鐵路貨車新型涂覆材料研究

史洪斌，劉文勝，陳永東，劉博陽，張 潔，景生壽

(1.中車太原機(jī)車車輛有限公司，山西 太原 030027；2.寧夏寧東鐵路有限公司，寧夏 靈武 750409；3.大連交通大學(xué)，遼寧 大連 116028)

0 引言

我國鐵路貨車的載重量經(jīng)歷了從60 t、70 t到80 t的升級換代，車體材料從碳鋼逐漸升級為耐候鋼、高強(qiáng)鋼、鋁合金和鐵素體不銹鋼等。因車體材料不斷變化，使車體涂覆材料也在不斷升級換代。

隨著國家環(huán)保政策的實(shí)施，我國全面推進(jìn)清潔生產(chǎn)，減少生產(chǎn)過程中揮發(fā)性有毒有機(jī)物排放。目前我國鐵路貨車的保有量已達(dá)90多萬輛，為有效降低揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)的排放量，改善溶劑型涂料易燃易爆、危害環(huán)境等不足，我國自2008年以來陸續(xù)在部分貨車上使用了水性防腐涂料，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。但是由于車體內(nèi)壁與煤炭、石砟、礦石等貨物會產(chǎn)生腐蝕、磨擦、刮碰和沖擊，車體內(nèi)壁涂層往往在不到一年的時(shí)間即失去保護(hù)作用，車體鋼結(jié)構(gòu)腐蝕嚴(yán)重。為此，亟需研究新型鐵路貨車內(nèi)壁高防腐高耐磨抗沖擊涂料，以降低貨車墻板、地板和門板在惡劣運(yùn)用條件下的損壞程度，提高其使用壽命，降低維修和使用成本。

1 鐵路貨車車體涂覆材料發(fā)展歷程

建國初期我國鐵路貨車車體材料主要為A3鋼(Q235)+木板，20世紀(jì)70年代左右逐漸改為全鋼材料，20世紀(jì)80年代末開始使用屈服強(qiáng)度為295 MPa的耐大氣腐蝕鋼，20世紀(jì)90年代開始使用屈服強(qiáng)度為345 MPa的耐大氣腐蝕鋼。從2005年開始，載重70 t級新型貨車全部采用屈服強(qiáng)度為450 MPa的Q450NQR1高強(qiáng)鋼。為了滿足80 t級敞車降低自重的要求，從2004年開始，C80型運(yùn)煤專用敞車車體采用了鋁合金材料；從2006年開始，C80B型運(yùn)煤專用敞車車體開始采用TCS鐵素體不銹鋼。目前，我國貨車車體主要采用鋼板，用涂料作為重要防護(hù)手段。

我國鐵路貨車主要包括敞車、棚車、平車、罐車和漏斗車等，鐵路貨車對外觀要求不高，面層涂料以黑色居多，其中罐車按用途分為不同顏色，如輕油罐車主要為銀灰色，重油罐車主要為黑色，危險(xiǎn)品主要為黃色。

我國鐵路貨車涂料的發(fā)展歷程如下：

(1) 20世紀(jì)90年代前，我國鐵路貨車主要采用與當(dāng)時(shí)客車相近的涂料，如酚醛防銹漆或磁漆、醇酸磁漆或調(diào)和漆。為達(dá)到有效干膜厚度，一般要涂裝4道，但防腐保護(hù)效果不好。

(2) 20世紀(jì)90年代初開始全面推廣貨車用厚漿醇酸漆，以取代酚醛和醇酸漆等，1996年我國發(fā)布了TB/T2707-1996《鐵路貨車用厚漿型醇酸漆技術(shù)條件》。厚漿醇酸漆的涂裝體系為:表面拋丸處理后噴涂預(yù)涂底漆，噴涂厚漿底漆和面漆各1道(或底面合一型厚漿漆2道)。溶劑型厚漿醇酸漆的不揮發(fā)物含量底漆為65%、面漆為63%。溶劑型厚漿醇酸漆的汽油含量約為30%左右，二甲苯含量約為3%左右，再加上噴涂設(shè)備清理用的溶劑，會對環(huán)境造成極大污染，而且嚴(yán)重?fù)p害施工人員身體健康。

