地鐵鋼軌軌底角部銹蝕掉塊原因分析

向世雄 郭東旭 鄭建國(guó) 周劍華 歐陽(yáng)珉路

(1.武漢地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 湖北 武漢:430077；2.寶鋼股份中央研究院(青山) 湖北 武漢：430080)

0 引言

隨著城市公共交通優(yōu)先戰(zhàn)略的不斷推進(jìn)，軌道交通作為一種低能耗、少污染的“綠色交通”方式得到了蓬勃發(fā)展?！笆濉逼陂g，中國(guó)內(nèi)地城市軌道交通新增運(yùn)營(yíng)線路4360km，年均新開運(yùn)營(yíng)線路872km，5年新增城市軌道交通運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度超過“十三五”前城軌交通運(yùn)營(yíng)線路長(zhǎng)度的累計(jì)總和[1]，我國(guó)也成為世界上城市軌道運(yùn)營(yíng)線路最長(zhǎng)、客流量最大的國(guó)家。其中地鐵作為城市軌道中最重要的交通模式，截至2021年12月31日，中國(guó)內(nèi)地投運(yùn)地鐵線路累計(jì)7253.73km，占城市軌道交通總量的78.9%。

與國(guó)有鐵路相比，地鐵環(huán)境有其特殊性，例如運(yùn)行環(huán)境潮濕、小半徑曲線多、加減速頻繁、列車采用直流供電等。地鐵用鋼軌在使用過程中表現(xiàn)出的傷損類型也有其自身特點(diǎn)，甚至不同城市的地鐵由于地質(zhì)環(huán)境、運(yùn)載負(fù)荷、軌道結(jié)構(gòu)等條件的不同，鋼軌出現(xiàn)傷損的類型也不完全相同。鋼軌傷損造成維護(hù)及更換任務(wù)工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)、費(fèi)用高，而且影響地鐵線路的正常安全運(yùn)營(yíng)，縮短鋼軌及車輪的使用壽命，嚴(yán)重的甚至危及行車安全[2]。

某地鐵線路鋼軌使用3.5年后，個(gè)別路段鋼軌軌底角部出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕掉塊的情況，為此本文跟蹤調(diào)查了線路環(huán)境，分析掉塊傷損形成的原因，并提出預(yù)防措施。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)材料來(lái)自于地鐵線路銹蝕處的60kg/m U75V鋼軌。該鋼軌生產(chǎn)工藝如下：鐵水預(yù)脫硫→轉(zhuǎn)爐冶煉→LF精煉→RH精煉→大方坯連鑄→加熱→軋制→檢查→鋸切→入庫(kù)。

實(shí)驗(yàn)方法：銹蝕試樣形貌及銹蝕產(chǎn)物成分采用FEI Quanta400掃描電鏡配合能譜進(jìn)行觀察分析；鋼軌母材成分采用ARL-4460直度光譜儀進(jìn)行分析；抗拉強(qiáng)度采用美國(guó)INSTRON 5581拉力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 鋼軌表面?zhèn)麚p宏觀特征

軌底角部掉塊傷損鋼軌位于直線段，傷損在左右股對(duì)稱出現(xiàn)，均在鋼軌內(nèi)側(cè)扣件處。左股出現(xiàn)2處，尺寸分別為20mm×15mm、42mm×16mm，見圖1(a)，右股掉塊傷損嚴(yán)重部位掉塊尺寸120mm×15mm，較輕微的掉塊尺寸約45mm×5mm，見圖1(b)。傷損鋼軌位于車站結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)隧道相接的區(qū)間人防門位置，頂部有漏水，該區(qū)域是建設(shè)階段施工質(zhì)量管控的難點(diǎn)和重點(diǎn)，也是運(yùn)營(yíng)期結(jié)構(gòu)滲漏水的主要部位。在鋼軌軌底掉塊部位的扣件等聯(lián)結(jié)零件也嚴(yán)重銹蝕，鋼軌與軌枕間充滿已經(jīng)固化的泥漿，見圖2。

圖1 鋼軌掉塊形貌

圖2 軌地之間的泥漿

2.2 鋼軌傷損檢驗(yàn)分析

2.2.1 銹蝕產(chǎn)物分析

將銹蝕產(chǎn)物制成金相試樣放置于掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)其表面存在多處凹坑，見圖3。采用能譜分析其成分組成，腐蝕產(chǎn)物中主要由Fe和O元素組成，同時(shí)含有少量的Al、Ca、Si、Cl等元素，見圖4，這些元素的存在可能與扣件附近的泥漿有關(guān)。銹蝕產(chǎn)物中含有少量的Cl-，該元素的腐蝕滲透能力較強(qiáng)，在Cl-的參與下，鋼軌更容易產(chǎn)生局部腐蝕[3]。

圖3 銹蝕產(chǎn)物形貌

圖4 銹蝕產(chǎn)物成分組成

2.2.2 鋼軌母材檢驗(yàn)

(1)化學(xué)成分。對(duì)鋼軌化學(xué)成分及殘留元素進(jìn)行檢驗(yàn)，化學(xué)成分及殘留元素含量符合TB/T 2344-2012《43kg-75kg鋼軌訂貨技術(shù)條件》的要求，詳見表1～2。

表1 鋼軌化學(xué)成分(質(zhì)量百分比)

表2 鋼軌殘留元素成分(質(zhì)量百分比)

(2)力學(xué)性能。對(duì)鋼軌拉伸性能進(jìn)行檢測(cè)，抗拉強(qiáng)度為1023MPa，斷后伸長(zhǎng)率為12.0%，均滿足TB/T 2344-2012《43kg-75kg鋼軌訂貨技術(shù)條件》的要求，見表3。

