廣鐵管內(nèi)鋼軌的腐蝕機(jī)理探討*

羅虞霞，張志偉，郭吉安，鄭 峰

(1.中南大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083;2.廣州鐵路(集團(tuán))公司，廣東 廣州 510088)

我國(guó)鐵路鋼軌的使用壽命大約只有5年，而設(shè)計(jì)使用年限為10年;相反，國(guó)外鋼軌的設(shè)計(jì)使用年限約為30年，實(shí)際使用年限可以達(dá)到40～50年，機(jī)械和疲勞傷損被界定為影響鋼軌壽命的重要因素。而美國(guó)Robles［1］等的研究指出，鋼軌基面(鋼軌與底面墊板接觸面)在濕潤(rùn)的空氣、鹽離子和雜散電流存在時(shí)會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕，使鋼軌壽命迅速縮短至一年甚至以下。我國(guó)在上世紀(jì)末開(kāi)始了隧道內(nèi)鋼軌腐蝕的研究，有關(guān)研究表明［2－3］，耐候鋼(鋼軌用鋼)在濕度大的隧道、工業(yè)污染區(qū)以及海洋環(huán)境等條件下的耐蝕性不夠理想，需對(duì)鋼軌進(jìn)行防腐保護(hù)，但沒(méi)有提出相應(yīng)的鋼軌機(jī)理分析，之后對(duì)鋼軌傷損的研究也僅局限于對(duì)機(jī)械與疲勞作用分析［4－5］，沒(méi)有考慮電化學(xué)腐蝕(雨水、大氣污染和雜散電流等因素)對(duì)鋼軌傷損的影響。據(jù)美國(guó)宇航局2010年9月21日發(fā)布的全球空氣質(zhì)量地圖顯示，我國(guó)空氣中各種懸浮顆粒的總量是國(guó)外大部分國(guó)家和地區(qū)的十多倍，鋼軌的大氣腐蝕程度也相應(yīng)加重，這與我國(guó)鋼軌使用壽命只有國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的十分之一的現(xiàn)象相吻合。可見(jiàn)，除了隧道工段鋼軌腐蝕現(xiàn)象比較突出外，一般工段的鋼軌腐蝕現(xiàn)象也已上升成為影響鋼軌壽命的重要因素。

另外，隨著我國(guó)汽車(chē)使用數(shù)量的與日俱增，大氣污染有更加惡化的趨勢(shì)?？梢酝茢啵窈笪覈?guó)包括鋼軌在內(nèi)的所有鋼鐵制品的腐蝕現(xiàn)象將變得越來(lái)越嚴(yán)重。大氣腐蝕已經(jīng)成為影響鋼軌服役壽命的重要因素，急需開(kāi)展鋼軌的大氣腐蝕機(jī)理研究，以便能提供高效低成本的養(yǎng)護(hù)方法。

為了解鋼軌的腐蝕損傷情況，作者對(duì)廣鐵集團(tuán)管內(nèi)正在服役和已經(jīng)下線(xiàn)的鋼軌進(jìn)行隨機(jī)采樣，對(duì)樣品進(jìn)行傷損程度計(jì)算和硬度測(cè)量，分析樣品的腐蝕產(chǎn)物并觀察其顯微組織形貌，對(duì)鋼軌的腐蝕因素進(jìn)行分析并探討鋼軌的腐蝕機(jī)理。

1 廣鐵管內(nèi)鋼軌腐蝕傷損分析

1.1 腐蝕傷損速率計(jì)算

取大瑤山和株洲北站鋼軌樣品共4組，根據(jù)其損耗情況(按殘余軌高)，用公式(1)來(lái)計(jì)算其(腐蝕)傷1損速率，并按進(jìn)行數(shù)學(xué)處理。

其中:Δh為軌高變化(mm);t為鋼軌的使用年限(a);rcorr為(腐蝕)傷損速率(μm/y)。

計(jì)算大瑤山和株洲北站鋼軌樣品的腐蝕傷損速率，結(jié)果如表1所示。

表1 大瑤山隧道和株洲北站退役下線(xiàn)鋼軌(隨機(jī)取樣)的腐蝕速率Table 1 Corrosion rates of rail samples from Dayaoshan Tunnel and Zhuzhou North Station