(3) 從20世紀(jì)80年代開始，德國將水性涂料用于鐵路貨車。2000年之后，歐美等發(fā)達(dá)國家在鐵路貨車上開始普遍應(yīng)用水性涂料，如單涂層水性丙烯酸涂料、雙組分水性環(huán)氧底漆+單組分水性丙烯酸面漆、雙組分水性環(huán)氧底漆+雙組分水性聚氨酯面漆等。隨著各國環(huán)保意識的日益增強(qiáng)，水性涂料的用量呈直線上升趨勢。美、英、德等發(fā)達(dá)國家的水性涂料已占鐵路貨車用漆的90%以上。1998年，全球油漆總產(chǎn)量為2 200萬噸，其中水性油漆占35%。我國從20世紀(jì)90年代初開始研發(fā)水性涂料，所占市場份額逐年增加，已廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、鐵路機(jī)車車輛和建筑等領(lǐng)域。水性涂料自2008年開始被應(yīng)用于鐵路貨車上，從2014年開始在鐵路貨車上批量使用，逐漸取代了原來的溶劑型涂料。

2 鐵路貨車涂料的發(fā)展趨勢

節(jié)能、減排是我國環(huán)保的重點(diǎn)，我國環(huán)境保護(hù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)HJ/T201-2005《環(huán)境標(biāo)志產(chǎn)品技術(shù)要求水性涂料》中規(guī)定:水性防腐涂料VOC的排放限值為≤250 g/L;HUJ/T293-2006《清潔生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)汽車制造業(yè)(涂裝)》第一次規(guī)定了用于工業(yè)生產(chǎn)涂裝過程的VOC排放量。

歐美各國均頒布了相關(guān)法律法規(guī)，對VOC排放進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，并逐漸完善了相應(yīng)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)體系。目前美國對工業(yè)涂料行業(yè)VOC排放的限制為每個(gè)工廠每年不超過50 t；歐盟對工業(yè)涂料VOC含量限制為250 g/L～540 g/L(根據(jù)涂料種類劃分)。1990年起，歐洲和北美開始在工業(yè)領(lǐng)域廣泛使用水性涂料。從國內(nèi)外近年涂料工業(yè)的發(fā)展過程可以看出，降低VOC排放是各國的一致目標(biāo)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，國外鐵道車輛廣泛采用水性涂料和無溶劑型涂料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的溶劑型涂料，這兩種涂料已成為發(fā)達(dá)國家車輛制造業(yè)的主流。

3 鐵路貨車既有涂裝體系存在的問題

現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，廣泛采用金屬表面涂覆涂料的生產(chǎn)工藝，在金屬表面形成致密涂層，使金屬基材與外部的氧氣、水分等腐蝕介質(zhì)相互隔離，有效提升了金屬產(chǎn)品的耐腐蝕能力，延長了產(chǎn)品的使用壽命，并且使產(chǎn)品外表美觀、精致。鐵路貨車車體內(nèi)壁與貨物接觸，防腐保護(hù)措施主要是在表面涂覆有機(jī)保護(hù)涂層，以漆膜隔離金屬構(gòu)件和腐蝕介質(zhì)，從而起到保護(hù)金屬構(gòu)件的作用。從近年來現(xiàn)場調(diào)研的情況來看，引起耐候鋼墻板、地板和門板腐蝕減薄及穿孔的原因首先是車輛在貨物摩擦力和裝卸機(jī)械的磕碰剮蹭作用下，內(nèi)部防腐蝕涂層磨損失效，后期在雨水和介質(zhì)的腐蝕及介質(zhì)磨損的雙重作用下，鋼材基體被腐蝕、銹層被破壞導(dǎo)致其逐漸減薄直至穿孔。若能首先解決好涂層磨損失效問題，則鋼結(jié)構(gòu)腐蝕減薄問題也會迎刃而解。根據(jù)調(diào)查，由于車體內(nèi)壁與煤炭、石砟、礦石等貨物會產(chǎn)生腐蝕、磨擦、刮碰和沖擊，采用裝載機(jī)裝卸時(shí)，內(nèi)壁也會與裝卸設(shè)備磕碰導(dǎo)致漆膜損壞，因此車體內(nèi)壁涂層往往在不到一年的時(shí)間即失去保護(hù)作用，部分車輛出廠3個(gè)月車體內(nèi)壁涂層的損壞面積達(dá)到20%～30%左右，涂層損壞或脫落的地方均發(fā)生了銹蝕。

