張三平 武漢材料保護研究所有限公司副總工程師

    在交通運輸中，從單位運量的能源消耗對環境資源的負面效應以及運營安全、高效等多方面綜合分析，鐵路運輸優勢最為明顯。公路、鐵路、航空運輸比較，在大宗貨物長途運輸上，成本最低的是鐵路運輸。進入 21 世紀，隨著社會經濟與科學技術的快速發展，世界發達國家與新興經濟體國家重新審視和調整運輸政策，逐步規劃和發展高速鐵路。近十年來，在我國社會、經濟、科技快速發展中，高鐵是一張亮麗的名片，據統計，截止 2017 年底我國高鐵里程已突破 2.5 萬 km，占世界高鐵總量的 66.3%，高速動車組保有量達到 2100 多組，每天開行 4500 多列。快速的交通運輸就像一根根有力的供血動 脈，促進著國民經濟和社會的健康發展。

圖1 跨越國土的五縱五橫

    高速鐵路是一個精細化、可靠性要求極高的系統，集成了多學科的高端技術。由于高鐵運營的特點，動車車體材料要求輕質高強，因此大量采用先進的不銹鋼和鋁合金材料，在特殊部位如車頭更采用高強的復合材料；轉向架的構架是特別重要的高強度部件，需滿足耐磨損、易檢修等要求，多采用優質碳素鋼、低合金低碳高強度鋼、耐候鋼制造。接觸網導線材料需要保證接觸網導線與受電弓滑板之間在高速運行時具有良好的受流性能，因此要求它的使用材料必須可靠安全。無砟軌道系統，是由長鋼軌、扣件系統、軌道板、水泥瀝青砂漿、混凝土底座及凸形擋臺組成的一種新型軌道結構。高鐵鐵軌所用到的高分子減振、降噪材料多達十幾種，如聚氨酯、碳纖維復合材料、熱塑性彈性體、聚氯乙烯、硅橡膠、環氧樹脂、丁基橡膠、丁苯橡膠、三元乙丙膠等；高速運行的車體同樣需用大量的阻尼減震材料，如車窗需要用性能優異的結構膠和密封膠與車體進行連接。京津高鐵建設中使用聚脲材料超過 2000t，鋪設防護面積達95 萬 m 2 。京滬高速鐵路全長 1318km，需要聚脲彈性體涂層 2 萬 t、脂肪族 PU面層涂料 868t、PU 防水涂料 6707t。高鐵快速發展過程中，大批高性能材料與新型材料集成應用構成其研發與運營的基礎。高鐵的建設凝聚了我國六大中央企業、25 所大學、11 個研究院所、51個國家重點實驗室和國家工程中心的科技資源，數萬名科技人員組成了一支“科研國家隊”，使基礎研發到產業化生產的時間縮短了幾十年，促進了我國高端材料科學的迅速發展。

圖2 軌道及扣件腐蝕 

    我國是世界上少有的具有氣候多樣性的國家之一，氣候區域從寒溫帶（漠河）一直到赤道熱帶（南沙），還包括特有的青藏高原氣候大區。高速發展的高鐵系統，縱貫南北，橫跨東西，覆蓋了我國主要的氣候帶。最北的哈齊高鐵建在中溫帶，最南端海南環島高鐵運行在邊緣熱帶，最西計劃建設烏魯木齊--喀什高鐵將穿越暖溫帶沙漠，在青藏高原東邊有西寧—格爾木段高鐵。東南沿海從北向南重要城市均貫穿高鐵，跨越了暖溫帶、北亞熱帶、中亞熱帶、南亞熱帶。我國高鐵系統運行在多種氣候環境下，材料會受到海洋大氣、城市大氣、工業污染大氣、沙漠大氣、高原大氣環境的濕熱、低溫、強紫外線、海鹽離子及工業污染物及一些特殊地段環境因素的腐蝕、老化破壞作用。由于多種環境因素的疊加強化效應會使這種破壞作用呈指數性的加大。下面的一些高鐵材料的腐蝕案例，雖僅是極少部分的代表，但業已反映出腐蝕存在的嚴重性。