對(duì)比表1列出的數(shù)據(jù)可知，大瑤山隧道和株洲北站的鋼軌腐蝕十分嚴(yán)重，比國(guó)內(nèi)外鋼鐵制品的大氣腐蝕速率高出許多倍(一般鋼鐵制品的大氣腐蝕速率約為10～20 μm/y)。除了株洲北站某處60 kg/m的樣品(可能是因?yàn)樾纬杀容^穩(wěn)定的Fe3O4保護(hù)層，且保護(hù)層未被破壞)腐蝕速率較小(7～10 μm/y)之外，其他樣品的腐蝕速率均高于200 μm/y，嚴(yán)重區(qū)域甚至超過(guò) 1100 μm/y。

1.2 硬度檢測(cè)

以圖1所示的橫截面分別取大瑤山隧道和株洲北站60 kg/m的PD3退役下線(xiàn)鋼軌(服役時(shí)間5～10年)10 mm厚，切割為8個(gè)部分，進(jìn)行拋磨處理。采用HBRVU－187.5型布洛維光學(xué)硬度計(jì)對(duì)樣品橫截面邊緣(主要受力接觸層和環(huán)境暴露面)進(jìn)行硬度測(cè)量。在每個(gè)部分取10個(gè)測(cè)量點(diǎn)，計(jì)算各部分的維氏硬度變化平均值d。

圖1 鋼軌橫截面示意圖Fig.1 Schematic drawing of rail’s cross section

測(cè)量大瑤山隧道和株洲北站60 kg/m的PD3退役下線(xiàn)鋼軌樣品(主要受力接觸層和環(huán)境暴露面)硬度，結(jié)果如圖2所示。

圖2 鋼軌樣品橫截面邊緣及中心硬度值變化圖Fig.2 Hardness changes of 60 kg/m PD3 rail samples(Dayaoshan Tunnel and Zhuzhou North Station)

如圖2所示，退役下線(xiàn)鋼軌樣品的硬度值比出廠標(biāo)準(zhǔn)(PD3鋼軌的標(biāo)準(zhǔn)HRC為34～38)下降40%以上，降幅十分明顯。除基面硬度值相對(duì)較高外，邊緣(2，6處)的硬度值都較低，最大降幅接近50%。由此可知，腐蝕損傷的鋼軌力學(xué)性能明顯下降。

1.3 XRD 物相分析

取株洲北站軌面邊緣、軌腰和軌底以及大瑤山隧道軌腰腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD物相檢測(cè)。

通過(guò)對(duì)廣鐵集團(tuán)管內(nèi)鋼軌樣品不同部位的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD物相分析可知，4組鐵銹樣品均含有成分相近的鐵銹產(chǎn)物、粘土(SiO2)以及少量硅酸鐵和磷酸鐵化合物(未標(biāo)出)。其中大瑤山隧道和株洲北站兩地的軌腰鐵銹樣品都含F(xiàn)e8(OOH)16Cl1.3，γ －Fe(OOH)、β － Fe(OOH)以及 Fe3O4等 4種腐蝕產(chǎn)物;株洲北站軌底鐵銹樣品只有單一的Fe3O4腐蝕產(chǎn)物，軌面邊緣樣品含有γ－Fe(OOH)和Fe3O4腐蝕產(chǎn)物。將鋼軌腐蝕產(chǎn)物的XRD結(jié)果疊加，如圖3所示。

株洲北站和大瑤山隧道軌腰鐵銹樣品中均含有 β －Fe(OOH)和 Fe8(OOH)16Cl1.3，說(shuō)明電化學(xué)腐蝕反應(yīng)中有Cl－參與，因?yàn)橹挥性贔－或Cl－存在的條件下才會(huì)形成β－Fe(OOH)。株洲北站一樣品鋼軌軌底鐵銹腐蝕產(chǎn)物單一，幾乎全是Fe3O4(在鐵的氧化產(chǎn)物中，F(xiàn)e3O4最穩(wěn)定，能對(duì)鋼軌起到保護(hù)作用)，可能是因?yàn)楹懈g性成分的雨水無(wú)法抵達(dá)底部，或者是其地段較高，能夠保持底部干燥。發(fā)生在株洲北站鋼軌軌面邊緣的鐵銹是由于應(yīng)力損傷后破裂(剝離)，繼而發(fā)生電化學(xué)腐蝕，是應(yīng)力腐蝕和大氣腐蝕共同作用的產(chǎn)物。株洲北站鋼軌軌面邊緣的鐵銹沒(méi)有軌腰的嚴(yán)重，也是因?yàn)檐壝姹溶壯菀赘稍锏木壒?。另外，幾處腐蝕產(chǎn)物中都出現(xiàn)SiO2，這是由于周邊的泥土飛濺到鋼軌上面與鐵銹混合在一起所導(dǎo)致。

