铁路螺旋道钉腐蚀分析及保

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铁路螺旋道钉腐蚀分析及保护谷权蚌埠工务段线路科摘要：针对铁路螺旋道钉在大气环境中腐蚀产生的原因进行分析，根据其受化学腐蚀和电化学腐蚀的原理及类型，采取相应的保护措施，减缓了道钉腐蚀的发生或发展，在日常维修生产中取得了良好的效益，保证了线路轨道框架的稳定。关键词：螺旋道钉腐蚀分析保护经过六次人提速，屮国铁路正在向高速、重载运输方向发展。铁路要实现高速重载运输,就要求铁路钢轨具有较高的稳定性和平衡性，这样才能保证列车的平稳运行。亜型钢轨的应川，须对钢轨提供足够扌II压力，才能确保轨道框架的相对稳定。螺旋道何的状态是否良好，是扌II件系统是否有效作用的关键。螺旋道钉(以下简称道钉)与秘枕通过硫碳锚固的方式进行联接。轨枕在铺设上线后，随着上道使用时间的増加，长期口然坏境下在暴露，易造成螺纹和圆台附近材质锈蚀流失，尤其是圆台附近产牛严重锈蚀后因不足以抵抗扭力矩和拉应力而折断。2012年蚌埠工务段管内京沪止线约510Km线路，共改锚承轨台上部严重锈蚀道钉7.8万余支，其中改锚量最大的地段lKm范围内改锚量达到了705支，目前线路上仍有部分锈蚀道钉需改锚，工作量之大可见一斑。通过对改锚下来的锈蚀道创进行测量，锈蚀部位直径的达到80%以上。如何减缓道钉腐蚀速度，延长使用寿命，减少螺纹道钉折断后的改锚工作量，是我们H常工作中面临的一个新课题。一、道钉介绍螺旋道钉按照铁道行业标准(TB564-92)制造,材料为Q235钢，即屈服点为235MPa的碳素结构钢。螺旋道钉总长度195mm,上部螺纹为M24基本尺寸，上部钉杆长度75mm,螺纹长度45mm；中部圆台直径28mm。螺旋道钉实物拉力试验时荷载为130KM时不得拉断。二、道钉腐蚀原理分析道钉随轨枕上道后，长期暴露在大气环境下，经过若T•年的使用，不断受到雨水、旅客列车直排粪便、废水及货物列车运输过程屮遗落化工、矿物质影响较人，随着气候更替、气 温也在不断变化，所处外部环境较恶劣。造成锚固后上部螺纹及圆台部位腐蚀的原因十分复杂，道钉在H常工作环境中主耍受以下几种污染：①旅客列车排放的粪便、尿液、洗漱费水等。段管内京沪线除加班列车外，图定旅客列车56对，且列车一半以上为直排式集便器，其中人牛理排便时段6：00-8：00期间通过管内线路的旅客列车19对，占总数的33.9%。粪便、尿液中主要包含各类有机物、微生物、细菌、含硫、氯化合物和无机盐（钙、铁、镁），为道钉腐蚀提供了电解质溶液环境。②人气及硫磺锚固剂屮的硫及硫化物易对道钉产生腐蚀。③受局部环境空气污染影响较人。线路所经过地区附近化工厂排放的SO?、氨气等酸性气体及水溶性液体颗粒附着在道钉表而产生腐蚀。④近年來附着大气环境污染，造成降水呈酸性。⑤货物列车撒落的化工原料、矿物质等，如碳颗等。道钉是由Q235碳素结构钢制造，母材中含有C、Mn、Si、S、P等微量元素。铁金属在大气环境中氧化腐蚀是一个复杂的过程，根据腐蚀的机理不同，通常可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。