耐腐蝕鋼軌噴涂方法解決鋼軌耐大氣腐蝕

國內(nèi)外已有多種技術(shù)可以解決這一問題，但是，通過這些方法實現(xiàn)目標(biāo)大多生產(chǎn)工藝復(fù)雜，成本也較高，且生產(chǎn)的鋼軌耐腐蝕的目標(biāo)時間也與我公司需要解決的鋼軌防腐時間有所不同。

鐵路用鋼軌在鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)出廠后，需經(jīng)過鐵路運輸(或海運)到達(dá)用戶，用戶還需要焊接成250m～500m長軌條后堆放，再用長軌車運輸?shù)借F路線路上進(jìn)行鋪軌，鋪軌后到鐵路正式運營，這一過程的周期一般在1年的時間以內(nèi)，個別的超過1年。普通的鋼軌一般在鋼鐵企業(yè)出廠后鐵路運輸過程中，特別是海洋環(huán)境條件下的遠(yuǎn)洋船運，因自然條件下日曬雨淋，達(dá)到鐵路用戶后其表面就已經(jīng)開始銹蝕發(fā)黃，以至在鋼軌鋪軌后到鐵路正式運營的期間內(nèi)，由于大氣銹蝕作用致使鋼軌表面發(fā)生銹蝕或銹層剝落，銹水污染鐵路道床和環(huán)境。鐵路用戶都希望在略微增加生產(chǎn)成本的條件下采取措施改變現(xiàn)狀。在一般線路鋼軌(潮濕隧道或海洋環(huán)境條件除外)的實際使用中，鋼軌在鋪軌正式運營后，由于列車運行中油污滴漏、線路維護(hù)等因素，鋼軌軌頭踏面因磨耗而光亮，軌腰和軌底被油污、塵埃等附著，其銹蝕程度反而減輕。所以，鐵路需要一種增加生產(chǎn)成本較低，且在出廠后1年的時間(長途運輸、焊軌堆放和鋪軌過程中)內(nèi)鋼軌踏面不完全銹蝕，軌腰和軌底無銹蝕，達(dá)到在生產(chǎn)出廠后至鋪軌正式運營的時間內(nèi)耐銹蝕為短期目標(biāo)的鋼軌新產(chǎn)品。

耐腐蝕鋼軌(corrosion-resistant rail)是指具有良好耐腐蝕性能的低合金鋼軌。有的低合金鋼軌，如U74Cu和U74MoSiCu等含銅耐磨鋼軌，不但具有較高的耐磨性能，而且耐腐蝕性能也比普通碳素鋼軌提高40%-80%。在長隧道內(nèi)，由于通風(fēng)條件差，空氣潮濕，蒸汽機(jī)車或內(nèi)燃機(jī)車排放的有害廢氣，對普通碳素鋼軌及鋼軌扣件等部件產(chǎn)生嚴(yán)重銹蝕。因此，我國鐵路一般應(yīng)鋪設(shè)在長度大于1000m的隧道內(nèi)，鐵路機(jī)務(wù)段加水線上。因有廢液腐蝕鋼軌，也鋪設(shè)這類鋼軌。

對于鋼軌的腐蝕問題，人們采取了多種方法。一是采用陰極保護(hù)的方法，重點是解決隧道內(nèi)鋼軌的銹蝕問題。通過此方法制作的耐腐蝕鐵路鋼軌，由于使用直流電，容易干擾鐵路信號,控制操作也較復(fù)雜；二是采用有機(jī)涂料保護(hù)的方法，主要通過對鋼軌涂刷有機(jī)鋅涂料、焦油環(huán)樹脂和硝基甲酸乙脂漆制作成的耐腐蝕鐵路鋼軌,由于有機(jī)涂料層與鋼軌基體的結(jié)合力較低，容易脫落；三是采用電弧或火焰噴涂鋅、鋁或鋅—鋁合金的方法，由于該方法需要采用噴丸或噴砂清除表面氧化鐵皮，生產(chǎn)方法復(fù)雜，成本較高；四是在鋼軌鋼材中加入Cr、Mo、Cu、Ni、P、Re等合金元素以提高鋼耐腐蝕性能而得到的耐腐蝕鐵路鋼軌，該方法生產(chǎn)成本相對較高。

采用在鋼軌表面(包括軌頭、軌腰和軌底)自動噴涂透明的鋼軌專用防銹油，油膜厚度宜控制在30～50 ±5 μm，涂裝后的鋼軌在野外大氣環(huán)境條件下，可在1年的時間(長途運輸、焊軌堆放和鋪軌過程中)內(nèi)鋼軌踏面不完全銹蝕，軌腰和軌底無銹蝕的狀態(tài)，達(dá)到鋼軌在生產(chǎn)出廠后至鋪軌正式運營的時間內(nèi)耐銹蝕的短期目標(biāo)。

