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保证高速列车服役安全,车体防腐蚀也是关键

中国科学院金属研究所2021-06-06 06:40:48

  高速铁路有许多突出优点:速度高、运力大、节约能源、减少污染,安全准时等,高速铁路不仅创造了良好的经济效益,也创造了良好的社会效益。


  我国的高铁建设始于1994年的广深准高速铁路,设计速度为160 km/h。截至2007年4月,我国铁路已实施六次大范围提速,在铁路主干线累积开行了160 余组时速200 km 以上的“和谐号”高速列车。


  2004年1月,,确定中国铁路网中长期建设目标:到2020年,时速200 km以上的高速客运专线总里程超1.6万公里,形成分布全国的“四纵四横”客运线。如此大范围的高速铁路布局,必将对高速列车的服役安全提出严峻的挑战。


  在那么多影响高速列车安全的因素中,您是否想到过车体腐蚀对列车安全的影响呢?那么就让我们来说说高速列车的车体。


图1 和谐号高速列车


  我国及世界上绝大多数高速列车都选用铝合金作为车体材料。因为铝合金具有比重小、比强度大、耐蚀性好、低温性能好等优点,作为结构材料在轨道列车车体中有大量应用。


  铝合金用于高速列车源于20世纪70年代,当时轨道车辆广泛使用了Al-Mg(铝-镁)系的5000系铝合金(主要牌号为5083),这种材料由于含镁量高,导致挤压性差,难以制造薄壁型材。


  随着车体技术的发展,高速列车采用了Al-Zn-Mg(铝-锌-镁)系的7000系铝合金(主要代牌号为7N01),此合金的优点是强度高,挤压加工性能和焊接性能好,可以挤压壁比较薄的大型宽幅型材,主要用于日本高速列车车体。


  随着铝型材挤压技术的进一步发展,以及车辆轻量化的需求,高速列车采用了Al-Mg-Si(铝-镁-硅)系的6000系铝合金(主要代牌号为6005A),主要用于欧洲的高速列车车体。


  目前我国现役高速列车用铝合金主要为欧系的6005A和日系的7N01。


  铝和铝合金化学性质很活泼,但由于它能与环境中的氧生成致密的氧化膜,所以耐蚀性比普通钢材好得多。但当铝合金用在高速列车上时,含有腐蚀介质的水会破坏氧化膜,因而受到一定的腐蚀,这里水的来源包括:飞溅、大气凝结、停车时地面蒸发的水,等等。


  铝合金的腐蚀是一个很复杂的过程,既受环境影响,又与合金的性质有关,在我国高速列车铝合金车体中腐蚀形式包括:均匀腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等。


图2 某铝合金型材焊缝处腐蚀形貌照片


  铝合金的防腐蚀方法有很多,其中最常用的措施是施加防腐涂料,将铝合金基体与外部环境进行有效的隔离。由于服役的环境条件存在差异,例如干燥风沙环境、沿海潮湿海洋气氛环境、工业酸雨环境等等,不同环境条件下材料的损伤速度显著不同,对材料的要求存在明显差异。典型的防腐涂料为环氧树脂类底漆,具有耐水性好、对基体附着力强、与多种涂料配套性好等优点而得到广泛应用,例如美国海军在铝壳艇中使用的就是双组分的环氧底漆。可见使用涂料后起到了较好的耐蚀效果。我国研发出了先进的纳米复合涂料技术,经过评定优于现役涂层,特别是能适应不同的地域环境,有待尽快推广应用。


图3 盐雾环境100小时后,(a) 铝合金基体,(b)施加环氧底漆后


  高速列车的服役安全性关系到每个人的生命财产的安全,因此显得尤为重要。目前人们已意识到了腐蚀对铝合金的危害。为了列车更快、更安全的运行,必须针对铝合金的具体腐蚀现状及潜在的腐蚀问题进行深入研究,特别是需要系统研究铝合金及其防护涂料技术在不同服役环境条件下的腐蚀损伤行为与规律,建立安全分析与寿命评价模型,以实现列车的安全服役评价与寿命预测,并采取多种新技术、新材料来进行有效控制,以保障铝合金车体的服役安全性。



原作者:中国科学院金属研究所 周宇