材料腐蝕失效問題廣泛存在于國民經(jīng)濟生產(chǎn)活動的各個領域，是導致工程設施裝備服役失效和壽命縮短的主要因素之一。由腐蝕引發(fā)的化學物質泄漏嚴重污染水、大氣和土壤資源，不但帶來巨大的經(jīng)濟損失造成災難性的安全事故和嚴重的人員傷亡，而且給社會造成的危害甚至超過各類自然災害的總和[1]。2015年中國工程院啟動了“我國腐蝕狀況及控制戰(zhàn)略研究”重大咨詢項目，對我國基礎設施、交通運輸、能源、水環(huán)境、生產(chǎn)制造5大關鍵領域30多個重點行業(yè)的腐蝕狀況、腐蝕成本及其防控措施開展了專題調查工作。調查結果顯示2014年我國各行業(yè)腐蝕總成本約占當年GDP的3. 34%，總額超過2. 1萬億元人民幣[2-3]。隨著工業(yè)水平的不斷發(fā)展，環(huán)境問題日益嚴峻，材料腐蝕失效問題將給工程設施裝備長期安全服役帶來全新的挑戰(zhàn)。

鐵路基礎設施是現(xiàn)代化工業(yè)建設和經(jīng)濟發(fā)展的重要載體之一。鐵路材料的可靠性、服役耐久性對于提升鐵路設施運維安全、降低腐蝕成本具有重要的意義。我國高速鐵路歷經(jīng)十余年的快速發(fā)展，截至2021 年底，全國鐵路營運里程15萬km，高速鐵路運營里程達4萬km，穩(wěn)居世界第一。高鐵技術與材料科學的迅速發(fā)展相互促進，高鐵采用的材料不僅種類繁多，而且需求量巨大。

我國高鐵分布廣泛、縱橫交錯，覆蓋了我國主要氣候環(huán)境，高鐵材料運行過程中經(jīng)受不同跨域氣候環(huán)境下的腐蝕與老化作用[4]。這些環(huán)境因素給高鐵材料的環(huán)境適應性及耐久性帶來了巨大的挑戰(zhàn)和壓力。為了保障高鐵沿線設施裝備的安全運行和經(jīng)濟收益，亟需開展針對我國不同服役環(huán)境下典型高鐵材料的腐蝕行為規(guī)律研究，實現(xiàn)針對高鐵沿線設施裝備材料腐蝕性能的大數(shù)據(jù)監(jiān)測，同時對我國高鐵設施裝備所處服役環(huán)境的腐蝕性進行分級分類，為高鐵材料腐蝕、老化防護及維修提供指導，為合理選材選型和提高材料環(huán)境適應性設計提供科學依據(jù)，為高鐵運維安全提供技術保障。

1 典型鐵路材料的腐蝕行為

鐵路系統(tǒng)基礎設施按功能和維護職責主要分為工務、電務、站房和機車車輛等子系統(tǒng)。其中工務系統(tǒng)主要包括鐵路線路及相關設備，工務段主要負責橋梁、隧道、涵洞等的維修和養(yǎng)護；電務系統(tǒng)包括供電、電氣線路以及變軌和信號機的控制系統(tǒng)等。工務系統(tǒng)常見的腐蝕損傷多數(shù)是腐蝕疲勞開裂和腐蝕減薄；電務系統(tǒng)的腐蝕損傷主要是應力腐蝕損傷和電偶腐蝕；站房的腐蝕損傷主要是腐蝕減薄和焊縫處的點蝕；車輛的腐蝕損傷是腐蝕減薄和腐蝕穿孔[5]。在高原地區(qū)，紫外線輻射使路軌下橡膠墊板出現(xiàn)開裂現(xiàn)象、涂層老化嚴重；在多隧道地區(qū)，隧道漏水和隧道返堿還會加速金屬件的腐蝕。

鐵路工務系統(tǒng)的鋼軌和扣件是易受到腐蝕損傷的部件，可能發(fā)生腐蝕疲勞斷裂，一旦發(fā)生腐蝕疲勞斷裂會直接導致火車脫軌，造成嚴重災難[6]。目前影響鋼軌腐蝕的主要因素是酸雨和鐵路貨車掉落的堆積物。大多數(shù)鋼軌常年暴露在大氣雨水環(huán)境下，特別是處于工業(yè)污染酸雨等環(huán)境條件下的鋼軌和扣件，其大氣腐蝕更為嚴重[7-8]。酸雨腐蝕不僅易導致鋼軌和扣件誘發(fā)局部腐蝕和腐蝕斷裂，而且會在鋼軌表面產(chǎn)生較厚銹層，后者將嚴重影響鋼軌與車輪之間的電導通，影響鐵路監(jiān)控系統(tǒng)的有效性和準確性。

