钢铝复合导电轨防腐技术研究

张峰

【摘 要】越来越多的城市轨道交通采用钢铝复合导电轨供电，但在青岛、深圳等沿海城市，钢铝复合导电轨处于近海洋环境中，盐雾成为金属锈蚀的最主要原因，会大大影响钢铝复合导电轨的运行性能和使用寿命，解决在海洋环境中钢铝复合导电轨的防腐问题，就成了当务之急。本文重点对刚铝复合导电轨防腐涂料的选用、铝合金轨体及附件防腐措施以及防腐后复合导电轨温升的影响等方面进行了阐述。

【关键词】刚铝复合导电轨;防腐涂料;技术方案;盐雾试验;温升分析计算

一、前言

越来越多的城市轨道交通采用钢铝复合导电轨供电，其优点是传输电流大、可靠性高、使用寿命长，综合经济性好、运行维护简单、不影响沿线景观等等。但在青岛、深圳等沿海城市，钢铝复合导电轨处于近海洋环境中，盐雾成为金属锈蚀的最主要原因，会大大影响钢铝复合导电轨的运行性能和缩短使用寿命。按照ISO12944国际标准的环境分类，青岛地铁R3线所处环境为C-4类，属于中等盐雾度的沿海地区，采用具有防腐性能的钢铝复合导电轨就显得尤为必要。在北京、武汉等非沿海城市钢铝复合导电轨只要磨耗小于0.05mm/70万次，寿命可达30年甚至60年。但在C-4类海洋环境中，采用1Cr17不锈钢的钢铝复合导电轨经过50g/L氯化钠盐雾试验（按《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》GB/T 10125-2012规定）120小时钢面和铝合金轨体就已经腐蚀，1000小时的盐雾试验后铝合金轨体腐蚀超过了30%。试验表明，这种钢铝复合导电轨在海洋C-4环境中的使用寿命将大大缩短，因而解决在海洋环境中使用钢铝复合导电轨的防腐问题，就成了当务之急。防腐钢铝复合导电轨研究的目标就是要保证其在海洋环境下使用寿命达到60年。

二、涂料防腐机理

金属腐蚀可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是金属与环境介质直接发生化学作用而产生的损坏，在腐蚀的过程中没有电流生成。电化学腐蚀是具有不同电极电位的两种金属（点）直接接触连通，加之有电解质居于二者之间形成腐蚀原电池闭合回路，而产生的腐蚀，在腐蚀的过程中有电流产生。防止电化学腐蚀的措施，对于钢铝复合导电轨就是要阻断二者之间的电解质的连接。

防腐涂料层可以阻隔酸、碱、盐与被涂物体的接触，从而防止被涂金属的锈蚀。防腐涂料的底漆与被涂金属表面粘着性好，例如中航材料院的环氧改性涂料，用于国产飞机，在强大的气流扰动力作用下，涂层毫无剥离。钢铝复合轨使用过程中仅有轻微的振动，加速度小于0.3g，这比飞机振动加速度3～5g就要小10倍，所以采用中航材料院的环氧改性涂料，可以保证涂层长久的粘着性，在预期寿命周期内涂层不会剥离。

在防腐涂料的底漆中加金属锌粉末，可起阴极保护作用，这也是继涂层阻隔作用外的又一层保护重要作用。无机硅酸锌底漆是一种无机富锌涂料，可与面漆配合使用，也可作为单涂层防护材料。超硬耐磨、施工方便、不龟裂、能抵御恶劣海洋环境的侵蚀，适用于船体、海洋平台等C-4或C-5，M等高盐度海洋环境。该涂层符合SSPC（美国钢结构涂装协会）和NACE（美国国家腐蚀工程师协会）的相关标准，在5000小时的盐雾试验、4000小时的耐老化试验等多项严酷试验后保持了优异的性能。

FEVE树脂在氟烯烃的基础上引进了溶解性官能团、附着性官能团、交联固化官能团、促进流变性官能团，秉承了氟树脂所有的优良品质，使得氟碳涂料的应用领域扩大到了塑料、玻璃钢等不耐高温的材料上，尤其适合超长铝合金轨体的防腐处理。基于FEVE树脂开发的828氟碳涂料是一种双组分涂料，施工方便，具有超长的户外耐候性、保光性、保色性和耐污染性，漆膜坚韧、耐磨损、耐碰撞，耐候性更好，可经受人工加速老化6000小时，耐盐雾试验4700小时，可以喷涂、辊涂，使用方便，其与环氧底漆或无机硅酸锌底漆相容性好，附着力强，各项性能指标超过GB5237.5-2008国家标准。在828氟碳涂料基础上的改性，则是在其乳液中添加金属铝粉，其抗老化性能有很大提高，具有超长耐久性，其寿命可达60年至80年。

