广铁管内钢轨的腐蚀机理探讨*

罗虞霞，张志伟，郭吉安，郑 峰

(1.中南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410083;2.广州铁路(集团)公司，广东 广州 510088)

我国铁路钢轨的使用寿命大约只有5年，而设计使用年限为10年;相反，国外钢轨的设计使用年限约为30年，实际使用年限可以达到40～50年，机械和疲劳伤损被界定为影响钢轨寿命的重要因素。而美国Robles［1］等的研究指出，钢轨基面(钢轨与底面垫板接触面)在湿润的空气、盐离子和杂散电流存在时会发生严重的腐蚀，使钢轨寿命迅速缩短至一年甚至以下。我国在上世纪末开始了隧道内钢轨腐蚀的研究，有关研究表明［2－3］，耐候钢(钢轨用钢)在湿度大的隧道、工业污染区以及海洋环境等条件下的耐蚀性不够理想，需对钢轨进行防腐保护，但没有提出相应的钢轨机理分析，之后对钢轨伤损的研究也仅局限于对机械与疲劳作用分析［4－5］，没有考虑电化学腐蚀(雨水、大气污染和杂散电流等因素)对钢轨伤损的影响。据美国宇航局2010年9月21日发布的全球空气质量地图显示，我国空气中各种悬浮颗粒的总量是国外大部分国家和地区的十多倍，钢轨的大气腐蚀程度也相应加重，这与我国钢轨使用寿命只有国外同类产品的十分之一的现象相吻合。可见，除了隧道工段钢轨腐蚀现象比较突出外，一般工段的钢轨腐蚀现象也已上升成为影响钢轨寿命的重要因素。

另外，随着我国汽车使用数量的与日俱增，大气污染有更加恶化的趋势。可以推断，今后我国包括钢轨在内的所有钢铁制品的腐蚀现象将变得越来越严重。大气腐蚀已经成为影响钢轨服役寿命的重要因素，急需开展钢轨的大气腐蚀机理研究，以便能提供高效低成本的养护方法。

为了解钢轨的腐蚀损伤情况，作者对广铁集团管内正在服役和已经下线的钢轨进行随机采样，对样品进行伤损程度计算和硬度测量，分析样品的腐蚀产物并观察其显微组织形貌，对钢轨的腐蚀因素进行分析并探讨钢轨的腐蚀机理。

1 广铁管内钢轨腐蚀伤损分析

1.1 腐蚀伤损速率计算

取大瑶山和株洲北站钢轨样品共4组，根据其损耗情况(按残余轨高)，用公式(1)来计算其(腐蚀)伤1损速率，并按进行数学处理。

其中:Δh为轨高变化(mm);t为钢轨的使用年限(a);rcorr为(腐蚀)伤损速率(μm/y)。

计算大瑶山和株洲北站钢轨样品的腐蚀伤损速率，结果如表1所示。

表1 大瑶山隧道和株洲北站退役下线钢轨(随机取样)的腐蚀速率Table 1 Corrosion rates of rail samples from Dayaoshan Tunnel and Zhuzhou North Station

对比表1列出的数据可知，大瑶山隧道和株洲北站的钢轨腐蚀十分严重，比国内外钢铁制品的大气腐蚀速率高出许多倍(一般钢铁制品的大气腐蚀速率约为10～20 μm/y)。除了株洲北站某处60 kg/m的样品(可能是因为形成比较稳定的Fe3O4保护层，且保护层未被破坏)腐蚀速率较小(7～10 μm/y)之外，其他样品的腐蚀速率均高于200 μm/y，严重区域甚至超过 1100 μm/y。

1.2 硬度检测

以图1所示的横截面分别取大瑶山隧道和株洲北站60 kg/m的PD3退役下线钢轨(服役时间5～10年)10 mm厚，切割为8个部分，进行抛磨处理。采用HBRVU－187.5型布洛维光学硬度计对样品横截面边缘(主要受力接触层和环境暴露面)进行硬度测量。在每个部分取10个测量点，计算各部分的维氏硬度变化平均值d。