在鐵路工務系統(tǒng)中，除了鋼軌和扣件外，橋梁、隧道和護坡等設施的腐蝕問題更為嚴峻。以大型橋梁為例，影響橋梁的腐蝕因素有很多，主要有溫度、濕度以及大氣中SO2的含量和酸雨等，通常情況下產(chǎn)生的腐蝕破壞有均勻腐蝕、局部腐蝕和腐蝕斷裂3種。均勻腐蝕普遍發(fā)生在鋼結構表面，均勻腐蝕余量選擇不當或者均勻腐蝕速率測定不準確均會導致重大工程結構提前報廢甚至發(fā)生垮塌。目前尚缺乏對其各部分腐蝕速率的準確觀測數(shù)據(jù)。橋梁結構局部腐蝕（如點蝕和縫隙腐蝕）的產(chǎn)生一般是由于氯離子等腐蝕性介質的積聚和局部自催化微環(huán)境的作用導致[9-10]，其發(fā)生具有隱蔽性，如發(fā)現(xiàn)不及時或設計運維過程中對腐蝕類型調研不充分，則可能引發(fā)災難性后果。如某斜拉橋于1988年12月建成，1995年1根鋼索上段突然斷裂，經(jīng)分析其斷裂主要是由氯離子點蝕造成[3]。同時，工業(yè)大氣環(huán)境含有較多SO2等有害氣體，其在隧道等相對密閉的空間內難以消散會導致隧道區(qū)域金屬材料的嚴重腐蝕[11]。

鐵路電務系統(tǒng)也常發(fā)生腐蝕失效問題，其腐蝕問題主要包括鋁合金定位裝置的腐蝕、磨損，不銹鋼緊固件的銹蝕、斷裂，異種金屬偶接結構的電偶腐蝕和縫隙腐蝕等[12]。上述腐蝕問題，可能導致動力線掉線和信號故障，從而引發(fā)次生事故災害。

近年來鐵路站房的腐蝕問題也比較突出，大型站房雨棚一般采用鉸接或焊接骨架結構，目前雨棚鋼結構整體涂層失效、腐蝕的情況非常普遍。其后果是承力的鉸接或焊接部位暴露在腐蝕環(huán)境下，導致雨棚自然垮塌或因自然災害誘發(fā)垮塌事故。由于站房是乘客乘車的集中場所，腐蝕事故后果非常嚴重，風險等級也較高。

此外，在紫外線充足的室外環(huán)境，高分子材料老化問題也特別突出[13-14]。一方面是鋼軌下減振橡膠墊板的開裂和掉塊現(xiàn)象，這會導致其減振效果大幅降低或喪失，將加劇鋼軌與輪轂的接觸腐蝕疲勞以及鋼軌扣件的腐蝕疲勞問題。另一方面是鐵路供電系統(tǒng)高分子絕緣子的輻照老化問題，其老化可能導致絕緣子絕緣性能降低，造成閃絡事故。或者強度下降，導致絕緣子斷裂引發(fā)掉線事故。用于高速鐵路建設的伸縮縫密封膠也會受到紫外線輻射以及高溫與堿性環(huán)境相結合的影響，隨著作業(yè)時間的增加，在紫外線作用下伸縮縫中的密封材料會發(fā)生老化并逐漸出現(xiàn)裂縫，導致雨水通過裂縫滲入路基床上層，造成路基床上層在高速列車的沖擊力作用下支撐能力惡化[15]。