圖3 鋼軌腐蝕產(chǎn)物的XRD樣品疊加圖Fig.3 XRD spectrum of corrosion products

1.4 SEM 形貌觀察

采用FEI.QUANTA.200型環(huán)境掃描電鏡對(duì)株洲北站軌面邊緣和軌底以及大瑤山軌腰腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行表面形貌觀測(cè)。圖4、圖5和圖6分別為株洲北站鋼軌軌面邊緣薄狀鐵銹片、軌底銹塊和大瑤山隧道軌腰銹塊的顯微形貌。

圖4 軌面邊緣銹片形貌(株洲北站)Fig.4 SEM images of corrosion products(at edge of samples from Zhuzhou North Station)

圖6 軌腰銹片形貌(大瑤山隧道)Fig.6 SEM images of corrosion products(at waist of samples from Dayaoshan Tunnel)

株洲軌面邊緣銹片腐蝕產(chǎn)物是以砂粒狀的γ－Fe2O3.H2O(見(jiàn)圖4(a))為基體，從中長(zhǎng)出網(wǎng)絡(luò)狀(見(jiàn)圖4(c))的γ－Fe(OOH)。

株洲軌底銹片腐蝕產(chǎn)物放大2000倍的γ－Fe2O3.H2O形貌特征如圖5(a)所示，放大10000倍后可以看到不規(guī)則的交疊薄片狀α－Fe(OOH)(見(jiàn)圖5(b))，可能是少量的β－Fe(OOH)轉(zhuǎn)化而來(lái)。

大瑤山隧道軌腰銹片腐蝕產(chǎn)物整體較均勻，有部分束集現(xiàn)象，放大5000倍后可觀察到呈交疊薄片狀束集的α－FeOOH(見(jiàn)圖6(a));放大10000倍后可見(jiàn)細(xì)條或薄片狀平面生長(zhǎng)特征的β－Fe(OOH)(見(jiàn)圖6(b))。

對(duì)比圖4～6發(fā)現(xiàn)，腐蝕產(chǎn)物α－FeOOH，β－Fe(OOH)，γ －FeOOH 與 γ －Fe2O3.H2O 的微觀形貌特征是和樣品的采集地點(diǎn)與部位有關(guān)。不僅不同地區(qū)與不同部位的腐蝕產(chǎn)物種類(lèi)存在差別，就是相同腐蝕產(chǎn)物也存在微觀形貌差異。

1.5 廣鐵管內(nèi)腐蝕傷損情況

目前，我國(guó)服役鋼軌損傷主要以機(jī)械損傷為主。鋼軌在列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的各種交變應(yīng)力作用下，會(huì)發(fā)生接觸疲勞損傷，產(chǎn)生疲勞輝紋(魚(yú)鱗紋)、變形、壓潰、剝離、掉塊甚至斷裂［6］。部分鋼軌軌腰、基面以及配件發(fā)生了均勻的腐蝕，出現(xiàn)了較致密的氧化物層;另外，一些機(jī)械疲勞損傷的鋼軌也發(fā)生了腐蝕。如圖7所示，分別是株洲工段鋼軌剝離和懷化工段鋼軌壓潰處發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象。其中圖7(a)的傷損是因表面裂紋引發(fā)的，腐蝕介質(zhì)由此介入滋生電化學(xué)反應(yīng)，腐蝕產(chǎn)物導(dǎo)致鋼軌力學(xué)性能下降，在機(jī)車(chē)機(jī)械應(yīng)力的作用下，裂紋擴(kuò)大并開(kāi)始剝落，進(jìn)而導(dǎo)致鋼軌不斷傷損;圖7(b)是機(jī)械變形引發(fā)的電化學(xué)反應(yīng)，鋼軌在機(jī)械載荷的強(qiáng)烈沖擊下發(fā)生變形，再次機(jī)械作用導(dǎo)致性能下降處發(fā)生壓潰，破潰處Fe充分接觸環(huán)境中的腐蝕介質(zhì)從而引發(fā)快速的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。此外，廣鐵集團(tuán)許多新購(gòu)進(jìn)的鋼軌(包括武鋼U75V，攀鋼U75V和U71Mn)在儲(chǔ)存過(guò)程中就發(fā)生了不同程度的腐蝕現(xiàn)象。

