广深港客专狮子洋隧道照明系统改造防腐措施的探讨

廖芳芳

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

1 概述

广深港客专狮子洋隧道位于广深港客运专线庆盛站至虎门站区间，穿越珠江入海口，河面宽度6 100 m(含2个江心洲总宽1 770 m)，隧道建筑全长10.8 km，为单线双通道隧道，隧道在海底30 m左右，呈东西走向。狮子洋隧道被定义为世界上目标难度值大、总长度长、标准高、国内盾构一次性单机推进最长的水下隧道[1]。自2011年12月26日开通至今，隧道内开始出现海水渗漏现象，狮子洋隧道内照明供电系统的设备[2]，包括低压电缆、隧道照明灯具、管线、开关以及隧道内照明配电箱、控制箱、按钮箱、EPS电源柜及远动RTU箱等电气照明设备腐蚀严重，大大降低了隧道电力供电系统的可靠性，危及行车安全。

2 隧道内环境因素调查

狮子洋隧道内常年渗水、通风不足，采用阳沟排水系统。隧道内空气湿度长期保持在95%～100%，潮湿空气及水分中含有大量海盐、酸、碱物质，从而导致隧道内形成潮湿、盐、腐的恶劣环境，由于隧道内纵面为“V”形结构，潮湿、腐蚀空气、水分常年积聚，使得隧道中部区段更为严重，设备运行环境极为恶劣。图1为狮子洋海底隧道运行环境分布。

图1 狮子洋海底隧道运行环境分布

狮子洋隧道内的气候为典型的海洋大气和工业大气的混合大气，这种大气类型既有海洋大气所具有的特征，又有工业大气多污染物的特征[3]。这种环境下，金属腐蚀速度比单纯的海洋大很多。同时通过现场对狮子洋隧道大气成分、水样成分、表面沉积物等采样与分析，初步判定隧内为碱性腐蚀。而减缓腐蚀的主要措施有：(1)选用耐腐蚀材料；(2)采用覆盖涂层[4-5]防护；(3)降低环境相对湿度[6]。通过对腐蚀原因的分析，找出既有照明供电设施腐蚀的原因，以便制定防腐改造控制措施，是本次改造重点。

3 既有照明供电设备现状调查与分析

既有狮子洋隧道南、北出口有低压所各1座，隧道内联络洞室18个，电力箱变3台，应急照明灯1 066盏，疏散指示灯872盏，各类缆线加起来162 km(低压控制电缆21.6 km，低压电缆75.6 km，贯通电缆64.8 km)。各设备现状具体如下。

(1)隧道内设备箱体、灯具及管道等金属附件锈蚀、脱落。

隧道内疏散指示灯的线管出现大范围的锈蚀，严重的已经松脱。隧道灯具出现驱动电路短路、反光板锈蚀。隧道照明开关箱体腐蚀尤为严重，金属部件出现脆化脱落，失去原有的硬度，导致在隧道风压作用下出现松脱。主要原因一是由于隧道内的既有箱(柜)外壳材质是压铸铝、冷轧钢及铁质等，这些材质都没有较好的化学稳定性，且制作及组装工艺没有考虑在隧道潮湿、高盐的环境下，其材质与水、盐产生化学反应，导致氧化腐蚀；二是由于箱体、线管及固定件都是紧贴隧道壁及地面安装，但由于隧道渗水严重，导致隧道壁及地面受海水的浸泡及冲刷，从而造成金具加速氧化锈蚀，导致箱体脱落、垮塌。隧道照明灯具由于密封等级达不到相关要求，或在维修中需拆卸灯具引起密封性能降低，导致光源室及电器室进水或潮湿，引起驱动电路短路、反光板锈蚀而出现质量问题。

(2)低压电缆线路绝缘下降，短路或接地无法供电。

由于隧道洞室内积水，设备大面积腐蚀，各类缆线槽内积水、脏污严重。狮子洋隧道既有照明系统电缆其敷设方式分为挂墙明敷设及电缆沟内敷两种，如电缆沟排水不及时，时常会浸泡在含盐成分较高的海水中，造成电缆腐蚀严重。根据近年电缆缺陷处理情况分析，其主要原因：一是电缆驳接头、接线盒在隧道壁渗水及电缆沟水中浸泡导致受潮、渗水造成线路短路；二是电缆外皮破损后，水分渗入电缆内部，使电缆绝缘性能下降，导致短路、接地。

