王榮華

(中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司 總工室，廣東 廣州 510088)

我國(guó)沿海鐵路主要連接?xùn)|部沿海各省市，是各區(qū)域間大運(yùn)量、高速度的陸路運(yùn)輸通道，對(duì)串聯(lián)起我國(guó)沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)城市起到重要的作用。近年來(lái)，廣鐵集團(tuán)開通運(yùn)營(yíng)的沿海鐵路有海南環(huán)島高速鐵路東段及西段、廣深港高速鐵路(廣深段)、杭深鐵路，合計(jì) 1 140 km。沿海鐵路常用的軌道扣件部件組成如圖1所示。一般情況下，扣件可長(zhǎng)期、有效地保持鋼軌與軌枕的可靠聯(lián)結(jié)[1]，然而，各沿海鐵路開通運(yùn)營(yíng)3年后，軌道扣件就開始出現(xiàn)較為嚴(yán)重的銹蝕，其中，海南環(huán)島高速鐵路東段、廣深港高速鐵路獅子洋隧道銹蝕情況尤為嚴(yán)重，設(shè)計(jì)壽命10年的扣件，僅用了3年多銹蝕比例就高達(dá)80%以上，部分扣件螺栓桿件銹蝕深度達(dá)到了3 mm。圖2是海南環(huán)島高速鐵路東段軌道扣件銹蝕現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖1 軌道扣件部件組成

圖2 海南環(huán)島高速鐵路東段軌道扣件銹蝕

軌道扣件在短期內(nèi)出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕，將導(dǎo)致線路維護(hù)工作量大,維護(hù)成本高，影響鐵路正常運(yùn)營(yíng)，甚至存在安全隱患[2]。因此，針對(duì)沿海地區(qū)大氣環(huán)境特點(diǎn)研究有效可靠的沿海鐵路軌道扣件防銹技術(shù)，解決沿海鐵路扣件快速嚴(yán)重銹蝕問(wèn)題，對(duì)提升鐵路設(shè)備安全基礎(chǔ)、減少維修養(yǎng)護(hù)工作量、節(jié)約維修成本等具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 沿海鐵路軌道扣件銹蝕影響因素及成因

1.1 扣件銹蝕形態(tài)

扣件銹蝕實(shí)質(zhì)是扣件金屬材料的銹蝕，金屬材料受周圍介質(zhì)的作用而損壞，稱為金屬腐蝕或銹蝕[3]。金屬銹蝕實(shí)質(zhì)上是在金屬界面上發(fā)生的化學(xué)或電化學(xué)多相反應(yīng)，使金屬轉(zhuǎn)為氧化(離子)狀態(tài)，從而改變了金屬的化學(xué)結(jié)構(gòu)和成分。

金屬在大氣中都會(huì)有不同程度的銹蝕，稱為金屬大氣銹蝕，如圖3所示。金屬大氣銹蝕是電化學(xué)腐蝕的一種特殊形式，是金屬表面水膜下的銹蝕過(guò)程，服從于電化學(xué)腐蝕的一般規(guī)律。

圖3 金屬大氣銹蝕

1.2 扣件銹蝕影響因素

1)相對(duì)濕度

空氣中相對(duì)濕度越高，金屬表面水膜越厚，扣件銹蝕就越快、越嚴(yán)重。圖4為大氣銹蝕速度與金屬表面水膜厚度的關(guān)系曲線，可以清楚地看出，相對(duì)濕度達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，銹蝕速度大幅上升，這個(gè)數(shù)值稱為臨界相對(duì)濕度，鋼的臨界相對(duì)濕度約為70%。

注：Ⅰ—δ=1 nm～10 nm; Ⅱ—δ=10 nm～1 μm;Ⅲ—δ=1 μm～1 mm; Ⅳ—δ>1 mm.圖4 大氣銹蝕速度與金屬表面水膜厚度關(guān)系曲線