目前，國內(nèi)鐵路貨車車體內(nèi)壁普遍采用水溶性底漆和面漆，涂層干膜總厚度不小于100 μm；或者采用環(huán)氧云鐵厚漿底漆或溶劑型厚漿醇酸底漆，配套采用厚漿醇酸面漆，底面漆干膜總厚度不小于120 μm。敞車車體內(nèi)壁采用環(huán)氧云鐵底漆+環(huán)氧瀝青玻璃鱗片漆做內(nèi)壁防護(hù)涂層，底面漆干膜總厚度不小于200 μm。采用厚漿醇酸漆做車體內(nèi)側(cè)防護(hù)涂層，漆膜的使用壽命不到半年；采用環(huán)氧云鐵底漆+環(huán)氧瀝青玻璃鱗片漆做內(nèi)側(cè)防護(hù)涂層，漆膜的整體狀況雖然優(yōu)于涂厚漿醇酸漆的車輛，但距滿足一個(gè)廠修期(9年)的使用要求還有相當(dāng)大的差距。此外，由于鐵路貨車內(nèi)壁漆膜隔熱性差，在冬季裝載煤炭等含水貨物時(shí)，貨物容易與貨車內(nèi)壁發(fā)生凍結(jié)，導(dǎo)致無法卸貨或卸不凈。

4 鐵路貨車新型防腐耐磨涂料研究目標(biāo)

為提高耐候鋼車體內(nèi)表面防腐性能、降低全壽命周期檢修維護(hù)成本，通過對國內(nèi)外防腐耐磨涂層技術(shù)及應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)研,提出在鐵路貨車上采用新型防腐耐磨涂料。新型防腐耐磨涂料應(yīng)達(dá)到以下目標(biāo)：

4.1 適應(yīng)我國氣候特點(diǎn)

我國幅員遼闊，地勢西高東低，南北氣候溫差大，鐵路貨車使用環(huán)境溫度為-40 ℃～+40 ℃，對于進(jìn)解凍庫的鐵路貨車，涂層應(yīng)滿足在+110 ℃時(shí)連續(xù)放置3 h不脫落、不起皮的要求。貨車既要在沿江、沿海等氣候潮濕地區(qū)運(yùn)行，也要在青藏高原等高寒、紫外線強(qiáng)烈的地區(qū)運(yùn)行，新型涂料需要具有優(yōu)異的耐熱性、耐溫變性和耐低溫沖擊性等。

4.2 具有優(yōu)良的耐腐蝕性

鐵路車輛在運(yùn)行過程中，會經(jīng)受大氣腐蝕、化工腐蝕、細(xì)菌腐蝕、應(yīng)力腐蝕和雜散電流腐蝕等多種組合模式的腐蝕。我國鐵路貨車使用壽命為25年，其中70 t級通用貨車的廠修周期為9年，段修為27個(gè)月。按現(xiàn)行的檢修規(guī)則，貨車車體在段修時(shí)對車體銹蝕、油漆脫落處應(yīng)補(bǔ)涂油漆，廠修時(shí)車體拋丸后重新涂裝。車體油漆的實(shí)際使用時(shí)間為9年，在這9年時(shí)間內(nèi)，車體涂裝應(yīng)具有良好的性能，可靠防止車體發(fā)生金屬腐蝕，避免因腐蝕造成的相關(guān)維修，減少維修成本。而采用新型高防腐耐磨涂料，防腐保護(hù)效果可滿足車體全壽命期使用要求，即廠修時(shí)車體內(nèi)表面涂層不進(jìn)行重新涂裝。

