智軌電車金屬部件電偶腐蝕及防護研究

關鍵詞： 智軌電車 金屬部件 電偶腐蝕 防腐

智軌電車是一種全新的軌道交通新制式——智能軌道快運系統（Autonomous-rail Rapid Transit，ART）[1]的核心組成部分。智軌電車是一種采用全軸轉向、軌跡跟隨控制技術、通過主動安全、車載信號、機器視覺控制等對車輛行駛進行電子約束的全電力驅動、沿虛擬軌道運行的鉸接式膠輪車輛[1]。電偶腐蝕是一種相對于普通腐蝕危害性更大、破壞力更強的腐蝕形式，廣泛存在于軌道交通、化工和建筑等行業中。它的危害性非常高，輕則造成零件的接觸面的局部銹蝕、點蝕，重則導致零件的穿透[2]。智軌電車金屬部件主要指鋼鋁車身結構件、整車設備安裝連接件、標準件等，是智軌電車整車的支撐載體，功能實現的連接件，屬于車輛的核心部件。為了確保智軌電車的功能在生命周期內的可靠性，必須關注其防腐性能，以免發生由于腐蝕老化引起的材料功能性失效、結構破壞等弊病。對此，通過分析電偶腐蝕的影響因子，借鑒成熟有效的電偶腐蝕防護方法，梳理智軌電車上的電偶腐蝕對，探尋智軌電車金屬部件電偶腐蝕的有效防護措施，從而從總體上提升智軌電車的防腐蝕性能。

1 電偶腐蝕與影響因素

1.1 電偶腐蝕的基本原理

電偶腐蝕的原理與原電池反應的原理相同，如圖1 所示。電偶腐蝕是腐蝕電位不同的異種金屬置于同一介質中，相互接觸或通過其他導體連通，造成異種金屬接觸部位的局部腐蝕，電偶腐蝕也稱接觸腐蝕[3]。

在智軌電車車輛上，異種金屬接觸由于其不同的電位即構成了原電池的兩極，異種金屬接觸部位存在的污水等既充當了原電池的電解溶液，又充當了導電介質，因此，智軌電車上異種金屬接觸部位均有發生電偶腐蝕的可能。

1.2 電偶腐蝕的影響因素

電偶腐蝕的速度，在數量上符合法拉第電解定律，影響電偶腐蝕速度的因素主要有：（1）形成電偶腐蝕的兩種材料的電極電位差；（2）介質的電導；（3）電偶間的面積效應（或幾何因素）；（4）兩種材料表面的極化作用[2]。

發生電偶腐蝕的兩種材料之間的電極電位差愈大、電流愈大、則腐蝕愈快。電路中的各種電阻也影響電偶腐蝕的速度，介質的電導率愈高，腐蝕愈快，反之亦然。通常，隨著電偶腐蝕對陰極與陽極面積比值的增加，陽極金屬的電偶腐蝕速度也更快[3]。

2 智軌電車電偶腐蝕對

智軌電車體為整體承載式結構，底架部分采用QstE700TM、510L 等高強碳鋼，座椅骨架及附屬件采用Q345B、Q235B 等牌號的碳鋼，而車身部分采用6005AT6、5083-H111、6082-T6 等鋁合金型材焊接而成，底架與車身通過6Cr19Ni10 的不銹鋼圓鋼連接件，采用碳鋼高強螺栓連接而成。

車輛上設備安裝支架根據受力與環境情況，有3種材料的連接支架，分別為5083-H111、304 不銹鋼、Q345B碳鋼，而設備的安裝螺栓根據實際情況設計成不銹鋼螺栓、碳鋼表面鍍鋅或鍍鋅鎳或達克羅的標準件。

不同材料金屬之間存在電極電位差，相互接觸的異種金屬的電極電位差越大越容易造成電偶腐蝕現象的發生，通過梳理，智軌電車上主要有如下電偶腐蝕。

2.1 鋁合金車體與不銹鋼圓鋼、碳鋼底架之間的電偶腐蝕

智軌電車車體結構由碳鋼底架及鋁合金車體通過不銹鋼圓鋼與碳鋼高強螺栓連接，由于不銹鋼、碳鋼及鋁合金之間存在電位差，所以鋁合金車體與不銹鋼圓鋼、碳鋼底架之間有電偶腐蝕的可能。另外，由于底盤環境較為惡劣，在不銹鋼、碳鋼及鋁合金的連接部分經常會積存污水，進而加快了電偶腐蝕的速度，具體連接結構見圖2。

2.2 不銹鋼支架與碳鋼緊固件或碳鋼支架與不銹鋼緊固件之間的電偶腐蝕

智軌電車底盤設備中有不銹鋼卡箍用碳鋼螺栓固定管線，還有采用碳鋼支架安裝的設備而連接標準件采用不銹鋼材質，因為不銹鋼與碳鋼之前存在電位差，所以不銹鋼支架與碳鋼緊固或者碳鋼支架與不銹鋼緊固件之間有電偶腐蝕的可能，反之亦然。具體如圖3所示。