圖7 鋼軌機(jī)械損傷處腐蝕現(xiàn)象Fig.7 Rail corrosion at mechanical failures

2 鋼軌的腐蝕機(jī)理探討

根據(jù)腐蝕樣品的分析研究結(jié)果可知，除了機(jī)械傷損，鋼軌還發(fā)生了局部電化學(xué)腐蝕。除了自身化學(xué)成分、顯微組織與加工過(guò)程的影響外，鋼軌長(zhǎng)期暴露在大氣中，其腐蝕過(guò)程還受到各種環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致其腐蝕機(jī)理十分復(fù)雜。過(guò)去的研究表明，潮濕的空氣、降雨、污染氣體、溫度溫差等因素將導(dǎo)致暴露在空氣中的鋼鐵制品(包括鋼軌)發(fā)生大氣腐蝕。同時(shí)，鋼軌的電化學(xué)腐蝕還會(huì)在雜散電流(由信號(hào)電流傳輸引起)影響下加速進(jìn)行［3］。此外，由于機(jī)械和疲勞作用對(duì)鋼軌造成的傷損(裂紋、壓潰、掉塊、剝離等)，鋼軌基面能夠充分接觸腐蝕介質(zhì)，從而增加發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的機(jī)會(huì)。

分析整理廣鐵管內(nèi)氣侯和大氣腐蝕數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)氐目諝獬睗瘛囟葴夭畲?、降雨豐富、污染嚴(yán)重，這些都為鋼軌的大氣腐蝕提供了充分的物質(zhì)條件。

2.1 濕度與溫度

株洲市與懷化市是全國(guó)空氣濕度較大的城市。株洲夏季空氣濕度在60% ～80%左右;懷化夏季空氣濕度在55% ～75%左右;而大瑤山地區(qū)年均空氣濕度在83%左右，均達(dá)到了鋼鐵的腐蝕臨界濕度值(60%)。同時(shí)，空氣溫度會(huì)影響鋼軌表面水蒸氣的凝聚、水膜中各種腐蝕氣體和鹽類(lèi)的溶解度、水膜電阻以及電化學(xué)反應(yīng)速度。由于廣鐵管內(nèi)空氣相對(duì)濕度達(dá)到鋼軌腐蝕的臨界相對(duì)濕度，因此溫度的影響十分明顯。溫差的影響表現(xiàn)在金屬表面上的凝露作用。在長(zhǎng)沙和株洲地區(qū)，因其晝夜溫差大(15℃左右)，所以只要相對(duì)濕度達(dá)到35%左右就能產(chǎn)生凝露現(xiàn)象，因而鋼軌的腐蝕現(xiàn)象十分嚴(yán)重。

2.2 降雨

廣東、湖南均處于全國(guó)降雨量最大的區(qū)域之中。降雨以2種截然不同的方式影響鋼軌的大氣腐蝕。一方面由于降雨增大了大氣中的相對(duì)濕度，延長(zhǎng)了鋼軌表面的潤(rùn)濕時(shí)間;與此同時(shí)，雨水沖刷破壞了腐蝕產(chǎn)物的致密性和保護(hù)性，這些都會(huì)加速鋼軌的大氣腐蝕過(guò)程。但另一方面，降雨能夠沖洗掉鋼軌表面的污染物和灰塵，減小液膜的腐蝕性，從而減緩腐蝕過(guò)程。

2.3 空氣污染

根據(jù)實(shí)驗(yàn)中物相分析的結(jié)果可知，鋼軌的腐蝕產(chǎn)物中出現(xiàn)了Cl－，說(shuō)明鋼軌的腐蝕反應(yīng)中有大氣污染物的參與。通過(guò)對(duì)株洲市、懷化市和大瑤山和長(zhǎng)沙市一段時(shí)間降水與降霧的數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)沙市、株洲市、懷化市和大瑤山地區(qū)呈現(xiàn)比較突出的大氣污染。其中，1986～1999年長(zhǎng)沙市、株洲市和懷化市的年均pH值均低于5，且酸雨頻率均高于60%［7］;1999年株洲市、懷化市和大瑤山地區(qū)降水的 pH 值均小于4.8，且SO42－，NO3－，NH4+，Ca2+，Na+和 Cl－等離子的濃度相對(duì)偏高［8－9］。