2 腐蝕大數(shù)據(jù)監(jiān)測技術

對材料腐蝕老化行為和長期演化規(guī)律的系統(tǒng)研究是建立工程結構可靠性評價和耐久性設計，以及發(fā)展耐腐蝕、長壽命、高性能工程材料的必要基礎。研究表明材料長周期服役時的腐蝕行為三分之二取決于服役環(huán)境、三分之一取決于材料成分等因素影響[16]。傳統(tǒng)的腐蝕數(shù)據(jù)觀測與積累普遍采用長周期掛片或實物失效分析的方法，其周期長、工作量大、數(shù)據(jù)量分散，獲取數(shù)據(jù)的效率極低，數(shù)據(jù)在時間和空間上都具有碎片化的特點，還存在數(shù)據(jù)積累過程中多種環(huán)境因素耦合不穩(wěn)定等缺點。此外，以掛片試驗積累數(shù)據(jù)評價環(huán)境腐蝕性，往往由于數(shù)據(jù)積累周期長而具有一定的滯后性，并不能及時有效地反映環(huán)境腐蝕性的變化及其對材料構件服役行為的復雜影響規(guī)律，造成較大的數(shù)據(jù)誤差。因此，通過基于多傳感器的物聯(lián)網(wǎng)技術，實時動態(tài)采集材料腐蝕及環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，對了解材料腐蝕行為和過程機理等具有重要意義。采用腐蝕大數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)觀測法能夠同步獲取多元環(huán)境-腐蝕規(guī)律數(shù)據(jù)，短期觀測即可甄別主要環(huán)境因素，結合現(xiàn)場掛片標定測試，可以實現(xiàn)腐蝕規(guī)律的定量快速評估[17]。研發(fā)腐蝕大數(shù)據(jù)監(jiān)測技術并實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)觀測，系統(tǒng)開展高鐵設施裝備材料腐蝕老化失效行為的大數(shù)據(jù)采集、快速分析診斷和智能評價預測等相關研究工作具有重要意義。

隨著物聯(lián)網(wǎng)及無線通信技術的發(fā)展，各種基于先進多傳感器的高通量腐蝕大數(shù)據(jù)采集技術發(fā)展迅速，比如大氣腐蝕監(jiān)測儀（ACM）作為一種先進的腐蝕數(shù)據(jù)積累技術，可通過對大氣薄液膜下傳感器探頭表面腐蝕電流、電阻或阻抗等信息的監(jiān)測，反映探頭所處環(huán)境腐蝕性的實時變化，具有靈敏度高、機動性強等優(yōu)點[17-18]。除腐蝕數(shù)據(jù)以外，大多數(shù)ACM也配備了對溫度、濕度等基本環(huán)境參量的實時監(jiān)測能力，有助于解析環(huán)境腐蝕性的變化規(guī)律[19-20]。泰國國家金屬材料技術中心與日本國家材料科學與技術研究所聯(lián)合，在泰國的春武里府沿海、北攬府新國際機場和曼谷市區(qū)進行了短期ACM監(jiān)測和碳鋼掛片的同步試驗，二者結果具有較好的一致性。ACM有潛力替代傳統(tǒng)掛片試驗，簡捷而快速地評價大氣環(huán)境腐蝕性，特別適用于鐵路系統(tǒng)大地域、線路復雜、環(huán)境多樣狀況下的腐蝕觀測及數(shù)據(jù)自動采集，滿足重大工程腐蝕防控對相關關鍵數(shù)據(jù)的緊迫需求。

