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(huán)境資源的負(fù)面效應(yīng)以及運營安全、高效等多方面綜合分析，鐵路運輸優(yōu)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(jì)，隨著社會經(jīng)濟與科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，世界發(fā)達國家與新興經(jīng)濟體國家重新審視和調(diào)整運輸政策，逐步規(guī)劃和發(fā)展高速鐵路。近十年來，在我國社會、經(jīng)濟、科技快速發(fā)展中，高鐵是一張亮麗的名片，據(jù)統(tǒng)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(jīng)濟和社會的健康發(fā)展。

圖1 跨越國土的五縱五橫

    高速鐵路是一個精細(xì)化、可靠性要求極高的系統(tǒng)，集成了多學(xué)科的高端技術(shù)。由于高鐵運營的特點，動車車體材料要求輕質(zhì)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(fù)合材料；轉(zhuǎn)向架的構(gòu)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(yōu)質(zhì)碳素鋼、低合金低碳高強度鋼、耐候鋼制造。接觸網(wǎng)導(dǎo)線材料需要保證接觸網(wǎng)導(dǎo)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(tǒng)，是由長鋼軌、扣件系統(tǒng)、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(jié)構(gòu)。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(fù)合材料、熱塑性彈性體、聚氯乙烯、硅橡膠、環(huán)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(yōu)異的結(jié)構(gòu)膠和密封膠與車體進行連接。京津高鐵建設(shè)中使用聚脲材料超過 2000t，鋪設(shè)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(fā)展過程中，大批高性能材料與新型材料集成應(yīng)用構(gòu)成其研發(fā)與運營的基礎(chǔ)。高鐵的建設(shè)凝聚了我國六大中央企業(yè)、25 所大學(xué)、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(shù)萬名科技人員組成了一支“科研國家隊”，使基礎(chǔ)研發(fā)到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的時間縮短了幾十年，促進了我國高端材料科學(xué)的迅速發(fā)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(qū)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(qū)。高速發(fā)展的高鐵系統(tǒng)，縱貫?zāi)媳保瑱M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(huán)島高鐵運行在邊緣熱帶，最西計劃建設(shè)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(tǒng)運行在多種氣候環(huán)境下，材料會受到海洋大氣、城市大氣、工業(yè)污染大氣、沙漠大氣、高原大氣環(huán)境的濕熱、低溫、強紫外線、海鹽離子及工業(yè)污染物及一些特殊地段環(huán)境因素的腐蝕、老化破壞作用。由于多種環(huán)境因素的疊加強化效應(yīng)會使這種破壞作用呈指數(shù)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(yè)已反映出腐蝕存在的嚴(yán)重性。

圖3 扣件腐蝕嚴(yán)重 

    高鐵動車在不同的環(huán)境下運行，材料的腐蝕是綜合因素作用的結(jié)果，高鐵的固定設(shè)施在某些特殊環(huán)境下同樣遭受了嚴(yán)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(yán)重。緊固件已銹蝕的很難拆卸，對高鐵動車的安全運行產(chǎn)生了嚴(yán)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(jié)構(gòu)件和靠近洗手間區(qū)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(chǎn)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(tǒng)可靠安全運行，進行科學(xué)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(huán)境適應(yīng)性檢測，進而對材料的使用性能和使用壽命進行科學(xué)的評估。在這些檢測中，將材料在使用（或模擬使用）環(huán)境中進行性能測試是一個不可或缺的重要方法。通過環(huán)境試驗可了解不同材料在不同環(huán)境下的腐蝕老化性能，為高鐵系統(tǒng)材料的使用以及系統(tǒng)的管理維修提供數(shù)據(jù)保障。