㈠化学腐蚀最主要的化学腐蚀形式是气体腐蚀，也就是金属的氧化过程（与氧的化学反应），道钉在干燥的空气屮的腐蚀即为气体化学腐蚀。在空气非常干燥的条件下，其表面吸附的水膜厚度<10nm,无连续的电解液膜，腐蚀速度很低，主要为化学氧化作用。在化学腐蚀的过程屮，由于界而反应在金属表而上形成氧化膜，它把环境和恢隔开，氧化的速度受反应物通过膜的扩散所控制。道钉在初期氧化时，铁金属与氧接触碰撞后，首先是氧分子物理吸附在其表而上,进而氧分子分解成原子并与铁发牛化学反应，以化学键结合，牛成一层单分子氧化物（FeO）,即为金属氧化膜，其后膜的成长则具有电化学反应过程。因此，化学腐蚀不是造成螺旋道钉根部腐蚀失效的主要原因。反应如下:3Fe+2O2fFe3（）4㈡电化学腐蚀道钉通过硫磺锚固方式为殓枕联接上道后，其表血尤其是道钉圆台附近，在潮湿的大气和列车排出的废水作用下，会附着一层水膜，金属表而会形成一种微电池，即腐蚀原电池，当这层水膜>10nm时，就形成电化学腐蚀所必须的电解液膜，使空气中C02,SO2,NO?等溶解 在这层水膜中，形成弱酸性电解质溶液，而浸泡在这层溶液中的诙，实际上是合金，还含有石墨、渗碳体(FsC)以及其它金属和杂质，它们大多数没有诙活泼。这样形成的腐蚀电池的阳极为铁，而阴极为杂质，又rh于铁与杂质紧密接触，使得腐蚀不断进行。由于构造和锚固后位置及外部环境的彩响，轨枕承轨台上部极易留存水分，当道钉I员I台附近表血存在电解液膜时，一般表现为弱酸性或中性环境，易发牛吸氧腐蚀。负极(Fe):Fe_2e=Fe2+正极：0?+2H20+4e-4OH总反应：2Fe+02+2H20=2Fe(0H)2接着吸氧腐蚀生成的Fe(OH)2被氧所氧化，生成Fe(0H)3脱水生成FezOs铁锈。即：4Fe(0II)2+O2+2氏0=4Fe(OH)3螺旋道钉在大气中的腐蚀主耍是吸氧腐蚀。三、道钉腐蚀的几种类型㈠道钉点蚀由于螺旋道何暴露在人气环境屮，受到的污染后，介质屮含有活性阴离子(如粪便屮的C「离子)时，这些活性阴离子被吸附在道钉根部表面某些点上，从而使氮化后道钉金属表血钝化膜发生破坏。一旦这层钝化膜被破坏漏出机体金属后金属表面就发生腐蚀。这是因为漏出机体处的铁呈活化状态，而钝化膜处仍为钝态，这样就形成了活性-钝性腐蚀原电池，由于阳极而积比阴极而积小得多，阳极电流密度很大，所以腐蚀往深处发展，金属表而很快就被腐蚀成小孔，即为通常所说的点蚀。当列车撒落的化工原料或酸南等引起电解液PH值降低、温度升高都会增加点蚀的倾向。流动不畅的含活性阴离子的介质中容易形成活性阴离子的积聚和浓缩的条件，进一步促使点蚀的牛成。点蚀虽然火重不大，但由于阳极面积很小，所以腐蚀速率很快。点蚀会使应力腐蚀和腐蚀疲劳等加剧，在很多情况下点蚀是这些类型腐蚀的起源.㈡道钉的缝隙腐蚀在道钉圆台附近存留的电解液中，铁与恢或铁与其它非金属表而之间构成狭窄的缝隙时,缝隙内有关物质的移动受到了阻滞，形成浓差电池，从而产生局部缝隙腐蚀。介质中，氧气浓度增加，缝隙腐蚀量增加；PH值减小，阳极溶解速度增加，缝隙腐蚀量也增加；当活性阴离子的浓度增加，缝隙腐蚀敏感性也会升高。如道钉圆台部遗留有列午撒落的碳块时，由于铁金属与非金属Z间形成特别小的缝隙(宽 度在0.025-0.1mmZ间），使缝隙内介质处于滞流状态，弓I起缝内诙的腐蚀。