圖1 國家材料腐蝕與防護科學數(shù)據(jù)中心研發(fā)和應用的環(huán)境腐蝕傳感器

近年來我國材料腐蝕數(shù)據(jù)共享和大數(shù)據(jù)技術領域取得很大的進展，2015 年《Nature》發(fā)表題為“Sharecorrosion data”的論文[21]，在國際上率先提出了“腐蝕大數(shù)據(jù)”的原創(chuàng)性學術概念以及集成數(shù)據(jù)高通量采集入庫、分析挖掘、建模仿真、共享應用在內的材料腐蝕信息學理論體系，為材料腐蝕大數(shù)據(jù)技術的發(fā)展奠定了基礎。在高通量腐蝕數(shù)據(jù)與環(huán)境數(shù)據(jù)積累方面，國家材料腐蝕與防護科學數(shù)據(jù)中心開發(fā)了基于電偶電流、電阻等微型電化學探針和多環(huán)境因素傳感器的系列化環(huán)境腐蝕高通量實時采集技術，見圖1。結合先進物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術，建立了材料全壽命周期環(huán)境腐蝕試驗大數(shù)據(jù)采集體系，可在典型的自然環(huán)境或工業(yè)環(huán)境中進行環(huán)境及腐蝕數(shù)據(jù)的高通量測試和在線采集[22-23]。材料腐蝕大數(shù)據(jù)已經(jīng)逐漸形成了包括多源異構腐蝕數(shù)據(jù)的高通量采集、多維智能關聯(lián)數(shù)據(jù)庫建設、腐蝕大數(shù)據(jù)挖掘建模與可視化、腐蝕大數(shù)據(jù)共享與物聯(lián)網(wǎng)平臺建設等方面的完善研究體系，為未來材料腐蝕學科的發(fā)展趨勢指明了發(fā)展方向[17-21]。國家材料腐蝕與防護科學數(shù)據(jù)中心所研發(fā)的腐蝕大數(shù)據(jù)采集體系已陸續(xù)應用于國內多個國家野外科學觀測研究站點，監(jiān)測材料涵蓋橋梁鋼、橋梁耐候鋼等黑色金屬以及鋅等有色金屬，監(jiān)測環(huán)境覆蓋干熱、濕熱、沿海、內陸等典型應用環(huán)境，監(jiān)測環(huán)境因素包含溫度、濕度、SO2、H2S、PM2. 5、凝露等環(huán)境因子。2020年，為了監(jiān)控和了解橋梁用耐候鋼在川藏鐵路沿線地區(qū)的自然環(huán)境腐蝕行為，中國鐵道科學研究院集團有限公司和北京科技大學的腐蝕與防護團隊在雅礱江大橋、列衣大橋、金沙江大橋和拉林藏木大橋等擬建或在建橋址進行耐候鋼投樣掛片，并同步收集溫、濕度數(shù)據(jù)和腐蝕數(shù)據(jù)。此外，還開發(fā)了無線遠程實時動態(tài)傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)環(huán)境因素與材料腐蝕數(shù)據(jù)相融合，并通過物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時入網(wǎng)入庫，形成了整套適用于材料環(huán)境腐蝕研究的數(shù)據(jù)高通量采集體系，滿足了原位獲得腐蝕數(shù)據(jù)的海量性、實時性與復雜性需求，為探尋材料腐蝕過程的可靠性提供了數(shù)據(jù)基礎。

3 腐蝕大數(shù)據(jù)預測技術

利用我國長期開展的自然環(huán)境腐蝕野外掛片試驗和大數(shù)據(jù)監(jiān)測試驗所積累的海量多源異構腐蝕數(shù)據(jù)資源[24]，我國學者進一步開展了針對大氣、土壤、海水環(huán)境參數(shù)與腐蝕速率等數(shù)據(jù)的挖掘建模研究[25-27]，重點關注了環(huán)境影響參量、高效篩選降維與腐蝕性能預測數(shù)據(jù)相關機器學習優(yōu)化算法的研究。例如，在腐蝕數(shù)據(jù)挖掘方法研究方面，北京科技大學研究團隊針對碳鋼等材料在我國典型大氣環(huán)境的腐蝕數(shù)據(jù)集，提出了多項式擬合投影尋蹤回歸、主成分分析與Hermite多項式投影尋蹤回歸的結合算法等有效的腐蝕數(shù)據(jù)挖掘算法，如圖2所示[18]。在腐蝕數(shù)據(jù)建模仿真技術研究方面，提出了基于支持向量機的非線性組合預測模型、非等間距GM(1,1)模型等精度高且泛化性能好的腐蝕預測模型[28]。通過神經(jīng)網(wǎng)絡、小腦模型、決策樹模型、支持向量回歸、灰色預測、遺傳算法、隨機森林等數(shù)據(jù)挖掘方法的優(yōu)化與集成，建立材料成分-環(huán)境參數(shù)-腐蝕速率之間的機器學習模型，開展了面向復雜多變服役環(huán)境材料腐蝕行為與壽命的預測研究[29-33]，相關研究已在電力輸送、海洋工程、石油化工、交通運輸?shù)戎攸c領域得到初步應用，實現(xiàn)在復雜自然環(huán)境下的快速選材與腐蝕壽命評估。

