铁道的扣件、螺栓等配件是轨道的重要组成部分，长期暴露于自然环境中，日晒雨淋，风侵雪蚀，工作条件恶劣；此外，列车经过时产生的动力作用及运载货物中酸、碱、盐等的侵蚀作用，容易造成扣件、螺栓等配件发生氧化腐蚀、化学腐蚀及电化学腐蚀等，出现扣件、螺栓等配件锈死失效和紧固失效等不良后果。锈蚀的螺栓会导致螺栓与连接的扣件、螺母等锈死，更换、拆卸困难，还会使螺栓的受力性能降低，可能导致螺栓的紧固失效、断裂等，危及列车行驶安全。 

铁道螺栓的腐蚀原因

铁道螺栓是由一个带螺纹的螺栓、凸耳或螺母以及锁紧垫圈等三部分组成的紧固件，其作用在于将钢轨扣接在轨枕上，并固定两轨间的轨距，如图1所示。

图1 铁路扣件系统套管螺栓

有砟轨道螺栓一般使用的是立螺栓，预先将一部分螺纹道钉固定在混凝土轨枕中，通过螺母将弹条压紧固定在道钉上，如图2所示。

图2 有砟轨道立螺栓

从图2可以看出，与预埋套管螺栓相比，立螺栓有更多的部分暴露在外，更容易受到外部因素影响而锈蚀。

研究表明：大气成分对腐蚀速率影响很大，当大气中有盐雾、二氧化硫、硫化氢及灰尘时，金属与其在表面反应会生成相应的化合物，造成不同程度的化学腐蚀，如遇到雨水时，还会产生电化学腐蚀；另外土壤、生物等的腐蚀也会存在。

此外，力的作用也会加快螺栓的腐蚀，在不经过列车时，扣件会热胀冷缩，在不同温度受到拉升或压缩方向的横向力；在列车经过时，会受到列车经过振动而产生的上下方向的纵向力。

国内外已有研究者对不同轨道的振动受力模型开展过研究，如Ahlbeck等对有砟道床的受力模型进行了研究，提出了道床锥体受荷假设，表明有砟轨道道床纵向离散为各个轨枕下的参振块，如图3所示。

图3 有砟轨道道床受力模型

从图3的模型中可以看到，道岔第i个离散的道床参振块上部受到道枕给予的非均匀分布力，其下部受到路基在垂向上的支撑力，两侧则受到道床其余部分对其施加的剪切力。詹彩娟通过对动力学仿真分析和减振性能测试的方式对地铁的无砟轨道受力进行了分析，其振动模型如图4所示。

图4 无砟轨道振动模型

从图4的模型可以看出，车辆经过产生的振动力基本分布在扣件系统上，最终受力由扣件上的固定螺栓来抵消。

上述研究表明，无论在有砟和无砟铁路轨道，螺栓均受到钢轨热胀冷缩和车辆经过振动带来的作用力，因此螺栓防护不仅仅是简单的防锈，还应防止螺栓微振动导致的微动磨损腐蚀；此外，电流也会加剧螺栓的腐蚀，特别是道岔区螺栓的腐蚀还会受到杂散电流的影响，相比于自然腐蚀，杂散电流腐蚀具有加速腐蚀、局部集中的特点，会加速电化学腐蚀，这就对轨道螺栓的防护提出了更高的要求。

铁道螺栓的防护研究

为了防止铁道线路、桥梁等相关螺栓的锈蚀，通常要在螺栓的安装和日常养护中涂抹铁道螺栓防护润滑脂进行防护。

01 润滑脂的防护机理

润滑脂的防护机理主要有两种：一种是物理隔离防护，即在金属表面涂覆一层润滑脂，使金属表面与环境隔离，以保护金属不受环境中腐蚀介质的侵蚀，防止金属锈蚀；另一种为化学反应防护，即通过在润滑脂中添加抗腐蚀剂，抗腐蚀剂与金属表面接触后在金属表面形成一层牢固的紧密排列的吸附膜，形成一种多分子层的防护膜，从而防止空气中的氧气、水分及酸性物质对金属表面的侵蚀而起到防护作用。