三、技术方案

钢铝复合导电轨本体由不锈钢受流面层和铝合金轨体两部分和相关配件组成。防腐钢铝复合导电轨的技术难点在于铝合金轨体的防腐。

1、不锈钢材质及相关配件的防腐

试验表明，通常不锈钢受流面采用的1Cr17不锈钢耐腐蚀性能较差。国内外大量实例证明，00Cr17Ni14Mo2不锈钢可耐受4000小时50g/L氯化钠盐雾试验，有优良的耐腐蚀性能。不锈钢受流面层采用00Cr17Ni14Mo2钢，在C-4海洋环境中寿命可达60年的要求。钢铝复合导电轨附件中，膨胀接头中的铜材料零部件采取镀锡工艺可有效延长寿命;紧固标准件一律采用00Cr17Ni14Mo2不锈钢材料制造;电缆连接板的镀铜过渡段再镀锡;鱼尾板和锚结接头的防腐采用与铝合金轨体相同的防腐措施;钢铝复合轨的绝缘支架与罩壳也采取耐老化的防腐涂层。

2、铝合金轨体的防腐

铝合金轨体通常通过阳极化处理在表面形成一层具有一定防腐性能的氧化铝防锈层，但这种防锈层存在两个问题：

1）氧化铝防锈层的导电率很低，经过阳极化处理的铝合金轨体与不锈钢复合后，钢铝之间接触电阻明显增大，铝合金轨体中间的电流难以通过不锈钢表面传给电力机车的受流器，不利于钢铝复合导电轨导电;

2）如果轨顶面层不锈钢与铝合金轨体先复合后，再阳极化处理，则酸液容易残留在夹层里，反而增加了腐蚀，也是不可行的。

对铝合金轨体防腐涂层的选择要从两方面考虑：（1）要有优良的防腐性能，又具有长期稳定的耐老化性能。例如，通常采用的聚氨酯類和环氧类涂料防腐性能很好，但耐老化性能不足，它们的寿命只能在15年以内，满足不了运用要求;（2）要能实现15m/根钢铝复合轨的批量生产的工艺要求。例如，采用高温固化的四氟类或PVDF氟碳涂料综合物理性能特好，但整个涂敷工艺比较复杂。

经综合技术经济比较，刚铝复合导电轨采用如下防腐方案：

（1）铝合金轨体的防腐涂料底漆采用环氧类改性涂层，面漆采用FEVE类828氟碳涂料;端部弯头是钢铝复合导电轨轨体的延伸产品，也采用同样的处理方案。

（2）钢铝复合导电轨的所有附件普通接头、锚结接头、膨胀接头等均需做防腐处理，铝合金材料喷涂环氧富锌底漆后再喷涂FEVE氟碳涂料，铜件镀锡，紧固件采用00Cr17Ni14Mo2不锈钢。

（3）玻璃钢制作的绝缘支架和罩壳也喷涂氟碳涂料。

（4）在地铁现场安装后的防腐处理：在各附件与钢铝复合轨的结合处和普通接头的鱼尾板周围喷涂氟碳涂料，接缝处密封处理，防止普通接头和各附件交接处的腐蚀往接缝深处渗透，使钢铝复合导电轨供电系统处于完全的防腐保护之中。

该方案采用氟碳涂料的原因是其耐高温特性，因为钢铝复合轨在连续通过3000A或4000A电流时有30～45℃的温升，轨温达85℃，而氟碳涂料可耐+230℃高温。

四、防腐性能试验

防腐钢铝复合轨样品送铁道部产品质量监督检验中心接触网零部件检验站按国家标准《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》GB/T 10125-2012进行检测。分别对120小时、360小时、500小时及1000小时样品取出进行试样对比。

铁道部产品质量监督检验中心接触网零部件检验站的试验报告（2013JCW字第W-1107号）指出，对比样品在经过1000小时50g/L，35℃环境盐雾试验，未经防腐处理的样品“铝面有30%面积出现腐蚀”，有防腐涂料的样品“未见明显腐蚀痕迹;涂颜色变淡”。

盐雾试验结果表明，刚铝复合导电轨的防腐涂料选配、组分匹配及防腐涂层涂敷固化等处理工艺，效果良好，使用寿命可以预期达到60年。

五、防腐钢铝复合导电轨的温升分析

防腐钢铝复合导电轨的铝合金表面的防腐涂料会消除钢铝复合导电轨的热辐射作用，本文的计算和分析表明喷涂防腐涂料对防腐钢铝复合轨温升的影响很小，而影响最大的是防腐钢铝复合轨所处环境的风速（高架上的温升比隧道中小得多）。

