高盐高湿环境电务轨旁器材腐蚀寿命评估方法研究

白志伟，杨神林，张 威，李岚昕

(1.中国铁路广州局集团有限公司电务部，广州 510088；2.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；3.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

轨道电路是高铁列车控制系统的重要组成部分，关系到高铁的行车安全和运输效率[1-2]。钢轨引接线、调谐匹配单元、双体防护盒及其金属支架等轨旁器材是轨道电路系统重要的组成单元。随着运营时间的延长，线路上电务各类金属构件的腐蚀问题日趋严重。其中高湿高盐环境下的电务轨旁设备的锈蚀问题比较突出，如广深港的狮子洋隧道，钢轨引接线由于大气腐蚀，导致引接线出现锈蚀甚至锈断的情况，从而引起设备电气性能下降。

金属的腐蚀是一个普遍而且严重的问题，自20 世纪初大气腐蚀便成为一个重要的研究领域。1916 年美国实验和材料学会(ASTM)开始了大气腐蚀的研究。Larrabee[3]等先后进行了大气腐蚀的数据积累工作，总结腐蚀规律，探讨腐蚀机理,研究表明温度、湿度及氯化物含量是影响金属腐蚀的主要因素。

国内外研究者对海洋环境因素和材料腐蚀之间的影响做了更深入的研究，并提出了一些可行的腐蚀预测模型。例如KkochNim[4]等采用动电位极化和恒电位技术研究了海水压力对Fe-20Cr 合金点蚀行为的影响。Yang Y[5]等研究学者通过使用交流阻抗（EIS）、动电位极化、以及电化学噪声等不同的电化学实验研究方法研究了海水中静水压力对Ni-Cr-Mo-V 高强钢的腐蚀行为机理的影响。高盐高湿的隧道环境成为了金属构件的噩耗，大气腐蚀导致金属构件的寿命远小于其设计寿命。针对隧道内高盐高湿环境，对电务轨旁金属构件腐蚀寿命的评估，文献中尚未研究，腐蚀对铁路的影响查阅《高速铁路设计规范》（TB10621—2014），在设计之时也未考虑[6]。

本文针对电务轨旁器材，结合狮子洋隧道环境评估，通过制定加速腐蚀实验方案，研究电务轨旁器材腐蚀寿命评估方法，为优化电务轨旁金属设备耐腐蚀性设计提供参考。

1 高盐高湿隧道内产品服役情况

钢轨引接线是轨道电路信号传输的关键器材，必须保证其信号传输精度。固定件锈蚀情况如图1所示，对钢轨引接线的固定作用逐渐减弱，由于轨旁振动的存在，增加了钢轨引接线断线的概率。

在轨旁存在两大严重影响行车安全的失效风险：金属固定件失效和引接线断线。钢轨引接线锈蚀导致其阻值的增大，引起轨道电路电气性能下降。严重情况下锈蚀导致引接线断线，从而导致轨道电路出现“红光带”，影响高速铁路运输效率。金属固定件锈蚀引起线缆及双体防护盒等固定失效，在列车高速通过隧道时存在轨旁设备飞起伤及车体的风险。

图1 金属固定件锈蚀情况Fig.1 Corrosion of metal fixings

2 高盐高湿隧道环境评估

研究海底隧道内高铁轨旁的金属设备腐蚀行为，需要对其服役环境进行研究，确定该环境下影响腐蚀的主要因素。采用实地实时测量和设置传感器监测点两种方法对隧道内部温度、湿度及氯化物含量进行统计和评估。

2.1 实地测量

2019 年8 月利用温湿度计对隧道内1 000 m、1 500 m、3 000 m 及4 000 m 处的温湿度进行实地测量，温度在33 °C 左右，湿度最高达到85.1%。

2.2 传感器监测

在狮子洋海底隧道内4 500 m 处安装温湿度传感器、盐雾挂片，采用安装方式如图2 所示。温湿度传感器数据采集频率为5 分钟/次，每一个月对数据进行导出。实验周期为2019 年8 月16 日至2020 年5 月18 日。

图2 温湿度计及盐雾挂片布置图Fig.2 Layout of thermo-hygrometer and salt spray samples

对隧道内温湿度的监测结果如表1 所示，结合《金属和合金的腐蚀大气腐蚀性分类》（GB19292.1-2018）[7]中潮湿时间的等级分类。相对湿度大于60%在一整年中所占时间比大于5 500 h，因此潮湿等级为τ5。

