鐵路客車不銹鋼水箱漏水故障分析及防治措施

2015-10-21 19:58:59吳濤王立航周洪昌袁彩霞

中國機械 2015年3期

吳濤王立航周洪昌袁彩霞

摘要：通過材料顯微分析結果，結合不銹鋼腐蝕機理，對鐵路客車不銹鋼水箱漏水故障進行現象-機理分析，焊接熱影響區貧鉻和金屬表面存在活性Cl離子是造成不銹鋼水箱快速腐蝕漏水的主要原因，為減少直至消除不銹鋼水箱漏水故障，提出防治措施。

關鍵詞：鐵路客車;水箱;腐蝕漏水;防治措施

1.背景

304材質不銹鋼水箱是鐵路低速客車水汽系統重要儲水裝置，容積為1000L，由冷軋304不銹鋼板拼焊而成，客車制造廠在完成水箱組裝焊接后，需進行充水試驗，充水試驗過的水箱在擱置一段時間后（1～2個月）發生了漏水現象，漏水點主要集中在水箱箱體焊縫附近。漏水點形貌為貫穿板厚的小孔（如圖一所示）。

圖一水箱滲漏點外觀形貌

客車制造廠的工程技術人員根據以往經驗，首先對庫存不銹鋼板材進行了外觀檢查和理化性能檢測，檢驗結果表明水箱材料的宏觀組織和理化性能全部符合標準要求，初步判定漏水孔為試水后的腐蝕穿孔。

2.不銹鋼腐蝕機理分析

不銹鋼的耐腐蝕性主要是因為在鋼中添加了較高含量的Cr元素，Cr元素易于氧化，能在鋼的表面迅速形成致密的Cr2O3氧化膜，不銹鋼的耐腐蝕性能主要依靠表面覆蓋的這一層極薄的（約1nm）致密的鈍化膜，這層鈍化膜與腐蝕介質隔離，是不銹鋼耐腐蝕的基本屏障，如果鈍化膜不完整或有缺陷被破壞，不銹鋼仍會被腐蝕。鐵路客車水箱材料為304不銹鋼，304不銹鋼為奧氏體耐蝕不銹鋼，其鉻含量超過12%，正常情況下其材料在加工過程中被破壞的鈍化膜有自愈性，只有當被破壞的鈍化膜處的母材出現貧鉻現象或鈍化膜長時間處在腐蝕介質中時，才能造成鈍化膜不能自愈或鈍化膜破壞，致使不銹鋼能夠在腐蝕介質中被腐蝕。

3.顯微分析

對漏水水箱采取冷加工方法截取了實物試樣，對漏水孔洞用金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡進行觀察，并進行能譜分析。

結合掃描電子顯微鏡顯示的不銹鋼水箱孔洞特征，腐蝕孔洞恰好分布在焊縫熱影響區。通過對實樣進行能譜分析的結果表明，熱影響區晶界孔洞處的鉻含量高于基體材料，能譜分析同時還發現試樣裂紋斷面處和內表面都有Cl元素存在（如圖二所示）。

圖二斷裂面能譜分析

Cl元素的存在更加速了不銹鋼水箱的腐蝕。一般情況下，處于鈍態的金屬仍有一定的反應能力，即鈍化膜的溶解和修復（再鈍化）處于動平衡狀態。當介質中含有活性陰離子（常見的如氯離子）時，平衡便受到破壞，溶解占優勢。其原因是氯離子能優先地有選擇地吸附在鈍化膜上，把氧原子排擠掉，然后和鈍化膜中的陽離子結合成可溶性氯化物，結果在新露出的基底金屬的特定點上生成小蝕坑（孔徑多在20～30μm），這些小蝕坑稱為孔蝕核，亦可理解為蝕孔生成的活性中心。根據電化學腐蝕機理，處于活化態的不銹鋼較之鈍化態的不銹鋼其電極電位要高許多，電解質溶液就滿足了電化學腐蝕的熱力學條件，活化態不銹鋼成為陽極，鈍化態不銹鋼作為陰極，腐蝕點只涉及到一小部分金屬，其余的表面是一個大的陰極面，在電化學反應中，陰極反應和陽極反應是以相同速度進行的，因此集中到陽極腐蝕點上的腐蝕速度非常顯著，有明顯的穿透作用，這樣形成了點腐蝕。

結合掃描電子顯微照片，漏水孔洞同時具有點蝕特征（如圖三所示），因此分析判定漏水孔洞是晶間腐蝕和電化學點蝕共同作用的結果，亦即焊接熱影響區貧鉻和金屬表面存在活性Cl離子是產生不銹鋼水箱快速腐蝕的直接因素。

圖三水箱滲漏點迎水面顯微鏡下形貌

4.不銹鋼水箱漏水故障防治措施

通過腐蝕試樣金相顯微鏡和掃描電子顯微鏡觀察到的特征現象以及能譜分析得到的數據，可以分析判定不銹鋼水箱制造和充水試驗過程中存在焊接熱影響區貧鉻和金屬表面存在活性Cl離子是造成漏水孔洞的直接原因，根據問題原因建議以下防治措施：

（1）加強不銹鋼水箱用原材料的采購過程管理，加強原材料復檢監督，出現鉻、鎳、碳元素接近上下極限值時做必要的耐蝕性試驗。

（2）水箱生產過程中嚴格按焊接工藝規程操作，強化對焊接操作者的技能要求，在確保焊接工藝參數的情況下盡可能提高焊接速度，以減小焊接熱影響區停滯時間，加快焊接冷卻速度，防止熱影響區貧鉻現象發生。

（3）嚴格控制母材和焊材含碳量，焊縫金屬含碳量越高，碳和鉻形成碳化物的機率越大，在晶界上產生的晶間腐蝕的傾向越大。

（4）嚴格控制水箱焊接后焊接飛濺打磨質量，尤其要杜絕過量打磨，打磨過量會造成點蝕加速。

（5）對原材料復檢項目增加顯微組織評定，對水箱母材碳化物分布嚴格控制。

（6）水箱生產過程中嚴禁用鐵錘等尖銳器具進行板材調修和裝配，避免板材鈍化膜破壞。建議采用木錘、塑料錘或包裹非金屬材料的金屬錘。

（7）不銹鋼點腐蝕的直接原因之一是充水試驗用水活性氯離子含量過高，因此必須杜絕用工業管網水做充水試驗，建議采用生活飲用水做充水試驗。

5.結束語