北美运输系统的轨底腐蚀问题外文翻译资料

 2021-12-02 10:12

英语原文共 14 页

北美运输系统的轨底腐蚀问题

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a:美国普韦布洛81001运输技术中心公司(TTCI) ,b:墨西哥国立理工学院

摘要

本文讨论了微观结构和数值模拟以及腐蚀分析的结果和回流电流(直流)的影响。这项研究的结果表明,轨底腐蚀可以将铁路的寿命从几十年缩短到一年或更短,从而影响轨道的完整性和运输系统的安全性。轨底腐蚀是位于隧道或潮湿地下的轨道的特征。轨底腐蚀是多种因素共同作用的结果,包括湿度,连接板和夹子上积累的盐,但最主要的是来自运输车牵引电机的回流电流(直流)。这些因素促进了电化学反应,增加了轨道的腐蚀速率。也许由于腐蚀导致的钢轨损失量不超过0.005%( ),这显然不是一个主要问题; 然而,轨底腐蚀通过局部移除钢轨形成复杂的形状而引发和传播,其充当应力集中器,从而降低钢轨疲劳寿命性能。在极端情况下,正确位置损失几克具有正确的几何形状和方向的轨道,就可能导致其移动或故障,将轨道的寿命缩短至不到一年,并且可能危及安全。塑料轨枕和回流杂散电流系统的使用似乎是最适合轨底腐蚀的解决方案。

关键词:腐蚀 运输系统 钢轨 有限元分析 直流电流

1 .简介

轨底腐蚀是影响轨道完整性、最终影响轨道交通安全的危险因素。轨底腐蚀通常发生在缺乏通风的区域,通常位于排水系统,湖泊,海洋和其他漏水的地方。位于美国东海岸的运输系统的一个特殊污染源是冬季使用的用于融化街道上的冰雪的盐(富含氯和硫酸盐)。这种盐溶解在水中并被带入排水系统。当盐和湿度与回流直流电流相结合时,铁轨和连接板之间的电偶腐蚀开始,[1][2]

运输系统中的导轨用于承载两种类型的电流:回流电流(通常为直流)[4][7]和信号电流(交流)[8][9]。交流电流不是腐蚀的主要问题。实际上,大多数关于交流电流的出版物都讨论了轨道和地面的电导率和电阻的影响及其对信号系统的影响。有为数不多的文献讨论了轨底腐蚀[4][5][6][7][8][9]。其中一篇关于轨底腐蚀的文章[6]提出了一种控制杂散电流的方法,并且实现了良好的结果。杂散直流电流控制系统大大降低了沿轨道的杂散电流(导致腐蚀)的密度,杂散电流控制系统作为牺牲阳极、绝缘导轨上的第二回流系统,进一步降低了腐蚀的影响。

此外,腐蚀通常隐藏在导轨的基部和凸缘下,在内部生长并在法兰内形成复杂的形状,阻碍视觉或超声波检查[4]。根据TTCI报告的结果,仅考虑磨损因素,[5]货运铁路服务的平均优质铁路寿命曲线约为2°或更多,可运输约15亿总公吨(MGMT)。如果能够在北美运输系统上实现这种铁路性能,铁轨可能会持续作用几十年[10]。在极端情况下,铁路在一些运输系统环境中的寿命缩短到不到一年,因为存在腐蚀这种代价高昂但最重要的不安全因素[4]

目前的研究提供了在由北美各个运输系统(包括加拿大,墨西哥和美国)捐赠的铁轨上进行的轨底腐蚀分析的结果。这项工作的主要目的是通过有限元分析(FEA)和诱导腐蚀试验,然后通过金相评估验证轨底腐蚀的严重程度,并确定不同条件下的典型腐蚀速率。本文使用的所有其他数据或由相应的运输当局提供,或从运输文献中获得[3][11][12][13][14]

2 .试验

2.1 .金相样品制备

按照标准研磨和抛光程序制备金相样品。对试样进行金相制备,以比较腐蚀区域附近和远离这些区域的(如轨顶)不同位置之间钢轨的微观结构,对试样进行金相制备。在初始金相检查之后,用Nital 4溶液蚀刻样品以显示微观结构。

2.2 .数值模拟

有限元分析模型采用两个具有代表性的样本,展示了最常见的轨底腐蚀情况。第一个轨道样本(标识为115磅/码轨道)由多伦多交通委员会(TTC-Toronto)捐赠,第二个轨道样本(标识为136磅/码轨道)由AMTRAK-NY捐赠。据推测,这两个导轨都位于连接板上,并且存在杂散直流电流。导轨名称:(115磅/码轨道)和(136磅/码轨道)代表导轨几何外形(尺寸),如AREMA第四章[15]所示。使用ANSYS软件进行有限元分析建模。

2.3 .腐蚀分析

通过对参比电极的腐蚀电位施加plusmn; 20mV电压来进行腐蚀试验。在这些试验中,银-氯化银电极用作参比电极。 相对于25 ℃ 的普通氢电极,这种电极的腐蚀电位为 799mV 。

腐蚀试验在不同的电解质( 1M KCl,0.1M KCl, 1M和0.1M )中进行,在审查了美国和加拿大运输系统的土壤分析后,选择了这些电解质[12]。应该提到的是,腐蚀试验的目的是评估离子如-和对于导轨的耐腐蚀性的影响。这种离子对钢轨耐腐蚀性的影响非常重要,因为北美的土壤含有大量的硫酸盐()和氯()。用于腐蚀测试的实验装置包括连接到恒电位仪的电解池-恒电流仪器,其通过数据采集系统连接到CPU。我们测试中使用的恒电位仪是EG&G普林斯顿应用研究仪器273型。该设备具有内置腐蚀软件M352,可以在收集数据并将其存储在CPU中时自动运行腐蚀实验。图1显示了实验装置和腐蚀试验中使用的探针。

3 .结果与讨论

3.1 .腐蚀机制

腐蚀的定义为材料因与环境相互作用而变质[1]。腐蚀受几个因素的影响:即电化学,冶金和环境(图1)。盐酸(HCl)的形成在图2所示的反应中解释,这是在水存在的条件下氯化钠(NaCl),氯化钾(KCl)和其它氯的电解分解的结果。硫酸钠()或硫酸铵等硫酸盐也会分解,生成硫酸()。所得的盐酸和硫酸形成电解质,增加腐蚀速率,促进电偶腐蚀。沿铁路基部和法兰沉积的盐的化学成分含有氯和硫酸盐,如先前报道[4],当铁化合物在氧气和水的存在下腐蚀,生成铁氧化物和氢氧化物时形成锈。生锈过程可归纳为三个阶段:(1) 的形成,(2)氢氧根离子的形成,以及(3)与氧的化学反应产生锈。因此,生锈是由和氢氧化物脱水形成的氧化物。氯离子通过增加溶液(水 盐)的导电性来加速腐蚀。磁性含水铁氧体,,通常形成一种介于含水和 之间的黑色中间层。因此,氧化膜通常包括三层处于氧化的不同状态的铁氧化物。如

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