图1 钢轨横截面示意图Fig.1 Schematic drawing of rail’s cross section

测量大瑶山隧道和株洲北站60 kg/m的PD3退役下线钢轨样品(主要受力接触层和环境暴露面)硬度，结果如图2所示。

图2 钢轨样品横截面边缘及中心硬度值变化图Fig.2 Hardness changes of 60 kg/m PD3 rail samples(Dayaoshan Tunnel and Zhuzhou North Station)

如图2所示，退役下线钢轨样品的硬度值比出厂标准(PD3钢轨的标准HRC为34～38)下降40%以上，降幅十分明显。除基面硬度值相对较高外，边缘(2，6处)的硬度值都较低，最大降幅接近50%。由此可知，腐蚀损伤的钢轨力学性能明显下降。

1.3 XRD 物相分析

取株洲北站轨面边缘、轨腰和轨底以及大瑶山隧道轨腰腐蚀产物进行XRD物相检测。

通过对广铁集团管内钢轨样品不同部位的腐蚀产物进行XRD物相分析可知，4组铁锈样品均含有成分相近的铁锈产物、粘土(SiO2)以及少量硅酸铁和磷酸铁化合物(未标出)。其中大瑶山隧道和株洲北站两地的轨腰铁锈样品都含Fe8(OOH)16Cl1.3，γ －Fe(OOH)、β － Fe(OOH)以及 Fe3O4等 4种腐蚀产物;株洲北站轨底铁锈样品只有单一的Fe3O4腐蚀产物，轨面边缘样品含有γ－Fe(OOH)和Fe3O4腐蚀产物。将钢轨腐蚀产物的XRD结果叠加，如图3所示。

株洲北站和大瑶山隧道轨腰铁锈样品中均含有 β －Fe(OOH)和 Fe8(OOH)16Cl1.3，说明电化学腐蚀反应中有Cl－参与，因为只有在F－或Cl－存在的条件下才会形成β－Fe(OOH)。株洲北站一样品钢轨轨底铁锈腐蚀产物单一，几乎全是Fe3O4(在铁的氧化产物中，Fe3O4最稳定，能对钢轨起到保护作用)，可能是因为含有腐蚀性成分的雨水无法抵达底部，或者是其地段较高，能够保持底部干燥。发生在株洲北站钢轨轨面边缘的铁锈是由于应力损伤后破裂(剥离)，继而发生电化学腐蚀，是应力腐蚀和大气腐蚀共同作用的产物。株洲北站钢轨轨面边缘的铁锈没有轨腰的严重，也是因为轨面比轨腰容易干燥的缘故。另外，几处腐蚀产物中都出现SiO2，这是由于周边的泥土飞溅到钢轨上面与铁锈混合在一起所导致。

图3 钢轨腐蚀产物的XRD样品叠加图Fig.3 XRD spectrum of corrosion products

1.4 SEM 形貌观察

采用FEI.QUANTA.200型环境扫描电镜对株洲北站轨面边缘和轨底以及大瑶山轨腰腐蚀产物进行表面形貌观测。图4、图5和图6分别为株洲北站钢轨轨面边缘薄状铁锈片、轨底锈块和大瑶山隧道轨腰锈块的显微形貌。

图4 轨面边缘锈片形貌(株洲北站)Fig.4 SEM images of corrosion products(at edge of samples from Zhuzhou North Station)

图6 轨腰锈片形貌(大瑶山隧道)Fig.6 SEM images of corrosion products(at waist of samples from Dayaoshan Tunnel)

株洲轨面边缘锈片腐蚀产物是以砂粒状的γ－Fe2O3.H2O(见图4(a))为基体，从中长出网络状(见图4(c))的γ－Fe(OOH)。

株洲轨底锈片腐蚀产物放大2000倍的γ－Fe2O3.H2O形貌特征如图5(a)所示，放大10000倍后可以看到不规则的交叠薄片状α－Fe(OOH)(见图5(b))，可能是少量的β－Fe(OOH)转化而来。