    針對某型號動車的幾種材料開展了在我國典型環(huán)境下的腐蝕老化試驗研究，發(fā)現(xiàn)了許多不被重視的現(xiàn)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(huán)境進行暴露試驗一年時間，鍍錫層大部分脫落；在沈陽工業(yè)環(huán)境暴露兩年也出現(xiàn)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(huán)境）試驗站兩年暴露后雖腐蝕（大量白銹）較嚴(yán)重，但沒有產(chǎn)生鍍層脫落。在低溫下，白錫轉(zhuǎn)化為灰錫（鍍錫層產(chǎn)生崩碎成粉末）的現(xiàn)象稱為錫疫。常見的金屬錫是白錫（β 錫），在低于 13.2℃開始轉(zhuǎn)變?yōu)樗耐禺愋误w灰錫（α 錫）， 但轉(zhuǎn)變速度很慢，當(dāng)溫度冷到－ 30 ～－ 40℃才達到最大的轉(zhuǎn)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(fā)展。錫疫產(chǎn)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(dǎo)電性產(chǎn)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(yīng)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(jīng)嚴(yán)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(chǎn)生貧鉻區(qū)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(chǎn)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(tǒng)中大量使用，這類材料受氣候環(huán)境的老化作用也會給動車運行的安全性產(chǎn)生影響。為此進行環(huán)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(jīng)一年的曝曬出現(xiàn)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(cè)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(jīng)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(huán)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(qū)還要抵抗大風(fēng)沙天氣時的沙礫的沖刷磨蝕。

    高鐵系統(tǒng)是一個龐大而又復(fù)雜的體系，包括運動的動車系統(tǒng)和固定的設(shè)施（軌道系統(tǒng)、電力系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等），要保持全系統(tǒng)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(xué)的利用好現(xiàn)有的保護和維護技術(shù)，將有效的提高運行效率，降低運營成本。材料的環(huán)境適應(yīng)性以及腐蝕防護從設(shè)計開始，在材料的選用上要根據(jù)具體環(huán)境因素和條件加以區(qū)別對待，通過系統(tǒng)的環(huán)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(zhǔn)設(shè)計提供技術(shù)支撐。

    動車運行在多種大氣環(huán)境下，雖會考慮全區(qū)域不同環(huán)境的耐蝕性要求進行材料設(shè)計，但對于一些腐蝕嚴(yán)酷的環(huán)境中長期運行的動車，要科學(xué)的提高易腐蝕部位設(shè)備、結(jié)構(gòu)材料的防腐蝕等級，如在離海岸線距離小于1 km 的海洋環(huán)境、高溫高濕環(huán)境，動車防腐蝕等級應(yīng)加大。在低溫環(huán)境運行，要考慮材料的抗低溫性能；在西部沙漠環(huán)境運行的動車車體外表面涂層，要求具有較高的抗風(fēng)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(nèi)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(shè)施，在一些服役的特殊地段，如靠近近海岸區(qū)域、在南方高溫高濕的隧道等環(huán)境，要相應(yīng)提高軌道扣件、緊固件、電氣設(shè)施等材料的防腐蝕等級，環(huán)境腐蝕參照標(biāo)準(zhǔn)腐蝕等級 5 級或以上的要求進行防腐蝕設(shè)計或材料選用。

    除合理的材料選用設(shè)計，科學(xué)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(jù)了解粘接膠的大修周期，就是一個很難確定的數(shù)據(jù)，各國都在大力研究，即使是國內(nèi)外供應(yīng)商也提不出準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。大修工程量巨大，如何科學(xué)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(huán)境適應(yīng)性的基礎(chǔ)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(tài)監(jiān)測管理，為維護、大修提供數(shù)據(jù)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(huán)島進行一年的運行試驗，發(fā)現(xiàn)了大量的腐蝕問題。實車運行試驗時，為檢測各系統(tǒng)的性能參數(shù)，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(jiān)測研究，可使高鐵系統(tǒng)的材料服役的性能和科學(xué)管理得到明顯的提升。我國高鐵技術(shù)已處于國際領(lǐng)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(tǒng)的科學(xué)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(yīng)用技術(shù)國家重點實驗室副主任，中國腐蝕與防護學(xué)會副理事長，中國建筑構(gòu)件材料環(huán)境條件及環(huán)境試驗標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會副主任委員，湖北省腐蝕與防護學(xué)會秘書長，《中國腐蝕與防護學(xué)報》、《材料保護》、《裝備環(huán)境工程》雜志編委。長期從事腐蝕與防護研究，研究領(lǐng)域包括環(huán)境腐蝕、金屬表面涂層及其改性、工程防腐蝕設(shè)計、腐蝕試驗標(biāo)準(zhǔn)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(fā)表論文 100 余篇。培養(yǎng)研究生 30 余名。2005 年獲國務(wù)院特殊專家津貼，2013 年度武漢市先進科技工作者。