铁路螺旋道钉腐蚀分析及保护

铁路螺旋道钉腐蚀分析及保护

谷权

蚌埠工务段线路科

摘要：针对铁路螺旋道钉在大气环境中腐蚀产生的原因进行分析，根据其受化学腐蚀和电化学腐蚀的原理及类型，采取相应的保护措施，减缓了道钉腐蚀的发生或发展，在日常维修生产中取得了良好的效益，保证了线路轨道框架的稳定。

关键词：螺旋道钉腐蚀分析保护

经过六次大提速，中国铁路正在向高速、重载运输方向发展。铁路要实现高速重载运输，就要求铁路钢轨具有较高的稳定性和平衡性，这样才能保证列车的平稳运行。重型钢轨的应用，须对钢轨提供足够扣压力，才能确保轨道框架的相对稳定。螺旋道钉的状态是否良好，是扣件系统是否有效作用的关键。

螺旋道钉（以下简称道钉）与砼枕通过硫磺锚固的方式进行联接。轨枕在铺设上线后，随着上道使用时间的增加，长期自然环境下在暴露，易造成螺纹和圆台附近材质锈蚀流失，尤其是圆台附近产生严重锈蚀后因不足以抵抗扭力矩和拉应力而折断。2012年蚌埠工务段管内京沪正线约510Km线路，共改锚承轨台上部严重锈蚀道钉7.8万余支，其中改锚量最大的地段1Km范围内改锚量达到了705支，目前线路上仍有部分锈蚀道钉需改锚，工作量之大可见一斑。通过对改锚下来的锈蚀道钉进行测量，锈蚀部位直径≤8mm的达到80％以上。如何减缓道钉腐蚀速度，延长使用寿命，减少螺纹道钉折断后的改锚工作量，是我们日常工作中面临的一个新课题。

一、道钉介绍

螺旋道钉按照铁道行业标准（TB 564-92）制造，材料为Q235钢，即屈服点为235 MPa 的碳素结构钢。螺旋道钉总长度195mm，上部螺纹为M24基本尺寸，上部钉杆长度75mm，螺纹长度45mm；中部圆台直径28mm。螺旋道钉实物拉力试验时荷载为130KN时不得拉断。

二、道钉腐蚀原理分析

道钉随轨枕上道后，长期暴露在大气环境下，经过若干年的使用，不断受到雨水、旅客列车直排粪便、废水及货物列车运输过程中遗落化工、矿物质影响较大，随着气候更替、气

温也在不断变化，所处外部环境较恶劣。造成锚固后上部螺纹及圆台部位腐蚀的原因十分复杂，道钉在日常工作环境中主要受以下几种污染：①旅客列车排放的粪便、尿液、洗漱费水等。段管内京沪线除加班列车外，图定旅客列车56对，且列车一半以上为直排式集便器，其中人生理排便时段6：00-8：00期间通过管内线路的旅客列车19对，占总数的33.9％。粪便、尿液中主要包含各类有机物、微生物、细菌、含硫、氯化合物和无机盐(钙、铁、镁)，为道钉腐蚀提供了电解质溶液环境。②大气及硫磺锚固剂中的硫及硫化物易对道钉产生腐蚀。③受局部环境空气污染影响较大。线路所经过地区附近化工厂排放的SO2、氨气等酸性气体及水溶性液体颗粒附着在道钉表面产生腐蚀。④近年来附着大气环境污染，造成降水呈酸性。⑤货物列车撒落的化工原料、矿物质等，如碳颗等。

道钉是由Q235碳素结构钢制造，母材中含有C、Mn、Si、S、P等微量元素。铁金属在大气环境中氧化腐蚀是一个复杂的过程，根据腐蚀的机理不同，通常可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。

