神華包神鐵路鋼軌傷損研究與管理探索

王清龍（神華包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

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神華包神鐵路鋼軌傷損研究與管理探索

王清龍
（神華包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

摘 要：隨著包神鐵路運(yùn)量的不斷上升，鋼軌損傷數(shù)量成級數(shù)增長，鋼軌的使用壽命嚴(yán)重縮短，針對包神線鋼軌傷損情況進(jìn)行了分類總結(jié)，并從加強(qiáng)線路維修、提高線路養(yǎng)護(hù)、焊接質(zhì)量、等方面提出了針對性的分析，并根據(jù)鋼軌損傷的類型和規(guī)律提出了預(yù)防及控制措施。

關(guān)鍵詞：工務(wù)；重載鐵路；鋼軌傷損

1 概述

神華包神鐵路公司是神府東勝煤炭外運(yùn)的大通道，從2007年開始貨運(yùn)量均超過億噸大關(guān)，2012年隨著萬噸列車開行，軸重、運(yùn)量逐年遞增，鋼軌能否安全服役直接影響到行車安全。

表1 包神近年鋼軌重傷統(tǒng)計(jì)表

隨著包神線運(yùn)量的不斷增長，鋼軌傷損數(shù)量增長迅速，2014年鋼軌傷損數(shù)量較2011年增長了307%，而同期運(yùn)量只增長了128%?？梢钥闯鲭S著運(yùn)量的持續(xù)增長，鋼軌已經(jīng)進(jìn)入了疲勞期，導(dǎo)致核傷在2014年出現(xiàn)了跳躍式增長。2015年因?yàn)檫\(yùn)量下滑尤其是北線運(yùn)量持續(xù)下降加上下行K140新?lián)Q無縫鋼軌的影響，傷損總量下降，特別是裂紋傷損數(shù)量下降明顯。

2 包神鋼軌傷損現(xiàn)狀及分類

鋼軌在大運(yùn)量重載之下，長期處于惡劣的工作環(huán)境中，在列車動(dòng)靜載荷作用下，鋼軌經(jīng)常傷損而造成失效，如核傷、螺孔裂紋、壓潰、磨耗、掉塊等現(xiàn)象，使輪軌耦合狀況進(jìn)一步惡化，造成鋼軌壽命縮短、線路工隊(duì)線路養(yǎng)護(hù)工作量增加、養(yǎng)護(hù)成本增加，進(jìn)而嚴(yán)重影響輪軌耦合，嚴(yán)重影響列車行車安全。

3 鋼軌傷損主要形式

3.1 新鋪鋼軌工藝缺陷

新鋪鋼軌工藝缺陷是指鋼軌在制造過程中含有過量的磷、硅、硫等有害元素, 使鋼軌在一定的情況下發(fā)生脆性斷裂。因此,新鋪鋼軌主要側(cè)重于鋼軌工藝缺陷的探傷，這樣可以在發(fā)現(xiàn)鋼軌傷損時(shí), 同時(shí)可以監(jiān)控同一批爐號的鋼軌狀態(tài)。因此，新鋪鋼軌探傷主要針對針對鋼軌制造缺陷，而在役鋼軌探傷則針對鋼軌疲勞缺陷。這兩種缺陷形態(tài)、分布、大小、位置都大不相同，所以探傷所采用的標(biāo)準(zhǔn)、工藝、方法完全不同。

3.2 鋼軌側(cè)面磨耗

鋼軌曲線側(cè)面磨耗主要是由于轉(zhuǎn)向架走行部輪緣與鋼軌側(cè)面之間的滾動(dòng)摩擦造成的，其值大小等于輪緣與鋼軌側(cè)面之間的鋼軌導(dǎo)向力與摩擦距離的乘積，也即滑動(dòng)摩擦功。隨著鋼軌服役時(shí)間的增長，受材質(zhì)和工作環(huán)境的影響，鋼軌不可避免的會(huì)產(chǎn)生各種傷損。主要包括鋼軌磨耗、壓潰、軌頭剝離掉塊、疲勞、銹蝕、擦傷等。側(cè)磨主要表現(xiàn)在曲上股側(cè)磨，曲下股壓寬，以包神線K43-K48小曲線處所側(cè)磨尤為嚴(yán)重。

3.3 魚鱗傷損

魚鱗傷是指鋼軌表面一種類似魚鱗狀金屬碎裂的疲勞傷損，裂紋起源于鋼軌軌頭內(nèi)側(cè)圓弧附近，沿著列車運(yùn)行方向延伸，裂紋附近常有黑影。魚鱗傷損裂紋和黑影沿鋼軌橫向發(fā)展，魚鱗傷損的寬度一般是6-20mm，最深點(diǎn)一般在魚鱗裂紋的前內(nèi)角，最深甚至可達(dá)到20mm。