降雨在扣件金屬表面直接產(chǎn)生水膜,為大氣銹蝕創(chuàng)造了條件。當(dāng)有溫差出現(xiàn)時(shí)，大氣中的水汽含量達(dá)到飽和就會(huì)凝結(jié)成露。露與降雨相比，在金屬表面形成的薄水膜的厚度及面積較小，時(shí)間較短，因而產(chǎn)生的銹蝕電流較小，在實(shí)際中一般露比降雨時(shí)的銹蝕電流值小1個(gè)量級(jí)。但由于露出現(xiàn)的時(shí)間長(zhǎng)，其產(chǎn)生的總銹蝕量還是比較大的。

2)溫度

環(huán)境溫度與相對(duì)濕度關(guān)聯(lián)。干燥環(huán)境(如沙漠)中，氣溫再高，金屬也不容易銹蝕。當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度達(dá)到臨界值時(shí)，溫度影響明顯加劇，溫度每增加10 ℃，銹蝕速度提高2倍。因此，在濕熱帶或雨季，氣溫越高，銹蝕越嚴(yán)重。

3)氧氣

用下列反應(yīng)式表示生銹過(guò)程：

Fe+H2O+O2→Fe(OH)2

Fe(OH)2+H2O+O2→Fe(OH)3

Fe+H2O+O2→Fe(OH)3

空氣中20%的成分是氧氣，在沿海地區(qū)相對(duì)濕度大，氧氣和水分的結(jié)合更易使扣件銹蝕。

4)大氣其他物質(zhì)

大氣中的鹽霧、二氧化硫、硫化氫、灰塵等，統(tǒng)稱為污染物質(zhì)(如表1所示)，會(huì)加速扣件銹蝕，特別是鹽氯粒子對(duì)扣件銹蝕影響很大，是扣件銹蝕的加速劑。

表1 大氣中的污染物質(zhì)

含不同污染物質(zhì)的大氣環(huán)境對(duì)扣件銹蝕的影響是不一樣的，一般是城市高于農(nóng)村，工業(yè)區(qū)高于生活區(qū)，沿海高于內(nèi)陸，高粉塵高于低粉塵。

在污染物含量方面，海南地區(qū)空氣中鹽氯粒子含量很高。表2為離海洋距離不同時(shí)空氣中Cl-和Na+的含量變化，可知離海岸距離變大時(shí)，空氣中Cl-和Na+離子含量隨之減少。

表2 離海洋距離不同時(shí)空氣中Cl-和Na+的含量變化

1.3 沿海鐵路扣件的快速銹蝕成因分析

沿海地區(qū)溫度高、濕度大，大氣中加速金屬銹蝕的粒子含量高。以海南為例，夏季時(shí)間8～10個(gè)月，平均氣溫31～36 ℃，最高氣溫40 ℃，年平均相對(duì)濕度超過(guò)80%，大于鋼材快速銹蝕的臨界濕度70%。而且，沿海地區(qū)Cl-離子含量高，如海南環(huán)島高速鐵路東段線路距離海邊最近處僅150 m，大部分線路與海洋的距離在0.4～3.0 km，大氣中Cl-離子含量約為內(nèi)陸地區(qū)的6倍及以上，將極大地加速金屬銹蝕。這些嚴(yán)重超標(biāo)的銹蝕因素與濕熱型氣候相結(jié)合，導(dǎo)致形成強(qiáng)電介質(zhì)水膜。水膜吸附于扣件表面之上，在列車動(dòng)荷載和扣件自身緊固力作用下，使扣件發(fā)生銹蝕。因此，沿海鐵路軌道扣件所處環(huán)境相對(duì)濕度大、溫度高、水露多、Cl-離子含量高及氧氣作用，給金屬快速銹蝕創(chuàng)造了良好的條件，軌道扣件發(fā)生銹蝕的時(shí)間縮短為內(nèi)陸地區(qū)正常環(huán)境下的1/3～1/2。

