地铁钢轨轨底角部锈蚀掉块原因分析

向世雄 郭东旭 郑建国 周剑华 欧阳珉路

(1.武汉地铁运营有限公司 湖北 武汉:430077；2.宝钢股份中央研究院(青山) 湖北 武汉：430080)

0 引言

随着城市公共交通优先战略的不断推进，轨道交通作为一种低能耗、少污染的“绿色交通”方式得到了蓬勃发展。“十三五”期间，中国内地城市轨道交通新增运营线路4360km，年均新开运营线路872km，5年新增城市轨道交通运营线路长度超过“十三五”前城轨交通运营线路长度的累计总和[1]，我国也成为世界上城市轨道运营线路最长、客流量最大的国家。其中地铁作为城市轨道中最重要的交通模式，截至2021年12月31日，中国内地投运地铁线路累计7253.73km，占城市轨道交通总量的78.9%。

与国有铁路相比，地铁环境有其特殊性，例如运行环境潮湿、小半径曲线多、加减速频繁、列车采用直流供电等。地铁用钢轨在使用过程中表现出的伤损类型也有其自身特点，甚至不同城市的地铁由于地质环境、运载负荷、轨道结构等条件的不同，钢轨出现伤损的类型也不完全相同。钢轨伤损造成维护及更换任务工作量大、耗时长、费用高，而且影响地铁线路的正常安全运营，缩短钢轨及车轮的使用寿命，严重的甚至危及行车安全[2]。

某地铁线路钢轨使用3.5年后，个别路段钢轨轨底角部出现严重锈蚀掉块的情况，为此本文跟踪调查了线路环境，分析掉块伤损形成的原因，并提出预防措施。

1 实验材料与方法

实验材料来自于地铁线路锈蚀处的60kg/m U75V钢轨。该钢轨生产工艺如下：铁水预脱硫→转炉冶炼→LF精炼→RH精炼→大方坯连铸→加热→轧制→检查→锯切→入库。

实验方法：锈蚀试样形貌及锈蚀产物成分采用FEI Quanta400扫描电镜配合能谱进行观察分析；钢轨母材成分采用ARL-4460直度光谱仪进行分析；抗拉强度采用美国INSTRON 5581拉力试验机进行检测。

2 结果分析与讨论

2.1 钢轨表面伤损宏观特征

轨底角部掉块伤损钢轨位于直线段，伤损在左右股对称出现，均在钢轨内侧扣件处。左股出现2处，尺寸分别为20mm×15mm、42mm×16mm，见图1(a)，右股掉块伤损严重部位掉块尺寸120mm×15mm，较轻微的掉块尺寸约45mm×5mm，见图1(b)。伤损钢轨位于车站结构与盾构隧道相接的区间人防门位置，顶部有漏水，该区域是建设阶段施工质量管控的难点和重点，也是运营期结构渗漏水的主要部位。在钢轨轨底掉块部位的扣件等联结零件也严重锈蚀，钢轨与轨枕间充满已经固化的泥浆，见图2。

图1 钢轨掉块形貌

图2 轨地之间的泥浆

2.2 钢轨伤损检验分析

2.2.1 锈蚀产物分析

将锈蚀产物制成金相试样放置于扫描电镜下观察，发现其表面存在多处凹坑，见图3。采用能谱分析其成分组成，腐蚀产物中主要由Fe和O元素组成，同时含有少量的Al、Ca、Si、Cl等元素，见图4，这些元素的存在可能与扣件附近的泥浆有关。锈蚀产物中含有少量的Cl-，该元素的腐蚀渗透能力较强，在Cl-的参与下，钢轨更容易产生局部腐蚀[3]。

图3 锈蚀产物形貌

图4 锈蚀产物成分组成

2.2.2 钢轨母材检验

(1)化学成分。对钢轨化学成分及残留元素进行检验，化学成分及残留元素含量符合TB/T 2344-2012《43kg-75kg钢轨订货技术条件》的要求，详见表1～2。

表1 钢轨化学成分(质量百分比)

表2 钢轨残留元素成分(质量百分比)

