高速鐵路無砟軌道運(yùn)營初期鋼軌傷損分析及對策措施

徐偉昌 陳志遠(yuǎn) 上海鐵路局工務(wù)處

高速鐵路無砟軌道運(yùn)營初期鋼軌傷損分析及對策措施

徐偉昌 陳志遠(yuǎn) 上海鐵路局工務(wù)處

在高速鐵路無砟軌道結(jié)構(gòu)中，作為軌道結(jié)構(gòu)最重要組成部件的鋼軌傷損時(shí)有發(fā)生。以上海局管內(nèi)已開通運(yùn)營的滬寧城際、滬杭高鐵、京滬高鐵上發(fā)現(xiàn)的鋼軌傷損為例，總結(jié)高速鐵路開通運(yùn)營初期鋼軌傷損的特點(diǎn)，分析傷損產(chǎn)生的原因，提出針對性對策措施，為高速鐵路養(yǎng)護(hù)維修，特別是開通運(yùn)營初期的高速鐵路鋼軌養(yǎng)護(hù)維修提供經(jīng)驗(yàn)。

高速鐵路；無砟軌道；鋼軌；措施

1 引言

高速鐵路無砟軌道一次性鋪設(shè)跨區(qū)間無縫線路，鋼軌采用 100m定尺長、60kg/m、U71Mn(G)熱軋新鋼軌，其主要技術(shù)特點(diǎn)：外形尺寸精度高、平直度好、鋼質(zhì)潔凈、韌塑性高、焊接性能優(yōu)良。

鋼軌作為軌道結(jié)構(gòu)最重要組成部件，其傷損直接影響高速列車運(yùn)行安全，是工務(wù)專業(yè)安全風(fēng)險(xiǎn)防控的重點(diǎn)。在高速鐵路無砟軌道養(yǎng)護(hù)維修過程中，我們發(fā)現(xiàn)的鋼軌傷損主要分為三大類：一是鋼軌以及道岔在制造過程中產(chǎn)生的缺陷，如裂紋；二是在鋼軌鋪設(shè)焊接過程中產(chǎn)生的傷損，如鋁熱焊氣孔、夾渣等；三是在運(yùn)營過程中產(chǎn)生的傷損，如軌頭擦傷掉塊、魚鱗傷、表面外傷、側(cè)磨等。

2 高速鐵路鋼軌（含道岔鋼軌件）傷損統(tǒng)計(jì)

上海局管內(nèi)滬寧城際、滬杭高鐵、京滬高鐵開通運(yùn)營以來的傷損鋼軌類型及數(shù)量見表1。

表1 高速鐵路傷損鋼軌情況統(tǒng)計(jì)表（單位：處）

從表1中我們可以看出，運(yùn)營初期各線鋼軌傷損情況不盡相同，但主要傷損還是集中在是表面擦傷、側(cè)磨、焊縫傷損上。

3 高速鐵路鋼軌傷損分析

3.1 軌頭表面擦傷掉塊

滬寧城際、京滬高鐵開通運(yùn)營1年后，在設(shè)備巡檢中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)鋼軌軌頭表面出現(xiàn)掉塊，掉塊呈左右股鋼軌對稱分布，間隔均勻，使用硬度計(jì)測量，掉塊處所表面硬度達(dá)到600HB。典型圖片見圖1。

圖1 鋼軌軌頭擦傷

3.1.1 擦傷產(chǎn)生原因分析

從掉塊處所表面硬度來看，應(yīng)為馬氏體組織；從掉塊呈左右股鋼軌對稱均勻分布來看，應(yīng)為機(jī)車車輪擦傷。當(dāng)機(jī)車啟動時(shí)，受機(jī)車自身狀態(tài)不良、載重過大、線路坡度大等因素的影響，車輪空轉(zhuǎn)造成鋼軌踏面局部產(chǎn)生橢圓形擦傷痕跡，踏面局部呈凹陷狀，車輪擦傷踏面會使輪軌接觸面發(fā)生熱機(jī)械作用，在踏面表層形成硬而脆的白層狀馬氏體組織，馬氏體組織一般在一年后形成龜裂，進(jìn)一步發(fā)展成掉塊或表面裂紋。滬寧城際、京滬高鐵在開通運(yùn)營1-1.5年后發(fā)現(xiàn)大量的表面掉塊，符合馬氏體組織發(fā)展的特點(diǎn)，同時(shí)也可判斷大量擦傷掉塊是由于施工期間工程車輛造成的鋼軌損傷。