2 沿海鐵路軌道扣件防銹技術(shù)研究

2.1 技術(shù)條件

沿海地區(qū)大氣中含有大量Cl-離子，軌道扣件長(zhǎng)期處于堿性環(huán)境中，防銹技術(shù)必須適用于高溫潮濕和堿性大氣環(huán)境。此外，軌道扣件在運(yùn)輸與安裝過(guò)程中，可能出現(xiàn)磕碰、摩擦等情況，故要求防銹層與金屬基體結(jié)合牢固，在運(yùn)輸與安裝過(guò)程中不能脫落。同時(shí)，防銹處理不能影響扣件系統(tǒng)的物理、力學(xué)和機(jī)械性能，保證防銹處理后的扣件系統(tǒng)符合相關(guān)使用技術(shù)條件。

2.2 現(xiàn)行軌道扣件防銹處理技術(shù)

軌道扣件彈條、螺栓等金屬件在生產(chǎn)制造時(shí)均要求進(jìn)行防銹處理。以高速鐵路W1型扣件的彈條為例，需對(duì)表面進(jìn)行防銹處理，防銹層在正常運(yùn)輸與安裝過(guò)程中不得出現(xiàn)脫落[4]，同時(shí)，防銹處理螺栓經(jīng)120 h鹽霧試驗(yàn)后保護(hù)等級(jí)不能低于9級(jí)?，F(xiàn)行規(guī)范、規(guī)定對(duì)螺栓的防銹防腐處理工藝沒有明確的要求，一般采取涂油、靜電噴涂、電泳漆、達(dá)克羅、粉末滲鋅等措施；對(duì)條件較惡劣的環(huán)境，根據(jù)使用單位需求也可采用熱鍍鋅(浸鋅)、達(dá)克羅等處理方式[5]。

從廣鐵集團(tuán)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際看，靜電噴涂、達(dá)克羅等防銹技術(shù)在湖南省及廣東省非沿海地區(qū)使用情況效果較好，養(yǎng)護(hù)維修工作量均在正常范圍內(nèi)，扣件均能達(dá)到正常的使用壽命，但在沿海地區(qū)使用效果不理想，不僅維護(hù)工作量大，也達(dá)不到正常的使用壽命。

2.3 鋅鎳滲層防銹處理技術(shù)

鋅鎳滲層技術(shù)是一種在鐵素體狀態(tài)下的低(中)溫化學(xué)熱處理技術(shù)。在一定條件下鋼鐵件與鋅、鎳、鋁、稀土等多種元素充分接觸加熱，使鋅、鎳、鋁等多元金屬原子均勻吸附到鋼鐵制品表面，通過(guò)吸附、吸收、反應(yīng)、擴(kuò)散，在鋼鐵表面生成一層鋅-鎳-鐵合金層，同時(shí)鋅、鎳原子向鋼鐵基體內(nèi)擴(kuò)散，在鋼鐵基體內(nèi)形成耐腐蝕的擴(kuò)散層。

在光學(xué)顯微鏡下，鋅鎳滲層微觀結(jié)構(gòu)有：①表層為鋅-鎳-鐵合金層，稱為沉積層，即防銹層，保護(hù)基體免受外界腐蝕、侵蝕，是防腐、防銹的主體；②第2層即次表層，為含飽和固溶鋅的擴(kuò)散層，該層也具有一定的耐蝕性，在光學(xué)顯微鏡下呈白亮色；③第3層為鋼鐵基體，屬于工件既有的材料本體。圖5為鋅鎳滲層微觀結(jié)構(gòu)。

圖5 鋅鎳滲層微觀結(jié)構(gòu)

圖6是鋅鎳滲層的晶體學(xué)示意，清楚地反應(yīng)了粒子擴(kuò)散的特征。當(dāng)鋼鐵固溶體中的鋅、鎳元素超過(guò)固溶度極限而不斷形成鋅-鎳-鐵合金新相，新相依附在鋼鐵表面生長(zhǎng)，新相與鋼鐵基體之間充分固結(jié)形成整體金屬結(jié)構(gòu)。

圖6 鋅鎳滲層的晶體學(xué)示意

2.4 鋅鎳滲層防銹指標(biāo)