润滑脂主要由基础油和添加剂组成，基础油具有油效应，即基础油能在极性分子吸附少的金属表面进行物理吸附，同时基础油分子中的烃基会深入到定向吸附的防锈剂分子之间，借助范德华力与防锈剂分子共同堵塞孔隙，使金属表面上的吸附膜更致密完整，并使吸附不够牢固的极性分子不易脱落，从而能更有效地保护金属。

然而，单凭基础油并不能有效地阻挡腐蚀介质，一般会在润滑脂中加入一定量的防锈剂、金属缓蚀剂等来提高润滑脂的防护性能，此时基础油起到载体的作用，使防锈剂、金属缓蚀剂等在润滑脂中分散均匀。

金属表面是具有多个活性中心的高能晶体结构，极易在有水及氧气的情况下发生电化学腐蚀。而润滑脂中的油溶性缓蚀剂一般是具有极性基团和较长碳链的有机化合物，也具有一定的表面活性，由不对称的极性基团和非极性基团组成。当其分子极性比水分子极性更强，与金属的亲和力比水更大时，便可以将金属表面的水膜置换掉，从而减缓金属的锈蚀程度，当防锈剂的含量超过临界胶束含量时，防锈剂分子就会以极性基团朝里、非极性基团朝外的“逆型胶束”状态溶存于油中，吸附和捕集极性的腐蚀性物质，并将其封存于胶束之中，使之不与金属接触，起到防锈作用。

润滑脂中的碱性防锈剂可与酸性腐蚀介质进行中和反应，高分子羧酸皂除了部分游离的羧酸能中和碱外，还可与腐蚀性酸发生复分解反应生成新盐和高分子羧酸，这就使得润滑脂对某些极性物质具有中和、置换和增溶的作用。

润滑脂中的油溶性缓蚀剂是具有不对称结构的表面活性物质，防锈剂分子的极性部分依靠库仑力或化学键作用在油-金属表面形成定向吸附，从而降低金属表面活性中心的活性，阻挡水分子和氧分子的侵蚀，极大地减缓了锈蚀过程；防锈剂分子的非极性部分在金属表面形成一层疏水性保护膜，阻挡了参加腐蚀反应的有关电荷或物质的移动，从而也极大地降低了锈蚀的几率和速率。 

02 铁道螺栓对防护脂性能的要求

我国铁道螺栓防护脂执行的技术条件见表1。

分析近5年100多个铁道螺栓防护脂的检测结果，发现盐雾箱试验合格的润滑脂也均可通过湿热箱试验，比较盐雾箱试验与湿热箱试验，盐雾箱试验比湿热箱试验的条件更苛刻。

表1的技术条件中对铁道螺栓防护脂的低温性能提出了要求，检测方法为SH/T 0387—2014《钢丝绳用润滑脂低温性能测定法》附录C方法，该方法是将润滑脂涂覆在钢片表面，在-40 ℃条件下折叠钢片，观察润滑脂的脆裂情况（SH/T 0387—2014附录C方法主要适用于考察钢丝绳脂的低温性能，与铁道螺栓防护脂在低温条件下的实际工况相差较远，不能有效区分铁道螺栓防护脂的低温性能，也与现场使用的实际工况不符）。

铁道螺栓防护脂的使用工况是直接暴露在自然环境中，在使用过程中经常会与水接触，为了防止铁道螺栓防护脂被雨水冲走，对润滑脂的抗水性能有较高的要求。表1的技术条件中对铁道螺栓防护脂的抗水淋性提出了一定的要求，采用SH/T 0109—2018《润滑脂 抗水淋性能测定法》中的方法进行测试（但SH/T 0109—2018方法考察的是动态轴承中润滑脂的抗水性能，而铁道螺栓防护脂实际工况需要考虑的是静态抗水性能和抗雨淋性能）。

