廖芳芳

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

1 概述

廣深港客專(zhuān)獅子洋隧道位于廣深港客運(yùn)專(zhuān)線慶盛站至虎門(mén)站區(qū)間，穿越珠江入?？冢用鎸挾? 100 m(含2個(gè)江心洲總寬1 770 m)，隧道建筑全長(zhǎng)10.8 km，為單線雙通道隧道，隧道在海底30 m左右，呈東西走向。獅子洋隧道被定義為世界上目標(biāo)難度值大、總長(zhǎng)度長(zhǎng)、標(biāo)準(zhǔn)高、國(guó)內(nèi)盾構(gòu)一次性單機(jī)推進(jìn)最長(zhǎng)的水下隧道[1]。自2011年12月26日開(kāi)通至今，隧道內(nèi)開(kāi)始出現(xiàn)海水滲漏現(xiàn)象，獅子洋隧道內(nèi)照明供電系統(tǒng)的設(shè)備[2]，包括低壓電纜、隧道照明燈具、管線、開(kāi)關(guān)以及隧道內(nèi)照明配電箱、控制箱、按鈕箱、EPS電源柜及遠(yuǎn)動(dòng)RTU箱等電氣照明設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，大大降低了隧道電力供電系統(tǒng)的可靠性，危及行車(chē)安全。

2 隧道內(nèi)環(huán)境因素調(diào)查

獅子洋隧道內(nèi)常年滲水、通風(fēng)不足，采用陽(yáng)溝排水系統(tǒng)。隧道內(nèi)空氣濕度長(zhǎng)期保持在95%～100%，潮濕空氣及水分中含有大量海鹽、酸、堿物質(zhì)，從而導(dǎo)致隧道內(nèi)形成潮濕、鹽、腐的惡劣環(huán)境，由于隧道內(nèi)縱面為“V”形結(jié)構(gòu)，潮濕、腐蝕空氣、水分常年積聚，使得隧道中部區(qū)段更為嚴(yán)重，設(shè)備運(yùn)行環(huán)境極為惡劣。圖1為獅子洋海底隧道運(yùn)行環(huán)境分布。

圖1 獅子洋海底隧道運(yùn)行環(huán)境分布

獅子洋隧道內(nèi)的氣候?yàn)榈湫偷暮Ｑ蟠髿夂凸I(yè)大氣的混合大氣，這種大氣類(lèi)型既有海洋大氣所具有的特征，又有工業(yè)大氣多污染物的特征[3]。這種環(huán)境下，金屬腐蝕速度比單純的海洋大很多。同時(shí)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)獅子洋隧道大氣成分、水樣成分、表面沉積物等采樣與分析，初步判定隧內(nèi)為堿性腐蝕。而減緩腐蝕的主要措施有：(1)選用耐腐蝕材料；(2)采用覆蓋涂層[4-5]防護(hù)；(3)降低環(huán)境相對(duì)濕度[6]。通過(guò)對(duì)腐蝕原因的分析，找出既有照明供電設(shè)施腐蝕的原因，以便制定防腐改造控制措施，是本次改造重點(diǎn)。

3 既有照明供電設(shè)備現(xiàn)狀調(diào)查與分析

既有獅子洋隧道南、北出口有低壓所各1座，隧道內(nèi)聯(lián)絡(luò)洞室18個(gè)，電力箱變3臺(tái)，應(yīng)急照明燈1 066盞，疏散指示燈872盞，各類(lèi)纜線加起來(lái)162 km(低壓控制電纜21.6 km，低壓電纜75.6 km，貫通電纜64.8 km)。各設(shè)備現(xiàn)狀具體如下。

