大秦鐵路重車線U78CrV鋼軌銹蝕斷裂原因分析

李燁峰，劉豐收，李晨光，李 闖，王 猛

(1.中國鐵路太原局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030013；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 金屬及化學(xué)研究所，北京 100081； 3.北京中鐵科新材料技術(shù)有限公司，北京 100081)

大秦鐵路是我國第一條重載運(yùn)煤專線，它的運(yùn)輸安全直接關(guān)系到國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。2012—2014年期間，大秦鐵路重車線先后出現(xiàn)了多起U78CrV鋼軌因軌底銹蝕而引起的斷軌事故，嚴(yán)重危及到大秦鐵路的運(yùn)輸安全。U78CrV鋼軌是由攀鋼研發(fā)的重載鐵路用鋼軌，從2007年開始在大秦鐵路重車線試鋪75 kg/m型U78CrV鋼軌，從2009年開始廣泛鋪設(shè)使用，取得了很好的使用效果，目前是大秦鐵路重車線使用的主要鋼軌[1-3]。針對(duì)U78CrV鋼軌軌底銹蝕引起的斷軌問題，文獻(xiàn)[4-5]分析發(fā)現(xiàn)斷軌和環(huán)境、溫度以及材質(zhì)都有一定的相關(guān)性。在此基礎(chǔ)上，本文對(duì)U78CrV鋼軌軌底銹蝕原因進(jìn)行分析，同時(shí)對(duì)比不同材質(zhì)鋼軌的耐蝕及抗斷裂性能，綜合分析U78CrV鋼軌軌底銹蝕斷裂的原因。

1 U78CrV鋼軌軌底銹蝕原因分析

大秦鐵路天馬山隧道前期集中出現(xiàn)了U78CrV鋼軌因銹蝕而產(chǎn)生的斷軌問題。本文對(duì)該隧道進(jìn)行了現(xiàn)場調(diào)研。天馬山隧道在2012—2015年2個(gè)大修周期內(nèi)共出現(xiàn)了3起因軌底銹蝕引起的斷軌，每次斷軌時(shí)間距離最近換軌時(shí)間大概為2年，且斷軌時(shí)間都是在冬天。

大秦鐵路隧道內(nèi)外環(huán)境的主要不同點(diǎn)就在于隧道內(nèi)空氣濕度大，局部有水浸。從現(xiàn)場觀測情況來看，鋼軌銹蝕地段均存在隧道漏水情況，導(dǎo)致了道床潮濕；有些道旁存在流水，在列車高速經(jīng)過時(shí)會(huì)將水帶到軌腰或者軌底；地下水的不斷滲漏還會(huì)導(dǎo)致隧道內(nèi)的空氣變得十分潮濕。由于隧道內(nèi)濕度大，加上溫度較低，且鋼軌本身含有鐵、碳等多種化學(xué)成分，而這些成分的電極電位不同，導(dǎo)致鋼軌表面產(chǎn)生了電化學(xué)腐蝕反應(yīng)：在鋼軌表面的陽極區(qū)，鐵被氧化為Fe2+進(jìn)入水膜；在陰極區(qū)，溶于水膜中的氧被還原為OH-。Fe2+和OH-兩者結(jié)合成不溶于水的Fe(OH)2，F(xiàn)e(OH)2進(jìn)一步被氧化成疏松易脫落的紅棕色鐵銹Fe(OH)3。

現(xiàn)場引起鋼軌銹蝕的原因除了環(huán)境潮濕、局部有水浸之外，還和煤灰在重車線軌底聚積有關(guān)。冬季低溫情況下為防止凍煤，在裝車時(shí)大量使用防凍液。防凍液的主要成分是氯化鈉和氯化鈣，而Cl-能明顯加快金屬腐蝕速度，因?yàn)镃l-的存在對(duì)金屬材料氧化膜產(chǎn)生了破壞作用。因此聚積在軌底的含有防凍液的煤灰會(huì)引起甚至加劇鋼軌腐蝕[6-7]。

2 不同材質(zhì)鋼軌的耐蝕及抗斷裂性能對(duì)比

為研究斷軌和鋼軌材質(zhì)的關(guān)系，分別對(duì)大秦鐵路使用U75V、U78CrV兩種材質(zhì)的鋼軌的耐蝕性能和抗斷裂性能進(jìn)行對(duì)比分析。表1為取樣情況。

表1 試驗(yàn)鋼軌的取樣情況

2.1 耐腐蝕性能

中性鹽霧試驗(yàn)通過測量在一定試驗(yàn)環(huán)境下和一定時(shí)間周期內(nèi)材料的失重率來表征材料的耐腐蝕性能。分別對(duì)表1中4種鋼軌材料進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)，采用濃度為50 g/L的氯化鈉溶液作為噴霧溶液，最長試驗(yàn)周期為240 h。