开始时，吸氧腐蚀在缝隙内外均进行，因滞流，缝内消耗的氧难以得到补充，缝内、外构成了宏观氧浓差电池，缝内缺氧为阳极，缝外富氧为阴极，随着蚀坑的深化、扩展，腐蚀就会加速进行。㈢道钉的应力腐蚀钢轨靠弹簧扣件压紧在轨枕上，弹簧扣件山螺纹道钉受力压紧，螺纹道钉被锚固到轨枕上与轨枕形成一个整体。当列车高速通过时，对钢轨产生强人的压力、摩擦力、水平力、弹性振动力。因此道钉既承受静态时的拉伸应力也承受列千通过时的循环应力的作用。道钉在特定的腐蚀介质中和在弹条产生的固定方向连续拉伸应力以及缝隙腐蚀产物的楔入应力等力的作用下，所出现的低于强度极限的脆性开裂现象，称为应力腐蚀开裂。应力腐蚀开裂是先在道钉的腐蚀敏感部位形成微小凹坑，产牛细反的裂缝，且裂缝扩展很快，能在短时间内发牛严重的破坏。道钉的应力集中区域极易发牛腐蚀损坏。应力的存在使晶格发牛畸变，原子处于不稳定状态，能量升高，电极电势下降，在腐蚀电池中成为阳极而首先受到破坏。道钉应力腐蚀过程一般可分为三个阶段。第一阶段为孕育期，在这一阶段内，因腐蚀过程局部化和拉应力作用的结果，使裂纹生核；第二阶段为腐蚀裂纹发展时期，当裂纹生核后,在腐蚀介质和金属中拉应力的共同作川下，裂纹扩展；第三阶段中，由于拉应力的局部集中,裂纹急剧生长导致零件的破坏。㈣道钉的腐蚀疲劳腐蚀疲劳是在腐蚀介质与列车通过时的循环应力的联合作用下产牛的，是由于腐蚀介质而引起的抗腐蚀疲劳性能的降低，疲劳破坏的应力值低于屈服点，在一定的临界循坏应力值（疲劳极限或称疲劳寿命）以上吋，才会发生疲劳破坏。而腐蚀疲劳却可能在很低的应力条件下就发牛破断，因而它是很危险的。U!、道钉在大气中腐蚀的主要影响因素㈠大气相对湿度的影响相对湿度表示大气的潮湿程度，•般来说，相对湿度越大，则越町能在道钉表血形成水膜，水膜保持的吋间也越长，因此大气腐蚀越容易发生。㈡温度和温度变化的影响在一般情况下，随着温度的升高，可以使阴、阳极反应速度加快，加速了大气腐蚀，单若温度的升高足以使水膜干燥，则也可能降低人气腐蚀速度。温度变化即温差的存在对大气腐蚀的影响更大些，因为温差的存在会促使水蒸气在铁表 而上凝聚形成水膜，形成人气腐蚀的条件。如由于道钉处在户外环境下，昼夜、寒暑的气温变化都对能使水蒸气在金属表血凝露形成水膜，使腐蚀加速。㈢酸、碱、盐和其它气体污染的影响如果在水膜中禽有少量H+离子的话，它在阴极上的析出可加速阴极过程；H+离子还会破坏铁金屈表血的钝化膜，因此会加速铁腐蚀。0H「离子对钢铁的人气影响不人。水膜中或钢铁金属表而上含有盐类，特别是含有C「离子时，山于C「离子吸水性强，可增加液膜的导电性，同时还可以破坏氧化膜或钝化膜，因此可使腐蚀速度加快。气体污染中最具有害的是S02活比S。它们可以直接参加阴极反应，使阴极反应加快，同时又对使铁金属表血的钝化膜溶解，使阳极反应易于进行，从血加快了大气腐蚀速度。㈣灰尘颗粒的影响空气屮经常含有沙土、煤烟和煤灰、金属氧化物和盐类的颗粒，另外列车通过时撒落物也会增加灰尘颗粒的存在，这些灰尘颗粒落在铁金属表而会加速腐蚀。这是因为：这些颗粒可造成毛细凝聚的核心，加速形成水膜；还有的可吸附S02等有害气体，这些都会加速铁金属腐蚀。