3.1.2 擦傷發(fā)展趨勢

鋼軌表面?zhèn)麚p有兩種發(fā)展趨勢：一是擦傷層下產(chǎn)生微細(xì)裂紋并進(jìn)一步向下發(fā)展形成核傷，引發(fā)突發(fā)性斷軌；二是擦傷層發(fā)生剝離形成掉塊，一方面掉塊處所的局部不平順影響列車平穩(wěn)運(yùn)行，另一方面掉塊被高速運(yùn)行中的列車吸起與車底碰撞而引發(fā)不可知的后果。

3.2 魚鱗傷

我局運(yùn)營高速鐵路線路，在大站前后的曲線上，鋼軌表面較普遍產(chǎn)生魚鱗紋，由于發(fā)現(xiàn)及時(shí)，深度比較淺。典型圖片見圖2。

圖2 鋼軌魚鱗紋傷

3.2.1 魚鱗傷產(chǎn)生原因分析

列車運(yùn)行過程中輪軌發(fā)生接觸，鋼軌發(fā)生塑性變形，經(jīng)過冷作硬化，在表面形成流線型微細(xì)裂紋，類似魚鱗形狀，通常叫做魚鱗傷。

3.2.2 魚鱗傷發(fā)展趨勢

鋼軌表面微細(xì)魚鱗傷有兩種發(fā)展趨勢。魚鱗傷沿變形流線方向傾斜向下10°-15°角發(fā)展，然后轉(zhuǎn)至沿縱向擴(kuò)展，其擴(kuò)展深度與踏面塑性變形層的深度相對應(yīng)，通常會發(fā)展成剝落掉塊，剝落掉快的深度一般為2mm-4mm；也有不少魚鱗傷會直接向下或者沿縱向擴(kuò)展之后再向下形成核傷。

3.3 焊縫傷損

目前高速鐵路鋼軌主要存在兩種焊接方式：接觸焊和鋁熱焊。接觸焊焊接自動化程度高，尤其工廠焊接，質(zhì)量較高。鋁熱焊（德鋁焊）都為現(xiàn)場焊接，焊接工藝復(fù)雜，自動化程度不高，出現(xiàn)了較多傷損。主要以氣孔和夾渣的形式，也有少部分起源于焊筋邊緣溢流飛邊的橫向疲勞裂紋。

3.3.1 氣孔

2011年8 月2日探傷發(fā)現(xiàn)金山北N9岔11#焊縫傷損，當(dāng)時(shí)判定為軌腳內(nèi)側(cè)杭端2-3檔，探傷儀出波0.6-1.2格，衰減12db，波高達(dá)到80%，計(jì)算高度4mm，寬度6mm，深度10 mm。焊縫更換下道后經(jīng)鐵科院金化所金相分析，解剖發(fā)現(xiàn)該焊縫存在直徑約為2.5mm氣孔，位于焊筋中部，基本符合探傷情況。剖面見圖3。

圖3 鋼軌焊縫氣孔傷

2012年12月31日，在對京滬高鐵蘇州北1#道岔進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)該道岔一焊縫軌頂面上有一小針孔缺陷，經(jīng)超聲波探傷復(fù)核發(fā)現(xiàn)，此焊縫距作用邊25mm軌面向下有一高度22mm，寬度為2mm小孔。焊縫更換下道后經(jīng)鐵科院金化所金相分析，解剖確認(rèn)該處孔洞，并且孔洞已成為疲勞源，沿鋼軌橫向逐漸產(chǎn)生疲勞裂紋，并且緩慢擴(kuò)展。外觀見圖4。

圖4 焊縫氣孔

鋁熱焊氣孔產(chǎn)生可能原因：（1）焊劑受潮。焊劑中帶有水分，在鋁熱反應(yīng)時(shí)，高溫下水分分解，在焊縫中產(chǎn)生氣體；（2）封箱泥過多、過濕或砂模潮濕。砂型或封箱泥中的氣體不能及時(shí)排出，在焊頭中形成氣孔；（3）預(yù)熱溫度過低，鋼水容易凝固使氣體不易排出，容易在軌底兩角產(chǎn)生氣孔。

3.3.2 夾渣

2010年12 月7日發(fā)現(xiàn)嘉興南3#岔10#焊縫傷損，傷損情況為軌腳外側(cè)滬端3-4檔，探傷儀出波1.0-1.6格，衰減16db，波高達(dá)到80%。焊縫更換下道后經(jīng)鐵科院金化所金相分析，解剖確認(rèn)焊縫中的缺陷為夾渣缺陷，大小約為5mm×3mm，位于焊筋與母材交界處的軌底下表面附近。剖面見圖5。