待處理的鋼軌進(jìn)入預(yù)定工作位置，檢測裝置檢測到軌頭后，反饋信號給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)控制噴霧系統(tǒng)開始工作；鋼軌處理完后，鋼軌尾部離開制定位置后，檢測裝置反饋信號給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)立即關(guān)閉噴霧系統(tǒng)，停止噴霧；整個裝置工作期間油霧回收器均處于啟動狀態(tài)。

采用自動噴涂方式生產(chǎn)耐大氣防銹鋼軌應(yīng)注意的幾個關(guān)鍵問題:一是供油應(yīng)選擇柱塞泵，選擇柱塞泵時應(yīng)充分考慮幾個因素，柱塞泵要具備防爆性能，由于工件運行速度一般在2m/s左右，噴涂厚度為(30-50)±5μm，因此，排量需滿足噴涂流量要求，響應(yīng)速度快，壽命長、噪聲低、控制精度高及排量能夠手動調(diào)節(jié)等性能要求；二是噴槍的選擇要充分考慮噴嘴的噴出量滿足噴涂量要求，由于生產(chǎn)是連續(xù)作業(yè)，為了減少更換頻數(shù)，噴槍(包括噴嘴)使用壽命要長，噴槍開/關(guān)能自動控制，便于實現(xiàn)噴涂自動化，單個噴槍噴出量需具備手動調(diào)節(jié)功能；三是為了得到噴涂均勻的防銹鋼軌，噴槍應(yīng)在鋼軌的上下各布置一支，鋼軌的左右各布置兩只，具體位置可通過試驗確定合理位置；四是為了保證噴涂系統(tǒng)正常運行而不至于影響正常生產(chǎn)，柱塞泵的設(shè)置可設(shè)計為一用一備，噴槍設(shè)置可設(shè)計為六用一備；五是噴涂需采取在相對密閉的空間里(油霧噴霧器)進(jìn)行，與之相連的油霧回收機(jī)的設(shè)計需充分考慮其油霧回收能力，油霧回收機(jī)中的風(fēng)機(jī)功率選擇過小，油霧回收能力不夠，而運動的鋼軌不斷從油霧噴霧器中穿行，油霧噴霧器要達(dá)到完全密封狀態(tài)難以實現(xiàn)，如果油霧回收能力不夠，噴涂過程中就會造成油霧擴(kuò)散，不利于環(huán)保，影響職工身體健康，還可能造成爆炸或火災(zāi)事故；六是可設(shè)置一個壓力儲氣罐，以便給柱塞泵提供壓力相對穩(wěn)定的氣源。

通過上述工藝流程介紹可知，采用本方法生產(chǎn)耐銹蝕鐵路用鋼軌，生產(chǎn)工藝簡單，可以保留熱軋鋼軌表面的氧化鐵皮，不影響鋼軌的外觀和使用性能；生產(chǎn)成本低，涂裝生產(chǎn)工藝工程符合環(huán)保要求；不需要在鋼中添加合金元素，可保持原有鐵路鋼軌的化學(xué)成分不變，不會改變原有鐵路鋼軌的理化性能等使用性能；在鋼軌上不附加任何電源，不會影響和干擾鐵路信號；涂裝鋼軌專用防銹油后的鋼軌直接可采用堆垛方式自然干燥；不改變鋼鐵企業(yè)原有鋼軌的生產(chǎn)工藝流程,只在原有鋼軌的生產(chǎn)工藝流程中添加裝備的費用不超過200萬元便可實現(xiàn)耐腐蝕鋼軌的生產(chǎn)。因此，采用自動噴涂解決生產(chǎn)防腐鋼軌的方法具有一定的推廣價值。

鋼軌樁設(shè)置時，將舊鋼軌放置在事先準(zhǔn)備好的鉆孔中，放置時應(yīng)使鋼軌軌底正對滑坡推力方向(如圖2所示)。鋼軌置人鉆孔以后，需用混凝土或水泥砂漿充填鋼軌與孔壁間的空間，使鋼軌與混凝土或砂漿以及孔壤巖石聯(lián)成一體。這樣可充分發(fā)揮鋼軌的抗滑作用并可防止鋼軌的銹蝕。鋼軌樁適用于滑坡推力不大，巖體較完整的巖質(zhì)邊坡，它比大斷面鋼筋混凝土抗滑樁有輕便、靈活、便于施工等優(yōu)點。因此在國內(nèi)外露天礦滑坡防治工程中廣泛應(yīng)用。

