納米材料在牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

李明照，馬金芳，王祥宇，楊 蓮，武玉傳

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納米材料在牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用探討

李明照，馬金芳，王祥宇，楊 蓮，武玉傳

針對牽引供電系統(tǒng)設(shè)備及零部件運(yùn)營一段時間后出現(xiàn)腐蝕銹損現(xiàn)象，提出采用納米材料進(jìn)行防腐及絕緣，效果良好，并與現(xiàn)有防腐技術(shù)進(jìn)行工藝及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比，優(yōu)勢明顯，性價比較高。

牽引供電；納米涂料；防腐

0 引言

截至2017年底，我國高速鐵路己建成開通2.5萬公里，成為世界上擁有高鐵里程最長的國家。我國城市軌道交通開通運(yùn)營4 000多公里，遍布全國近50個大中城市，有效緩解了城市路面交通的擁堵狀況。高鐵、城市軌道交通開通運(yùn)營多年來，供電設(shè)備陸續(xù)出現(xiàn)了“疲勞、松脫、腐蝕”等影響行車安全的問題。為消除、減輕上述問題的不利影響，有必要對影響牽引供電系統(tǒng)安全運(yùn)行的技術(shù)難題進(jìn)行深入研究。

通過對運(yùn)營一段時間后現(xiàn)場供電設(shè)備材料的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分設(shè)備材料、連接件表面出現(xiàn)腐蝕銹損，若不采取相應(yīng)措施，腐銹現(xiàn)象將繼續(xù)擴(kuò)大并滲透，嚴(yán)重威脅設(shè)備、材料本體，給線路運(yùn)營帶來極大的安全隱患。目前廣泛采用的熱鍍鋅防腐技術(shù)主要存在以下缺點(diǎn)和不足：（1）熱浸鍍鋅加工流程中需進(jìn)行酸洗和水洗，產(chǎn)生大量酸氣，嚴(yán)重污染大氣環(huán)境；清洗的硫酸水經(jīng)過二次處理若不能達(dá)標(biāo)，將造成地面、地下水污染，給水資源帶來危害。（2）熱浸鍍鋅鍍層厚度不均，鍍鋅層厚度不足易造成局部生銹，致使零部件性能下降，甚至引發(fā)事故。

本文提出采用納米防腐材料，對其在牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行探討分析。

1 納米技術(shù)概況

1.1 納米技術(shù)基本概念

納米是一種長度單位，符號為nm。1納米=1毫微米=10埃（即十億分之一米），約為10個原子的長度。納米技術(shù)是在0.1～100 nm的尺度里，研究電子、原子和分子內(nèi)的運(yùn)動規(guī)律和特性的一項(xiàng)全新技術(shù)。科學(xué)家們在研究物質(zhì)構(gòu)成的過程中發(fā)現(xiàn)，在納米尺度下隔離出的幾個、幾十個可數(shù)原子或分子顯著地表現(xiàn)出許多新的特性，而利用這些特性制造具有特定功能設(shè)備的技術(shù)稱為納米技術(shù)。

1.2 納米材料

納米材料是在三維空間中至少有一維處于納米尺度范圍或由它們作為基本單元構(gòu)成的材料。納米材料具有如下特性：

（1）微粒特性。納米微粒具有較大的比表面積，表面原子數(shù)、表面能和表面張力隨粒徑的下降急劇增加。

（2）量子尺寸效應(yīng)。當(dāng)粒子尺寸達(dá)到納米數(shù)量級時，費(fèi)米能級附近的電子能級由連續(xù)態(tài)分裂成分立能級。當(dāng)能級間距大于熱能、磁能、靜電能、靜磁能、光子能或超導(dǎo)態(tài)的凝聚能時，會出現(xiàn)納米材料的量子效應(yīng)，從而使其磁、光、聲、熱、電、超導(dǎo)電性能變化。

（3）小尺寸效應(yīng)。納米材料中的微粒尺寸小到與光波波長、德布羅意波長及超導(dǎo)態(tài)的相干長度、透射深度等物理特征尺寸相當(dāng)或更小時，其周期性邊界條件將被破壞，非晶態(tài)納米粒子表面層附近原子密度減小，導(dǎo)致聲、光、電、磁、熱力學(xué)等特性呈現(xiàn)新的小尺寸效應(yīng)。

（4）表面界面效應(yīng)。納米顆粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相當(dāng)大的比例。隨尺寸減小，表面原子數(shù)迅速增加，原子配位不足及高的表面能使表面原子具有高的活性，極不穩(wěn)定，很容易與其他原子結(jié)合。

（5）宏觀量子隧道效應(yīng)。微觀粒子具有貫穿勢壘的能力稱隧道效應(yīng)。

小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)及宏觀量子隧道效應(yīng)等使得納米微粒的熱、磁、光敏感特性和表面穩(wěn)定性等不同于常規(guī)粒子，這就使得納米材料具有廣闊的應(yīng)用前景。