(1)隧道內(nèi)設(shè)備箱體、燈具及管道等金屬附件銹蝕、脫落。

隧道內(nèi)疏散指示燈的線管出現(xiàn)大范圍的銹蝕，嚴(yán)重的已經(jīng)松脫。隧道燈具出現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路短路、反光板銹蝕。隧道照明開(kāi)關(guān)箱體腐蝕尤為嚴(yán)重，金屬部件出現(xiàn)脆化脫落，失去原有的硬度，導(dǎo)致在隧道風(fēng)壓作用下出現(xiàn)松脫。主要原因一是由于隧道內(nèi)的既有箱(柜)外殼材質(zhì)是壓鑄鋁、冷軋鋼及鐵質(zhì)等，這些材質(zhì)都沒(méi)有較好的化學(xué)穩(wěn)定性，且制作及組裝工藝沒(méi)有考慮在隧道潮濕、高鹽的環(huán)境下，其材質(zhì)與水、鹽產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致氧化腐蝕；二是由于箱體、線管及固定件都是緊貼隧道壁及地面安裝，但由于隧道滲水嚴(yán)重，導(dǎo)致隧道壁及地面受海水的浸泡及沖刷，從而造成金具加速氧化銹蝕，導(dǎo)致箱體脫落、垮塌。隧道照明燈具由于密封等級(jí)達(dá)不到相關(guān)要求，或在維修中需拆卸燈具引起密封性能降低，導(dǎo)致光源室及電器室進(jìn)水或潮濕，引起驅(qū)動(dòng)電路短路、反光板銹蝕而出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題。

(2)低壓電纜線路絕緣下降，短路或接地?zé)o法供電。

由于隧道洞室內(nèi)積水，設(shè)備大面積腐蝕，各類(lèi)纜線槽內(nèi)積水、臟污嚴(yán)重。獅子洋隧道既有照明系統(tǒng)電纜其敷設(shè)方式分為掛墻明敷設(shè)及電纜溝內(nèi)敷兩種，如電纜溝排水不及時(shí)，時(shí)常會(huì)浸泡在含鹽成分較高的海水中，造成電纜腐蝕嚴(yán)重。根據(jù)近年電纜缺陷處理情況分析，其主要原因：一是電纜駁接頭、接線盒在隧道壁滲水及電纜溝水中浸泡導(dǎo)致受潮、滲水造成線路短路；二是電纜外皮破損后，水分滲入電纜內(nèi)部，使電纜絕緣性能下降，導(dǎo)致短路、接地。

(3)電氣元件及板件故障，控制回路癱瘓。

隧道潮濕腐蝕的空氣對(duì)控制開(kāi)關(guān)及板件的影響也尤為嚴(yán)重，潮濕的空氣造成接觸器及電路板等短路，使得控制回路癱瘓。主要原因：一是由于配電箱(柜)體密封性較低，或在維修中拆卸箱門(mén)引起密封性能降低，導(dǎo)致內(nèi)部元件進(jìn)水或潮濕，潮濕的空氣在箱內(nèi)形成凝露，造成開(kāi)關(guān)、接觸器等元件短路；二是由于配電箱(柜)內(nèi)設(shè)備發(fā)熱使箱內(nèi)空氣中的鹽分及雜質(zhì)烘干后，形成海鹽及金屬的粉塵，依附在各類(lèi)板件上，導(dǎo)致板件故障。

4 照明系統(tǒng)改造的防腐措施

根據(jù)對(duì)隧道內(nèi)既有照明供電設(shè)備現(xiàn)狀調(diào)查與分析，針對(duì)廣深港獅子洋隧道高潮濕、高鹽分、強(qiáng)腐蝕等特點(diǎn)，對(duì)隧道照明燈具、配電箱(柜)等設(shè)備材料進(jìn)行優(yōu)化，選擇適應(yīng)耐高濕、高鹽環(huán)境的電氣箱體結(jié)構(gòu)材料；對(duì)隧道照明電力電纜、開(kāi)關(guān)和管線進(jìn)行改造，選擇適應(yīng)于在隧道潮濕、海水運(yùn)行環(huán)境，以保障獅子洋隧道照明系統(tǒng)設(shè)備可靠、安全運(yùn)行。

(1)全面更新設(shè)備材質(zhì)，提高設(shè)備防腐能力

結(jié)合廣深港所處的大氣實(shí)際情況，選擇滿(mǎn)足實(shí)用要求的設(shè)備外殼材質(zhì)、加工工藝及表面處理，提高其耐蝕性能。為改善設(shè)備外殼材質(zhì)防腐蝕能力較低的缺陷，選用目前金屬中防腐能力十分優(yōu)秀的材料—316L不銹鋼[7-8]，更換既有電源箱、控制箱、按鈕箱、插座箱及EPS柜等箱體；并在不銹鋼的箱體加噴涂船艦漆[9-10]；安裝時(shí)，加裝支架(不銹鋼材質(zhì))及基礎(chǔ)(混凝土)，使箱體與墻壁、地面隔開(kāi)，防止海水沖刷、浸泡。316L不銹鋼為奧氏體不銹鋼，是一種超低碳不銹鋼[11]，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 316L不銹鋼的化學(xué)成分 %

