鐵路敞車車體耐腐蝕性與檢修周期適應性分析

史洪斌，劉文勝，陳永東，劉博陽，黃艦波，吳春梅

(1.中車太原機車車輛有限公司，山西 太原 030027；2.寧夏寧東鐵路有限公司，寧夏 靈武 750409；3.大連交通大學，遼寧 大連 116028；4.海南鐵路有限公司，海南 海口 570032)

0 引言

我國通用貨車的運用工況比較惡劣，車體鋼結構不僅承受全溫域環境下貨物摩擦和腐蝕的影響，還要承受裝卸機械的磕碰沖擊作用，其車體內部的防護涂料在較短的時間內就會遭到損壞，導致貨車車體內部快速腐蝕。從2005年開始，我國開始推廣70 t級貨車，車體通過采用Q450NQR1等高強度耐候鋼和減薄板厚的措施來降低自重、提高載重。但是高強度耐候鋼的耐腐蝕性能與普通耐候鋼相當，在鋼結構減薄鋼板厚度之后，其耐腐蝕性能相應下降。為研究鐵路貨車用高強度耐候鋼的耐腐蝕性能是否可適應廠修周期要求，中車太原公司牽頭對70 t級鐵路貨車車體的耐腐蝕性能進行了研究，對車體各部位的腐蝕速率進行了檢測。

1 我國鐵路敞車車體用材料發展概況

我國鐵路敞車車體用材料主要經歷了鋼木混合、碳素鋼、低合金鋼、耐候鋼、高強度耐候鋼等幾個階段。我國從20世紀60年代開始仿制耐候鋼，1967年首次將其試用于鐵路車輛制造。1978年前后開始在鐵路敞車車體結構上試用耐大氣腐蝕鋼，1985年開始應用于鐵路貨車生產。進入20世紀90年代，成功研制出Cu-P系、Cu-P-RE系和Cu-P-Cr-Ni系列耐候鋼，并在鐵路敞車上得到廣泛應用。耐大氣腐蝕鋼以09CuPTiRE和09CuPCrNi的銅磷系列鋼材為代表，其耐腐蝕性一般是普通碳素結構鋼的2倍左右，主要應用于60 t級通用貨車。目前，60 t級通用敞車已全面停產。

為滿足新型70 t級鐵路敞車的輕量化要求，2003年開始在鐵路敞車上批量采用屈服強度為400 MPa、450 MPa和500 MPa的高強度耐大氣腐蝕鋼。

2 我國鐵路敞車車體涂料發展概況

由于鐵路敞車結構材料和運用工況的變化，對車體涂料的要求也在不斷提高。鐵路敞車用涂料經歷了由低級到高級的發展過程。在涂裝工藝方面，新造車輛已廣泛使用鋼材噴砂(拋丸)預處理技術，并使用預涂底漆作為工序間防銹涂料。

(1)普通酚醛和醇酸類涂料。酚醛防銹漆、酚醛磁漆、醇酸磁漆或醇酸調和漆是20世紀90年代以前的常用產品。當時，我國鐵路貨車使用與客車相近的涂料，為達到成膜厚度，在工藝上通常需涂裝4道，費工費時，壽命低。

(4)水性防腐涂料。水性涂料是一種環保型涂料，美國是最早在金屬防護領域推廣使用水性漆的國家。目前美國工業防腐中水性涂料使用量已占涂料總量的70%，歐洲各國也大力推廣水性涂料，其中丹麥、瑞典等國水性涂料使用量已達到涂料總量的80%以上。我國從20世紀90年代開始在建筑物上大規模推廣應用水性涂料，但從2008年開始才陸續在鐵路貨車上應用水性涂料，最早采用水性涂料的車型是C80B型敞車。

3 我國鐵路敞車車體腐蝕情況

我國絕大多數鐵路貨車車體為耐候鋼，從近年來現場調研的情況分析，引起耐候鋼墻板、地板和門板腐蝕減薄及穿孔的原因首先是車輛在貨物摩擦力和裝卸機械的磕碰剮蹭作用下，內部防腐蝕涂層磨損失效，后期在雨水及介質的腐蝕和介質磨損的雙重作用下，鋼材基體被腐蝕、銹層被破壞導致逐漸減薄直至穿孔。若能首先解決好涂層磨損失效問題，則鋼結構腐蝕減薄問題也會迎刃而解。