鋼軌樁鋼軌樁的受力狀況

隨巖體結(jié)構(gòu)不同，鋼軌樁的受力狀態(tài)也不同。堅硬巖體沿一很薄的滑面滑動時[如圖3中(a)所示]，抗滑樁主要承受剪切應(yīng)力；如果巖體沿一層軟弱的破碎帶或一弱層滑動[如圖3中(b)所示]，由于在滑面處出現(xiàn)塑性變形，而使樁體承受彎曲產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力；如果滑體是松散體或碎裂巖體[如圖3中(c)所示]，則樁體也是承受彎曲產(chǎn)生的拉壓應(yīng)力。

總的說來，鋼軌樁的受力狀態(tài)還研究得很不夠，如鋼軌上外力的具體分布至今仍不十分清楚，有待進(jìn)一步研究分析。

鋼軌樁鋼軌樁主要設(shè)計參數(shù)

鋼軌樁抗滑力計算原則

如前所述，當(dāng)巖體堅硬，滑動面很薄時，樁體受剪力較大，可考慮樁體是受剪切，但在一般情況下都是受彎曲的。在計算鋼軌樁抗滑力時，一般可結(jié)合現(xiàn)場地質(zhì)情況，有條件時進(jìn)行現(xiàn)場樁體應(yīng)力測試、模型試驗等，得出樁體的應(yīng)力狀態(tài)，分析樁體的受力形式，進(jìn)而確定按剪切或彎曲條件計算。例如，阜新海州露天煤礦的鋼軌樁是按受彎曲來計算的。也有人將鋼軌樁視為是彈性地基上的彈性地基梁用連桿法求解樁體內(nèi)力。必須說明，鋼軌樁的設(shè)計計算方法是不成熟的。在實際工程中，必須結(jié)合具體條件分析應(yīng)用。

錨固深度和樁長

錨固深度即為樁埋人滑面以下穩(wěn)定基巖中的深度，它應(yīng)以樁體在滑坡推力作用下不被拔出以及在樁底不會產(chǎn)生新的滑面為條件。一般情況下，當(dāng)滑床巖體較完整，強(qiáng)度較大時，錨固深度可取小些。阜新海州露天煤礦▽86站錨固深度取3～5m。

樁的錨固深度與樁在滑面以上的長度之和即為樁長。樁長應(yīng)保證不會產(chǎn)生越過樁頂?shù)幕?。但在一般情況下為施工方便而易于鋼軌定位，常使樁長能露出滑體表面。這樣也為地面觀測提供了方便條件。

樁距和排距

穩(wěn)定一個滑體通常需沒置許多樁。樁成排布置，而且常是雙排或多排，排與排之間的樁位相互錯開。

樁距取決于樁的總數(shù)和巖體強(qiáng)度。要防止軟質(zhì)土巖自樁間擠出，如滑坡推力較小，土巖強(qiáng)度又較大，則樁距可適當(dāng)大些。

粘土巖易被水浸潤而軟化滑動，宜選用較大直徑的鋼軌樁或管樁。隨樁徑增大，柱后形成堅實的粘土巖楔(如圖4所示)，它將阻止樁間巖土向樁外擠出。阻止巖體擠出的阻力為：

樁間巖體的穩(wěn)定條件應(yīng)滿足：

由上式得：

雙排或多排孔時排距一般近似取樁距。對于露天礦采場邊坡，由于施工條件的限制，一般每個臺階設(shè)1～2排樁。

中間聯(lián)結(jié)零件又稱鋼軌扣件。藉以緊固鋼軌和機(jī)下部件的軌道配件。按軌枕種類分為木枕線路扣件和混凝土枕線路(其他類型混凝土機(jī)下部件線路)扣件兩大類 。

鋼軌鋼軌傷損

鋼軌傷損是指鋼軌在使用過程中，發(fā)生折斷、裂紋及其它影響和限制鋼軌使用性能的傷損。

為便于統(tǒng)計和分析鋼軌傷損，需對鋼軌傷損進(jìn)行分類。根據(jù)傷損在鋼軌斷面上的位置、傷損外貌及傷損原因等分為九類32種傷損，用兩位數(shù)編號分類，十位數(shù)表示傷損的部位和狀態(tài)，個位數(shù)表示造成傷損的原因。鋼軌傷損分類具體內(nèi)容可見“鐵道工務(wù)技術(shù)手冊（軌道）”。