(2)力学性能。对钢轨拉伸性能进行检测，抗拉强度为1023MPa，断后伸长率为12.0%，均满足TB/T 2344-2012《43kg-75kg钢轨订货技术条件》的要求，见表3。

表3 钢轨室温拉伸性能

2.3 钢轨锈蚀掉块原因分析

结合轨底锈蚀掉块的现场环境、掉块形貌、锈蚀产物等方面综合分析，产生锈蚀掉块伤损原因应为杂散电流加快轨底电化学腐蚀所致。

2.3.1 杂散电流产生原因及腐蚀原理

地铁供电系统基本采用直流供电方式，在地铁牵引供电系统中，钢轨既是走行轨也是回流轨。由于走行轨的绝缘材料埋在地下，与地面之间并非完全绝缘，并且随着时间的推移，其绝缘水平将会逐渐下降，将造成部分电流不从走行轨回流，而是由走行轨杂散泄漏至地下导体网络，再由大地流回走行轨并返回牵引变电所，从而形成杂散电流[4]。

地铁供电与杂散电流腐蚀示意见图5。变电所附近的轨道电位为负极大值，埋地金属体对地为阳极，杂散电流腐蚀严重；列车底部轨道电位为正极大值，钢轨对地为阳极，杂散电流腐蚀严重。

图5 地铁供电与杂散电流腐蚀示意图

2.3.2 杂散电流防治措施

(1)从杂散电流产生的源头出发，加强安装钢轨绝缘装置，保持道床清洁干燥，加大轨地过渡电阻值；另外，可以通过选大截面钢轨和控制焊缝的电阻值来实现减小回流轨的纵向电阻，从而降低杂散电流产生的量。

(2)在杂散电流的漫流路径上设置收集网。将道床上层结构钢筋形成第一级收集网，隧道内表层钢筋形成第二级收集网，再用电缆将第一级收集网和第二级收集网的排流端子电流引回牵引变电所，让杂散电流集中安全排放，减少外泄。

(3)对杂散电流的漫流路径形成物理隔断。目前常用的措施有：排流法、隔离法和阴极保护法。排流法是用电缆将被保护的金属管道与钢轨阳极相连，使金属管道整体降为阴性，避免阳极腐蚀的影响。隔离法是隔断杂散电流对地铁沿线管线的侵害，将被保护对象独立防护。阴极保护法是将还原性较强的金属与金属管道相连，被保护金属管道作为原电池正极而被保护，还原性较强的金属作为原电池的负极发生氧化还原反应而被消耗[5-6]。

(4)使用杂散电流监测系统监测杂散电流的大小。将来自电位测量箱的信号与计算机联接，同步监测记录，对数据进行分析，若发现异常，则发出报警信号[7]。

3 运营期保障措施

目前，线网钢轨轨底角掉块主要位于隧道环境潮湿区段，伴有混凝土浮浆的轨枕扣压块的隐蔽区域。运营期钢轨探伤主要采用大型探伤车、通用探伤仪和探伤小车等大型机械或仪器进行钢轨母材和焊缝状态检测。受探伤原理的限制，通过仪器按照常规的作业模式无法检测到轨底角掉块问题，存在较大安全风险。现阶段，通过每季度组织开展人工专项排查，对重点区段逐一拆除扣件和轨距块，检查轨底状态，发现伤损进行标记，视伤损程度，及时采取观察、加保或更换钢轨等措施。同时，加强渗漏水整治、排水沟和混凝土浮浆清理以及更换橡胶垫板等措施以减少杂散电流对钢轨的影响。

4 结论

(1)地铁钢轨轨底角部存在的掉块伤损，是由于杂散电流引起的电化学腐蚀所造成，该掉块伤损对列车运营安全产生较大影响；

(2)发生钢轨掉块区域主要位于地铁隧道潮湿路段，并伴有混凝土浮浆的轨距块扣压的隐蔽部位，该部位对地电阻小，易产生杂散电流，从而造成钢轨严重的电化学腐蚀；

(3)通过加大钢轨与大地之间的过渡电阻值，设置杂散电流收集网，对杂散电流的漫流路径进行物理隔断，并加强隧道渗漏水整治以及杂散电流监测等措施，可有效降低杂散电流对钢轨的腐蚀危害。