对5条线路（包括预埋套管螺栓和立螺栓）铁道螺栓防护脂的防护效果进行了调研，发现预埋套管螺栓的润滑脂经过一段时间使用后会流失，螺栓锈蚀明显，且套管中有存水，在寒冷的冬季还会有冻涨现象发生，如图5所示。

图5 预埋套管螺栓锈蚀情况

从图5中可以很明显地看到螺栓锈蚀严重，套管中有存水，基本已看不到有润滑脂，这可能是由于车辆经过引起的振动、外界雨雪的进入等原因造成了润滑脂流失，从而导致预埋套管螺栓锈蚀。

图6是有砟线路立螺栓的锈蚀情况。

图6 有砟线路立螺栓锈蚀情况

从图6中可以很明显地看到有砟线路的立螺栓锈蚀严重。经过了解，该线路每年的春秋两季要对所有联结零配件进行涂脂，防止联结零件锈蚀，由于该线路干旱少雨，运输中粉尘较大，螺栓锈蚀较快，因此要对螺栓的涂脂保养定期进行复查以保证润滑脂附着良好，防止螺栓氧化、开裂和生锈，但即便如此，螺栓的防护效果仍然不佳，主要是道岔螺栓容易折断，线路扣件容易锈蚀。

对5个路局有砟线路立螺栓使用的铁道螺栓防护脂进行抽样检测，所用的螺栓防护脂均不能全项符合表1的技术要求，调研发现现场作业天窗时间有限，为方便作业，现场通常使用稠度较稀的防护脂，但通常该类防护脂不符合表1中的技术要求。

调研发现，螺栓防护脂的使用主要存在以下问题： 

（1）预埋套管螺栓所用的防护脂的性能基本能符合表1中的技术要求，但在实际使用中防护效果不佳，螺栓多有锈蚀，管内有存水且北方地区有发生冻涨损坏尼龙预埋套管的情况；

（2）有砟线路所用的防护脂稠度较低（稠度为00号~000号）或直接涂刷废机油，防护效果差、周期短，螺栓锈蚀严重；

（3）经过估算，我国铁道线路螺栓每年使用的防护润滑脂超过5000吨，但多为劣质防锈脂，在高温或雨水冲刷下会流失到自然环境中，污染线路环境；

（4）螺栓防护脂的种类、生产厂家和品牌多，给采购、现场使用和管理带来了很大的不便，也常出现有不合格产品。

根据铁道螺栓防护脂的作用机理，结合现场的实际工作需求，螺栓防护脂需要具有以下性能：

1. 具有良好的防锈作用，螺栓防护脂须具有良好且长效的对铁金属的防锈作用；

2. 具有防止螺栓微振动磨损腐蚀的作用，需要防护脂具有一定的抗微动磨损性能；

3. 具有较长的防护周期，需要防护脂具有较强的黏附性能与良好的抗水疏水性能，考虑到铁道螺栓防护脂的使用工况，想要达到较长的使用时间，防护脂必须能较好地粘附在螺栓上，同时能够很好地抵抗雨水的冲刷和浸泡；

4. 对环境污染或影响小，铁路螺栓防护脂在自然界中直接裸露使用，对环境会产生直接的影响，由于用量较大，需考虑使用时对环境的影响，考虑延长润滑脂的使用周期，减少使用量；

5. 与预埋套管材料兼容，防护脂不能对预埋套管材料产生不良影响；

6. 现场使用的便捷性，预埋套管涂脂施工基本是使用泵脂机注入或定装包装直接放入的方式，既有线多使用涂刷方式，作业工作量大，若防护脂的稠度较大（1号或2号稠度），则需要配套便捷的涂脂设备；

7. 北方寒冷地区对防护脂抗低温冻涨性能有较高的要求。

结束语 

随着我国铁道技术的快速发展和对环境保护的日益重视，高质量、长寿命、环保型的铁道螺栓防护脂是未来发展的方向。随着铁路工务维保技术的发展，为满足铁道螺栓的维保防护要求、节约人工成本和提高作业质量，专业自动化的涂脂作业设备或便捷涂脂设备必将得到广泛应用。