霧是由大量懸浮在近地面空氣中的微小水滴或冰晶組成的氣溶膠系統(tǒng)，與降水一樣能影響鋼軌表面電解液膜的狀態(tài)和空氣相對(duì)濕度，大瑤山濃霧發(fā)生頻率非常高，霧季平均達(dá)42.8%。霧水中含的化學(xué)物質(zhì)也影響金屬電化學(xué)腐蝕反應(yīng)，大瑤山酸霧頻率高達(dá)51%，霧水中SO42－，NH4+，Ca2+離子濃度較高［10］。

酸雨和酸霧降低了電解液膜的pH值;降水和霧水中較高濃度的SO42－，NO3－，NH4+，Ca2+，Na+和Cl－等強(qiáng)電解質(zhì)會(huì)增加電解液膜的導(dǎo)電性，形成污染固體后增加腐蝕源;Cl－會(huì)破壞鋼軌表面的鈍化膜;而NaCl和硫酸鹽的吸濕性強(qiáng)，能降低臨界相對(duì)濕度，所有這些因素都會(huì)增加包括鋼軌及其配件在內(nèi)的所有鋼鐵制品的電化學(xué)腐蝕反應(yīng)幾率，提高反應(yīng)速率［11］。

2.4 雜散電流

直流鐵路系統(tǒng)電流的泄漏是運(yùn)行鋼軌作為力學(xué)支撐以及牽引電流循環(huán)回路不可避免的結(jié)果。由于鋼軌的縱向電阻或者串聯(lián)電阻有限(大約為40～80 mΩ/km 或者40～80 μΩ/m)，與土壤絕緣性差(典型的是2～100 Ω/km)，一部分流回鋼軌的牽引電流泄漏到土壤里，并在返回鋼軌直流整流器負(fù)極終端前，在鋼軌的平行電路中流動(dòng)(直接通過(guò)土壤或者通過(guò)埋在地下的導(dǎo)體)，使得鋼軌和地下埋藏金屬物發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電化學(xué)電流，進(jìn)一步加速鋼軌底基面電化學(xué)腐蝕反應(yīng)速率［1］。

所有這些環(huán)境腐蝕因素綜合作用于鋼軌上，不同程度地參與鋼軌的電化學(xué)反應(yīng)，形成了以機(jī)械損傷為主要腐蝕源，一種或多種腐蝕介質(zhì)引發(fā)鋼軌電化學(xué)反應(yīng)，其他腐蝕介質(zhì)疊加影響(加快電化學(xué)反應(yīng)速度)，從而進(jìn)一步降低鋼軌力學(xué)性能，加劇機(jī)械損傷的腐蝕機(jī)理，鋼軌的腐蝕機(jī)理如圖8所示。

圖8 鋼軌腐蝕機(jī)理示意圖Fig.8 Schematic drawing of mechanism for rail corrosion

3 結(jié)論

(1)廣鐵管內(nèi)株洲、大瑤山和懷化等工段存在明顯的鋼軌腐蝕現(xiàn)象，鋼軌腐蝕使其力學(xué)性能下降，引發(fā)更多電化學(xué)腐蝕源。

(2)腐蝕現(xiàn)象有軌腰和軌底的均勻腐蝕，更主要的是伴隨著機(jī)械和疲勞損傷出現(xiàn)局部壓潰、裂紋擴(kuò)張、局部發(fā)生快速電化學(xué)腐蝕等。潮濕的空氣、溫度溫差、降雨、大氣污染以及雜散電流等環(huán)境因素綜合作用于鋼軌，直接導(dǎo)致并加劇電化學(xué)腐蝕反應(yīng)。

(3)隨著鐵路運(yùn)輸能力(速度和運(yùn)輸總重)的不斷升級(jí)，客貨分流的區(qū)域和里程越來(lái)越多，導(dǎo)致鋼軌腐蝕的原因?qū)⒏鼮槊鞔_;鋼軌(特別是客運(yùn)線(xiàn)鋼軌)的大氣腐蝕伴隨我國(guó)大氣污染情況的加劇更加突出，使其上升成為導(dǎo)致鋼軌傷損的主要因素。

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