大瑶山隧道轨腰锈片腐蚀产物整体较均匀，有部分束集现象，放大5000倍后可观察到呈交叠薄片状束集的α－FeOOH(见图6(a));放大10000倍后可见细条或薄片状平面生长特征的β－Fe(OOH)(见图6(b))。

对比图4～6发现，腐蚀产物α－FeOOH，β－Fe(OOH)，γ －FeOOH 与 γ －Fe2O3.H2O 的微观形貌特征是和样品的采集地点与部位有关。不仅不同地区与不同部位的腐蚀产物种类存在差别，就是相同腐蚀产物也存在微观形貌差异。

1.5 广铁管内腐蚀伤损情况

目前，我国服役钢轨损伤主要以机械损伤为主。钢轨在列车运行过程中所产生的各种交变应力作用下，会发生接触疲劳损伤，产生疲劳辉纹(鱼鳞纹)、变形、压溃、剥离、掉块甚至断裂［6］。部分钢轨轨腰、基面以及配件发生了均匀的腐蚀，出现了较致密的氧化物层;另外，一些机械疲劳损伤的钢轨也发生了腐蚀。如图7所示，分别是株洲工段钢轨剥离和怀化工段钢轨压溃处发生的腐蚀现象。其中图7(a)的伤损是因表面裂纹引发的，腐蚀介质由此介入滋生电化学反应，腐蚀产物导致钢轨力学性能下降，在机车机械应力的作用下，裂纹扩大并开始剥落，进而导致钢轨不断伤损;图7(b)是机械变形引发的电化学反应，钢轨在机械载荷的强烈冲击下发生变形，再次机械作用导致性能下降处发生压溃，破溃处Fe充分接触环境中的腐蚀介质从而引发快速的电化学腐蚀反应。此外，广铁集团许多新购进的钢轨(包括武钢U75V，攀钢U75V和U71Mn)在储存过程中就发生了不同程度的腐蚀现象。

图7 钢轨机械损伤处腐蚀现象Fig.7 Rail corrosion at mechanical failures

2 钢轨的腐蚀机理探讨

根据腐蚀样品的分析研究结果可知，除了机械伤损，钢轨还发生了局部电化学腐蚀。除了自身化学成分、显微组织与加工过程的影响外，钢轨长期暴露在大气中，其腐蚀过程还受到各种环境因素的影响，导致其腐蚀机理十分复杂。过去的研究表明，潮湿的空气、降雨、污染气体、温度温差等因素将导致暴露在空气中的钢铁制品(包括钢轨)发生大气腐蚀。同时，钢轨的电化学腐蚀还会在杂散电流(由信号电流传输引起)影响下加速进行［3］。此外，由于机械和疲劳作用对钢轨造成的伤损(裂纹、压溃、掉块、剥离等)，钢轨基面能够充分接触腐蚀介质，从而增加发生电化学反应的机会。

分析整理广铁管内气侯和大气腐蚀数据发现，当地的空气潮湿、温度温差大、降雨丰富、污染严重，这些都为钢轨的大气腐蚀提供了充分的物质条件。

2.1 湿度与温度

株洲市与怀化市是全国空气湿度较大的城市。株洲夏季空气湿度在60% ～80%左右;怀化夏季空气湿度在55% ～75%左右;而大瑶山地区年均空气湿度在83%左右，均达到了钢铁的腐蚀临界湿度值(60%)。同时，空气温度会影响钢轨表面水蒸气的凝聚、水膜中各种腐蚀气体和盐类的溶解度、水膜电阻以及电化学反应速度。由于广铁管内空气相对湿度达到钢轨腐蚀的临界相对湿度，因此温度的影响十分明显。温差的影响表现在金属表面上的凝露作用。在长沙和株洲地区，因其昼夜温差大(15℃左右)，所以只要相对湿度达到35%左右就能产生凝露现象，因而钢轨的腐蚀现象十分严重。