鋼軌折斷是指有下列情況之一者：鋼軌全截面至少斷成兩部分；裂縫已經(jīng)貫通整個軌頭截面或軌底截面；鋼軌頂面上有長大于50mm、深大于10mm的掉塊。鋼軌折斷直接威脅行車安全，應(yīng)及時更換。鋼軌裂紋是指除鋼軌折斷之外，鋼軌部分材料發(fā)生分離，形成裂紋。

鋼軌傷損種類很多，常見的有磨耗、剝離及軌頭核傷、軌腰螺栓孔裂紋等。下面介紹幾種常見的鋼軌傷損情況。

鋼軌鋼軌磨耗

鋼軌磨耗主要是指小半徑曲線上鋼軌的側(cè)面磨耗和波浪磨耗。至于垂直磨耗一般情況下是正常的，隨著軸重和通過總重的增加而增大。軌道幾何形位設(shè)置不當(dāng)，會使垂直磨耗速率加快，這是要防止的，可通過調(diào)整軌道幾何尺寸解決。

(1)側(cè)面磨耗

側(cè)面磨耗發(fā)生在小半徑曲線的外股鋼軌上，是現(xiàn)在曲線上傷損的主要類型之一。列車在曲線上運行時，輪軌的磨擦與滑動是造成外軌側(cè)磨的根本原因。列車通過小半徑曲線時，通常會出現(xiàn)輪軌兩點接觸的情況，這時發(fā)生的側(cè)磨最大。側(cè)磨的大小可用導(dǎo)身力與沖擊角的乘積，即磨耗因子來表示。改善列車通過曲線的條件，如采用磨耗型車輪踏面，采用徑向轉(zhuǎn)向架等會降低側(cè)磨的速率。

從工務(wù)角度來講，應(yīng)改善鋼軌材質(zhì)，采用耐磨軌，例如高硬稀土軌其耐磨性是普通軌的2倍左右，淬火軌為1倍以上。

加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)維修，設(shè)置合適的軌距、外軌超高及軌底坡，增加線路的彈性，在鋼軌側(cè)面涂油等，都可以減小側(cè)面磨耗的效果。

(2)波浪形磨耗

波浪形磨耗是指鋼軌頂面上出現(xiàn)的波浪狀不均勻磨耗，實質(zhì)上是波浪形壓潰。波磨會引起很高的輪軌動力作用，加速機(jī)車車輛及軌道部件的損壞，增加養(yǎng)護(hù)維修費用；此外列車的劇烈振動，會使旅客不適，嚴(yán)重時還會威脅到行車安全；波磨也是噪音的來源。我國一些貨運干線上，出現(xiàn)了嚴(yán)重的波磨。其發(fā)展速度比側(cè)磨還快，成為換軌的主要原因。

波磨可以其波長分為短波（或稱波紋）和長波（或稱波浪）兩種。波紋為波長約50~100mm，波幅0.1～0.4mm的周期性不平順；長波為波長100mm以上，3000mm以下，波幅2mm以內(nèi)的周期性不平順。

波磨主要出現(xiàn)在重載運輸線上，尤其是運煤運礦線上特別嚴(yán)重，在高速高客運線上也有不同程度的發(fā)生，城市地鐵上也較普遍。列車速度較高的鐵路上，主要發(fā)生波紋磨耗，且主要出現(xiàn)在直線和制動地段。在車速較低的重載運輸線上主要發(fā)波浪磨耗，且一般出現(xiàn)在曲線地段。影響鋼軌波磨發(fā)生發(fā)展的因素很多，涉及到鋼軌材質(zhì)、線路及機(jī)車輛條件等多個方面。世界各國都在致力于鋼軌波形磨耗成因理論研究。關(guān)于波磨成因的理論有數(shù)十種，大致可分為兩類：動力類成因理論和非動力類成因理論?？偟膩碚f，動力作用是鋼軌波磨形成的外因，鋼軌材質(zhì)性能是波磨的內(nèi)因。事實上單靠某一方面的分析來概括鋼軌波磨的所有成因是相當(dāng)困難的，而必須把車輛和軌道作為一個系統(tǒng)，研究多種振動形成，從整體上進(jìn)行多方面、多學(xué)科的研究，才能把握波磨成因的全貌。

打磨鋼軌是現(xiàn)在最有效的消除波磨的措施。除此還有以下一些措施可以減緩波磨的發(fā)展：用連續(xù)焊接法消除鋼軌接頭，提高軌道的平順性；改進(jìn)鋼軌材質(zhì)采用高強(qiáng)耐磨鋼軌，提高熱處理工藝質(zhì)量，消除鋼軌殘余應(yīng)力；提高軌道質(zhì)量，改善軌道彈性，并使縱橫向彈性連續(xù)均勻；保持曲線方向圓順，超高設(shè)置合理，外軌工作邊涂油；輪軌系統(tǒng)應(yīng)有足夠的阻力等。