從2004年開始，鐵科院和中車太原公司對鐵路敞車鋼結構的腐蝕、磨損狀況進行了調查，具體情況如下：

3.1 60 t級鐵路敞車車體腐蝕情況

2004年10月～12月，鐵科院牽頭組織各貨車工廠對鐵路敞車的腐蝕、磨損狀況進行了調查，調查對象主要為進行廠修的各型敞車和大秦線在用的運煤專用敞車，主要車型包括C61、C62B、C64通用敞車、C63A型運煤專用敞車等，測量位置多位于或接近車體各部的連接處，所受應力相對較大。

通過對各相關部位鋼板殘余厚度進行測量，并根據相應部位鋼板的原始設計厚度(初始厚度)值和車輛的出廠時間(年限)，計算得到了鋼材的減薄速率，主要數據見表1。

表1 60 t級各型敞車不同部位鋼板平均減薄速率

表1中，下側門板的檢測部位為其中部，其他為從下邊緣或地板向上100 mm～150 mm的位置，減薄輕微處未測量具體數值。根據表1數據可以看出：對于60 t級通用敞車，車體鋼板(上側板 、端板、地板及下側門板)的年平均減薄速率為0.06 mm/a～0.25 mm/a；在第1個廠修時，角柱加強板的平均減薄速率為0.18 mm/a左右，下側門板的平均減薄速率達0.2 mm/a以上(C61除外)，其中C62B下側門板的減薄速率最高，平均值達到了0.25 mm/a。另外所有測量部位減薄速率的最大值均明顯高于平均值，最大達平均值的2倍～5倍。

對于C63A型專用運煤敞車，車體鋼板的平均減薄速率比通用敞車要低，角柱加強板和地板在第1個廠修期的減薄速率約為0.11 mm/a～0.12 mm/a，端板和其他部位的減薄則要慢一些。

根據60 t敞車調查數據的統計結果，按平均減薄速率0.25 mm/a計算，第1個廠修(按8年計算)時鋼板的總損耗量將達到2.0 mm。如果初始鋼板厚度為5 mm，則剩余厚度將只有3 mm，廠修時部分車輛鋼板已經需要進行截換。

鐵路貨車的設計壽命為25年，要求在這一段時間內車體的力學性能可以得到保證，且不需進行鋼板截換，但調查數據說明目前60 t級敞車使用的耐候鋼材料尚不能滿足要求。

3.2 70 t級鐵路貨車車體腐蝕情況

2019年6月，中車太原機車車輛有限公司開展了鐵路貨車車體耐腐蝕性能與車輛檢修周期適應性研究，對70 t級鐵路敞車的腐蝕、磨損狀況進行了調查，調查對象主要為進入公司內進行廠修的C70E、C70EH型通用敞車。共統計使用時間8年、達到第1個廠修期的C70E通用敞車184輛，C70EH型通用敞車3輛；每輛車測量10個部件，共76個測量點。這些測量位置多位于各部件的連接處及下部，均為所受應力相對較大位置或者容易發生腐蝕的位置。敞車側門板、下側門板的檢測部位在其壓型部位或下部容易腐蝕的位置；上側板的檢測部位為與側柱連鐵連接處往上300 mm范圍；側柱連鐵的檢測部位為與側板連接部位；側柱加強板、角柱加強板檢測部位為與下側門搭接部位；端板檢測部位為下部500 mm范圍內的位置；地板檢測部位為與側梁連接的200 mm范圍，根據腐蝕情況選取檢測點；端梁檢測部位為兩端與側梁連接處；側梁檢測部位為側梁腹板與搭扣座上緣連接處、側梁與各側柱的連接處、側梁與中門柱的連接處。