圖3 扣件腐蝕嚴重 

    高鐵動車在不同的環境下運行，材料的腐蝕是綜合因素作用的結果，高鐵的固定設施在某些特殊環境下同樣遭受了嚴重的腐蝕。在南方某隧道常年高溫高濕，局部相對濕度長期高于 95%，高鐵軌道、扣件及電纜支架運行 6 年后腐蝕非常嚴重。緊固件已銹蝕的很難拆卸，對高鐵動車的安全運行產生了嚴重影響。

圖4 電纜支架腐蝕（白銹）

    車體材料由于部位不同腐蝕差異很大，在門框部位的結構件和靠近洗手間區域（包括上下水部位）的鋁合金材料腐蝕較快；車窗的外表面粘接膠老化產生裂紋；有些部位由于隔絕材料的損壞存在電偶（不銹鋼與鋁合金）腐蝕傾向。

    為保證高鐵系統可靠安全運行，進行科學的維護管理，對使用的各類材料都要進行大量的性能檢測，包括功能性檢測、可靠性檢測、環境適應性檢測，進而對材料的使用性能和使用壽命進行科學的評估。在這些檢測中，將材料在使用（或模擬使用）環境中進行性能測試是一個不可或缺的重要方法。通過環境試驗可了解不同材料在不同環境下的腐蝕老化性能，為高鐵系統材料的使用以及系統的管理維修提供數據保障。

    針對某型號動車的幾種材料開展了在我國典型環境下的腐蝕老化試驗研究，發現了許多不被重視的現象。車頂高壓電纜接線端子材料采用紫銅鍍錫，在我國漠河低溫環境進行暴露試驗一年時間，鍍錫層大部分脫落；在沈陽工業環境暴露兩年也出現了少量的鍍錫層脫落；在其他試驗站如萬寧（高溫、高濕、高海鹽離子環境）試驗站兩年暴露后雖腐蝕（大量白銹）較嚴重，但沒有產生鍍層脫落。在低溫下，白錫轉化為灰錫（鍍錫層產生崩碎成粉末）的現象稱為錫疫。常見的金屬錫是白錫（β 錫），在低于 13.2℃開始轉變為它的同素異形體灰錫（α 錫）， 但轉變速度很慢，當溫度冷到－ 30 ～－ 40℃才達到最大的轉變速度。在漠河冬季最低溫度可達零下 40℃，在沈陽冬季最低溫度也可達零下 30℃，因此錫疫在這兩處的冬季可較快的發展。錫疫產生后鍍錫層就會較快速的分化崩脫，一方面影響其保護性能，另外由于脫落的粉末也可對接線端子的導電性產生影響。動車天南地北的運行，因此通過試驗證實這種工藝不可取，應采取其他的防護措施，保護銅不被氧化。

    動車車廂材料主要采用鋁合金材料，許多部位也使用不銹鋼材料，鋁合金焊接對于腐蝕的影響較小，而不銹鋼焊接件如不經嚴格的工藝控制或采用良好的防護措施，在沿其焊縫邊緣極易產生貧鉻區的晶間腐蝕。圖 12、圖 13 按實際制造工藝制作的不銹鋼焊接件試樣，在萬寧暴曬一年，就產生了明顯的沿焊縫的腐蝕。

    高分子材料橡膠、粘接膠在高鐵系統中大量使用，這類材料受氣候環境的老化作用也會給動車運行的安全性產生影響。為此進行環境試驗，了解高分子材料的抗老化性能。將粘接膠制成片狀試樣進行曝曬試驗，聚氨酯膠經一年的曝曬出現明顯的裂紋。在萬寧一年的時間曝曬，最大裂紋深度達 23 微米，這種裂紋破壞形式與運行 240 萬公里的側窗密封膠基本相同，但后者深度更大。