(3)电气元件及板件故障，控制回路瘫痪。

隧道潮湿腐蚀的空气对控制开关及板件的影响也尤为严重，潮湿的空气造成接触器及电路板等短路，使得控制回路瘫痪。主要原因：一是由于配电箱(柜)体密封性较低，或在维修中拆卸箱门引起密封性能降低，导致内部元件进水或潮湿，潮湿的空气在箱内形成凝露，造成开关、接触器等元件短路；二是由于配电箱(柜)内设备发热使箱内空气中的盐分及杂质烘干后，形成海盐及金属的粉尘，依附在各类板件上，导致板件故障。

4 照明系统改造的防腐措施

根据对隧道内既有照明供电设备现状调查与分析，针对广深港狮子洋隧道高潮湿、高盐分、强腐蚀等特点，对隧道照明灯具、配电箱(柜)等设备材料进行优化，选择适应耐高湿、高盐环境的电气箱体结构材料；对隧道照明电力电缆、开关和管线进行改造，选择适应于在隧道潮湿、海水运行环境，以保障狮子洋隧道照明系统设备可靠、安全运行。

(1)全面更新设备材质，提高设备防腐能力

结合广深港所处的大气实际情况，选择满足实用要求的设备外壳材质、加工工艺及表面处理，提高其耐蚀性能。为改善设备外壳材质防腐蚀能力较低的缺陷，选用目前金属中防腐能力十分优秀的材料—316L不锈钢[7-8]，更换既有电源箱、控制箱、按钮箱、插座箱及EPS柜等箱体；并在不锈钢的箱体加喷涂船舰漆[9-10]；安装时，加装支架(不锈钢材质)及基础(混凝土)，使箱体与墙壁、地面隔开，防止海水冲刷、浸泡。316L不锈钢为奥氏体不锈钢，是一种超低碳不锈钢[11]，其化学成分见表1。

表1 316L不锈钢的化学成分 %

由于316L不锈钢含碳量极微，且比一般304不锈钢中多了Mo(钼)元素，其抗腐蚀能力更加优越。同时加喷船舰漆具有良好的附着力和耐水性、耐化学品及腐蚀性，长期用于在条件苛刻的海洋环境下，具有长效防腐的寿命。

(2)应用抗氧化工艺，提升设备使用寿命

由于灯具难以用不锈钢材质制作，而一般压铸铝的抗氧化能力差，因此，在新灯具的制作工艺上，需采用防氧化工艺——氧化铝，对狮子洋隧道应急照明灯及疏散指示灯的灯具表面加一层氧化铝薄膜，从而隔绝水和空气中的腐蚀物对铝材的腐蚀。氧化铝(Al2O3)的作用能起到防止金属铝继续氧化作用，在铝制品的表面加一层氧化铝膜，可以防止铝材的进一步氧化，从而起到防氧化的作用。

(3)提高电缆线路绝缘性能，加强电缆防潮抗腐蚀能力

一是改良施工安装工艺，将疏散指示灯电缆中间不进行T接，将进、出电缆直接在灯具内驳接，从而减少疏散指示灯电缆分接盒短路的现象； 二是采用电缆预分支电缆头，根据现场安装需要，由厂家直接生产出含预分支的一体电缆，从而取消了应急照明灯分接盒； 三是尝试使用新型防水电缆，采用海洋电缆技术，在新电缆中增加一体压制的铅护层，防止电缆破损后水分直接渗入电缆内部，从而提高电缆防潮抗腐能力。铅护层材质为惰性金属，耐腐蚀性能十分优异，常用来做海底电缆防水防腐层，同时作为金属具有导电性能，电缆标准结构中也常用来做金属屏蔽层代替铜带，通过增加厚度提高导电率达到铜带相同电阻水平。新电缆中增加电缆铅护层，一是铅具有良好的抗腐蚀能力，有良好的化学稳定性；二是一体压制的铅护套可以防止水分的渗入，起到隔绝水分的作用，同时在铅护套与不锈钢铠带之间设置隔离套，隔离铅套和不锈钢带，防止铅套和不锈钢带之间发生电化学腐蚀，新型防水电缆结构如图2、图3所示。