采用离线式挂片采样分析法，每次现场实验周期为1～2 个月并取样。根据《金属和合金的腐蚀大气腐蚀性分类》（GB19292.1-2018）中氯离子污染物等级分类，8～9 月海底隧道内盐雾粒子沉降量最大，等级达到S2 级，盐雾粒子的沉降等级属于中高级别，如表2 所示。

2.3 轨旁渗水pH值的测量

通过对隧道内轨旁渗水进行取样，在实验室通过pH 测试仪器对渗水的酸碱度进行测量，pH 值为7.31 左右，pH 处于7.15～7.50，确定其环境为中性环境。

3 加速腐蚀实验方案

结合隧道内环境因素评估结果，采用周期浸润构成的循环加速实验环境谱，模拟隧道内温度、湿度及隧道环境中氯离子的影响。

海洋环境中盐雾的作用采用5%的NaCl 溶液来模拟腐蚀溶液。温度40 ℃，相对湿度为95%。

在实验室采用周期循环喷雾的喷雾周期为30 min，其中8 min 喷雾，22 min 干燥，喷雾时间比干燥时间为3：1。根据隧道内所监测的环境参数换算成盐雾实验中的设置条件如表3 所示。

表1 隧道环境温湿度监测结果（截至2020年5月18日）Tab.1 Tunnel environmental temperature and humidity monitoring results (as of May 18,2020)

如图3 所示，选取10 个样品在盐雾实验箱内进行盐雾加速实验，根据GB/T20854-2007[8]金属覆盖层中性盐雾实验的时间推荐的实验周期，选用168 h（7 d）、360 h（15 d）、480 h（20 d）、720 h（30 d）、1 440 h（60 d）为本次实验的取样周期。

表2 盐雾粒子浓度监测结果Tab.2 Monitoring results of salt spray particle concentration

表3 盐雾实验条件Tab.3 Salt spray test conditions

4 金属腐蚀寿命评估

4.1 样品腐蚀形貌

轨旁线缆卡具在实验室加速环境下经过腐蚀周期7 d、15 d、20 d、60 d 的腐蚀宏观形貌如图3所示。从图3 中可以看到腐蚀7 d 时腐蚀最早萌生的位置为试样的边缘部位，边缘部位开始出现红色的锈蚀产物，在试样的表面由于镀锌层的消耗，导致试样的表面凹凸不平。

图3 金属紧固件腐蚀宏观形貌Fig.3 Macro morphology of metal fastener corrosion

随着实验周期的增长表面镀锌层的消耗，腐蚀逐渐从试样边缘部位扩散至试件螺钉孔周围，伴随着红棕色的锈蚀产物的出现，如图3 中15 d、20 d所示。在腐蚀进行到20 d 时，试样的表面凹凸的深度增加，在紧固件的表面出现红棕色的腐蚀产物。腐蚀60 d 时，试样表面出现黑褐色和红棕色腐蚀层，腐蚀层呈现层状并与金属件基体结合紧密，试样大部分区域的镀层已经被消耗完。

如图4 所示，紧固件试样拱部平面位置在光镜下腐蚀周期为7 d、15 d、20 d、60 d 的腐蚀微观形貌。可以看到周期为7d 时开始出现约为50 μm的点蚀坑，蚀坑位置颜色为红色，和周围基体镀锌层形成明显的反差。15 d 时点蚀坑逐渐扩大，表层的镀锌层也被消耗的较多，此时的腐蚀部位已多呈现出红褐色，在部分蚀坑的边缘位置还有部分镀层金属的亮白色。20～60 d 试样的腐蚀形貌出现明显腐蚀产物，腐蚀面积逐渐变得更大。原来的点蚀位置已逐渐被腐蚀产物填充，并呈现出红褐色，亮白色的镀层金属存在的很少。

图4 光学显微镜下金属紧固件腐蚀微观形貌Fig.4 Microscopic morphology of metal fastener corrosion under optical microscope