圖1為這4種鋼軌試樣的平均腐蝕失重率隨時(shí)間變化曲線。可以看出，4種鋼軌在240 h鹽霧試驗(yàn)后平均腐蝕失重率沒有明顯的差別，熱處理U78CrV鋼軌稍優(yōu)于熱軋U78CrV鋼軌。

圖1 4種鋼軌試樣平均腐蝕失重率隨時(shí)間變化曲線

2.2 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)

通過慢應(yīng)變速率應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法對(duì)3種材質(zhì)鋼軌(24#,34#,44#)共計(jì)12個(gè)試樣進(jìn)行了應(yīng)力腐蝕斷裂敏感性試驗(yàn)。平均延伸率與平均面縮率反應(yīng)的是材料的塑性，塑性性能越好代表材料能承受較大塑性變形而不被破壞的能力越好。圖2為3種鋼軌試樣在應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)中的塑性對(duì)比，可以看出，熱處理U75V鋼軌的塑性要優(yōu)于熱處理U78CrV鋼軌，而熱處理U78CrV鋼軌的塑性則優(yōu)于熱軋U78CrV鋼軌。

圖2 鋼軌塑性對(duì)比

典型的應(yīng)力腐蝕斷裂斷口最主要的特征是韌窩。圖3為在500倍掃描電鏡下觀察到的試樣斷口典型形貌。可知，所有試樣斷口均未發(fā)現(xiàn)明顯的應(yīng)力腐蝕斷裂特征，即本次試驗(yàn)的所有試樣均未發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。從應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)結(jié)果來看，3種材質(zhì)鋼軌在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下均具有優(yōu)良的抗應(yīng)力腐蝕性能，3種材質(zhì)鋼軌抗應(yīng)力腐蝕性能相差不大，對(duì)比來看，24#(熱處理U75V)>44#(熱處理U78CrV)>34#(熱軋U78CrV)。

圖3 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)后試樣斷口典型形貌

2.3 疲勞裂紋擴(kuò)展速率

表2為4種鋼軌的疲勞裂紋擴(kuò)展速率的試驗(yàn)結(jié)果。可知，2種U75V鋼軌疲勞裂紋擴(kuò)展速率相差不大；2種U78CrV鋼軌疲勞裂紋擴(kuò)展速率也相差不大。

表2 鋼軌疲勞裂紋擴(kuò)展速率試驗(yàn)結(jié)果

注：K為應(yīng)力強(qiáng)度因子范圍。

2.4 低溫?cái)嗔秧g性

斷裂韌性是材料阻止宏觀裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展能力的度量，也是材料抵抗脆性破壞的韌性參數(shù)。圖4為在-20 ℃ 條件下4種鋼軌的斷裂韌性結(jié)果?？芍?，熱處理U75V鋼軌的低溫?cái)嗔秧g性優(yōu)于熱軋U75V鋼軌；熱處理U78CrV鋼軌的低溫?cái)嗔秧g性優(yōu)于熱軋U78CrV鋼軌；熱處理U78CrV鋼軌與熱處理U75V鋼軌相比低溫?cái)嗔秧g性相差不大，略有提升。

圖4 鋼軌低溫?cái)嗔秧g性KIC比較

2.5 缺口敏感性

圖5 平均缺口拉伸敏感系數(shù)對(duì)比

要優(yōu)于熱軋U78CrV鋼軌，但是劣于熱處理U75V鋼軌。

2.6 性能綜合對(duì)比

表3對(duì)4種鋼軌的耐蝕及抗斷裂性能進(jìn)行了綜合對(duì)比分析。綜合比較來看，4種材質(zhì)的鋼軌在耐蝕性和抗斷裂性能上雖然沒有太明顯的差別，但熱軋U78CrV鋼軌的耐蝕性、抗斷裂能力相比熱處理U78CrV和U75V鋼軌都要稍差。

3 分析討論

根據(jù)對(duì)鋼軌現(xiàn)場使用環(huán)境的調(diào)研分析以及實(shí)驗(yàn)室的對(duì)比測試結(jié)果來看，大秦鐵路U78CrV鋼軌銹蝕斷裂主要和以下3個(gè)因素相關(guān)。

