铁路客车不锈钢水箱漏水故障分析及防治措施

2015-10-21吴涛王立航周洪昌袁彩霞

中国机械 2015年3期

吴涛王立航周洪昌袁彩霞

摘要：通过材料显微分析结果，结合不锈钢腐蚀机理，对铁路客车不锈钢水箱漏水故障进行现象-机理分析，焊接热影响区贫铬和金属表面存在活性Cl离子是造成不锈钢水箱快速腐蚀漏水的主要原因，为减少直至消除不锈钢水箱漏水故障，提出防治措施。

關键词：铁路客车;水箱;腐蚀漏水;防治措施

1.背景

304材质不锈钢水箱是铁路低速客车水汽系统重要储水装置，容积为1000L，由冷轧304不锈钢板拼焊而成，客车制造厂在完成水箱组装焊接后，需进行充水试验，充水试验过的水箱在搁置一段时间后（1～2个月）发生了漏水现象，漏水点主要集中在水箱箱体焊缝附近。漏水点形貌为贯穿板厚的小孔（如图一所示）。

图一水箱渗漏点外观形貌

客车制造厂的工程技术人员根据以往经验，首先对库存不锈钢板材进行了外观检查和理化性能检测，检验结果表明水箱材料的宏观组织和理化性能全部符合标准要求，初步判定漏水孔为试水后的腐蚀穿孔。

2.不锈钢腐蚀机理分析

不锈钢的耐腐蚀性主要是因为在钢中添加了较高含量的Cr元素，Cr元素易于氧化，能在钢的表面迅速形成致密的Cr2O3氧化膜，不锈钢的耐腐蚀性能主要依靠表面覆盖的这一层极薄的（约1nm）致密的钝化膜，这层钝化膜与腐蚀介质隔离，是不锈钢耐腐蚀的基本屏障，如果钝化膜不完整或有缺陷被破坏，不锈钢仍会被腐蚀。铁路客车水箱材料为304不锈钢，304不锈钢为奥氏体耐蚀不锈钢，其铬含量超过12%，正常情况下其材料在加工过程中被破坏的钝化膜有自愈性，只有当被破坏的钝化膜处的母材出现贫铬现象或钝化膜长时间处在腐蚀介质中时，才能造成钝化膜不能自愈或钝化膜破坏，致使不锈钢能够在腐蚀介质中被腐蚀。

3.显微分析

对漏水水箱采取冷加工方法截取了实物试样，对漏水孔洞用金相显微镜和扫描电子显微镜进行观察，并进行能谱分析。

结合扫描电子显微镜显示的不锈钢水箱孔洞特征，腐蚀孔洞恰好分布在焊缝热影响区。通过对实样进行能谱分析的结果表明，热影响区晶界孔洞处的铬含量高于基体材料，能谱分析同时还发现试样裂纹断面处和内表面都有Cl元素存在（如图二所示）。

图二断裂面能谱分析

Cl元素的存在更加速了不锈钢水箱的腐蚀。一般情况下，处于钝态的金属仍有一定的反应能力，即钝化膜的溶解和修复（再钝化）处于动平衡状态。当介质中含有活性阴离子（常见的如氯离子）时，平衡便受到破坏，溶解占优势。其原因是氯离子能优先地有选择地吸附在钝化膜上，把氧原子排挤掉，然后和钝化膜中的阳离子结合成可溶性氯化物，结果在新露出的基底金属的特定点上生成小蚀坑（孔径多在20～30μm），这些小蚀坑称为孔蚀核，亦可理解为蚀孔生成的活性中心。根据电化学腐蚀机理，处于活化态的不锈钢较之钝化态的不锈钢其电极电位要高许多，电解质溶液就满足了电化学腐蚀的热力学条件，活化态不锈钢成为阳极，钝化态不锈钢作为阴极，腐蚀点只涉及到一小部分金属，其余的表面是一个大的阴极面，在电化学反应中，阴极反应和阳极反应是以相同速度进行的，因此集中到阳极腐蚀点上的腐蚀速度非常显著，有明显的穿透作用，这样形成了点腐蚀。

结合扫描电子显微照片，漏水孔洞同时具有点蚀特征（如图三所示），因此分析判定漏水孔洞是晶间腐蚀和电化学点蚀共同作用的结果，亦即焊接热影响区贫铬和金属表面存在活性Cl离子是产生不锈钢水箱快速腐蚀的直接因素。

图三水箱渗漏点迎水面显微镜下形貌

4.不锈钢水箱漏水故障防治措施

通过腐蚀试样金相显微镜和扫描电子显微镜观察到的特征现象以及能谱分析得到的数据，可以分析判定不锈钢水箱制造和充水试验过程中存在焊接热影响区贫铬和金属表面存在活性Cl离子是造成漏水孔洞的直接原因，根据问题原因建议以下防治措施：

（1）加强不锈钢水箱用原材料的采购过程管理，加强原材料复检监督，出现铬、镍、碳元素接近上下极限值时做必要的耐蚀性试验。

（2）水箱生产过程中严格按焊接工艺规程操作，强化对焊接操作者的技能要求，在确保焊接工艺参数的情况下尽可能提高焊接速度，以减小焊接热影响区停滞时间，加快焊接冷却速度，防止热影响区贫铬现象发生。

（3）严格控制母材和焊材含碳量，焊缝金属含碳量越高，碳和铬形成碳化物的机率越大，在晶界上产生的晶间腐蚀的倾向越大。

（4）严格控制水箱焊接后焊接飞溅打磨质量，尤其要杜绝过量打磨，打磨过量会造成点蚀加速。

（5）对原材料复检项目增加显微组织评定，对水箱母材碳化物分布严格控制。

（6）水箱生产过程中严禁用铁锤等尖锐器具进行板材调修和装配，避免板材钝化膜破坏。建议采用木锤、塑料锤或包裹非金属材料的金属锤。

（7）不锈钢点腐蚀的直接原因之一是充水试验用水活性氯离子含量过高，因此必须杜绝用工业管网水做充水试验，建议采用生活饮用水做充水试验。

5.结束语