城軌車輛金屬軟管管體銹蝕原因分析

徐曉鋒

（沈陽中車軌道交通裝備有限公司，遼寧沈陽 110027）

0 引言

某地鐵一號(hào)線首列車大修完成載客運(yùn)營兩年后，首列車車下制動(dòng)系統(tǒng)不銹鋼金屬軟管管體發(fā)生漏氣現(xiàn)象，金屬軟管材料為304#不銹鋼，經(jīng)檢查確認(rèn)為點(diǎn)狀銹蝕漏氣。為查找管體銹蝕原因，提出了先宏觀排查后微觀檢測(cè)的方法。宏觀排查首先對(duì)不銹鋼金屬軟管的原材料批次進(jìn)行溯源，又通過首列車整車不銹鋼金屬軟管的腐蝕情況，建立并計(jì)算出抽查比率，對(duì)其他車輛不銹鋼金屬軟管狀態(tài)進(jìn)行抽查，通過上述排查結(jié)果，做出不銹鋼金屬軟管銹蝕與原材料的生產(chǎn)批次無關(guān)的宏觀判斷。從銹蝕金屬軟管中抽取樣件，對(duì)銹蝕的不銹鋼金屬軟管進(jìn)行了化學(xué)成分分析、金相分析、非金屬夾雜物檢測(cè)、3D 體式顯微鏡觀察銹點(diǎn)狀態(tài)、能譜分析等微觀檢測(cè)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行綜合分析，根據(jù)分析結(jié)果查找出銹蝕原因[1]，并制定相應(yīng)措施。

1 軟管結(jié)構(gòu)形式

制動(dòng)系統(tǒng)不銹鋼金屬軟管由5 個(gè)零件組成，分別為直通接頭、直管焊接接頭體、外部鋼絲網(wǎng)套、內(nèi)部螺紋波紋管和直通焊接接頭，其中直管焊接接頭體和直通焊接接頭體與外部鋼絲網(wǎng)套和內(nèi)部螺旋波紋管焊接在一起，所有的零件材料均為304#不銹鋼（圖1）。

圖1 不銹鋼金屬軟管結(jié)構(gòu)

2 安裝位置及銹蝕情況

該金屬軟管安裝在制動(dòng)系統(tǒng)部件與車體管路之間，如EP2002 閥、輔助控制箱、風(fēng)缸等部件與車體管路之間連接，內(nèi)部介質(zhì)為相對(duì)濕度不大于35%的干燥壓縮空氣。不銹鋼金屬軟管漏氣點(diǎn)在管體上，管體外部的鋼絲網(wǎng)套也出現(xiàn)生銹，內(nèi)部的螺旋波紋管凸起部位有點(diǎn)狀銹蝕（圖2）。

圖2 管體發(fā)生漏氣和銹蝕現(xiàn)象

3 宏觀排查銹蝕原因

3.1 原材料的溯源排查

對(duì)23 列車的不銹鋼金屬軟管的原材料生產(chǎn)批次進(jìn)行排查，發(fā)現(xiàn)首列車軟管的原材料生產(chǎn)批次號(hào)與其他列車生產(chǎn)批次號(hào)不相同，初步判斷為金屬軟管的原材料質(zhì)量存在問題。

3.2 金屬軟管狀態(tài)抽查

為了判斷首列車金屬軟管銹蝕原因是否與生產(chǎn)批次有關(guān)，對(duì)第二列和第三列的不銹鋼金屬軟管金進(jìn)行抽查，抽查比率按首列車不銹鋼金屬軟管銹蝕情況進(jìn)行確定，銹蝕占比率C=N/S×100%，其中N、S 分別表示整列車的銹蝕金屬軟管數(shù)量和金屬軟管數(shù)量。

首列車銹蝕軟管數(shù)量為31 根，整列車金屬軟管數(shù)量為120根，則銹蝕占比率為25.8%。對(duì)第二列車和第三列車的不銹鋼金屬軟管進(jìn)行抽查，抽查結(jié)果見表1，初步判斷銹蝕原因與金屬軟管的批次無關(guān)。

表1 抽查結(jié)果

4 微觀檢測(cè)

針對(duì)宏觀的排查結(jié)果，深入研究不銹鋼金屬軟管銹蝕原因，并進(jìn)行如下分析。

4.1 化學(xué)成分分析

取兩根銹蝕金屬軟管，分別在管體上取一段，使用C/S 儀和電感耦合等離子光譜儀（ICP）進(jìn)行化學(xué)成份檢測(cè)，兩根腐蝕金屬軟管化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果均符合GB/T 3280—2015《不銹鋼冷軋鋼板和鋼帶》對(duì)304#不銹鋼的要求。

4.2 硬度測(cè)試

取1 根被腐蝕金屬軟管進(jìn)行維氏硬度測(cè)試[2]，測(cè)試方法參GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn)》，測(cè)試結(jié)果的平均硬度值243 HV，參考GB/T 33362—2016《金屬材料 硬度值的換算》轉(zhuǎn)換為布氏硬度約為231 HBS，高于GB/T 4237—2015《不銹鋼熱軋鋼板和鋼帶》中304#不銹鋼的要求值201 HBW。

4.3 金相分析

在銹蝕金屬軟管上取金相試樣，使用金相顯微鏡觀察，顯示結(jié)果見圖3 和圖4：管道基體金相組織主要為奧氏體，波紋管波紋凸起部分的外部邊緣可見明顯的凹坑。

圖3 試樣波紋凸起處金相照片（100×）

圖4 標(biāo)記區(qū)域放大照片（500×）

4.4 非金屬夾雜物檢測(cè)

分別在3 根銹蝕金屬軟管上取縱向截面金相試樣，編號(hào)為1#、2#和3#，依次打磨和拋光，然后在金相顯微鏡下進(jìn)行非金屬夾雜物的顯微評(píng)定。評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E45-18《鋼中夾雜物含量測(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》，即檢驗(yàn)整個(gè)拋光面，對(duì)于每一類夾雜物均按細(xì)系和粗系記下與所檢驗(yàn)面上最惡劣視場(chǎng)相符合的標(biāo)準(zhǔn)圖片的級(jí)別數(shù)，測(cè)試結(jié)果見圖5。由測(cè)試結(jié)果可知，失效波紋管的非金屬夾雜物以D 類系為主，等級(jí)為0.5.