1.3 納米技術(shù)原理及領(lǐng)先性

當(dāng)物質(zhì)微粒小到納米尺度后，大約在0.1～100 nm范圍內(nèi)，物質(zhì)的性能就會發(fā)生突變，出現(xiàn)特殊性能。由于納米材料具有表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、量子尺寸效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)，將其應(yīng)用于涂料中后，除可以改變傳統(tǒng)涂料的性能外，更為重要的是可以制備各種功能涂料。

納米技術(shù)自1965年發(fā)展至今，陸續(xù)誕生了天然納米材料、納米磁性材料、納米陶瓷材料、納米傳感器、納米半導(dǎo)體材料等。納米防腐涂料所具有的技術(shù)合成帶特殊官能團(tuán)的高分子化合物，經(jīng)過穩(wěn)泡處理和惰性化處理，生成具有特殊物理性能的材料，使納米防腐涂料具有耐高溫、超硬度、超強(qiáng)耐磨及高效耐腐等功能和特性。

2 納米防腐防銹工藝簡介

本文僅對2種情況，即新產(chǎn)品和維修產(chǎn)品的納米防腐防銹工藝進(jìn)行介紹。

新產(chǎn)品一般是金屬型材或通過工藝制造的模壓、鑄造等產(chǎn)品，數(shù)小時后即會生銹，納米防腐涂料基本都具有帶銹（規(guī)定范圍內(nèi)）施工這一特性，還可以考慮到使用環(huán)境、壽命（1、3、5、10、20年）等因素，采用1種（底面合一8633）或2種（底8627、面8628）規(guī)格型號的納米涂料。

維修產(chǎn)品一般是經(jīng)電鍍或熱浸鍍鋅工藝的產(chǎn)品，由于生銹需要維護(hù)后再使用。采用電鍍及熱浸鍍鋅工藝進(jìn)行維護(hù)需將原產(chǎn)品全部拆下才能夠翻新，拆裝成本大且現(xiàn)場不便將運(yùn)行的設(shè)備拆裝。納米防腐涂料可在現(xiàn)場（提供基本條件）進(jìn)行施工，具有一定安全性、經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)實(shí)際防腐需要提出納米防腐涂料的規(guī)格型號，一般室內(nèi)（不露天）使用8602型（耐鹽霧1 000 h，硬度3H，附著力0級，耐人工加速老化1 000 h）或9609型（耐鹽霧1 000 h，硬度2H，附著力0級，耐人工加速老化1 000 h），壽命達(dá)到20年左右；室外一般選擇8627型（耐鹽霧8 000 h，硬度6H，附著力0級，耐人工加速老化3 000 h），壽命在C-M環(huán)境1年，C5環(huán)境3～5年，C4環(huán)境5～8年，C3環(huán)境8～12年，C2環(huán)境15年以上，C1環(huán)境20年以上。

納米防腐涂料與熱浸鍍鋅工藝相比，工藝簡單，分浸泡和噴、滾、刷涂工藝，可選擇工廠涂裝和現(xiàn)場涂裝2種方式，以達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

噴涂、滾涂、刷涂是目前納米防腐涂裝采用的主要工藝，應(yīng)用最多的是噴涂（對于不能實(shí)現(xiàn)噴涂的部位采用滾涂或刷涂）工藝，噴涂一般性工藝如表1所示。

表1 納米防腐涂料噴涂工藝

工作流程項(xiàng)目要求及標(biāo)準(zhǔn)備注 噴涂有氣釋放量：20-30%（以油漆重量計(jì)）稀釋；噴槍口徑：3-3 mm；空氣壓力：0.3～0.5 Mpa（約3～5 kg∕cm2）。通風(fēng)量：1 kg油漆或稀釋劑：涂料：a.達(dá)到爆炸極限下限（LEL）的10% 84 m3b.達(dá)到安全衛(wèi)士要求（TLV） 1 120 m3稀釋劑a.達(dá)到LEL的10% 210 m3b.達(dá)到TLV 2 800 m3 第一道噴涂30 μm涂料使用100目濾布過濾 凝固表干自然干24 h不小于6 W燈光或日光 烘干40 min70 ℃烘干 噴涂第二道噴涂30 μm涂料使用100目濾布過濾 凝固表干自然干24 h不小于6 W燈光或日光 烘干40 min70℃烘干 成品成品交付表面涂層實(shí)干

3 納米材料在牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

納米材料涂裝產(chǎn)品具有耐高溫、超強(qiáng)硬度、超強(qiáng)耐磨及高效耐腐等特性，為替代熱浸鍍鋅工藝的各種涂裝需求提供了整體解決方案，廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，大幅降低了生產(chǎn)和使用成本，節(jié)能環(huán)保，符合國際、國內(nèi)環(huán)保發(fā)展趨勢。