当颗粒比较大时，与铁金屈表血形成缝隙，还会造成缝隙腐蚀。五、道钉保护对策通过以上分析可知，电化学腐蚀是造成螺旋道钉腐蚀失效的主要原因。为保护道钉，在使用过程中避免产牛或减缓腐蚀，可采用以下措施。㈠道钉选用在新道钉上道和改锚失效道钉吋，选用合金材料制造的道钉或碳氮共渗处理的道钉，另外在第一螺纹部和第二螺纹部间设有防腐套的道钉也对选用，从源头上采用防腐道钉是防止道钉腐蚀行Z有效的方法。㈡选用非硫磺锚固材料进行锚固1=1前我国铁路螺纹道钉的锚固主要釆用的是硫磺锚固剂，硫磺锚固剂在锚固作业时方便快捷，但硫磺锚固剂中的HS、S2、SO?和水结合时产会酸性电解质溶液，会使螺纹道钉产生严重的锈蚀。另外，川硫磺锚固作业时要用火熬制硫磺，在铁路沿线用火熬制硫磺会污染坏境、浪费木材、熏坏农作物。通过比较，我们选用以水便性胶凝材料纯硅酸盐525白水泥作为胶结材料、金刚砂作为骨料的新型水溶性锚固剂，其中添加了一定量的防锈剂，II配料都是环 保材料。在现场改锚后配制非硫磺锚固剂时，只需将配方中的各种材料和水按比例搅拌均匀即可使用，达到抗拨力不小于60KN要求的同吋，实现了螺纹道钉防腐蚀的目的。㈢涂覆长效防腐油脂道钉长期工作在严寒、高温、雨水、风沙以及含。2、SO2、C12等腐蚀性介质的条件下，还要受到轴向震动及径向扭力作川，普通防腐脂是远远不能满足防腐需要的，需加入固体填料、抗氧和金屈减活剂、防腐防锈剂等，以改善和提高防腐脂的防锈性、抗水淋性能，适应保护的不同要求。目前我段每年对主要正线道钉安排涂覆一•遍防腐油，通过对比，2012年专门选川铁路螺旋道钉专川防腐长效汕脂，一年來，此汕脂能有效地对道钉起到保护作用，具冇良好的抗水性、抗氧化性、抗腐蚀性、润滑性、粘附性、耐高低温性,且涂刷方便，延缓了腐蚀的进一步发展，延长了道钉的使用寿命，减小维修改锚的工作量。㈣规范锚固工艺在使川非硫磺锚固剂进行螺旋道钉锚固时，需按照要求使川锚固架，保证道钉位置准确。在锚固吋，还应清理好钉孔，溶液一次灌够，不宜太满但也不宜太少，锚固后螺旋道钉的I员I台应高出轨枕承轨台面0〜2mm（使川弹条扌II件时），何孔内应填充饱满，在锚固溶液凝固后，应使用平铲淸理干净溢出的锚固剂，修整道钉钉孔周围平面，避免因凹凸不平，易使水分停留而产生道钉圆台部位腐蚀。六、取得效果2012年度，通过分析造成道钉腐蚀的原因，我段采取了一套行Z有效的应对措施，在H常维修过程中高度重视道钉涂油进度和质量、对锚固后的道钉圆台部位进行防腐涂覆处理；对已失效的道钉优先选用氮化处理或合金材质的螺旋道钉，使用水溶性非硫磺锚固剂进行锚固。通过一年来的使用观杳，线路上道钉的腐蚀得到有了效控制，节省了材料的投入，有效的延长了道钉的使用寿命，减缓了改锚工作压力，保证了轨道框架的稳定，确保了行车安全,取得了良好的综合效益。参考文献:[1]铁路线路修理规则•北京：中国铁道出版社，2006. [1]金属腐蚀手册.上海:上海科学技术出版社,1987.[2]郭保生.铁路螺纹道钉用非硫磺锚固剂研究[J].安徽大学学报,2008,(5).[3]王洪刚、夏位松、孟雷、周虹.铁道螺栓、道钉专用防腐脂的研制[J].润滑油,2006,(5).作者简介：谷权，工作单位：蚌埠工务段，电子信箱：wwksc@sina.com。