圖5 1#、2#和3#非金屬夾雜物評(píng)級(jí)（100×）

4.5 銹蝕部位觀察

使用3D 體式顯微鏡觀察試樣表面，發(fā)現(xiàn)管道在波紋凸起的部分存在明顯的腐蝕坑洞，局部放大后發(fā)現(xiàn)腐蝕區(qū)存在較多大小深淺不一的坑洞，且該區(qū)域表面有較多溝槽，孔洞深度最大約50 μm（圖6）。

圖6 腐蝕點(diǎn)

用掃描電鏡觀察試樣的表面腐蝕坑洞，顯示腐蝕坑洞深度較淺，其周邊有較多覆蓋物，腐蝕坑洞內(nèi)有較多塊狀腐蝕產(chǎn)物及腐蝕溝槽，坑洞內(nèi)表面已顯露出晶粒，且晶面上存在較多腐蝕溝槽（圖7）。

圖7 腐蝕坑洞

4.6 能譜分析

在管道腐蝕坑洞內(nèi)部的腐蝕產(chǎn)物上進(jìn)行能譜分析，由測(cè)試結(jié)果可知，腐蝕產(chǎn)物中Fe、Cr、Ni 等元素主要來自基體，較高含量的C 可能來源于介質(zhì)中的污染物，O 含量比較高說明其主要為氧化腐蝕產(chǎn)物，而腐蝕產(chǎn)物中有一定量的S、Cl 等腐蝕性元素（表2）。

表2 能譜分析結(jié)果

4.7 檢測(cè)結(jié)果綜合分析

（1）化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果顯示，失效波紋管的化學(xué)成分符合GB/T 3280—2015 中304#不銹鋼的要求。

（2）硬度測(cè)試結(jié)果顯示，管硬度平均值243 HV（231 HBS），略高于GB/T 4237—2015中304#不銹鋼的相關(guān)要求。GB/T 4237—2015 是不銹鋼鋼板或條帶的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，硬度的要求值并不適用于波紋管，試樣的硬度稍高可能與其加工工藝有關(guān)。

（3）金相測(cè)試結(jié)果顯示，管道基體金相主要為奧氏體。

（4）非金屬夾雜物測(cè)試結(jié)果顯示，波紋管的非金屬夾雜物主要以D 類細(xì)為主、等級(jí)為0.5，非金屬夾雜物含量無明顯異常。

波紋管道的腐蝕坑集中出現(xiàn)在波紋凸起的表面，其深度并不大50 μm，腐蝕坑內(nèi)部有些區(qū)域已經(jīng)顯露出晶粒，說明腐蝕對(duì)晶界的破壞非常嚴(yán)重；有些區(qū)域內(nèi)表面還殘留有塊狀腐蝕產(chǎn)物及較多腐蝕痕跡，說明管體表面生銹不僅發(fā)生在波紋管表面，管道內(nèi)也發(fā)生了由外向內(nèi)的腐蝕。能譜測(cè)試結(jié)果也顯示，坑洞內(nèi)殘留的腐蝕產(chǎn)物中含有一定量的S、Cl 等腐蝕性介質(zhì)，是造成管道腐蝕的主要原因[3]。

4.8 腐蝕性元素S、Cl 來源排查

腐蝕性元素來源主要從車輛的運(yùn)營環(huán)境、車輛金屬軟管安裝工藝和金屬軟管生產(chǎn)工藝三方面考慮。經(jīng)過綜合分析及排查，認(rèn)為腐蝕元素S、Cl 來源于車輛金屬軟管的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

第一列車和第二列車在金屬軟管焊接完成后，采用的是焊后酸洗鈍化工藝，而其他列車金屬軟管生產(chǎn)工藝進(jìn)行升級(jí)，采用了焊后打磨工藝。酸洗鈍化時(shí)操作人員操作不當(dāng)，使金屬軟管管體殘留有S、Cl。

5 結(jié)論

（1）對(duì)首列車的不銹鋼金屬軟管進(jìn)行刨切檢查，計(jì)算出整列車的銹蝕率，根據(jù)對(duì)第二列車和第三列車進(jìn)行的抽查結(jié)果，初步判斷銹蝕原因與金屬軟管的生產(chǎn)批次無關(guān)。

（2）對(duì)不銹鋼金屬軟管進(jìn)行化學(xué)成分析、硬度測(cè)試、金相分析、非金屬夾雜物檢測(cè)、能譜分析及3D 顯微鏡觀察等綜合檢測(cè)，銹蝕是由外向內(nèi)發(fā)生的，坑洞內(nèi)殘留的腐蝕產(chǎn)物中含有一定量的S、Cl 等腐蝕性介質(zhì)，是造成管道腐蝕的主要原因。

（3）腐蝕性元素S 和Cl 來源于金屬軟管的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，后期金屬軟管焊接接頭生產(chǎn)工藝全部要求焊后打磨。