鐵路敞車車體耐腐蝕性與檢修周期適應(yīng)性分析

史洪斌，劉文勝，陳永東，劉博陽，黃艦波，吳春梅

(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；4.海南鐵路有限公司，海南 ?？?570032)

0 引言

我國通用貨車的運(yùn)用工況比較惡劣，車體鋼結(jié)構(gòu)不僅承受全溫域環(huán)境下貨物摩擦和腐蝕的影響，還要承受裝卸機(jī)械的磕碰沖擊作用，其車體內(nèi)部的防護(hù)涂料在較短的時(shí)間內(nèi)就會(huì)遭到損壞，導(dǎo)致貨車車體內(nèi)部快速腐蝕。從2005年開始，我國開始推廣70 t級(jí)貨車，車體通過采用Q450NQR1等高強(qiáng)度耐候鋼和減薄板厚的措施來降低自重、提高載重。但是高強(qiáng)度耐候鋼的耐腐蝕性能與普通耐候鋼相當(dāng)，在鋼結(jié)構(gòu)減薄鋼板厚度之后，其耐腐蝕性能相應(yīng)下降。為研究鐵路貨車用高強(qiáng)度耐候鋼的耐腐蝕性能是否可適應(yīng)廠修周期要求，中車太原公司牽頭對(duì)70 t級(jí)鐵路貨車車體的耐腐蝕性能進(jìn)行了研究，對(duì)車體各部位的腐蝕速率進(jìn)行了檢測(cè)。

1 我國鐵路敞車車體用材料發(fā)展概況

我國鐵路敞車車體用材料主要經(jīng)歷了鋼木混合、碳素鋼、低合金鋼、耐候鋼、高強(qiáng)度耐候鋼等幾個(gè)階段。我國從20世紀(jì)60年代開始仿制耐候鋼，1967年首次將其試用于鐵路車輛制造。1978年前后開始在鐵路敞車車體結(jié)構(gòu)上試用耐大氣腐蝕鋼，1985年開始應(yīng)用于鐵路貨車生產(chǎn)。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，成功研制出Cu-P系、Cu-P-RE系和Cu-P-Cr-Ni系列耐候鋼，并在鐵路敞車上得到廣泛應(yīng)用。耐大氣腐蝕鋼以09CuPTiRE和09CuPCrNi的銅磷系列鋼材為代表，其耐腐蝕性一般是普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的2倍左右，主要應(yīng)用于60 t級(jí)通用貨車。目前，60 t級(jí)通用敞車已全面停產(chǎn)。

為滿足新型70 t級(jí)鐵路敞車的輕量化要求，2003年開始在鐵路敞車上批量采用屈服強(qiáng)度為400 MPa、450 MPa和500 MPa的高強(qiáng)度耐大氣腐蝕鋼。

2 我國鐵路敞車車體涂料發(fā)展概況

由于鐵路敞車結(jié)構(gòu)材料和運(yùn)用工況的變化，對(duì)車體涂料的要求也在不斷提高。鐵路敞車用涂料經(jīng)歷了由低級(jí)到高級(jí)的發(fā)展過程。在涂裝工藝方面，新造車輛已廣泛使用鋼材噴砂(拋丸)預(yù)處理技術(shù)，并使用預(yù)涂底漆作為工序間防銹涂料。

(1)普通酚醛和醇酸類涂料。酚醛防銹漆、酚醛磁漆、醇酸磁漆或醇酸調(diào)和漆是20世紀(jì)90年代以前的常用產(chǎn)品。當(dāng)時(shí)，我國鐵路貨車使用與客車相近的涂料，為達(dá)到成膜厚度，在工藝上通常需涂裝4道，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，壽命低。

(4)水性防腐涂料。水性涂料是一種環(huán)保型涂料，美國是最早在金屬防護(hù)領(lǐng)域推廣使用水性漆的國家。目前美國工業(yè)防腐中水性涂料使用量已占涂料總量的70%，歐洲各國也大力推廣水性涂料，其中丹麥、瑞典等國水性涂料使用量已達(dá)到涂料總量的80%以上。我國從20世紀(jì)90年代開始在建筑物上大規(guī)模推廣應(yīng)用水性涂料，但從2008年開始才陸續(xù)在鐵路貨車上應(yīng)用水性涂料，最早采用水性涂料的車型是C80B型敞車。

3 我國鐵路敞車車體腐蝕情況

我國絕大多數(shù)鐵路貨車車體為耐候鋼，從近年來現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研的情況分析，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，后期在雨水及介質(zhì)的腐蝕和介質(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(huì)迎刃而解。

從2004年開始，鐵科院和中車太原公司對(duì)鐵路敞車鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕、磨損狀況進(jìn)行了調(diào)查，具體情況如下：