4.2 镀层与腐蚀层

腐蚀层表示镀层和腐蚀产物的结合在一起，不同于钢基体的部分，在扫描电镜下的腐蚀层和钢基体形貌有所区别。研究腐蚀层的厚度，需要切割出腐蚀层的截面，并用砂纸打磨抛光，切割和抛磨时需要保护腐蚀层不被破坏。切好的腐蚀层截面在扫描电镜下观测形貌特点，其形貌如图5 所示。从图5 中可以看出，在整个加速实验过程中腐蚀层表面凹凸不平，加速15 d 时钢基体与腐蚀产物接触部位疏松，镀层变薄并且与腐蚀产物相混合，难以分清镀层和腐蚀产物。腐蚀层与紧挨着腐蚀层的钢基体有裂纹，会导致Cl-和其他环境因子从裂纹下渗透进钢基体。腐蚀层的形貌和结构决定了Cl-通过腐蚀层往基体渗透更容易，导致腐蚀发生的更快。

为了更好的研究试样研究腐蚀层的厚度，在试样上取4 个点分别标为1、2、3、4，分别在扫描电镜下测量每个位置最大厚度和最小厚度，如图6 所示。在每个取样位置，取3 个以上不相邻的点进行测量，并求其平均值，结果如图7 所示。从图7 上可以看出，试样整体腐蚀层和镀层厚度减小，并且在3、4 号位置的减小幅度最大，说明这两个位置更容易被侵蚀。这与海底隧道内的金属件的厚度表征结果有一定差异，主要表现在1 号位置腐蚀层厚度差异，这是由于试样在盐雾实验箱内加速时和在海底隧道地面上放置所产生的腐蚀速率不相同所致。

图5 扫描电镜下腐蚀层及镀层厚度形貌Fig.5 Morphology of corrosion layer and coating thickness under scanning electron microscope

图6 镀层厚度测量取点位置Fig.6 Location of points for coating thickness measurement

图7 镀层平均厚度变化Fig.7 Changes in average thickness of coating

4.3 腐蚀寿命评价模型研究

在评价金属件失重过程中，由于试样原件自身重量差距较大，选取失重比来表征腐蚀程度，可以消除试样自重差异的影响。试样失重拟合曲线如图8所示，加速实验中的金属紧固件腐蚀速率符合幂指数规律，线性相关性超过0.98。拟合数据如表4 所示，拟合式幂指数项约为1.01，所以金属件的腐蚀速率基本以线性的方式增长。曲线未出现拐点，说明腐蚀依旧在发生，腐蚀层未产生保护作用，在腐蚀后期腐蚀速率没有降低。

图8 金属紧固件失重拟合曲线Fig.8 Weightlessness fitting curve of metal fasteners

表4 加速实验腐蚀速率拟合数据Tab.4 Fitting data on corrosion rate in accelerated test

5 总结及展望

5.1 总结

通过对高盐高湿隧道环境进行实地测量和传感器监测，对隧道环境进行总体评估。制定加速腐蚀实验模拟狮子洋隧道内的腐蚀环境，对腐蚀的环境因素、机理和腐蚀动力学特性进行分析研究。结果表明如下。

1）通过测量和计算设计加速实验环境谱，加速谱结果表明根据海底隧道调研的实地环境，其pH为7.31，潮湿等级为τ5，盐雾粒子沉降量最大达到S2 级。

2）腐蚀加速实验中腐蚀形貌的结构特征疏松，导致Cl-易渗透进未被腐蚀的钢基体，加速金属的腐蚀。腐蚀过程中锈层和镀层分别是生长和消耗的过程，随着实验时间的进行，镀层逐渐变薄，腐蚀层逐渐增厚。

3）Q235 材料在加速实验中的腐蚀速率稳定，腐蚀寿命评估模型的曲线拟合基本呈线性分布，拟合幂指数为1.01，实验进行到60 d 时，腐蚀速率没有出现下降趋势。

5.2 展望

对后续高盐高湿环境下的金属腐蚀寿命评估方法研究，提出以下展望。

1）进行加速腐蚀实验时，通过对温度、湿度及盐雾浓度进行交替的变化，更加真实的模拟现场的试验环境。

2）通过在隧道内放置相同规格的样件，进行隧道内样品腐蚀的观测，与实验室环境下的加速腐蚀实验形成对比。通过现场样品的腐蚀失重比来校核实验室环境下的试验，为后续高盐高湿环境金属腐蚀寿命评估提供依据。