表3 鋼軌室溫拉伸性能

2.3 鋼軌銹蝕掉塊原因分析

結(jié)合軌底銹蝕掉塊的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、掉塊形貌、銹蝕產(chǎn)物等方面綜合分析，產(chǎn)生銹蝕掉塊傷損原因應(yīng)為雜散電流加快軌底電化學(xué)腐蝕所致。

2.3.1 雜散電流產(chǎn)生原因及腐蝕原理

地鐵供電系統(tǒng)基本采用直流供電方式，在地鐵牽引供電系統(tǒng)中，鋼軌既是走行軌也是回流軌。由于走行軌的絕緣材料埋在地下，與地面之間并非完全絕緣，并且隨著時(shí)間的推移，其絕緣水平將會(huì)逐漸下降，將造成部分電流不從走行軌回流，而是由走行軌雜散泄漏至地下導(dǎo)體網(wǎng)絡(luò)，再由大地流回走行軌并返回牽引變電所，從而形成雜散電流[4]。

地鐵供電與雜散電流腐蝕示意見圖5。變電所附近的軌道電位為負(fù)極大值，埋地金屬體對(duì)地為陽(yáng)極，雜散電流腐蝕嚴(yán)重；列車底部軌道電位為正極大值，鋼軌對(duì)地為陽(yáng)極，雜散電流腐蝕嚴(yán)重。

圖5 地鐵供電與雜散電流腐蝕示意圖

2.3.2 雜散電流防治措施

(1)從雜散電流產(chǎn)生的源頭出發(fā)，加強(qiáng)安裝鋼軌絕緣裝置，保持道床清潔干燥，加大軌地過渡電阻值；另外，可以通過選大截面鋼軌和控制焊縫的電阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)減小回流軌的縱向電阻，從而降低雜散電流產(chǎn)生的量。

(2)在雜散電流的漫流路徑上設(shè)置收集網(wǎng)。將道床上層結(jié)構(gòu)鋼筋形成第一級(jí)收集網(wǎng)，隧道內(nèi)表層鋼筋形成第二級(jí)收集網(wǎng)，再用電纜將第一級(jí)收集網(wǎng)和第二級(jí)收集網(wǎng)的排流端子電流引回牽引變電所，讓雜散電流集中安全排放，減少外泄。

(3)對(duì)雜散電流的漫流路徑形成物理隔斷。目前常用的措施有：排流法、隔離法和陰極保護(hù)法。排流法是用電纜將被保護(hù)的金屬管道與鋼軌陽(yáng)極相連，使金屬管道整體降為陰性，避免陽(yáng)極腐蝕的影響。隔離法是隔斷雜散電流對(duì)地鐵沿線管線的侵害，將被保護(hù)對(duì)象獨(dú)立防護(hù)。陰極保護(hù)法是將還原性較強(qiáng)的金屬與金屬管道相連，被保護(hù)金屬管道作為原電池正極而被保護(hù)，還原性較強(qiáng)的金屬作為原電池的負(fù)極發(fā)生氧化還原反應(yīng)而被消耗[5-6]。

(4)使用雜散電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)雜散電流的大小。將來(lái)自電位測(cè)量箱的信號(hào)與計(jì)算機(jī)聯(lián)接，同步監(jiān)測(cè)記錄，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若發(fā)現(xiàn)異常，則發(fā)出報(bào)警信號(hào)[7]。

3 運(yùn)營(yíng)期保障措施

目前，線網(wǎng)鋼軌軌底角掉塊主要位于隧道環(huán)境潮濕區(qū)段，伴有混凝土浮漿的軌枕扣壓塊的隱蔽區(qū)域。運(yùn)營(yíng)期鋼軌探傷主要采用大型探傷車、通用探傷儀和探傷小車等大型機(jī)械或儀器進(jìn)行鋼軌母材和焊縫狀態(tài)檢測(cè)。受探傷原理的限制，通過儀器按照常規(guī)的作業(yè)模式無(wú)法檢測(cè)到軌底角掉塊問題，存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)階段，通過每季度組織開展人工專項(xiàng)排查，對(duì)重點(diǎn)區(qū)段逐一拆除扣件和軌距塊，檢查軌底狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)傷損進(jìn)行標(biāo)記，視傷損程度，及時(shí)采取觀察、加?；蚋鼡Q鋼軌等措施。同時(shí)，加強(qiáng)滲漏水整治、排水溝和混凝土浮漿清理以及更換橡膠墊板等措施以減少雜散電流對(duì)鋼軌的影響。

4 結(jié)論

(1)地鐵鋼軌軌底角部存在的掉塊傷損，是由于雜散電流引起的電化學(xué)腐蝕所造成，該掉塊傷損對(duì)列車運(yùn)營(yíng)安全產(chǎn)生較大影響；

(2)發(fā)生鋼軌掉塊區(qū)域主要位于地鐵隧道潮濕路段，并伴有混凝土浮漿的軌距塊扣壓的隱蔽部位，該部位對(duì)地電阻小，易產(chǎn)生雜散電流，從而造成鋼軌嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕；

(3)通過加大鋼軌與大地之間的過渡電阻值，設(shè)置雜散電流收集網(wǎng)，對(duì)雜散電流的漫流路徑進(jìn)行物理隔斷，并加強(qiáng)隧道滲漏水整治以及雜散電流監(jiān)測(cè)等措施，可有效降低雜散電流對(duì)鋼軌的腐蝕危害。