3.1 60 t級(jí)鐵路敞車車體腐蝕情況

2004年10月～12月，鐵科院牽頭組織各貨車工廠對(duì)鐵路敞車的腐蝕、磨損狀況進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查對(duì)象主要為進(jìn)行廠修的各型敞車和大秦線在用的運(yùn)煤專用敞車，主要車型包括C61、C62B、C64通用敞車、C63A型運(yùn)煤專用敞車等，測(cè)量位置多位于或接近車體各部的連接處，所受應(yīng)力相對(duì)較大。

通過對(duì)各相關(guān)部位鋼板殘余厚度進(jìn)行測(cè)量，并根據(jù)相應(yīng)部位鋼板的原始設(shè)計(jì)厚度(初始厚度)值和車輛的出廠時(shí)間(年限)，計(jì)算得到了鋼材的減薄速率，主要數(shù)據(jù)見表1。

表1 60 t級(jí)各型敞車不同部位鋼板平均減薄速率

表1中，下側(cè)門板的檢測(cè)部位為其中部，其他為從下邊緣或地板向上100 mm～150 mm的位置，減薄輕微處未測(cè)量具體數(shù)值。根據(jù)表1數(shù)據(jù)可以看出：對(duì)于60 t級(jí)通用敞車，車體鋼板(上側(cè)板 、端板、地板及下側(cè)門板)的年平均減薄速率為0.06 mm/a～0.25 mm/a；在第1個(gè)廠修時(shí)，角柱加強(qiáng)板的平均減薄速率為0.18 mm/a左右，下側(cè)門板的平均減薄速率達(dá)0.2 mm/a以上(C61除外)，其中C62B下側(cè)門板的減薄速率最高，平均值達(dá)到了0.25 mm/a。另外所有測(cè)量部位減薄速率的最大值均明顯高于平均值，最大達(dá)平均值的2倍～5倍。

對(duì)于C63A型專用運(yùn)煤敞車，車體鋼板的平均減薄速率比通用敞車要低，角柱加強(qiáng)板和地板在第1個(gè)廠修期的減薄速率約為0.11 mm/a～0.12 mm/a，端板和其他部位的減薄則要慢一些。

根據(jù)60 t敞車調(diào)查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，按平均減薄速率0.25 mm/a計(jì)算，第1個(gè)廠修(按8年計(jì)算)時(shí)鋼板的總損耗量將達(dá)到2.0 mm。如果初始鋼板厚度為5 mm，則剩余厚度將只有3 mm，廠修時(shí)部分車輛鋼板已經(jīng)需要進(jìn)行截?fù)Q。

鐵路貨車的設(shè)計(jì)壽命為25年，要求在這一段時(shí)間內(nèi)車體的力學(xué)性能可以得到保證，且不需進(jìn)行鋼板截?fù)Q，但調(diào)查數(shù)據(jù)說明目前60 t級(jí)敞車使用的耐候鋼材料尚不能滿足要求。

3.2 70 t級(jí)鐵路貨車車體腐蝕情況

2019年6月，中車太原機(jī)車車輛有限公司開展了鐵路貨車車體耐腐蝕性能與車輛檢修周期適應(yīng)性研究，對(duì)70 t級(jí)鐵路敞車的腐蝕、磨損狀況進(jìn)行了調(diào)查，調(diào)查對(duì)象主要為進(jìn)入公司內(nèi)進(jìn)行廠修的C70E、C70EH型通用敞車。共統(tǒng)計(jì)使用時(shí)間8年、達(dá)到第1個(gè)廠修期的C70E通用敞車184輛，C70EH型通用敞車3輛；每輛車測(cè)量10個(gè)部件，共76個(gè)測(cè)量點(diǎn)。這些測(cè)量位置多位于各部件的連接處及下部，均為所受應(yīng)力相對(duì)較大位置或者容易發(fā)生腐蝕的位置。敞車側(cè)門板、下側(cè)門板的檢測(cè)部位在其壓型部位或下部容易腐蝕的位置；上側(cè)板的檢測(cè)部位為與側(cè)柱連鐵連接處往上300 mm范圍；側(cè)柱連鐵的檢測(cè)部位為與側(cè)板連接部位；側(cè)柱加強(qiáng)板、角柱加強(qiáng)板檢測(cè)部位為與下側(cè)門搭接部位；端板檢測(cè)部位為下部500 mm范圍內(nèi)的位置；地板檢測(cè)部位為與側(cè)梁連接的200 mm范圍，根據(jù)腐蝕情況選取檢測(cè)點(diǎn)；端梁檢測(cè)部位為兩端與側(cè)梁連接處；側(cè)梁檢測(cè)部位為側(cè)梁腹板與搭扣座上緣連接處、側(cè)梁與各側(cè)柱的連接處、側(cè)梁與中門柱的連接處。

通過對(duì)各相關(guān)部位鋼板剩余厚度的測(cè)量，并根據(jù)相應(yīng)部位鋼板的原始設(shè)計(jì)厚度(初始厚度)值和車輛的出廠時(shí)間(年限)，計(jì)算得到了鋼材的減薄速率。187輛C70E(C70EH)型敞車各部位鋼材的減薄速率見表2。