由于316L不銹鋼含碳量極微，且比一般304不銹鋼中多了Mo(鉬)元素，其抗腐蝕能力更加優(yōu)越。同時(shí)加噴船艦漆具有良好的附著力和耐水性、耐化學(xué)品及腐蝕性，長(zhǎng)期用于在條件苛刻的海洋環(huán)境下，具有長(zhǎng)效防腐的壽命。

(2)應(yīng)用抗氧化工藝，提升設(shè)備使用壽命

由于燈具難以用不銹鋼材質(zhì)制作，而一般壓鑄鋁的抗氧化能力差，因此，在新燈具的制作工藝上，需采用防氧化工藝——氧化鋁，對(duì)獅子洋隧道應(yīng)急照明燈及疏散指示燈的燈具表面加一層氧化鋁薄膜，從而隔絕水和空氣中的腐蝕物對(duì)鋁材的腐蝕。氧化鋁(Al2O3)的作用能起到防止金屬鋁繼續(xù)氧化作用，在鋁制品的表面加一層氧化鋁膜，可以防止鋁材的進(jìn)一步氧化，從而起到防氧化的作用。

(3)提高電纜線路絕緣性能，加強(qiáng)電纜防潮抗腐蝕能力

一是改良施工安裝工藝，將疏散指示燈電纜中間不進(jìn)行T接，將進(jìn)、出電纜直接在燈具內(nèi)駁接，從而減少疏散指示燈電纜分接盒短路的現(xiàn)象； 二是采用電纜預(yù)分支電纜頭，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)安裝需要，由廠家直接生產(chǎn)出含預(yù)分支的一體電纜，從而取消了應(yīng)急照明燈分接盒； 三是嘗試使用新型防水電纜，采用海洋電纜技術(shù)，在新電纜中增加一體壓制的鉛護(hù)層，防止電纜破損后水分直接滲入電纜內(nèi)部，從而提高電纜防潮抗腐能力。鉛護(hù)層材質(zhì)為惰性金屬，耐腐蝕性能十分優(yōu)異，常用來(lái)做海底電纜防水防腐層，同時(shí)作為金屬具有導(dǎo)電性能，電纜標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)中也常用來(lái)做金屬屏蔽層代替銅帶，通過(guò)增加厚度提高導(dǎo)電率達(dá)到銅帶相同電阻水平。新電纜中增加電纜鉛護(hù)層，一是鉛具有良好的抗腐蝕能力，有良好的化學(xué)穩(wěn)定性；二是一體壓制的鉛護(hù)套可以防止水分的滲入，起到隔絕水分的作用，同時(shí)在鉛護(hù)套與不銹鋼鎧帶之間設(shè)置隔離套，隔離鉛套和不銹鋼帶，防止鉛套和不銹鋼帶之間發(fā)生電化學(xué)腐蝕，新型防水電纜結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2 0.6/1 kV低壓新型防水電纜結(jié)構(gòu)

圖3 10 kV中壓新型防水電纜結(jié)構(gòu)

(4)采用合理的防腐設(shè)計(jì)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，以減少產(chǎn)品的腐蝕

①對(duì)各配電箱(柜)進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，改善電氣元件、板件運(yùn)行環(huán)境，以減少產(chǎn)品的腐蝕；獅子洋隧道既有開(kāi)關(guān)箱(柜)均為IP65箱內(nèi)敞開(kāi)式設(shè)計(jì)，再加上日常使用及檢修的反復(fù)開(kāi)關(guān)箱門(mén)，使原有的防水膠圈逐漸失效，從而降低其密封性；因此，新制作箱體采用雙層結(jié)構(gòu)——分為操作室和元件室，操作室與元件室是單獨(dú)隔開(kāi)，同時(shí)將箱體的防護(hù)等級(jí)提升至IP67，進(jìn)一步保證了元件室的密封性，降低了電氣元件及電子板件受潮滲水的幾率。同時(shí)在各配電箱(柜)放置氣相緩蝕劑，其具有足夠高的蒸氣壓，在常溫下有一定揮發(fā)性，能很快充滿(mǎn)配電箱(柜)，在金屬表面上形成吸附膜，從而阻滯金屬的腐蝕過(guò)程，起到防腐蝕的作用。