无防腐涂层的钢铝复合导电轨在青岛R3线下述条件下的温升作如下计算：

条件：电流I=3000A，4小时内温升后达温度平衡。Z=4小时

铝轨截面积F1=3915mm2=0.003915 m2

铝轨重量M=10.57kg/m×15m=158.55kg

铝轨总电阻R=8.4μΩ/m×15m=126μΩ

基准温度t1=20℃

由試验得知温升后的平衡温度t2=42℃

铝轨有效散热周长401mm，铝轨长度δ=15m

铝轨散热面积F=0.401×15m=6.015 m2

1、电热：由持续电流通过铝轨而产生的热能Q1

Q1=0.24 I² RZ

=0.24×3000²×126×10-6×4×3600=3919KC

2、热导：由铝轨向二端传导的热能Q2

Q2=λF1Z（t2- t1）/δ

=200×0.003915×4×60×（42-20）/15=276KC

3、散热：通过与铝轨表面空气对流带走的热能Q3

Q3=FZ（t2- t1）X

=6.015×4×（42-20）×（5+4×0.1）=2858 KC

上式中X为风速系数X=5+4W，隧道中为零级风，W=0.1m/s

4、热辐射：由铝轨外表面向外辐射的热能Q4

Q4=C1F[（T01/100）4-（T02/100）4]

上式中铝合金的热辐射系数为C1，C1=1.0

绝对温度零度的绝对值为273

5、吸热：铝轨本身吸收的热能Q5

Q5=CM（t2- t1）

=0.23×158.55×（42-20）=802KC

上式中铝合金的吸能系数为C，C=0.23

6、被消耗的总热能Q6

Q6= Q2+ Q3+ Q4+ Q5

=276+2858+149+802=4085KC

由上述计算进一步分析可看出三点：

防腐涂料会使钢铝复合轨的热辐射作用消失，Q4没被消耗掉。但Q4/Q6=149/4085=3.65%，热辐射能量与被消耗的总热能之比很小，反之说明防腐涂料最多能仅使温升增加3.7%，温升K值增加0.8℃，影响很小。

被消耗的总热能Q6与电热Q1接近，Q6≥Q1，4085KC略大于3919KC，说明在温升22℃后，钢铝复合轨的温度在42℃处于平衡状态。在环境温度达+40℃时钢铝复合轨的温度不会超过62℃，喷涂防府涂料后也不会超过63℃。对于青岛R3线而言，夏天钢铝复合轨不会超过58℃，远远低于钢铝复合导电轨的行业标准（CJ/T414-2012）所要求的+85℃。

散热能量Q3在被消耗的总热能Q6中比重最大，Q3/Q6=2858/4085=70%，而Q3又受风速W影响很大，在青岛R3线的高架上，平均有4级风，风速W=6.5m/s，此时温升K值为：

上式说明在高架上有风时温升很小，4级风时温升K值小于4℃。

结论：在青岛R3线钢铝复合导电轨喷涂防腐涂料对温升的影响很小，高架上的风会使钢铝复合轨的温升大大降低。

六、应用前景及社会经济效益

防腐钢铝复合导电轨产品的研发和生产满足了我国城市轨道交通发展的需求，也扩大了企业的产品范围。钢铝复合导电轨的防腐技术，能够减少更换维修次数，增强安全使用性能，在国家矿产资源紧张的情况下，更有效节约原材料铝合金轨体的使用及浪费，降低城市轨道交通运用工程中的维护成本。按全国7个沿海城市将建设城市轨道交通，若每个城市有3条线路处于C-4海洋环境中、每条线路采用70公里防腐钢铝复合导电轨计算，约需投入15亿元，若采用无防腐的普通钢铝复合导电轨，在今后60年中将更换3次，需要增加总投入45亿元。防腐钢铝复合导电轨的生产技术、产品的生产过程无污染物产生，对生态环境不存在危害，符合环保要求。对我国城市轨道交通行业将会产生巨大的社会及经济效益。

参考文献：

[1]CJ/T 414-2012 城镇建设行业产品标准《城市轨道交通钢铝复合导电轨技术要求》.2013.4

[2]李雷 钢铝复合导电轨分析 《城市轨道交通研究》.2008.9

[3]ISO12944-5-2007 色漆和清漆 防护漆体系对钢结构的腐蚀防护 第5部分 防护漆体系

[4]张宝宏 金属电化学腐蚀与防护化学工业出版社

[5]刘卫强，李相泉.钢铝复合接触轨系统概述[ J].铁道标准设计.2007.10 [ 6]胡杰.有机氟材料的结构与性能及其在涂料中的应用[J].高分子通报 2003.27

（作者单位：中铁二十三局集团有限公司）