2.3 不銹鋼與鋁合金支架之間的電偶腐蝕

智軌電車屬于100% 低地板膠輪電車，所以車輛頂部布置了諸多的電氣設備，車體材料如上文所述為鋁合金材質，由于車頂復雜的腐蝕環境，一般設備的安裝支架均采用304 不銹鋼材質進行連接。不銹鋼與鋁合金形成電偶時，由于自腐蝕電位的差值較大，容易造成明顯的電偶腐蝕。這種情況下會加速鋁合金的腐蝕，不銹鋼則會受到保護[4]，具體見圖4。

2.4 接地線束端子與連接螺栓之間的電偶腐蝕

智軌電車接地搭鐵組件由底架上的焊接接地螺柱、連接標準件及接地線束端子組成。由于接地線束瘋子、連接件及接地螺柱之間存在電位差，同時它們之間有電流作用，則會加速電偶腐蝕現象的發生[5]，具體情況見圖5。

接地線束端子的表面涂層通常為鍍錫，連接標準件一般為鍍鋅碳鋼件，鍍層金屬在鹽霧環境中的電偶序為：鍍錫gt;鍍鋅鎳gt;鍍鋅鋁gt;鍍鋅[6]。鍍錫與鍍鋅鎳之間的電位差較小。

2.5 碳纖維復合材料與鋼之間的電偶腐蝕

智軌電車內裝中內飾面板有部分采用碳纖維材料，而與碳纖維面板相接觸的安裝標準件采用不銹鋼或者碳鋼材質，碳纖維具有碳本身的電化學特性，導電性能良好，這兩種異種材料連接形成腐蝕電池時，顯著促進了鋼的腐蝕，可使鋼的腐蝕速度至少增大1.5倍[7]。

3 常見電偶腐蝕防護措施

目前，常見的電偶腐蝕防護措施有：（1）材料選擇；（2）結構設計；（3）絕緣隔離；（4）表面處理；（5）電極保護[8]。通過選取電偶序中電極電位差較小的金屬或合金，在結構設計時，優化接觸金屬的面積比，避免形成面積比相差較大的結構，對接觸面采取絕緣措施，對材料表面進行必要的表面處理，同樣還可以安裝一塊電極電位比相互接觸的兩種金屬都還要低的第三種金屬，以犧牲第三種金屬來保護結構件相互接觸的兩種金屬。

4 智軌電車電偶腐蝕防護探究

4.1 優化結構設計

智軌電車主結構材料為碳鋼與鋁合金，在材料已經確定的情況下，可以在連接之間加過渡金屬，降低電位差，減弱電偶腐蝕。在結構鋼鋁車身結構設計時，避免形成大陰極-小陽極的不利于防腐的面積比，陽極部件要設計易于觀察和更換的部件。設計的兩種金屬連接結構不能出現溝槽、下凹、內陷等結構，避免污物長時間存留于該類結構之中。

4.2 異種材料接觸時進行表面處理

智軌電車車體主結構在材料已經確定的情況下，可以通過在異種材料之間進行表面處理，例如：碳鋼表面進行電泳油漆，鋁合金表面進行陽極氧化，在兩者接觸面增加防銹漆。這些表面處理所形成的保護膜在大氣中電阻較大，能有效減輕電偶腐蝕作用[8]。

4.3 優化智軌電車搭鐵組件

智軌電車的搭鐵組件組成為304 不銹鋼搭鐵柱、鍍錫接線端子以及鍍鋅連接標準件。為了減少電偶腐蝕的趨勢，通過減少材料種類，選用電位差較小的金屬進行連接，搭鐵柱與連接標準件選用相同材質的304不銹鋼，而不銹鋼與鍍錫接線端子之間的電位差較小，因此可以減輕電偶腐蝕的作用。

4.4 盡量避免安裝支架與緊固件與安裝支架與主結構的材料不同

在設備安裝設計時，不銹鋼安裝支架選用不銹鋼螺栓。碳鋼安裝支架選用鍍鋅、鍍鋅鎳或達克羅螺栓。安裝在鋁合金車體主結構上的支架在滿足強度要求的情況優先選用鋁合金材質，安裝在碳鋼底架上的支架優化選用碳鋼材質并同時采用碳鋼或不銹鋼材質的連接螺栓，并且碳鋼支架與碳鋼底架均采用電泳油漆方案進行防腐。

5 結語

綜上所述， 在智軌電車整車設計過程中，車體主結構優先采用同種金屬材料進行設計，在無法避免使用異種金屬進行設計時，宜采用隔離法減緩電偶腐蝕的速度，但是對于異種金屬有緊固要求、力矩要求的相互接觸的結構，可以選擇電偶序相近的電鍍涂層，既能避免緊固破壞涂層，亦能減少異種金屬的電位差，減緩車輛金屬部件的電偶腐蝕現象的發生。