海南地區鐵路扣件系統防腐技術選型分析

黃小華，周　帥（.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都　6003；.西南交通大學 機械工程學院，四川 成都　6003）

海南地區鐵路扣件系統防腐技術選型分析

黃小華1，周帥2
（1.中國中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都610031；2.西南交通大學 機械工程學院，四川 成都610031）

國內城市軌道交通和國有鐵路工程實踐經驗表明，扣件系統采用恰當的防腐技術措施能夠延長其使用壽命，提高軌道系統耐久性，增加綜合經濟效益。針對海南地區環境特點，結合海南西環鐵路建設工程，在分析幾種常用的扣件系統防腐技術特點、總結我國城市軌道交通及國有鐵路扣件系統防腐技術應用概況的基礎上，研究了海南地區扣件系統防腐技術的選型原則，并結合這些原則對我國常用防腐技術措施進行對比分析，提出了適合海南地區環境特點的防腐技術措施，為我國海南地區鐵路建設中扣件系統防腐技術體系的完善提供借鑒。

海南地區；西環鐵路；軌道結構；扣件系統；防腐技術

我國針對城市軌道交通和國有鐵路建設工程，并結合當地環境特點，在不影響扣件系統物理性能的前提下，對扣件系統采取了熱鍍鋅、噴涂、達克羅等防腐技術措施，以延長扣件系統使用壽命，提高軌道系統的耐久性。近年來，我國鐵路在海南地區迅速發展，有2010年開通的海南東環鐵路、在建的海南西環鐵路、規劃的榆林港支線鐵路等。海南地區屬沿海環境，與內陸地區環境有很大區別，扣件系統以往采用的防腐技術措施可能不適合海南潮濕、堿性的特點。因此，針對海南地區環境特點，結合海南西環鐵路線路長、建設工期短的工程背景，開展海南地區鐵路扣件系統防腐技術措施選型研究，對我國海南地區鐵路建設的發展及扣件系統防腐技術體系的完善具有重要的學術與工程意義。

1　國內鐵路扣件系統防腐技術概述

1.1扣件系統防腐技術類型及特點

1）發黑處理

發黑是化學表面處理的一種常用手段，是使金屬表面產生一層氧化膜以隔絕空氣，達到防腐的目的。發黑分堿性高溫發黑和常溫發黑2種。發黑處理施工安全、無毒害、工效高、成本低，但防腐效果太差。

2）熱鍍鋅（熱浸鋅）

熱鍍鋅是一種有效的金屬防腐方式，是將除銹后的工件侵入500℃左右融化的鋅液中，使工件表面附著一層大約35 μm厚的鋅層，起到防腐的目的。

該技術使鍍鋅層與工件結合成工件表面的一部分，鍍層持久可靠性較好，一般可保持20年，且不受工件外形尺寸的影響，能夠全面保護工件。但工件必須用鹽酸酸洗后才能鍍鋅，而酸洗對工件外形尺寸勢必產生一定的損耗。

3）靜電噴塑

靜電噴塑是用靜電粉末噴涂設備把粉末涂料噴涂到工件表面，形成粉狀的涂層，該涂層經過高溫烘烤流平固化，變成效果各異的最終涂層。

主要優點：粉末涂料不含溶劑，對環境無污染，對人體無毒害；涂層附著力強，機械強度高；一次涂裝可以得到較厚的涂層，例如涂覆100～300 μm的涂層，用一般普通的溶劑涂料，約需涂覆4～6次，而用粉末涂料則一次就可以達到該厚度；采用粉末靜電噴涂等新工藝，效率高，適用于自動流水線涂裝，粉末利用率高，可回收使用。

主要缺點：改變了工件外形尺寸，對工件的配合要求高；表面光滑，降低了產品的摩擦系數；對形狀復雜的工件，由于尖角、死角不容易達到噴涂厚度要求，防腐效果不佳，必須人工修補。

4）達克羅

達克羅技術誕生于 20世紀70年代，是美國Diamond Shamrock公司研制的一種新型金屬防腐技術，國內也叫鋅鉻涂層。

主要優點：高耐熱性，耐熱溫度≥300℃；耐腐蝕性能力強，是熱鍍鋅防腐技術的7～10倍以上，經耐鹽霧試驗1 200 h以上未出現紅銹；達克羅以浸涂、噴涂、刷涂等方式進行，不受工件形狀影響，滲透性和涂覆性能好；無氫脆性，適合受力工件的涂覆；再涂性能也較好。