納米絕緣材料應(yīng)用于地鐵車輛受電弓底部絕緣，如圖1所示。在車頂受電弓底部采用納米絕緣涂料，達(dá)到了地鐵直流1 500 V各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)（絕緣達(dá)到了3萬伏）要求；在車身面使用納米防腐（6H）和罩光涂料（5H），極大提高了車身的防護(hù)性能，延長了車身維護(hù)周期。納米絕緣涂料具有良好的絕緣性能，已研發(fā)了納米材料新型硅橡膠絕緣子系列產(chǎn)品。

圖1 納米絕緣材料應(yīng)用于車輛受電弓底部絕緣

納米防腐涂料的耐鹽霧指標(biāo)達(dá)到3 000 h（實(shí)際能夠達(dá)到6 000～8 000 h），從根本上解決了接觸網(wǎng)零部件中熱浸鍍鋅、電鍍等系列產(chǎn)品的防腐問題。還可應(yīng)用于變壓器防腐，變電室內(nèi)外設(shè)備、各種箱柜的表面防腐，以及接地樁的防腐。納米絕緣涂料用于接地柜制造，可減小柜體體積，降低綜合成本；接觸網(wǎng)直流驗(yàn)電接地裝置外用納米防腐，內(nèi)用納米絕緣涂料，可減小裝置體積，降低綜合成本（圖2）。

納米防靜電涂料可應(yīng)用于設(shè)備室、控制室等環(huán)境中，污染小，防靜電效果良好。

圖2 直流驗(yàn)電接地裝置

對于供電設(shè)備及高壓開關(guān)或其他發(fā)熱設(shè)備，可以采用納米散熱涂料進(jìn)行涂裝。對高壓開關(guān)真空泡固定機(jī)構(gòu)采用納米散熱涂料進(jìn)行降溫試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，可以降溫10 ℃。納米散熱涂料可一定程度上解決高壓開關(guān)等發(fā)熱設(shè)備的散熱問題，延長設(shè)備壽命，降低綜合成本，增強(qiáng)安全性。

4 防腐性能及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比

將傳統(tǒng)防腐漆與納米防腐涂料進(jìn)行性能對比，如表2所示。熱浸鍍鋅與其他品牌防腐漆、納米防腐涂料的性能指標(biāo)差距較大，無法直接對比其優(yōu)越性，但是將納米防腐涂料與國內(nèi)外防腐漆直接進(jìn)行對比，優(yōu)勢較明顯，主要指標(biāo)如附著力0級、耐人工加速老化3 000 h、耐鹽霧性3 000 h、硬度6H等都達(dá)到領(lǐng)先水平。

表2 防腐性能對比

對傳統(tǒng)防腐漆、納米防腐涂料進(jìn)行經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比分析，如表3所示。

表3 經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對比（施工面積：8 000 m2）

從表3可以看出，同樣完成8 000 m2鋼件的防腐，ZD防腐漆需要花費(fèi)104萬元，納米防腐涂料需要花費(fèi)90.4萬元。熱浸鍍鋅工藝的鍍鋅層厚度≥85 μm，一般行業(yè)慣例其價格以“t”為計(jì)量單位核算，價格為1 800～2 500 元/t不等，根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，諸如對接觸網(wǎng)支柱表面進(jìn)行熱鍍鋅處理，同等面積為8 000 m2大約需要100多萬元。綜上可以看出，使用納米防腐涂料可以節(jié)省防腐工程總成本15%左右，并且縮短施工工期50%以上，納米防腐涂料的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)具有明顯優(yōu)勢。

5 結(jié)語

納米系列涂料所具有的功能和特性為牽引供電系統(tǒng)中的各種涂裝需求提供了整體解決方案，還可根據(jù)用戶對涂料的特殊需求提供專業(yè)定制，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，大幅度降低了生產(chǎn)和使用成本，延長了設(shè)備、建筑設(shè)施的使用壽命，真正起到了節(jié)能環(huán)保的作用，為軌道交通創(chuàng)造了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

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With the defects of corrosion and rust occurred after a period of operation of traction power supply system equipment and its spare parts, the paper puts forward that the nanometer materials adopted for anti-corrosion and insulation achieve better effects, and they are advantageous dramatically and rather cost-effective after comparison with the existing anti-corrosion technologies in terms of process and economic index.

Traction power supply; nanometer paint; anti-corrosion

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.025

U226.7

B

1007-936X(2018)06-0099-04

2018-07-23

李明照，楊 蓮.廈門軌道交通集團(tuán)有限公司，工程師；

馬金芳.廣州地鐵集團(tuán)有限公司，高級工程師；

王祥宇，武玉傳.中鐵電氣化局集團(tuán)第三工程有限公司，工程師。