用图1所示装置测试污染物的沉积量，采用连续法和瞬时法测试，采集腐蚀性数据，并评估其腐蚀等级。采用连续法测试大气环境中的Cl-盐和含硫污染物含量，采用瞬时法测试大气环境中的硫化物含量，与此同时采取隧道中的渗水，测试其离子含量以及其酸碱性。
近海高铁隧道内接触网定位器腐蚀机理分析及对策
周少喻
（中国铁路总公司 安全监督管理局，北京 100844）
摘 要：以我国近海地区运营的高铁典型隧道中腐蚀严重的接触网铝合金定位器为研究对象，通过现场环境条件和腐蚀物采样分析、实地调研和数据分析，从宏观形貌、体视学微观形貌、SEM微观形貌、横截面形貌、断面裂纹观察和微区电化学分析等方面分析样件的腐蚀情况。研究得出接触网定位器表面腐蚀与行车方向相关、存在铜铝合金电偶作用加速腐蚀和微裂纹萌生的腐蚀机理，并指出腐蚀积累可能导致定位器构造失效和功能失效的不确定风险及安全隐患，提出预防措施和对策建议。 关键词：近海高铁；隧道；接触网；定位器；腐蚀
中图分类号：U225.6 文献标识码：A 文章编号：1001-683X（2018）09-0044-06 DOI：10.19549/j.issn.1001-683x.2018.09.044
作者简介：周少喻（1966—），男，高级工程师。
连续法测试时间为6—12月，隧道渗水分析中pH 值和溶解氧为6次测试的平均值。对采集的环境数据进行测试结果分析，近海高铁典型隧道内大气环境数据见表1。
GB/T 19292.1—2003《金属和合金的腐蚀 大气腐蚀性分类》[1]对以氯化物为代表的空气中盐类污染物和硫化物污染物的分类见表2。
由表1和表2可以看出，根据GB/T 19292.1—2003，该隧道内大气中以氯化物为代表的海盐离子的平均值为10.4 mg/（m 2·d），隧道内氯化物污染物等级均为S 1级，连续法测试得到隧道内的三氧化硫浓度平均值为
36.94 mg/（m 2·d），参考表2硫化物的含量，隧道内的硫污染物等级为P 2级。
2.2 腐蚀物检查
取环境数据监测附近的吊柱接触网铝合金定位器作为样件，进行表面沉积的腐蚀物采样。现场观察可以看到，隧道中部衬砌处海水不断的渗漏，隧道内环境潮湿，粉尘较多，接触网腕臂装置及定位装置表面沉积着大量海盐离子、灰尘等颗粒物，接触网腕臂装置及定位
装置已完全被污秽物掩盖，看不到材料本体。
3 铝合金定位器样件腐蚀机理及失效分析
3.1 宏观形貌
现场样件的宏观形貌见图2，试件yz 面+x 方向正对着列车行驶方向，为了分析方便，将样件按A、B、C、D、E 5个区域进行划分，划分后每个区域分别按行车方向和反行车方向进行观察（见图3）。
由图3可以看出，样件表面附着大量海盐离子、灰尘等颗粒物，并且行车方向堆积更为严重；从局部放大图可以发现样件在铝合金或铜合金表面均产生了氧化物，但未见减薄等明显失效特征；在铝合金与铜合金结合部位（A和E区域）腐蚀最为严重，铝合金出现了严重的减薄现象。结合部位腐蚀严重的原因可能是海盐离子、灰尘等颗粒物质在样件表面沉积后，在大气湿度达到临界湿度时，工件表面形成一层液膜，满足了电化学腐蚀条件，且在Cu-Al电偶中Al更活泼，因而Al先于Cu发生电偶腐蚀。
同时，发现样件行车方向局部区域呈现白，而反
（a）连续法测Cl -盐和
含硫污染物含量
（b）瞬时法测硫化物含量
图1 近海高铁典型隧道内大气环境
中污染物沉积量测试装置
表1 近海高铁典型隧道内大气环境数据
表2 国标中污染物分类 mg/（m 2·d）
图2 样件的宏观形貌采样分区建筑钢模
x
竹制品加工y
z
A
B
C
D
E
行车方向呈白的区域面积更大。这可能是因为列车高速通过隧道时产生强大的气流，带动空气中的