(3)鋼軌磨耗的允許限度

鋼軌頭部允許磨耗限度主要由強(qiáng)度和構(gòu)造條件確定。即當(dāng)鋼軌磨耗達(dá)到允許限度里，一是還能保證鋼軌有足夠的強(qiáng)度和抗彎剛度；二是應(yīng)保證在最不利情況下車輪緣不碰撞接頭夾板?！惰F路線路維修規(guī)則》中按鋼軌頭產(chǎn)磨耗程度的不同，分為輕傷和重傷兩類。波磨軌耗谷深超過0.5mm為輕傷軌。

鋼軌接觸疲勞傷損

接觸疲勞傷損的形成大致可分三個階段：第一階段是鋼軌踏面外形的變化，如鋼軌踏面出現(xiàn)不平順，焊縫處出現(xiàn)鞍形磨損，這些不平順將增大車輪對鋼軌的沖擊作用；第二階段是軌頭表面金屬的破壞，由于軌頭踏面金屬的冷作硬化，使軌頭工作面的硬度不斷增長，通過總質(zhì)量150~200Mt時，硬度可達(dá)HB360；此后，硬化層不再發(fā)生變化，對碳素鋼軌來說，通過總質(zhì)量200~250Mt時，在軌頭表層形成微裂紋。對于彈性非均等的線路當(dāng)車輪及鋼軌肯有明顯不平順時，軌頂面所受之拉壓力幾乎相等，若存在微型紋，同時撓曲應(yīng)力與殘余應(yīng)力同號，會極大的降低鋼軌強(qiáng)度。第三階段為軌頭接觸疲勞的形成，由于金屬接觸疲勞強(qiáng)度不足和重載車輪的多次作用，當(dāng)最大剪應(yīng)力作用點超過剪切屈服極限時，會使該點成為塑性區(qū)域，車輪每次通過必將產(chǎn)生金屬顯微組織的滑移，通過一段時間的運營，這種滑移產(chǎn)生積累和聚集，最終導(dǎo)致疲勞裂紋的形成。隨著軸載的提高、大運量的運輸條件、鋼軌材質(zhì)及軌型的不適應(yīng)，將加速接觸疲勞裂紋的萌生和發(fā)展。

軌頭工作邊上圓角附近的剝離主要是由以下三個原因引起的：由夾雜物或接觸剪應(yīng)力引起縱向疲勞裂紋而導(dǎo)致剝離；導(dǎo)向輪在曲線外軌引起剪應(yīng)力交變循環(huán)促使外軌軌頭疲勞，導(dǎo)致剝離；車輪及軌道維修不良加速剝離的發(fā)展。通常剝離會造成缺口區(qū)的應(yīng)力集中并影響行車的平順性，增大動力沖擊作用，又促使缺口區(qū)域裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展。缺口區(qū)的存在，還會阻礙金屬塑性變形的發(fā)展，使鋼軌塑性指標(biāo)降低。

軌頭核傷是最危險的一種傷損形式，會在列車作用下突然斷裂，嚴(yán)重影響行車安全。軌頭核傷產(chǎn)一的主要原因是軌頭內(nèi)部存在微小裂紋或缺陷（如非金屬夾雜物及白點等），在重復(fù)動荷 載作用下，在鋼軌走行面以下的軌頭內(nèi)部出現(xiàn)極為復(fù)雜的應(yīng)力組合，使細(xì)不裂紋先是成核，然后向軌頭四周發(fā)展，直到核傷周圍的鋼料不足以提供足夠的抵抗，鋼軌在毫元預(yù)兆的情況下猝然折斷。所以鋼軌內(nèi)部材質(zhì)的缺陷是形成核傷的內(nèi)因，而外部荷載的作用是外因，促使核傷的發(fā)展。核傷的發(fā)展與運量、軸重及行車速度、線路平面狀態(tài)有關(guān)。為確保行車的安全，對鋼軌要定期探傷。

減緩鋼軌接觸疲勞傷損的措施有：凈化軌鋼，控制雜物的形態(tài)；采用淬火鋼軌，發(fā)展優(yōu)質(zhì)重軌，改進(jìn)軌鋼力學(xué)性質(zhì)；改革舊軌再用制度，合理使用鋼軌；鋼軌打磨；按軌鋼材質(zhì)分類鋪軌等。