2.2 降雨

广东、湖南均处于全国降雨量最大的区域之中。降雨以2种截然不同的方式影响钢轨的大气腐蚀。一方面由于降雨增大了大气中的相对湿度，延长了钢轨表面的润湿时间;与此同时，雨水冲刷破坏了腐蚀产物的致密性和保护性，这些都会加速钢轨的大气腐蚀过程。但另一方面，降雨能够冲洗掉钢轨表面的污染物和灰尘，减小液膜的腐蚀性，从而减缓腐蚀过程。

2.3 空气污染

根据实验中物相分析的结果可知，钢轨的腐蚀产物中出现了Cl－，说明钢轨的腐蚀反应中有大气污染物的参与。通过对株洲市、怀化市和大瑶山和长沙市一段时间降水与降雾的数据分析发现，长沙市、株洲市、怀化市和大瑶山地区呈现比较突出的大气污染。其中，1986～1999年长沙市、株洲市和怀化市的年均pH值均低于5，且酸雨频率均高于60%［7］;1999年株洲市、怀化市和大瑶山地区降水的 pH 值均小于4.8，且SO42－，NO3－，NH4+，Ca2+，Na+和 Cl－等离子的浓度相对偏高［8－9］。

雾是由大量悬浮在近地面空气中的微小水滴或冰晶组成的气溶胶系统，与降水一样能影响钢轨表面电解液膜的状态和空气相对湿度，大瑶山浓雾发生频率非常高，雾季平均达42.8%。雾水中含的化学物质也影响金属电化学腐蚀反应，大瑶山酸雾频率高达51%，雾水中SO42－，NH4+，Ca2+离子浓度较高［10］。

酸雨和酸雾降低了电解液膜的pH值;降水和雾水中较高浓度的SO42－，NO3－，NH4+，Ca2+，Na+和Cl－等强电解质会增加电解液膜的导电性，形成污染固体后增加腐蚀源;Cl－会破坏钢轨表面的钝化膜;而NaCl和硫酸盐的吸湿性强，能降低临界相对湿度，所有这些因素都会增加包括钢轨及其配件在内的所有钢铁制品的电化学腐蚀反应几率，提高反应速率［11］。

2.4 杂散电流

直流铁路系统电流的泄漏是运行钢轨作为力学支撑以及牵引电流循环回路不可避免的结果。由于钢轨的纵向电阻或者串联电阻有限(大约为40～80 mΩ/km 或者40～80 μΩ/m)，与土壤绝缘性差(典型的是2～100 Ω/km)，一部分流回钢轨的牵引电流泄漏到土壤里，并在返回钢轨直流整流器负极终端前，在钢轨的平行电路中流动(直接通过土壤或者通过埋在地下的导体)，使得钢轨和地下埋藏金属物发生电化学反应，产生电化学电流，进一步加速钢轨底基面电化学腐蚀反应速率［1］。

所有这些环境腐蚀因素综合作用于钢轨上，不同程度地参与钢轨的电化学反应，形成了以机械损伤为主要腐蚀源，一种或多种腐蚀介质引发钢轨电化学反应，其他腐蚀介质叠加影响(加快电化学反应速度)，从而进一步降低钢轨力学性能，加剧机械损伤的腐蚀机理，钢轨的腐蚀机理如图8所示。

图8 钢轨腐蚀机理示意图Fig.8 Schematic drawing of mechanism for rail corrosion

3 结论

(1)广铁管内株洲、大瑶山和怀化等工段存在明显的钢轨腐蚀现象，钢轨腐蚀使其力学性能下降，引发更多电化学腐蚀源。

(2)腐蚀现象有轨腰和轨底的均匀腐蚀，更主要的是伴随着机械和疲劳损伤出现局部压溃、裂纹扩张、局部发生快速电化学腐蚀等。潮湿的空气、温度温差、降雨、大气污染以及杂散电流等环境因素综合作用于钢轨，直接导致并加剧电化学腐蚀反应。

(3)随着铁路运输能力(速度和运输总重)的不断升级，客货分流的区域和里程越来越多，导致钢轨腐蚀的原因将更为明确;钢轨(特别是客运线钢轨)的大气腐蚀伴随我国大气污染情况的加剧更加突出，使其上升成为导致钢轨伤损的主要因素。

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