通過對各相關部位鋼板剩余厚度的測量，并根據相應部位鋼板的原始設計厚度(初始厚度)值和車輛的出廠時間(年限)，計算得到了鋼材的減薄速率。187輛C70E(C70EH)型敞車各部位鋼材的減薄速率見表2。

表2 C70E型通用敞車不同部位鋼板平均減薄速率

根據表2數據可以看出，C70E型通用敞車各部位在第1個廠修時的平均減薄速率：側板與側柱連接部位為0.139 mm/a，其余腐蝕不嚴重部位為0.057 mm/a；側柱連鐵為0.158 mm/a；側柱加強板、角柱加強板為0.207 mm/a；側門板為0.157 mm/a；下側門板為0.176 mm/a；端板與端梁連接部位為0.148 mm/a，其他部位為0.116 mm/a；側梁與搭扣座上緣連接處為0.057 mm/a，與側柱連接部位為0.02 mm/a，與中門柱連接部位為0.027 mm/a；端梁為0.024 mm/a；地板為0.15 mm/a。

由以上數據可以看出，C70E型通用敞車部件的平均減薄速率為0.02 mm/a～0.207 mm/a，其中側柱加強板、角柱加強板的平均減薄速率在0.207 mm/a。另外，所有測量部位減薄速率的最大值均明顯高于平均值，最大達平均值的2倍～5倍。

4 70 t級敞車車體的腐蝕部位及原因分析

(1)上側板的嚴重腐蝕部位為與側柱連鐵連接處往上300 mm范圍處，原因是側墻板與側柱連鐵的連接處經常產生縫隙腐蝕。側板其他部位的腐蝕主要是大氣腐蝕和機械破損腐蝕。

(2)側柱的嚴重腐蝕部位為側柱與側梁上翼邊連接處，這些部位容易堆積貨物且不易卸干凈，造成此部位長期受到貨物的化學腐蝕。

(3)側柱加強板和角柱加強板的嚴重腐蝕部位為與下側門搭接部位，此位置為門孔周邊，除長期受到貨物侵蝕外，在開關門時還要承受機械打擊和貨物沖擊，造成化學腐蝕和機械破損腐蝕。

(4)端板嚴重腐蝕部位在下部500 mm范圍內的位置，地板嚴重腐蝕部位為與側梁連接的200 mm范圍內，這些位置容易堆積煤炭等散粒貨物，再加上雨水和冰凍等原因，最后殘留在車廂內的貨物需要依靠人工機械清除，造成化學腐蝕和機械破損腐蝕。

(5)端梁的嚴重腐蝕部位為與側梁連接處，容易形成縫隙腐蝕。

(6)側梁的嚴重腐蝕部位為側梁腹板與搭扣座上緣連接處、側梁與各側柱的連接處、側梁與中門柱的連接處，這些連接處容易形成縫隙腐蝕。

5 70 t級通用敞車車體耐腐蝕性與檢修周期的適應性分析

70 t級通用敞車的廠修期為8年，使用壽命為25年。在第1個廠修時，從最大腐蝕深度比例來看，與側柱連鐵連接處上側板為36.6%，側柱加強板為45%，側門板為52.5%，下側門板為38.5%，端板為62.5%，地板為47.5%，均已超過廠修限度，說明廠修時上側板、側柱加強板、角柱加強板、側門板、下側門板、端板、地板的部分地方腐蝕深度大于30%，需要截換。尤其是側柱加強板、門板、地板的平均腐蝕深度和最大腐蝕深度均高于其他部件，需要截換和更換的比例較大。

根據以上數據，70 t級通用敞車在第1個廠修時車體部分結構需要截換，截換的部件及數量較多。這和車輛所裝載的貨物、使用頻率及車體結構都有關系，敞車容易腐蝕的地方均位于各部件連接處和車體下部，這些地方容易積聚貨物和雨水，造成長期的化學腐蝕；另外容易腐蝕的地方位于人工或機械裝卸作業磕碰的部位，因表面防護涂料破損起不到有效防護作用。所以目前70 t級通用敞車車體耐腐蝕性與檢修周期不適應。