圖5 焊縫中夾渣缺陷

鋁熱焊夾渣產(chǎn)生可能原因：（1）由于軌縫過大、砂箱不密貼或產(chǎn)生“跑鐵”現(xiàn)象；（2）鋼水量不夠，使熔渣不能完全排出；（3）鎮(zhèn)靜時(shí)間不夠，反應(yīng)未完成就澆注，在型腔內(nèi)繼續(xù)反應(yīng)生成熔渣，由于凝固快，熔渣來不及浮出就形成夾渣。

3.4 尖軌側(cè)磨

滬寧城際鐵路于2010年7月開通，至今運(yùn)營三年時(shí)間。在昆山南、蘇州、無錫、常州等站多組正線P60-18可動心軌單開道岔（施工圖號：CZ2602；設(shè)計(jì)圖號：客專線（07）004；生產(chǎn)廠家：中鐵寶橋）曲尖軌出現(xiàn)嚴(yán)重側(cè)磨現(xiàn)象。曲尖軌側(cè)磨嚴(yán)重的道岔位于?？苛熊囕^多的幾個大站，位于出發(fā)端且均為順向道岔。

4 高速鐵路鋼軌修理初探

4.1 軌頭擦傷掉塊建議對策

各工務(wù)單位在接收高鐵新線時(shí)，要利用便攜式鋼軌硬度計(jì)加強(qiáng)長大坡道、信號機(jī)前后線路鋼軌檢查，發(fā)現(xiàn)擦傷鋼軌，要求施工單位立即更換。

高鐵建設(shè)單位盡量減少DF4D和DF4B內(nèi)燃機(jī)車等內(nèi)燃機(jī)上道，同時(shí)建立內(nèi)燃機(jī)車上道審批制度；在施工階段，加強(qiáng)鋪架、放線等施工車輛的狀態(tài)控制；施工過程中遇到緊急制動時(shí)要及時(shí)上報(bào)指揮部，指揮部要安排專業(yè)人員對鋼軌傷損情況進(jìn)行檢查；建議在施組中明確在大坡道地段盡量不要啟動、停車和制動；施工中要做好鋼軌的備料工作。

在開通運(yùn)營之后，加強(qiáng)設(shè)備檢查監(jiān)測，特別是開通1年左右時(shí)，要組織鋼軌表面外觀的專項(xiàng)檢查。發(fā)現(xiàn)掉塊深度小于0.5mm的進(jìn)行打磨圓順，采用滲透等手段探傷，未發(fā)現(xiàn)微細(xì)裂紋后繼續(xù)使用，并且進(jìn)行周期性探傷；掉塊深度大于0.5 mm的及時(shí)組織更換。

4.2 魚鱗傷建議對策

對于大站前后的曲線加強(qiáng)鋼軌外觀及探傷檢查，及時(shí)發(fā)現(xiàn)魚鱗傷是否發(fā)生發(fā)展；出現(xiàn)魚鱗紋后及時(shí)采用鋼軌打磨列車進(jìn)行打磨，消除初期魚鱗紋，人工干預(yù)減緩魚鱗傷的發(fā)展；研究適用于高速鐵路無砟軌道的鋼軌潤滑劑，減少魚鱗傷發(fā)生。

4.3 焊縫傷損對策措施

綜上所述案例，焊接傷損產(chǎn)生的主要原因都是焊接過程中未嚴(yán)格執(zhí)行焊接工藝，或焊劑存在質(zhì)量問題，或操作不熟練，或未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)就進(jìn)行下一步操作等等，致使預(yù)熱、反應(yīng)、排氣渣等過程未能充分到位，從而產(chǎn)生了氣孔、夾渣等缺陷。

（1）在新線鋪軌焊接時(shí)提前介入，把好焊接質(zhì)量關(guān)。注意焊劑質(zhì)量、操作過程以及最后的打磨處理是否滿足焊接工藝。及時(shí)做好焊接后的探傷，發(fā)現(xiàn)問題就地處理。

（2）對探傷判定的輕傷處所進(jìn)行無損夾具膠結(jié)加固，并定期探傷，增加探傷遍次，一季度一遍為宜。記錄每次探傷波形，達(dá)到重傷標(biāo)準(zhǔn)立即更換。

4.4 尖軌側(cè)磨對策措施

聯(lián)合道岔生產(chǎn)廠家，逐步更換同類型全長淬火尖軌；研制試用尖軌防磨輪滑劑。

4.5 高速鐵路鋼軌探傷的想法

根據(jù)高鐵開通運(yùn)營三年的探傷及檢查發(fā)現(xiàn)，高速鐵路開通初期鋼軌傷損大部分是鋼軌在早期的制造、運(yùn)輸、鋪設(shè)及焊接過程中出現(xiàn)。在正常的探傷檢查中尚未發(fā)現(xiàn)疲勞傷損如核傷、螺孔裂紋，與既有線存在較大區(qū)別。在探傷設(shè)備、管理模式上可以采取更為科學(xué)合理的安排。

