在沙质环境中用纳米涂层延长轨道紧固系统的使用寿命

铁路是最重要的运输方式之一，可以轻松地通过不同的地形。在许多国家，如中国、美国、澳大利亚和伊朗，铁路网都经过沙漠地区。这些地区的主要问题之一是沙子的移动会对有碴铁路轨道造成各种损害，例如腐蚀铁路紧固系统。一些沙漠地区的土壤组成，如伊朗的法赫拉杰，由沙和盐组成。由于沙子和盐的腐蚀性离子的移动，铁路紧固系统可能会被腐蚀，这反过来又会减少部件的厚度和寿命。

材料与方法

防腐nano-coating

在研究过程中，研究人员将纳米涂层用于有砟轨道的紧固系统，以防止由于沙丘的影响而导致的轨道夹和螺旋钉的腐蚀，并在实验室和铁路轨道的现场测试中评估了其性能。腐蚀是一种使金属转化为金属离子的电化学反应。在沙质地区，轨道上的沙子堆积会导致轨脚、轨枕和紧固系统被腐蚀。用于镇轨紧固系统的纳米涂料(轨夹和螺丝钉)由升级的富锌和环氧树脂组成，这是一种由纳米技术和聚氨酯生产的添加剂。其化学式为TiO2 PPY/掺锡+富锌。根据成分的数量和组成以及产品的最终成本，纳米涂料分为三类(10-12)。基于覆盖铁路轨道紧固系统的成分量(克)的涂料分类见表1。上述三种纳米涂层在经济上是负担得起的——实施它们的成本不到制造一套镇压轨道紧固系统成本的5%，并且第一和第三类分别具有最高和最低的价格。在研究过程中，所有三种产品都用于现场测试，但在实验室测试中，使用了第三类产品，与其他产品相比，第三类产品的价格最低。

腐蚀测量实验

有大量的各种实验室方法-如:线性极化电阻(LPR);恒电位和恒电流两种模式下的电化学阻抗谱和盐雾——用来测量涂层的耐腐蚀性。由于沙漠地区沙丘的含盐性，增加了腐蚀功能，在实验室阶段采用EIS和盐雾对纳米涂层的性能进行了评价。EIS是一种电化学方法，其中施加电位差并测量其相关电流。腐蚀速率和其他电化学因素可以通过应用电势和相关电流之间的关系来测量。

图1:未加纳米涂层样品(左)和加纳米涂层样品(右)的Nyquist曲线。

盐雾是一种用于评估耐腐蚀性的标准试验。这种方法是一种快速腐蚀测试，它提供了一个受控的腐蚀环境，用于产生暴露在给定测试室中的金属或涂层金属的相对耐腐蚀性信息。ASTM B 117是盐雾测试的通用标准。

结果与讨论

在EIS测试中，紧固系统包括螺丝钉和轨道夹进行了研究。该测试包括两组-带有纳米涂层的紧固系统和带有常规涂层(非纳米涂层)的紧固系统，以比较测试结果并测量纳米涂层对降低腐蚀速率的影响。

从图1所示的图中可以看出，样品的Nyquist曲线显示，与常规涂层相比，纳米涂层的真实阻抗(Z’)提高了315倍，说明纳米涂层的紧固系统的耐腐蚀性能要比常规涂层的紧固系统强。

本研究分别对含纳米涂层的紧固系统和不含纳米涂层的紧固系统进行了两次盐雾试验。根据结果，没有纳米涂层的样品表面在喷涂24小时后开始腐蚀，168小时后，样品表面100%被腐蚀。在使用纳米涂层的紧固系统上的测试结果表明，耐腐蚀性有了明显的提高——在测试期间，在样品上喷涂1000小时后，螺钉表面没有观察到腐蚀，这表明纳米涂层在耐腐蚀性方面具有显著的作用。盐雾试验中使用的带纳米涂层和不带纳米涂层的导轨夹和螺钉图像如图2 - 5所示¹．

图2:盐雾试验前无纳米涂层的螺钉(左)和盐雾试验后无纳米涂层的螺钉(右)。

现场调查

为了进行现场试验，主要考虑了穿越沙质沙漠地区的铁路轨道。为了评估纳米涂层的抗腐蚀性能，将一些常规涂层的紧固系统替换为纳米涂层的紧固系统，如图6所示¹．第一次勘察作业现场后，螺钉、轨夹、轨脚锈蚀明显，如图7所示¹．

在施加纳米涂层3个月和12个月后，为了验证纳米涂层的抗腐蚀性能，进行了两次调查，证明纳米涂层的紧固系统具有更高的抗沙丘腐蚀性能。在第一次调查后，即试点样品实施三个月后，纳米涂层的性能完全可以接受。

图3:盐雾试验前纳米涂层螺钉(左)和盐雾试验后纳米涂层螺钉(右)。

有纳米涂层的紧固系统和没有纳米涂层的紧固系统的性能对比如图8所示¹．
在进行纳米涂层后一年的调查图像表明纳米涂层的抗腐蚀性能是可以接受的，而其他没有纳米涂层的紧固系统由于腐蚀过度而需要更换。这些结果如图9所示¹．

结论

铁路将不可避免地穿越世界各地的沙漠。沙丘的移动-这会导致铁路轨道上的化学攻击，镇流器层的污染和增加跟踪刚性——是这些领域的主要问题，总是会对铁路轨道造成损坏。由于盐沙丘的侵蚀，紧固系统的腐蚀会对上层建筑构件造成损坏，并导致维护成本的显著增加。人们提出了各种策略来防止沙丘移动的破坏性影响;他们中没有一个人完全解决了这个问题。对有和没有纳米涂层的紧固系统进行的实验室实验(EIS测试和盐雾测试)结果表明，与没有纳米涂层的常规紧固系统相比，有纳米涂层的紧固系统的耐腐蚀性提高了315倍以上。此外，纳米涂层的螺丝和夹子经过1000小时的盐雾后完全完好。现场调查的结果证明，纳米涂层可以显著提高紧固系统的耐腐蚀性。一年后，传统的紧固系统需要更换，而纳米涂层的紧固系统可以正常运行，没有任何腐蚀。从经济的角度来看，通过使用这种方法来增加紧固系统的耐腐蚀性，由于纳米涂层材料的低成本和维护成本的降低，这是相当划算的。

参考:

1. 本文所附的完整数字可在数字版中查看全球铁路评论2020年第2期。