圖14 粘粘膠曝曬后的表面微觀形貌（萬寧1年）

圖15 橡膠片試樣曝曬后外觀（萬寧2年）

圖16 動車運行時的泥沙（空氣流動方向的）沾污

    由于粘接膠老化，抗拉強度、斷裂伸長率、附著力均明顯下降。經萬寧試驗站2 年曝曬，橡膠試樣的抗拉強度下降了11%。

    有機涂層是動車車廂的主要防護材料，車體外表面的涂層除受到各類環境氣候因素的腐蝕（老化）作用外，還收到泥沙的沖刷腐蝕，在西北的沙漠地區還要抵抗大風沙天氣時的沙礫的沖刷磨蝕。

    高鐵系統是一個龐大而又復雜的體系，包括運動的動車系統和固定的設施（軌道系統、電力系統、通訊系統等），要保持全系統的高效、安全運行，材料的安全服役是一個重要保證，因此科學的利用好現有的保護和維護技術，將有效的提高運行效率，降低運營成本。材料的環境適應性以及腐蝕防護從設計開始，在材料的選用上要根據具體環境因素和條件加以區別對待，通過系統的環境適用性試驗研究，充分了解各類材料的使役性能，為進行（包括大修期的）精準設計提供技術支撐。

    動車運行在多種大氣環境下，雖會考慮全區域不同環境的耐蝕性要求進行材料設計，但對于一些腐蝕嚴酷的環境中長期運行的動車，要科學的提高易腐蝕部位設備、結構材料的防腐蝕等級，如在離海岸線距離小于1 km 的海洋環境、高溫高濕環境，動車防腐蝕等級應加大。在低溫環境運行，要考慮材料的抗低溫性能；在西部沙漠環境運行的動車車體外表面涂層，要求具有較高的抗風沙沖蝕性能，在選材階段，對涂層進行抗石擊的性能測試。另外對于車體內部的一些特殊易腐蝕部位，進行防腐蝕等級分類，提高易腐蝕部位的防腐蝕措施等級。對于固定的高鐵設施，在一些服役的特殊地段，如靠近近海岸區域、在南方高溫高濕的隧道等環境，要相應提高軌道扣件、緊固件、電氣設施等材料的防腐蝕等級，環境腐蝕參照標準腐蝕等級 5 級或以上的要求進行防腐蝕設計或材料選用。

    除合理的材料選用設計，科學的維護管理對于高鐵的安全高效運行同樣是不可或缺的重要保障。據了解粘接膠的大修周期，就是一個很難確定的數據，各國都在大力研究，即使是國內外供應商也提不出準確的科學依據。大修工程量巨大，如何科學的把握更換時間，對于高鐵動車安全運行以及提高效能都是舉足輕重的大事，因此要加大各類高分子材料，特別是粘接膠材料的環境適應性的基礎研究，確定大修更換周期。加強高鐵運行材料服役性能的動態監測管理，為維護、大修提供數據支撐。每一種型號的動車均需要進行長時間的實車運行試驗，如某型號動車在海南島環島進行一年的運行試驗，發現了大量的腐蝕問題。實車運行試驗時，為檢測各系統的性能參數，使用了上千個各種探頭。加強高鐵運行材料使役性能的適時在線撿監測研究，可使高鐵系統的材料服役的性能和科學管理得到明顯的提升。我國高鐵技術已處于國際領跑地位，但對于材料服役性能的研究，如何進一步提高材料防腐蝕、抗老化的性能，還有許多問題值得系統的科學研究。

    ●  人物簡介

    張三平，研究員，武漢材料保護研究所有限公司副總工程師，特種表面保護材料及應用技術國家重點實驗室副主任，中國腐蝕與防護學會副理事長，中國建筑構件材料環境條件及環境試驗標準化技術委員會副主任委員，湖北省腐蝕與防護學會秘書長，《中國腐蝕與防護學報》、《材料保護》、《裝備環境工程》雜志編委。長期從事腐蝕與防護研究，研究領域包括環境腐蝕、金屬表面涂層及其改性、工程防腐蝕設計、腐蝕試驗標準制定、腐蝕失效分析。主持完成國家、省部級項目十余項，獲國家科技進步二等獎2項、省部級獎3項。發表論文 100 余篇。培養研究生 30 余名。2005 年獲國務院特殊專家津貼，2013 年度武漢市先進科技工作者。