高速动车组具有大交路、跨地域、跨环境运行的特点，高温、高湿、高盐雾、高寒、高紫外等带环境载荷对车辆的环境适应性提出了挑战[1,2]。随着高速动车组开行线路的日益扩展和服役时间的延长，腐蚀已成为威胁车辆安全可靠性的重要因素。高速动车组表面涂层受紫外线的累积效应及沙尘、飞虫等异物的高速冲击，易于老化降解或者破损[3-8]；铝合金结构材料在污染大气环境中，受湿度及Cl-、SO2、NO2和NH4+等腐蚀因子的影响，会加速吸湿潮解过程，在表面发生点蚀、缝隙腐蚀甚至剥落腐蚀等局部腐蚀[9-11]。而这些局部腐蚀在交变应力或者高频振动条件下，可能会引发腐蚀疲劳或者应力腐蚀开裂，存在安全隐患[12]。受车辆结构的限制，在运行或日常运用检修过程中，往往不易发现内部尤其是人力不可及部位的腐蚀问题，导致无法有效掌握车辆的腐蚀状况，不利于采取及时的防护措施。
本研究运用电化学阻抗和薄膜电阻探针技术，开发了适用于高速动载工况的腐蚀监测传感器，实现了高速动车组车体关键材料服役状态下的长期腐蚀监测，为更全面掌握车辆服役状态，实现智能化运维，支撑列车全生命周期安全管理奠定了技术基础。
1 设备研制及安装
1.1 硬件研制
图1
腐蚀传感器包括精密电阻腐蚀监测传感器和电化学阻抗腐蚀传感器两种[22]。电阻腐蚀监测传感器基于ISO-9223标准设计，采用薄膜式电阻栅格和精密电阻探针技术，结合恒流激励技术和高精度电桥原理，具有极高的金属减薄分辨率 (10 nm)，应用探头差分测量原理能自动补偿环境温度漂移，保证测量结果的稳定性和可靠性，适用于连续监测被测体系受气相腐蚀的程度及环境参数 (温度、湿度)。
涂层失效监测传感器是通过处理器内部的数/模转换模块 (DAC) 生成激励信号，在恒电位模式下对被测体系进行正弦波激励，测量被测涂层电极的电流响应信号。通过实时监测激励端 (电位控制端) 和响应端 (电流输出端) 的正弦波信号的幅值比和相位差，来获取被测涂层电极的电化学阻抗特性。当不输出激励信号且极化开关断开时，测得参比电极相对于工作电极的电位，即为开路电位值。当极化开关闭合，仪器工作在恒电位模式下，由微控制单元 (MCU) 内部产生定频正弦信号和用于抵消开路电位对测量体系影响的直流偏置信号，二者通过加法器输出去激励涂层电极，通过信号相关积分法对电位与电流信号进行分析，进而计算出被测涂层电极的交流阻抗谱。工程上，采用特定频率下 (如1777 Hz) 的阻抗值变随时间的变化曲线，实现涂层老化状态的实时监测。
1.2 安装布置
考虑到高速列车在不同地域及气候条件下运行，在运营里程最长、覆盖环境特点较为典型的高速铁路—京广高铁选取一列CRH380AL高速动车组作为监测对象，主要监测位置为车体底架。另外，为建立服役状态下与静载暴晒状态下的腐蚀关联规律，便于与静态环境下的腐蚀行为进行对比，分别选取海南文昌、湖北武汉、山东青岛3地进行静态腐蚀监测实验。文昌属热带北缘沿海地带，具有热带和亚热带气候特点，全年无霜冻，年平均温度23.9 ℃，雨量丰富，干、湿季明显，平均湿度为87%，最小湿度为34%；武汉属亚热带季风性湿润气候，具有雨量充沛、日照充足、四季分明，夏高温、降水集中，冬季稍凉湿润等特点，初夏梅雨季节雨量较集中，年降水量为1205毫米；青岛地处北温带季风区域，属温带季风气候，受来自洋面上的东南季风及海流、水团的影响，又具有显著的海洋性气候特点。空气湿润，雨量充沛，温度适中，四季分明。
1.3 平台开发
数据监控平台采用B/S网络结构模式，主要包括基础信息、控制台、历史数据、设备配置、数据分析、警报中心、系统管理和字典管理等模块，为授权用户提供设备监控、数据采集、数据分析、警报提醒、报表输出、历史数据存储等服务，方便授权用户随时随地监控监测传感器及其采样数据。
2 结果与讨论
图2
图2
车体6005A铝合金在文昌、武汉、青岛及京广高铁服役状态的电化学阻抗谱
Fig.2
Corrosion monitoring data of 6005A Al-alloy during serving on high speed trains in Wenchang (a), Wuhan (b), Qingdao (c) and Beijing-Guangzhou railway lines (d)
图3分别给出了4种工况下的老化规律曲线。因低频端的阻抗主要与电化学转移过程相关，可以反映涂层下金属电极的腐蚀速率高低，而高频端的阻抗由涂层自身物理阻抗特性控制，可以反应涂层物理屏蔽性能。本研究主要监测分析涂层在17和1777 Hz两个定频下的阻抗变化规律。可以看出，在文昌、武汉和青岛环境下，在17 Hz定频下，阻抗稳定在105 Ω.cm2以上，在1777 Hz定频下，阻抗稳定在103 Ω.cm2以上；在京广高铁服役状态，在17和1777 Hz定频下，阻抗值均超过108 Ω.cm2，说明涂层能为车体提供有效防护。