1)滲層厚度。檢測(cè)鋅鎳滲層扣件的彈條、軌距擋板、螺旋道釘、螺母、平墊圈,得出螺旋道釘滲層厚度最低值為68 μm，其他金屬件滲層厚度最低值為104 μm。

2)鹽霧試驗(yàn)保護(hù)等級(jí)。鋅鎳滲層扣件各金屬件經(jīng) 1 000 h 中性鹽霧試驗(yàn)后，保護(hù)等級(jí)均大于9級(jí)。

3)機(jī)械性能和金相組織。經(jīng)檢測(cè)，鋅鎳滲層扣件的彈條硬度最低值為44 HRC(標(biāo)準(zhǔn)為42～47 HRC)；金相組織為均勻的回火屈氏體與回火索氏體+微量鐵素體(標(biāo)準(zhǔn)為均勻的回火屈氏體或回火索氏體，芯部允許有微量的斷續(xù)鐵素體)，滿足技術(shù)條件要求[6]。

4)抗風(fēng)砂沖擊性能。對(duì)鋅鎳滲層處理后的軌距擋板和螺栓采用石英砂噴射，再進(jìn)行120 h中性鹽霧試驗(yàn)后，評(píng)定等級(jí)為10級(jí)，表明鋅鎳滲層具有優(yōu)良的抗風(fēng)砂沖擊性能。

5)抗二氧化硫腐蝕。經(jīng)檢測(cè)，鋅鎳滲層扣件的彈條經(jīng)10個(gè)循環(huán)周期(240 h)的二氧化硫氣體腐蝕后，試樣表面無(wú)紅銹點(diǎn)、無(wú)起泡，保護(hù)等級(jí)為10級(jí)。

6)滲層防磕碰、碰撞、摩擦性能。鋅鎳滲層是鋅、鎳金屬與彈條等金屬件通過(guò)化學(xué)熱處理形成的[7]，滲層與鋼鐵基體之間已充分固結(jié)形成為一個(gè)整體，所以鋅鎳滲層不存在被磕碰、碰撞、摩擦后掉落的問(wèn)題，可以確?？奂己玫倪\(yùn)輸、安裝條件。

3 鋅鎳滲層軌道扣件的應(yīng)用

海南環(huán)島高速鐵路東段、廣深港高速鐵路廣深段分別于2010年底和2011年底開通運(yùn)營(yíng)，開通后扣件銹蝕嚴(yán)重，從2013年5月開始，廣鐵集團(tuán)將銹蝕嚴(yán)重的扣件更換為鋅鎳滲層扣件。2017年5月、12月，廣鐵集團(tuán)組織在海南環(huán)島高速鐵路東段和廣深港高速鐵路獅子洋隧道現(xiàn)場(chǎng)查看，鋅鎳滲層扣件均沒有銹蝕痕跡，應(yīng)用情況良好，如圖7所示。

圖7 鋅鎳滲層扣件現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

4 結(jié)論

1)實(shí)踐表明，鋅鎳滲層防銹扣件在高溫、高濕、高鹽堿性的大氣環(huán)境中具有良好的抗銹蝕能力，防腐防銹性能大大優(yōu)于現(xiàn)行表面技術(shù)處理的扣件，防銹性能明顯高于現(xiàn)行規(guī)范技術(shù)指標(biāo)，機(jī)械性能滿足現(xiàn)行扣件技術(shù)條件，防腐蝕壽命在20年以上。

2)從海南環(huán)島高速鐵路東段和廣深港高速鐵路獅子洋隧道試驗(yàn)情況看，鋅鎳滲層扣件從2013年5月安裝后4年多來(lái)，該扣件系統(tǒng)不需涂油，安裝后免日常維護(hù)。按照20年的壽命考慮，免維護(hù)不僅節(jié)約維護(hù)成本(含維護(hù)材料、人工等)，而且減少對(duì)鐵路運(yùn)輸?shù)母蓴_，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益明顯。因此，建議沿海鐵路軌道扣件全面推廣鋅鎳滲層防銹技術(shù)，降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，保證鐵路正常運(yùn)營(yíng)和安全。