图2 0.6/1 kV低压新型防水电缆结构

图3 10 kV中压新型防水电缆结构

(4)采用合理的防腐设计，对产品进行合理的结构设计和工艺设计，以减少产品的腐蚀

①对各配电箱(柜)进行合理的结构设计和工艺设计，改善电气元件、板件运行环境，以减少产品的腐蚀；狮子洋隧道既有开关箱(柜)均为IP65箱内敞开式设计，再加上日常使用及检修的反复开关箱门，使原有的防水胶圈逐渐失效，从而降低其密封性；因此，新制作箱体采用双层结构——分为操作室和元件室，操作室与元件室是单独隔开，同时将箱体的防护等级提升至IP67，进一步保证了元件室的密封性，降低了电气元件及电子板件受潮渗水的几率。同时在各配电箱(柜)放置气相缓蚀剂，其具有足够高的蒸气压，在常温下有一定挥发性，能很快充满配电箱(柜)，在金属表面上形成吸附膜，从而阻滞金属的腐蚀过程，起到防腐蚀的作用。

图4为新制作箱体结构。

图4 隧道内新型箱体结构

②针对目前灯具密封等级达不到相关要求或在维修中需拆卸灯具引起密封性能降低，导致光源室及电器室进水或潮湿，引起驱动电路短路、反光板锈蚀而出现质量问题，对隧道照明灯具的结构进行合理防腐设计。对隧道照明灯具结构采用光源室和驱动电路室相互独立结构，两腔室均须满足IP65防护等级，灯具外挂接线盒，与主电源连接。对疏散指示灯要求采用立体三角形结构。两个光源面相互对立，两个光源面采用前开方式，在维修中更换芯片、驱动电源及面板玻璃时不拆卸灯具主体；灯具及接线盒与三角形结构一体化。线缆进入灯具提供密封措施。

(5)设计新照明系统，减少设备容量及数量，实行良好的维护管理[12]

原狮子洋隧道照明灯为50 W无极照明灯，其电源取隧道内5处变电所(箱变)接引隧道照明电源，并在隧道的18个洞室中设置了电源及控制等开关设备(500 m控制范围)，存在设备多，维护工作量大的问题；若将照明灯改用25 W的LED照明灯[13-15]，一方面照明系统的负荷容量降低一半，同时低压供电电缆截面积[16]也可以减小一半，另一方面，由于每段供电范围的容量减半，意味着同样容量的开关可供电的范围加大，将原每个洞室单侧500 m控制范围，可扩大为两侧1 500 m的控制范围，这样隧道照明洞室内的设备将减少75%，大大减少了设备数量和日常维护工作量，实行良好的维护管理。

5 结语

根据狮子洋隧道这种海洋和工业混合大气环境，通过对既有照明供电设备腐蚀原因的调查与分析，制定相应的腐蚀控制措施。

(1)根据使用的环境，正确地选用合适耐腐蚀金属材料并加涂料涂装的方法提供抗腐蚀能力——对各照明系统配电箱(柜)材质选择方面采用316L不锈钢并加喷涂船舰漆。

(2)对照明灯具表面，在基材上施加适合的保护涂层——对狮子洋隧道照明灯及疏散指示灯的灯具表面加一层氧化铝薄膜。

(3)对于隧道电力电缆，施加耐蚀性较好的涂层——在电力电缆中增加铅护套，提高电缆防潮抗腐能力。

(4)产品合理的防腐设计——对各配电箱采用双层结构；对照明灯具结构采用光源室和驱动电路室相互独立结构。

(5)实行良好的维护管理，对隧道的照明供电及控制系统进行改造，整个隧道以变电所供电半径为界划分各照明控制段，以减少控制开关和电源设备，大大减少了设备数量和日常维护工作量，实行良好的维护管理。

以上防腐蚀控制措施在狮子洋隧道K2336+019.4～K2337+629段隧道照明系统改造工程得到应用，实施效果显著，可为今后类似环境下的隧道照明系统防腐蚀控制措施提供借鉴和参考。

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