4.5.1 探傷設(shè)備

高速鐵路的鋼軌探傷對高鐵安全至關(guān)重要，為保證探傷質(zhì)量，必須采用先進(jìn)的數(shù)字化儀器，記錄作業(yè)過程、作業(yè)結(jié)果，指導(dǎo)高速鐵路鋼軌的養(yǎng)修。母材探傷以高速探傷車為

主，輔之以自走行雙軌探傷小車以彌補(bǔ)大型探傷車對部分類型傷損檢查能力的不足，手推式鋼軌探傷小車用于道岔鋼軌檢查以及復(fù)核校對；研究無損加固后焊縫探傷的設(shè)備和工藝，按周期對無損加固焊縫進(jìn)行檢查；焊縫探傷采用可記錄波形的探傷儀，確保每個焊頭都有記錄，建立檔案。

4.5.2 管理模式

鋼軌探傷專業(yè)性相對較強(qiáng)，為保證探傷質(zhì)量，應(yīng)該加強(qiáng)專業(yè)化管理。成立專門的高速鐵路探傷車間，可以合理安排探傷周期、維修保養(yǎng)檢測設(shè)備，提高探傷人員的業(yè)務(wù)水平，進(jìn)行探傷數(shù)據(jù)管理分析，更好指導(dǎo)鋼軌的養(yǎng)修。

5 結(jié)語及建議

高速鐵路開通運(yùn)營初期，鋼軌傷損的主要形式為擦傷掉塊，外傷、焊縫傷損 、尖軌側(cè)磨和魚鱗傷等。本文給出了初步的原因分析和從確保高鐵行車安全角度的對策措施。高速鋼軌傷損發(fā)展、傷損類型的分布規(guī)律和延長鋼軌使用壽命的修理辦法（如鋼軌打磨）都有待于今后進(jìn)一步在高速鐵路高鐵運(yùn)營實(shí)踐中深入研究。

責(zé)任編輯：宋飛 龔佩毅

來稿時(shí)間：2014-7-24

圖1 空鐵聯(lián)運(yùn)信息管理服務(wù)平臺構(gòu)成和功能

4.2 “空鐵聯(lián)運(yùn)”客運(yùn)服務(wù)流程需改進(jìn)和完善

因技術(shù)安全角度考慮，航空和鐵路的票務(wù)系統(tǒng)接口尚未實(shí)現(xiàn)對接，因此空鐵聯(lián)運(yùn)票訂購后，在出票、送取票等環(huán)節(jié)上較為繁瑣，特別是目前聯(lián)運(yùn)鐵路段車票的出票點(diǎn)普遍較車站有一定距離，車票需要相關(guān)部門花費(fèi)一定人力、物力提前送達(dá)至車站取票專窗；而對于聯(lián)運(yùn)旅客來說，車票在出發(fā)當(dāng)天才能憑有效證件前往車站窗口取票，也不能憑電子客票或其他有效證件直接進(jìn)出站。旅客因取票不及時(shí)或取不到車票等而耽誤行程等現(xiàn)象，也時(shí)有發(fā)生。

航空公司和鐵路通過“代碼共享”，開發(fā)和銷售統(tǒng)一的聯(lián)運(yùn)產(chǎn)品，把虹橋（浦東）機(jī)場出發(fā)或到達(dá)的航班、及途徑虹橋火車站的鐵路班次作為空鐵聯(lián)運(yùn)輻射范圍，旅客通過網(wǎng)上或代理點(diǎn)一次性購買聯(lián)運(yùn)產(chǎn)品后，以兩種交通方式到達(dá)最終目的地。整個產(chǎn)品的開發(fā)、銷售、服務(wù)等均通過空鐵聯(lián)運(yùn)信息管理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，雙方可在兩機(jī)場航站樓內(nèi)，以及上海虹橋站設(shè)置“空鐵聯(lián)運(yùn)服務(wù)臺”，為旅客提供一體化、簡單、高效的服務(wù)，比如咨詢、出票、取票、改簽、值機(jī)、應(yīng)急處置、延伸產(chǎn)品宣傳或銷售、或者聯(lián)運(yùn)票務(wù)速遞等服務(wù)。這一模式較適用目前機(jī)場、鐵路管理體制下的聯(lián)運(yùn)工作，運(yùn)行和管理成本較為經(jīng)濟(jì)、流程簡化。

責(zé)任編輯：宋 飛

來稿時(shí)間：2014-8-28