圖2 腐蝕數(shù)據(jù)挖掘算法［18］

4 腐蝕大數(shù)據(jù)共享平臺

國家材料腐蝕與防護科學數(shù)據(jù)中心在其門戶網(wǎng)站上呈現(xiàn)腐蝕監(jiān)測大數(shù)據(jù)，用戶通過網(wǎng)頁即可實時瀏覽監(jiān)測站點數(shù)據(jù)采集狀況，系統(tǒng)分為傳感器、數(shù)據(jù)采集終端及云平臺3大部分[18，34]。傳感器可以實時監(jiān)測安裝所在位置環(huán)境的材料瞬態(tài)腐蝕速率和累計腐蝕增量，溫度、濕度、壓力（可選）等環(huán)境參數(shù)和腐蝕數(shù)據(jù)同步采集和顯示。數(shù)據(jù)采集終端通過物聯(lián)網(wǎng)通信技術與云數(shù)據(jù)平臺連接，將傳感器獲取的原始數(shù)據(jù)實時采集傳輸至云端。原始數(shù)據(jù)經(jīng)處理后存儲至云平臺，并經(jīng)過可視化處理形成材料腐蝕速率-溫濕度等環(huán)境因子變化曲線、材料累計腐蝕量曲線以及材料腐蝕時鐘圖（圖3），通過材料腐蝕速率-溫濕度等環(huán)境因子變化曲線可較為直觀地看出材料腐蝕速率與環(huán)境因子的耦合相關性；通過材料累計腐蝕量曲線可以對不同材料的腐蝕速率進行精準甄別，同時也可對不同站點的腐蝕速率進行比較分析；通過腐蝕時鐘圖可以直觀地觀察腐蝕發(fā)生的時間，也可以快速地發(fā)現(xiàn)傳感器自安裝以來任意時刻腐蝕速率的變化。同時云平臺具有設備管理、項目管理等功能，方便數(shù)據(jù)及功能的開放共享。

面對重點行業(yè)和重大裝備多元化應用場景的需求，通過材料腐蝕數(shù)據(jù)分析挖掘技術與腐蝕傳感器技術和物聯(lián)網(wǎng)技術的集成，以及材料腐蝕數(shù)據(jù)分析挖掘可視化技術的研發(fā)，將實現(xiàn)物理空間與數(shù)據(jù)空間的交互與融合，為耐蝕材料與防護技術研發(fā)、裝備設施服役安全維護等構建新型智能研發(fā)與共享應用平臺。有效關聯(lián)和整合包括材料、結構、環(huán)境、服役性能數(shù)據(jù)以及圖片、案例資料等多源異構數(shù)據(jù)資源，理清裝備發(fā)展過程中所面臨的環(huán)境適應性及服役安全等重大材料科學問題。構建具有查詢、反饋、分析、預測不同功能模塊的裝備設施服役安全監(jiān)測評估大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，編制產(chǎn)品標準和應用設計規(guī)范，構建裝備設施可靠性、耐久性的全面保障體系。

圖3 野外試驗站點及可視化時鐘圖［26］

5 結束語

材料腐蝕或老化行為與其服役環(huán)境密切相關，并決定了工程結構的可靠性和壽命。高鐵材料運行地形復雜、氣候多樣，不但受高溫、高濕、高鹽等嚴酷環(huán)境的影響，還受到高鐵列車運行時帶來的振動、疲勞、氣流、電流等因素的影響，多因素耦合作用不僅會導致高鐵工程材料和結構腐蝕異常嚴重，而且其地域分布規(guī)律復雜，難以簡單判別和預測，必須經(jīng)過充分科學的腐蝕調查與現(xiàn)場觀測才能獲得充分系統(tǒng)的認知。因此，開展面向高鐵沿線設施裝備運維安全的材料腐蝕大數(shù)據(jù)監(jiān)測和預測技術，在高鐵運行重點區(qū)段的路基、軌道、橋梁、隧道等位置，系統(tǒng)布局材料服役大數(shù)據(jù)傳感器，對關鍵設施與裝備腐蝕磨損、疲勞振動、位移變形等服役失效狀態(tài)及其所處服役環(huán)境狀態(tài)進行實時動態(tài)監(jiān)測和高通量數(shù)據(jù)采集，形成高鐵設施與裝備服役損傷智能監(jiān)測物聯(lián)網(wǎng)，研究高鐵工程裝備材料腐蝕失效機理和環(huán)境適應性規(guī)律，理清復雜服役條件下金屬、混凝土、高分子及涂鍍層材料的腐蝕、老化、磨損和疲勞等破壞機理及性能退變規(guī)律及其與地質、氣候環(huán)境主要影響因素之間的關系，建立高鐵材料腐蝕數(shù)據(jù)庫和共享服務平臺，以指導國家重大工程建設中耐腐蝕材料和防護技術的設計與應用，促進基礎設施和重大工程長壽命安全運行等系列工作，具有重要意義。參考文獻：