4.3 具有良好的耐磨、耐沖擊性能

在車輛裝載、運(yùn)輸貨物的過程中，避免因磕碰、摩擦造成的涂層破損、脫落，防止腐蝕介質(zhì)滲透至車體金屬表面，形成嚴(yán)重的化學(xué)腐蝕。

4.4 具有優(yōu)良的涂裝工藝性

為適應(yīng)新造鐵路貨車大批量生產(chǎn)制造的特點(diǎn)，新型涂料本身需要具備優(yōu)異的厚涂性、流平性、干燥性能等，同時(shí)新型涂料應(yīng)施工便捷，不需額外的作業(yè)場地，不大幅改變現(xiàn)有涂裝作業(yè)流程。

4.5 符合我國環(huán)保法規(guī)要求

根據(jù)國家環(huán)保法規(guī)的規(guī)定，在選擇防腐性更為優(yōu)異的涂覆材料時(shí)，需要首先考慮涂料VOC含量的問題，使用綠色環(huán)保涂料。

4.6 具有較好的經(jīng)濟(jì)性

根據(jù)鐵路貨車的實(shí)際運(yùn)用情況，從全壽命周期的角度分析其經(jīng)濟(jì)性。鐵路貨車涂裝成本的占比遠(yuǎn)低于汽車、化工裝備、工程機(jī)械等行業(yè)，但發(fā)生腐蝕后造成的損失也遠(yuǎn)高于這些行業(yè)?，F(xiàn)有水性涂層配套體系總體成本較低，但很難適應(yīng)各種應(yīng)用工況下防腐、耐候、耐磨、耐化學(xué)品和耐沖擊需要。而新型高防腐耐磨涂料雖然首次涂裝成本提高，但可以提供更優(yōu)異的防腐蝕能力，滿足使用壽命期內(nèi)的防腐需要，有效降低車體在整個(gè)使用壽命期的檢修成本。

敞車等貨車裝載腐蝕性介質(zhì)，會對車體內(nèi)壁、下側(cè)門板等造成嚴(yán)重銹蝕，在廠修時(shí)需要截?fù)Q并造成維修成本增加。如神華公司廠修貨車(碳素鋼車體)總量在2.5萬輛左右，假設(shè)每輛車節(jié)省1.975萬元的鋼結(jié)構(gòu)截?fù)Q成本，則總計(jì)可減少約5億元的車輛維修成本。

4.7 達(dá)到一定的技術(shù)指標(biāo)

機(jī)械強(qiáng)度高，實(shí)干硬度達(dá)到5H；耐磨性好，比環(huán)氧涂料高50%，比丙烯酸涂料高2倍；耐老化性能優(yōu)于既有水性涂料；干燥速度快于既有涂料，適應(yīng)免烘烤作業(yè)，顯著降低能源消耗；VOC排放低于既有涂料。

5 新型防腐耐磨涂料研究思路

為保證鐵路貨車新型防腐耐磨涂料滿足我國鐵路貨車運(yùn)用工況，首先應(yīng)調(diào)研目前我國各型鐵路貨車車體內(nèi)壁在不同檢修周期的腐蝕和損壞情況以及鐵路貨車車體涂裝體系存在的問題，分析車體內(nèi)壁和表面涂料不能滿足使用工況的原因和特點(diǎn)；通過對各型鐵路貨車車體內(nèi)壁腐蝕情況的調(diào)研，研究車體內(nèi)壁涂料是否適應(yīng)檢修周期以及車體內(nèi)壁涂料應(yīng)具備的使用功能；進(jìn)而對貨車新型涂裝體系進(jìn)行選型分析，研究采用適應(yīng)我國氣候特點(diǎn)、具有優(yōu)良的耐腐蝕性、良好的柔韌性和耐磨性、較高的機(jī)械強(qiáng)度以及較好的環(huán)保性和經(jīng)濟(jì)性的新型高防腐耐磨涂料，防腐保護(hù)效果滿足車體全壽命期使用要求，降低貨車墻板在惡劣的碰撞、摩擦環(huán)境下的損壞程度，提高使用壽命，降低維修和使用成本；最后對新型高防腐耐磨涂料的耐鹽霧、耐酸堿、耐鹽水、涂層附著力、耐磨等性能進(jìn)行測試并進(jìn)行裝車運(yùn)用考驗(yàn)，保證新型高防腐耐磨涂料在經(jīng)受苛刻環(huán)境考驗(yàn)后仍具備優(yōu)異的防護(hù)性能。