图3
图3
车体涂层在文昌、武汉、青岛及京广高铁服役状态的老化规律曲线
Fig.3
Corrosion monitoring data of the coatings during serving on high speed trains in Wenchang (a), Wuhan (b), Qingdao (c) and Beijing-Guangzhou railway lines (d)
车体铝合金和涂层在4种工况下的腐蚀监测数据及拟合曲线如图4所示。
图4
图4
车体铝合金和涂层在4种工况下的腐蚀监测数据拟合曲线
Fig.4
Fitting curves of corrosion monitoring data of 6005A Al-alloy (a) and the coating (b) under four working conditions
裸金属的大气腐蚀规律可用以下幂函数式表示：
表1 6005A铝合金在不同位置暴晒的大气腐蚀动力学参数
Table 1
| Position | A | n | R2 |
|---|---|---|---|
| Running high-speed train | 0.01853 | 0.23359 | 0.98985 |
| Qingdao | 0.15074 | 1.09855 | 0.98563 |
| Wuhan | 0.15637 | 1.13143 | 0.98142 |
| Wenchang | 0.07199 | 1.34716 | 0.98504 |
根据拟合结果，6005A铝合金在不同位置的已腐蚀量存在差异。经半年的暴晒或服役，武汉的已腐蚀量最多，现已累积达到2.8 μm；青岛次之，达到2.3 μm；海南的已腐蚀量为2.1 μm；车身处的已腐蚀量最少，低于0.01 μm，且增长趋势不明显。
虽然文昌目前的腐蚀量不是最大的，但其n值最大，腐蚀倾向最大，预计后期金属会加速腐蚀。这与海南的所处的地理位置及气候条件有关，海南四面环海，为热带及亚热带气候，受到当地高温、高湿及盐雾的影响，金属腐蚀倾向更为明显。青岛、武汉两地的金属腐蚀也呈加速趋势，但势头相对于海南而言较缓。车身的监测传感器位于底架设备舱，不易受外界雨水侵蚀，所以腐蚀倾向较低。
涂层老化率是评价其对金属基底防护能力的重要指标，采用测量特定频率 (f=17 Hz) 的阻抗值Z''来进行计算，如
其中，f为选定的频率，Zb''为涂层100%老化时的阻抗对数值，对于屏蔽性型涂层，可以设置为4.0。为了预测涂层老化率的变化趋势，根据
其中，y为涂层老化率 (%)，A、t均为与老化率变化的相关参数。拟合参数见表2。
表2 不同厚度涂层在不同位置处大气暴晒时老化的动力学拟合参数
Table 2
| Position | A | t | y0 | R2 |
|---|---|---|---|---|
| Running high-speed train | -713.51 | 0.11851 | 0.2276 | 0.95401 |
| Qingdao | -262.38 | 0.61555 | 0.3737 | 0.99366 |
| Wuhan | -194.42 | 0.6983 | 0.34746 | 0.99126 |
| Wenchang | -79.6854 | 0.81827 | 0.39605 | 0.9906 |
总体来看，位置对涂层老化率的影响较为显著。4处涂层的老化率都经历了两个阶段，先快速上升，后到达稳定平台期。由结果可知，老化率排序为：海南＞青岛＞武汉＞车身，均小于0.4%，说明户外暴晒场的涂层还较为完整，车身涂层的老化过程更为稳定，对金属基体能起到有效的防护。
3 结论与展望
基于电化学监控和无线通信技术，研制了高速列车材料腐蚀状态智能监控系统，分别在文昌、武汉、青岛环境腐蚀试验站及在役高速动车组中实现部署，并连续进行了6个月以上的腐蚀数据远程在线采集及分析，掌握了动车组车体结构材料及涂层的6个月的腐蚀老化规律，对于预测车辆结构材料腐蚀风险、评估涂层的寿命衰减，提供了重要的数据参考。
后续将持续采集更长周期的列车腐蚀探头监测数据，并结合定点暴晒试样的分析结果，开展对标分析，利用大数据技术开展数据挖掘，探究腐蚀规律与运行地域及环境因素的相关性，为准确掌握高速动车组材料长周期服役行为规律，进而开展预测性维修提供数据支持。
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