㈠化学腐蚀

最主要的化学腐蚀形式是气体腐蚀，也就是金属的氧化过程（与氧的化学反应），道钉在干燥的空气中的腐蚀即为气体化学腐蚀。在空气非常干燥的条件下，其表面吸附的水膜厚度 10nm，无连续的电解液膜，腐蚀速度很低，主要为化学氧化作用。在化学腐蚀的过程中，由于界面反应在金属表面上形成氧化膜，它把环境和铁隔开，氧化的速度受反应物通过膜的扩散所控制。道钉在初期氧化时，铁金属与氧接触碰撞后，首先是氧分子物理吸附在其表面上，进而氧分子分解成原子并与铁发生化学反应，以化学键结合，生成一层单分子氧化物（FeO），即为金属氧化膜，其后膜的成长则具有电化学反应过程。因此，化学腐蚀不是造成螺旋道钉根部腐蚀失效的主要原因。

反应如下：

3Fe + 202→Fe304

㈡电化学腐蚀

道钉通过硫磺锚固方式与砼枕联接上道后，其表面尤其是道钉圆台附近，在潮湿的大气和列车排出的废水作用下，会附着一层水膜，金属表面会形成一种微电池，即腐蚀原电池，当这层水膜﹥10nm时，就形成电化学腐蚀所必须的电解液膜，使空气中CO2，SO2，NO2等溶解在这层水膜中，形成弱酸性电解质溶液，而浸泡在这层溶液中的铁，实际上是合金，还含有

石墨、渗碳体(Fe3C)以及其它金属和杂质，它们大多数没有铁活泼。这样形成的腐蚀电池的阳极为铁，而阴极为杂质，又由于铁与杂质紧密接触，使得腐蚀不断进行。

由于构造和锚固后位置及外部环境的影响，轨枕承轨台上部极易留存水分，当道钉圆台附近表面存在电解液膜时，一般表现为弱酸性或中性环境，易发生吸氧腐蚀。

负极(Fe)：Fe-2e-=Fe2+

正极：O2+2H2O+4e-=4OH-

总反应：2Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2

接着吸氧腐蚀生成的Fe(OH)2被氧所氧化，生成Fe(OH)3脱水生成Fe2O3铁锈。

即：4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3

螺旋道钉在大气中的腐蚀主要是吸氧腐蚀。

三、道钉腐蚀的几种类型

㈠道钉点蚀

由于螺旋道钉暴露在大气环境中，受到的污染后，介质中含有活性阴离子（如粪便中的Cl-离子）时，这些活性阴离子被吸附在道钉根部表面某些点上，从而使氮化后道钉金属表面钝化膜发生破坏。一旦这层钝化膜被破坏漏出机体金属后金属表面就发生腐蚀。这是因为漏出机体处的铁呈活化状态，而钝化膜处仍为钝态，这样就形成了活性-钝性腐蚀原电池，由于阳极面积比阴极面积小得多，阳极电流密度很大，所以腐蚀往深处发展，金属表面很快就被腐蚀成小孔，即为通常所说的点蚀。

当列车撒落的化工原料或酸雨等引起电解液PH值降低、温度升高都会增加点蚀的倾向。流动不畅的含活性阴离子的介质中容易形成活性阴离子的积聚和浓缩的条件，进一步促使点蚀的生成。点蚀虽然失重不大，但由于阳极面积很小，所以腐蚀速率很快。点蚀会使应力腐蚀和腐蚀疲劳等加剧，在很多情况下点蚀是这些类型腐蚀的起源.

㈡道钉的缝隙腐蚀

在道钉圆台附近存留的电解液中，铁与铁或铁与其它非金属表面之间构成狭窄的缝隙时，缝隙内有关物质的移动受到了阻滞，形成浓差电池，从而产生局部缝隙腐蚀。介质中，氧气浓度增加，缝隙腐蚀量增加；PH值减小，阳极溶解速度增加，缝隙腐蚀量也增加；当活性阴离子的浓度增加，缝隙腐蚀敏感性也会升高。

如道钉圆台部遗留有列车撒落的碳块时，由于铁金属与非金属之间形成特别小的缝隙(宽