主要缺點：燒結溫度較高、時間較長，能耗大；導電性能不好；涂液含 Cr6+、Cr3+、鋅、有機物等對環境存在一定的污染，含對人體有害的鉻離子；涂層顏色單一，只有白色和銀灰色；硬度不高、涂層附著力差、耐磨性不佳，在施工后必須增加封閉層。

5）多元共滲

多元共滲是工件加熱至一定溫度，同時或分2道工序將3種及3種以上合金元素滲入工件表層的化學熱處理工藝。主要有低溫氣體多元共滲、高溫合金多元共滲及低中溫鋅鎳共滲3種。

①低溫氣體多元共滲

有硫氮碳共滲、氮碳共滲加氧化2種。其中硫氮碳共滲主要采用熔鹽法，溫度一般為520～590℃，保溫時間10 min～5 h。該技術在工件表面形成 40～80 μm厚的復合層，使零部件在經過180～220 h的中性鹽霧試驗后，保護等級不低于9級。

主要優點：可根據零件不同性能要求，控制滲入元素種類、數量，從而控制滲層的性能；耐磨性高，硬度高；抗疲勞性能高、耐蝕性能強；對元素配合無影響。

主要缺點：工藝溫度較高，可能影響部分零件力學性能及外形尺寸；防腐（耐蝕）性能不及達克羅技術。

②合金多元共滲

合金多元共滲有鋁與稀土元素（鈰、鑭、鐠等）共滲、鋁鉻硅共滲、鈷鉻鋁釔共滲等。該技術已廣泛用于室外鋼鐵結構、緊固件、高速公路、航空航天、護欄、橋梁、水暖器材及建筑五金、汽車、工程機械和海洋化工、冶金、發電等工程中的耐高溫、耐沖擊、耐腐蝕部件。

該技術在工件表面形成約60～120 μm厚復合層，使中性鹽霧試驗時間可以達到200～2 000 h左右，抗腐性能大大優于熱鍍鋅、電鍍鋅和普通粉末滲鋅，且對大氣、海水、肥皂水、石油、苯及高溫硫化氫氣體均有優良抗蝕能力。

主要缺點：可能導致部分零件機械性能受影響，外形產生一定變形；生產效率較低。

③低（中）溫鋅鎳共滲

低（中）溫鋅鎳共滲是將鋅鎳滲層和工件置于密封的金屬容器中一起加熱，在工件表面形成一層鋅鎳滲層以抵御環境對金屬本體的腐蝕。其中低溫滲鋅鎳的工藝溫度在320～360℃，中溫滲鋅鎳的工藝溫度在400℃左右。

主要優點：鋅鎳層附著結合能力強，在受到一定程度的摩擦、激烈的碰撞和敲擊下不脫落，不影響抗蝕性能；中性鹽霧試驗可達1 000 h以上未銹蝕，防腐性能優良；該技術采用的是粉末滲層，加熱滲層過程是在密封金屬容器中完成，滲層厚度均勻可控；整個處理過程不用水，無廢水排放，對環境無污染；可大批量自動化生產，節省勞動力，生產效率較高；低溫鋅鎳共滲技術由于溫度較低，不影響扣件機械性能和形狀。

主要缺點：中溫滲鋅鎳工藝溫度較高，影響產品的機械性能，不適用于彈條的防腐。

1.2國有鐵路扣件系統防腐技術應用概況

國有鐵路含有砟軌道和無砟軌道2種類型，其中有砟軌道鐵路一般采用彈條Ⅱ型或彈條Ⅰ型扣件，無砟軌道鐵路一般采用WJ-8或WJ-7扣件。彈條Ⅱ型、WJ-8扣件基本組成詳見圖1、圖2。