海盐、灰尘颗粒等冲击样件行车方向（反行车方向所受的冲击较小），在冲击与腐蚀的交互作用下导致行车方向损坏更为严重，腐蚀产物脱落后的局部区域呈白。相比之下反行车方向腐蚀较为轻微，并且海盐、灰尘颗粒覆盖较少，因而较大面积区域呈现铝合金原本的白。值得注意的是，行车方向在冲击力的作用下，海盐、灰尘等更容易沉积在样件表面，这将显著降低在样件表面形成薄液膜的临界相对湿度，即在行车方向更容易形成液膜，因而将引起更为严重的电化学腐蚀。
此外，定位器铜合金部分的表面已经生成氧化铜保护，其余铝合金管本体部分仅基体表面有较少的零散氧化点，不锈钢弹性零件、连接螺栓零件没有明显腐蚀现象，未见危险结构性破坏。定位线夹处的等电位连接线由于环境条件和电流影响，已经完全腐蚀。
3.2 体视学微观形貌
为了进一步观察现场样件位于行车正反向表面的腐蚀程度，分别在A、B、C区域取样，随后对样品进行超声清洗10 min，然后采用Keyence VHX-2000体视学显微镜[2]观察其微观形貌（见图4），图4中，（a1）、（a2）取自A区域，（b1）、（b2）取自B区域，（c1）、（c2）取自C区域。
微观形貌观察进一步证实了样件行车方向腐蚀程度、腐蚀产物或沉积物覆盖明显较反行车方向严重，其中在铜合金与铝合金接合处腐蚀程度较定位器中间部分严重。
3.3 SEM微观形貌[2]
为了进一步分析样件表面腐蚀产物微观形貌和表
面沉积物成分，进一步对选取的样件区域进行SEM微观形貌观察（见图5）和EDS成分分析（见表3）。电子念佛器
从SEM微观形貌可以看出，样件行车方向表面覆盖大量沉积物，腐蚀严重；样件反行车方向腐蚀轻微，表面仍然较为平整。EDS成分分析显示，行车方向的沉积物中含有大量氧元素，说明工件行车方向发生了严重腐蚀现象。样件表面覆盖物中含有一定量Si元素，可能来自灰尘颗粒，含有的Ca元素可能来自海盐离子或灰尘颗粒。值得注意的是铜合金与铝合金接合处反行车方向也发生了严重腐蚀（见图5（a2））。
图3 样件各区域的宏观形貌
图4 现场样件微观形貌
行车方向
炭材料工程技术反行车方向
A5052铝合金
A5052铝合金
C6161铜合金
太阳影子定位
C6161铜合金
A5052铝合金
C6161铜合金
行车方向
反行车方向
（a1）
（a2）
（b1）（b2）
（c1）（c2）
3.4 横截面形貌
为了观察铜合金与铝合金接合处铝合金腐蚀状况，样件A区域铜合金和铝合金接合处切开，然后用SiC砂纸逐级打磨至3 000目，并用抛光膏抛光，然后采用激光共聚焦显微镜观察其横截面（见图6），左侧为样件行车方向，右侧为样件反行车方向。
由图6可知，左侧样件铝合金管壁最薄处为2 290 μm，而样件铝合金管壁初始厚度应为约7 000 μm，因此该样件在隧道服役周期内已减薄4 710 μm，失厚67.28%。
3.5 断面裂纹观察
为了观察样件正面严重腐蚀区域是否萌生有微裂纹，对样件进行打磨抛光后，采用激光共聚焦显微镜和SEM进行观察。对图5中左侧腐蚀严重区采用域激光共聚焦显微镜观察（见图7），可以发现在样
件行车方向靠近心部（铜合金）处萌生有大量的微裂纹（图中红圆处）。为了进一步观察裂纹微观形
貌，对图7中A区域处裂纹进行SEM微观形貌观察（见图8），此处的元素含量见表4。
3.6 微区电化学
由上述形貌分析结果可知样件在铜合金与铝合金
接合处腐蚀最为严重，这可能是由于在薄液膜环境下，多种金属（不锈钢、铜合金和铝合金）之间构成腐蚀电
偶，加速了铝合金的腐蚀速率。对样件采用扫描振动电极方法（SVET）研究铜合金与铝合金之间的电偶腐蚀效应，试验采用的电解质为3.5wt%NaCl溶液，所用设备为微区电化学工作站，试验结果见图9。可以看出铝合金部分腐蚀电流明显大于铜合金部分腐蚀电流，即铝合金与铜合金之间存在电偶腐蚀效应。