3.1 應(yīng)力腐蝕性能的差異

應(yīng)力腐蝕是由殘余應(yīng)力或外加應(yīng)力導(dǎo)致的應(yīng)變和腐蝕聯(lián)合作用而產(chǎn)生的材料破壞過程，由此導(dǎo)致材料的斷裂稱為應(yīng)力腐蝕開裂。高強(qiáng)度鋼發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂的必要條件是要有拉應(yīng)力(不論是殘余應(yīng)力還是外加應(yīng)力，或者兩者兼而有之)和特定的腐蝕介質(zhì)存在。發(fā)生斷軌的的鋼軌具有以上2個(gè)條件，拉應(yīng)力來自鋼軌本身的殘余應(yīng)力以及重載列車通過時(shí)的動(dòng)彎曲應(yīng)力，潮濕以及防凍液構(gòu)成了特定的腐蝕介質(zhì)。每種材料由于成份、組織結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度不同,均存在一定的應(yīng)力腐蝕門檻值，高于此值時(shí)發(fā)生斷裂的可能性則明顯增大。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，所測試的鋼軌試樣在實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)中均未發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象，3種鋼軌展現(xiàn)出的耐應(yīng)力腐蝕性能從好到壞依次是熱處理U75V、熱處理U78CrV、熱軋U78CrV。但是由于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與更加錯(cuò)綜復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境不同，且應(yīng)力腐蝕斷裂本身就是小概率事件，因此并不能完全否認(rèn)現(xiàn)場鋼軌斷裂是由應(yīng)力腐蝕因素所導(dǎo)致的這一說法。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)，熱軋U78CrV鋼軌與其他材質(zhì)相比擁有最差的耐應(yīng)力腐蝕性能，這說明在現(xiàn)場環(huán)境下熱軋U78CrV鋼軌很有可能已經(jīng)達(dá)到了發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂的門檻條件，而這種情況卻不足以讓其他材質(zhì)鋼軌在相同的腐蝕環(huán)境下因?yàn)閼?yīng)力原因而發(fā)生斷裂。

3.2 耐腐蝕性能的差異

中性鹽霧試驗(yàn)結(jié)果說明了在實(shí)驗(yàn)室條件下，調(diào)整成分后的熱處理U78CrV鋼軌的耐腐蝕性能要明顯優(yōu)于其調(diào)整成分之前的熱軋U78CrV鋼軌。這也意味著在相同的腐蝕環(huán)境下，調(diào)整成分前的熱軋U78CrV鋼軌在隧道內(nèi)因潮濕和運(yùn)營環(huán)境所引起的軌底銹蝕情況要比其調(diào)整成分之后更加嚴(yán)重，而更加嚴(yán)重的軌底銹蝕情況則代表著軌底更加容易出現(xiàn)裂紋源。

3.3 抗斷裂性能的差異

實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)調(diào)整成分之后的熱處理U78CrV鋼軌的低溫?cái)嗔秧g性和缺口敏感性均優(yōu)于調(diào)整成分之前的熱軋U78CrV鋼軌。這說明若2種鋼軌同時(shí)因銹蝕原因而產(chǎn)生性能下降，調(diào)整成分之后的熱處理U78CrV鋼軌比調(diào)整成分之前的熱軋U78CrV鋼軌擁有著更好的抗斷裂的能力。

綜合以上因素可知，大秦鐵路重車線U78CrV鋼軌的斷裂原因?yàn)椋轰撥壾壍自诃h(huán)境因素的影響下發(fā)生銹蝕，并形成銹蝕坑，在鋼軌內(nèi)部拉應(yīng)力(溫度應(yīng)力及殘余應(yīng)力)以及大軸重列車通過鋼軌時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)彎曲應(yīng)力的作用下，鋼軌軌底銹蝕坑會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)而形成裂紋源，而鋼軌材質(zhì)抗斷裂性能不足使裂紋擴(kuò)展較快，最終導(dǎo)致斷裂。

4 結(jié)論

通過對(duì)大秦鐵路重車線使用的U78CrV鋼軌銹蝕原因的分析，綜合對(duì)比了4種鋼軌的耐蝕及抗斷裂的能力，分析探討了U78CrV鋼軌的斷裂原因。結(jié)論如下：

1)隧道漏水導(dǎo)致隧道內(nèi)局部鋼軌軌底銹蝕，冬季使用了含有Cl-的防凍液則加劇了鋼軌的銹蝕。

2)實(shí)驗(yàn)室研究發(fā)現(xiàn)：出現(xiàn)過斷軌的熱軋U78CrV鋼軌和其他材質(zhì)鋼軌相比有著相對(duì)較差的耐蝕性能及抗斷裂性能。

3)大秦鐵路重車線U78CrV鋼軌的斷裂原因?yàn)椋轰撥壾壍自诃h(huán)境因素的影響下發(fā)生銹蝕，并形成銹蝕坑，在鋼軌內(nèi)部拉應(yīng)力(溫度應(yīng)力及殘余應(yīng)力)以及大軸重列車通過鋼軌時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)彎曲應(yīng)力作用下，鋼軌軌底銹蝕坑會(huì)成為應(yīng)力集中點(diǎn)而形成裂紋源，而鋼軌材質(zhì)抗斷裂性能不足使裂紋擴(kuò)展較快，最終導(dǎo)致斷裂。