圖4為新制作箱體結(jié)構(gòu)。

圖4 隧道內(nèi)新型箱體結(jié)構(gòu)

②針對(duì)目前燈具密封等級(jí)達(dá)不到相關(guān)要求或在維修中需拆卸燈具引起密封性能降低，導(dǎo)致光源室及電器室進(jìn)水或潮濕，引起驅(qū)動(dòng)電路短路、反光板銹蝕而出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，對(duì)隧道照明燈具的結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理防腐設(shè)計(jì)。對(duì)隧道照明燈具結(jié)構(gòu)采用光源室和驅(qū)動(dòng)電路室相互獨(dú)立結(jié)構(gòu)，兩腔室均須滿(mǎn)足IP65防護(hù)等級(jí)，燈具外掛接線盒，與主電源連接。對(duì)疏散指示燈要求采用立體三角形結(jié)構(gòu)。兩個(gè)光源面相互對(duì)立，兩個(gè)光源面采用前開(kāi)方式，在維修中更換芯片、驅(qū)動(dòng)電源及面板玻璃時(shí)不拆卸燈具主體；燈具及接線盒與三角形結(jié)構(gòu)一體化。線纜進(jìn)入燈具提供密封措施。

(5)設(shè)計(jì)新照明系統(tǒng)，減少設(shè)備容量及數(shù)量，實(shí)行良好的維護(hù)管理[12]

原獅子洋隧道照明燈為50 W無(wú)極照明燈，其電源取隧道內(nèi)5處變電所(箱變)接引隧道照明電源，并在隧道的18個(gè)洞室中設(shè)置了電源及控制等開(kāi)關(guān)設(shè)備(500 m控制范圍)，存在設(shè)備多，維護(hù)工作量大的問(wèn)題；若將照明燈改用25 W的LED照明燈[13-15]，一方面照明系統(tǒng)的負(fù)荷容量降低一半，同時(shí)低壓供電電纜截面積[16]也可以減小一半，另一方面，由于每段供電范圍的容量減半，意味著同樣容量的開(kāi)關(guān)可供電的范圍加大，將原每個(gè)洞室單側(cè)500 m控制范圍，可擴(kuò)大為兩側(cè)1 500 m的控制范圍，這樣隧道照明洞室內(nèi)的設(shè)備將減少75%，大大減少了設(shè)備數(shù)量和日常維護(hù)工作量，實(shí)行良好的維護(hù)管理。

5 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)獅子洋隧道這種海洋和工業(yè)混合大氣環(huán)境，通過(guò)對(duì)既有照明供電設(shè)備腐蝕原因的調(diào)查與分析，制定相應(yīng)的腐蝕控制措施。

(1)根據(jù)使用的環(huán)境，正確地選用合適耐腐蝕金屬材料并加涂料涂裝的方法提供抗腐蝕能力——對(duì)各照明系統(tǒng)配電箱(柜)材質(zhì)選擇方面采用316L不銹鋼并加噴涂船艦漆。

(2)對(duì)照明燈具表面，在基材上施加適合的保護(hù)涂層——對(duì)獅子洋隧道照明燈及疏散指示燈的燈具表面加一層氧化鋁薄膜。

(3)對(duì)于隧道電力電纜，施加耐蝕性較好的涂層——在電力電纜中增加鉛護(hù)套，提高電纜防潮抗腐能力。

(4)產(chǎn)品合理的防腐設(shè)計(jì)——對(duì)各配電箱采用雙層結(jié)構(gòu)；對(duì)照明燈具結(jié)構(gòu)采用光源室和驅(qū)動(dòng)電路室相互獨(dú)立結(jié)構(gòu)。

(5)實(shí)行良好的維護(hù)管理，對(duì)隧道的照明供電及控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，整個(gè)隧道以變電所供電半徑為界劃分各照明控制段，以減少控制開(kāi)關(guān)和電源設(shè)備，大大減少了設(shè)備數(shù)量和日常維護(hù)工作量，實(shí)行良好的維護(hù)管理。

以上防腐蝕控制措施在獅子洋隧道K2336+019.4～K2337+629段隧道照明系統(tǒng)改造工程得到應(yīng)用，實(shí)施效果顯著，可為今后類(lèi)似環(huán)境下的隧道照明系統(tǒng)防腐蝕控制措施提供借鑒和參考。

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