圖2　WJ-8有擋肩扣件系統組成

根據《彈條Ⅱ型扣件》（TB/T 3065.1-3065.2—2002）相關要求，彈條Ⅱ型或彈條Ⅰ型扣件系統中彈條要進行防銹處理，檢測標準為Ⅰ級；根據 WJ-7和WJ-8扣件暫行技術條件中相關要求，WJ-7和WJ-8扣件系統中 T形螺栓、錨固螺栓應進行防銹處理，處理層在正常運輸和安裝中不應出現脫落現象，防銹處理后的T形螺栓經120 h鹽霧試驗（NSS試驗）保護級不得低于9級。因此，在國有鐵路建設計中，扣件系統必須進行防腐處理。在成灌客運專線、大西高鐵、合福高鐵采用達克羅技術，在廣州高鐵橋梁地段軌道扣件系統中彈條及道釘采用低溫鋅鎳共滲技術。

2　海南地區鐵路扣件系統防腐技術原則

2.1海南地區環境特點及既有海東線軌道扣件系統現狀

海南島地處熱帶北緣，屬熱帶季風氣候。這里長夏無冬，年平均氣溫22～26℃，最冷的一、二月份溫度仍達16～21℃。海南島入春早，升溫快，日溫差大，雨量充沛，年平均降雨量為1 639 mm，有著豐富的水資源。由此可見，海南省氣溫高，大氣濕度大，大氣及雨水中含Cl-離子高，軌道扣件系統長期處于潮濕的堿性環境中，容易發生銹蝕現象，這點從2010年開通的海南東環鐵路即可看出。

海南東環鐵路是200 km/h的客運專線鐵路，全線采用彈條Ⅱ型扣件，從既有線調查情況可知，在施工時間（一年以上）較長或開通時間較晚（半年以上）的地段，扣件系統中螺栓、蓋板、間隔鐵、墊板焊接鐵座等均出現不同程度的銹蝕，且銹蝕情況相當嚴重。螺栓、螺帽銹蝕情況見圖3。

圖3　螺栓、螺帽銹蝕

2.2海南地區鐵路扣件防腐技術原則

為研究海南地區鐵路扣件系統防腐技術，借鑒既有城市軌道交通和國有鐵路扣件防腐技術的應用成果，并結合海南地區環境特點，提出海南地區鐵路扣件系統防腐技術原則。

1）抗堿、抗腐蝕能力強。海南地區大氣中含有大量Cl-離子，扣件長期處于堿性環境中，防腐技術必須能夠長期抵抗潮濕和堿性大氣環境。

2）附著力和結合能力強。扣件在運輸、搬運及安裝過程中，不可避免存在磕碰、摩擦等現象，防腐層必須在運輸與安裝過程中與扣件系統部件結合牢固，不易脫離。

3）不影響扣件系統機械性能。扣件系統中各個組成部分均有嚴格的尺寸及機械性能要求，一旦尺寸及物理性能發生變化，有可能影響整個軌道系統運營安全。其中彈條是彈條Ⅱ型扣件的重要組成部分，鋼軌主要通過彈條的扣壓力以保持軌道穩定性，因此，彈條性能的穩定顯得更加重要，防腐技術不能影響彈條的耐久性與疲勞性能。

4）無污染無毒害。在如今提倡環境保護的大前提下，防腐技術必須對環境無污染，對人體無毒害。

5）滲透性好。扣件系統由彈條、螺栓、螺帽等多個部件組成，每個部件形狀各異，防腐技術需有良好的滲透性，不受工件外形尺寸的影響，能夠全面性保護扣件系統。

6）生產效率高。海南西環鐵路線路較長，全長646 km（單線），施工工期緊張（由原計劃的4年工期縮短為2.5年），必須保證生產效率及產量，才能保證扣件安裝需求。

7）合理經濟性。在保證扣件系統防腐性能的前提下，應盡可能降低防腐措施成本，提高綜合效益。

3　海南地區扣件防腐技術選型分析

通過研究與分析扣件系統防腐技術的特點，結合海南地區鐵路扣件系統防腐技術原則，對比分析了扣件系統防腐技術如表1所示。

表1　扣件系統防腐技術對比分析

從表1中對比分析可知：

1）發黑處理、熱鍍鋅、靜電噴塑、氣體多元共滲技術抗腐蝕能力不強，不滿足海南地區鐵路扣件系統防腐性能要求。

2）達克羅、合金多元共滲、中溫鋅鎳共滲、低溫鋅鎳共滲技術防腐性能較好，能夠滿足海南地區鐵路扣件系統防腐性能要求。

3）達克羅防腐技術結合劑附著能力較差，如需提高結合與附著能力，需做封閉層處理，增加投資，且該防腐技術含有對人體有害的鉻離子，不適合環境保護的要求。

4）合金多元共滲和中溫鋅鎳共滲技術影響扣件系統機械性能，可能對軌道系統運營安全造成影響；合金多元共滲生產效率低，不能夠滿足海南地區線路長、施工工期短的工程建設要求。