表2 C70E型通用敞車不同部位鋼板平均減薄速率

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可以看出，C70E型通用敞車各部位在第1個(gè)廠修時(shí)的平均減薄速率：側(cè)板與側(cè)柱連接部位為0.139 mm/a，其余腐蝕不嚴(yán)重部位為0.057 mm/a；側(cè)柱連鐵為0.158 mm/a；側(cè)柱加強(qiáng)板、角柱加強(qiáng)板為0.207 mm/a；側(cè)門板為0.157 mm/a；下側(cè)門板為0.176 mm/a；端板與端梁連接部位為0.148 mm/a，其他部位為0.116 mm/a；側(cè)梁與搭扣座上緣連接處為0.057 mm/a，與側(cè)柱連接部位為0.02 mm/a，與中門柱連接部位為0.027 mm/a；端梁為0.024 mm/a；地板為0.15 mm/a。

由以上數(shù)據(jù)可以看出，C70E型通用敞車部件的平均減薄速率為0.02 mm/a～0.207 mm/a，其中側(cè)柱加強(qiáng)板、角柱加強(qiáng)板的平均減薄速率在0.207 mm/a。另外，所有測(cè)量部位減薄速率的最大值均明顯高于平均值，最大達(dá)平均值的2倍～5倍。

4 70 t級(jí)敞車車體的腐蝕部位及原因分析

(1)上側(cè)板的嚴(yán)重腐蝕部位為與側(cè)柱連鐵連接處往上300 mm范圍處，原因是側(cè)墻板與側(cè)柱連鐵的連接處經(jīng)常產(chǎn)生縫隙腐蝕。側(cè)板其他部位的腐蝕主要是大氣腐蝕和機(jī)械破損腐蝕。

(2)側(cè)柱的嚴(yán)重腐蝕部位為側(cè)柱與側(cè)梁上翼邊連接處，這些部位容易堆積貨物且不易卸干凈，造成此部位長期受到貨物的化學(xué)腐蝕。

(3)側(cè)柱加強(qiáng)板和角柱加強(qiáng)板的嚴(yán)重腐蝕部位為與下側(cè)門搭接部位，此位置為門孔周邊，除長期受到貨物侵蝕外，在開關(guān)門時(shí)還要承受機(jī)械打擊和貨物沖擊，造成化學(xué)腐蝕和機(jī)械破損腐蝕。

(4)端板嚴(yán)重腐蝕部位在下部500 mm范圍內(nèi)的位置，地板嚴(yán)重腐蝕部位為與側(cè)梁連接的200 mm范圍內(nèi)，這些位置容易堆積煤炭等散粒貨物，再加上雨水和冰凍等原因，最后殘留在車廂內(nèi)的貨物需要依靠人工機(jī)械清除，造成化學(xué)腐蝕和機(jī)械破損腐蝕。

(5)端梁的嚴(yán)重腐蝕部位為與側(cè)梁連接處，容易形成縫隙腐蝕。

(6)側(cè)梁的嚴(yán)重腐蝕部位為側(cè)梁腹板與搭扣座上緣連接處、側(cè)梁與各側(cè)柱的連接處、側(cè)梁與中門柱的連接處，這些連接處容易形成縫隙腐蝕。

5 70 t級(jí)通用敞車車體耐腐蝕性與檢修周期的適應(yīng)性分析

70 t級(jí)通用敞車的廠修期為8年，使用壽命為25年。在第1個(gè)廠修時(shí)，從最大腐蝕深度比例來看，與側(cè)柱連鐵連接處上側(cè)板為36.6%，側(cè)柱加強(qiáng)板為45%，側(cè)門板為52.5%，下側(cè)門板為38.5%，端板為62.5%，地板為47.5%，均已超過廠修限度，說明廠修時(shí)上側(cè)板、側(cè)柱加強(qiáng)板、角柱加強(qiáng)板、側(cè)門板、下側(cè)門板、端板、地板的部分地方腐蝕深度大于30%，需要截?fù)Q。尤其是側(cè)柱加強(qiáng)板、門板、地板的平均腐蝕深度和最大腐蝕深度均高于其他部件，需要截?fù)Q和更換的比例較大。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)，70 t級(jí)通用敞車在第1個(gè)廠修時(shí)車體部分結(jié)構(gòu)需要截?fù)Q，截?fù)Q的部件及數(shù)量較多。這和車輛所裝載的貨物、使用頻率及車體結(jié)構(gòu)都有關(guān)系，敞車容易腐蝕的地方均位于各部件連接處和車體下部，這些地方容易積聚貨物和雨水，造成長期的化學(xué)腐蝕；另外容易腐蝕的地方位于人工或機(jī)械裝卸作業(yè)磕碰的部位，因表面防護(hù)涂料破損起不到有效防護(hù)作用。所以目前70 t級(jí)通用敞車車體耐腐蝕性與檢修周期不適應(yīng)。