4 腐蚀机理和失效情况总结
4.1 腐蚀机理
根据上述腐蚀现象和数据分析，总
结隧道内定位器的腐蚀机理如下：
表3 不同位置的元素含量 %
图5 样件表面SEM微观形貌
A—N为选取进一步EDS成分分析的取样位置
（a1）
A
B
（a2）
C
D
（b1）
E
F
（b2）
G
（c1）
H
M
（c2）
N
图6 样件横截面图（从图2的A区域铝合金与铜合金接合处切开）
1[17 604 μm]
2[11 278 μm]
3[2 290 μm]
4[11 768 μm]
5[2 913 μm]
6[15 325 μm]7[6 044 μm]
5 000 μm
（1）长期潮湿、海盐离子含量较高是隧道内接触网定位器加剧腐蚀的重要因素。
（2）现场定位器样件表面的腐蚀程度与列车行车方向有关。
（3）定位器的铜合金部分与铝合金部分在结合处具有电偶腐蚀加速作用，铜铝电化学腐蚀的严重程度在行车方向和反方向差异不大。
（4）行车方向的腐蚀较严重，是导致管件壁减薄失厚以及大量微裂纹萌生的主要因素。
4.2 构造失效情况
在列车行车方向，与铜合金压接部位的端部铝合金壁在运行周期内已减薄4 710 μm（初始厚度为
图7 腐蚀严重区的 截面显微照片
图8 图7中A区域处裂纹的SEM微观形貌
表4 图7中不同区域元素含量 %
7 000 μm），即已失厚67.28%。根据上述检测分析的样件腐蚀状态，核对零部件制造图，发现定位管根部有效压接范围损失12～15 mm、剩余25～33 mm（原图压接处为30～37 mm），且发现裂纹；定位管线夹端头部有效压接范围损失8～10 mm、剩余30～32 mm，未发现裂纹。上述定位管的剩余压接处是否满足运行载荷要求，需进一步试验确定，但是其微观裂纹已不可控制。
由于长大隧道通风不良、隧道内海洋气候环境、粉尘污染、动车组高速运行时对污染物的携带冲击，造成定位器根部和端头污染物堆积，尤其行车方向堆积严重，致使铜合金和铝合金压接端部处铝合金管发生微观电流加速的化学腐蚀，在振动条件下腐蚀剩余部分内部发生应力腐蚀，产生极细小裂纹。这种隧道内环境对定位器的腐蚀，会在持续运行中导致定位器构造失效，进而导致功能失效，但是具体失效时间较难判断。
5 对策建议
针对现场接触网定位器的实际情况，提出以下对策建议：
（1）制定现场更换计划，尽快更换隧道内定位器，消除安全隐患。对更换下来的定位器回厂抽检并进行疲劳试验，探知定位器工况下的剩余寿命，以便今后提出定位器防腐要求技术条件。
物流器具（2）结合成熟的表面防护或涂层技术，建议铝合金定位器管表面采用阳极氧化加钝化形成保护防腐措施，并定期检测采集腐蚀状态数据。
（3）定位器管根部和定位线夹端部铜铝合金结合处为异种金属电化学腐蚀和应力腐蚀，普通的涂层防护都不能考虑，采取异种金属绝缘隔离的方式也许是表面防护设计的重点，可探索通过微弧氧化形成陶瓷
图9 SVET试验结果
（b）和（c）是分别对（a）中B、C区域的局部放大图
A
（a）
B C
（b） E
（c）
N
M
铝合金
铜合金
y /μm
3 0002 5002 000
1 5001 000
5000
x /μm
0 200 400 600 800 1 000
-0.001 650
-
0.001 281-9.125E-04-5.438E-04-1.750E-041.938E-045.625E-0.49.313E-040.001 300
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议