綜合以上分析，低溫鋅鎳共滲防腐技術能滿足海南地區扣件系統防腐需求。考慮到海西線的工程背景，最終選用了這種防腐技術措施。處理后的外觀見圖4。

圖4　低溫鋅鎳共滲處理后彈條Ⅱ型扣件系統

4　結論

1）系統地概括了扣件系統常用的發黑處理、熱鍍鋅、達克羅、靜電噴塑、鋅鎳滲透等8種防腐技術措施的特點。

2）針對海南環境特點，結合海南西環鐵路建設工程背景，提出了海南地區軌道扣件系統的7項防腐技術原則：抗腐蝕能力強、附著力和結合能力強、不影響扣件系統機械性能、無污染無毒害、滲透性好、生產效率高、經濟性好。

3）根據提出的海南地區扣件系統防腐技術原則，對比分析各種防腐技術特點，得出低溫鋅鎳滲透防腐技術最符合海南地區大氣潮濕的堿性環境，最終作為海西鐵路扣件系統防腐技術措施。

［1］王其昌.無碴軌道鋼軌扣件［M］.成都：西南交通大學出版社.2006.

［2］張啟富，劉邦津，仲海峰.熱鍍鋅技術的最新進展［J］.鋼鐵研究學報，2002（4）：65-72.

［3］單保強，張會青，高鵬飛，等.廣州地鐵金屬扣件防腐工藝改進分析［J］.新技術新工藝，2013（5）：84-85.

［4］中華人民共和國鐵道部.TB/T 3065.1-3065.2—2002彈條Ⅱ型扣件［S］.北京：中國鐵道出版社，2003.

［5］中華人民共和國鐵道部.科技基［2007］207號WJ-7型扣件暫行技術條件［Z］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［6］中華人民共和國鐵道部.科技基［2007］207號WJ-8型扣件暫行技術條件［Z］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［7］邢俊，蔡敦錦，田春香，等.基于Ⅲ型彈條的新型地鐵扣件設計研究［J］.鐵道建筑，2015（10）：151-155.

［8］易思蓉.鐵道工程［M］.北京：中國鐵道出版社，2012.

（責任審編孟慶伶）

Analysis on Selection of Anti-corrosion Technologies for Rail Fastening System in Hainan Province

HUANG Xiaohua1，ZHOU Shuai2
（1.China Railway Eryuan Engineering Group Co.，Ltd.，Chengdu Sichuan 610031，China；2.Mechanical Engineering College，Southwest Jiaotong University，Chengdu Sichuan 610031，China）

Engineering experience of domestic urban rail transit and state-owned railway showed that suitable anticorrosion technologies for fastening systems could prolong their service life，improve the durability of the railway systems and increase overall economic efficiency.Combining with the environmental characteristics of Hainan province and construction engineering of Hainan western ring railway，the selection principle of anti-corrosion technologies for fastening systems inHainanprovince was studied，basedonthe anti-corrosiontechnology characteristics analysis of several common fastening systems and the anti-corrosion technology application survey of fastening systems in domestic urban rail transit and state-owned railway，the common anti-corrosion technologies and measures were compared and analyzed by considering these principles，and the anti-corrosion technology suitable for environmental characteristics in Hainan province was put forward，which could provide a reference for anti-corrosion technology improvement of fastener system during the railway construction in Hainan province.

Hainan province；W esternringrailway；T rackstructure；Fasteningsystem；T heanti-corrosion technology

U213.5+3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.08.34

1003-1995（2016）08-0137-04

2016-01-06；

2016-05-20

黃小華（1984— ），女，工程師，碩士。