隨著線路運(yùn)行速度、車輛軸重、運(yùn)量的增加，魚鱗傷損增長迅速，以包神線下行K155-K158，K22+800-K23+400較為嚴(yán)重，不僅在曲線上股、道岔基本軌、導(dǎo)曲線，在直線地段都有發(fā)生和發(fā)展。

一般通過總重達(dá)到10Mt-15Mt 時(shí)，首先在曲線上發(fā)生然后向直線地段延伸，并由魚鱗裂紋發(fā)展為剝離，掉快、魚鱗下核傷。甚至擴(kuò)展成軌頭橫向裂紋，嚴(yán)重威脅行車安全。

3.4 鋼軌核傷

鋼軌核傷是目前鋼軌最主要的傷損形式之一, 2015年包神線核傷占重傷總數(shù)的56%。鋼軌核傷主要集中發(fā)生在下行曲上股內(nèi)側(cè)。由表1中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可得出，鋼軌核傷發(fā)生在曲上股，隧道、長大橋梁上的較多，鋼軌傷損主要發(fā)生在氣溫較低的 11月至次年3月的防斷期內(nèi)，核傷的發(fā)生與線路平縱斷面技術(shù)條件、道床彈性、運(yùn)量、軸重等因素緊密相關(guān)。

3.5 焊縫傷損

鋼軌焊接長鋼軌線路是無縫線路鋪設(shè)的首要條件 , 也是無縫線路鋪設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，不管是哪種類型的焊縫（接觸焊、氣壓焊、鋁熱焊），焊接接頭的質(zhì)量與后期的焊接傷損密切相關(guān)。焊縫及熱影響區(qū)的金屬力學(xué)性能降低是造成焊縫傷損的主要原因。焊縫與鋼軌母材相比, 其抗拉強(qiáng)度、硬度分別約為母材的 95%和 93%左右，機(jī)械性能相對降低,因此,受列車長期動(dòng)靜載荷的碾壓和沖擊,線路極易形成肥邊及各種病害,就會(huì)造成線路軌枕空吊板、道碴坍白, 如果不及時(shí)打磨,無縫線路最薄弱處的焊縫可能造成沖擊破壞,形成惡性循環(huán),從而發(fā)展成焊縫傷損,進(jìn)而造成鋼軌折斷。進(jìn)入2013 年以來, K95曾發(fā)生過焊縫脆斷 ,雖然每年焊縫重傷鋼軌一直保持在6根以下，但是隨著鋼軌疲勞期的到來，國鐵無縫線路焊縫傷損一般要占到傷損總數(shù)的30%，所以焊縫探傷仍然不可掉以輕心。

3.6 剝離掉塊

自包神線萬噸列車開行以來,尤其是在小半徑曲線地段，如K85-K86處曲上股軌面剝離掉塊嚴(yán)重。軌面的剝離掉塊在列車的碾壓下, 形成應(yīng)力源 ,鋼軌在車輪的反復(fù)沖擊下, 極易造成斷軌 。

3.7 軌面擦傷

以布爾臺(tái)、上灣等運(yùn)量較大的專用線、磁窯灣8、9道、下行K142大坡道處重車車輪空轉(zhuǎn)擦傷最為嚴(yán)重 ,擦傷最大深度甚至達(dá)11 mm。

3.8 裂紋

螺孔裂紋在有縫或無縫線路鋼軌傷損中均占有較高比例。尤其是在普通線路中，螺栓孔裂紋傷損主要與母材質(zhì)量、螺孔質(zhì)量、線路接頭養(yǎng)護(hù)水平等有關(guān)。螺孔裂紋主要發(fā)生在列車通過時(shí)接頭受力較大的始入端第一孔及隧道中的有縫線路上。螺栓孔裂紋大部分產(chǎn)生于第一螺栓孔內(nèi)壁上，也可能在孔壁一處或多處發(fā)生，螺栓孔裂紋產(chǎn)生的時(shí)間是隨機(jī)的，在鋼軌服役的整個(gè)過程中都可能出現(xiàn)。

4 鋼軌傷損控制方案的探討

4.1 傷損原因分析

隨著通過總重的積累, 鋼軌在役期間不可避免地要發(fā)生各種各樣的傷損，其原因則主要是鋼軌制造工藝造成內(nèi)外部存在各種缺陷,鋼軌存在的氫致白點(diǎn)、氣泡、夾渣、偏析、疤瘤、剝離、擦碰傷、焊接質(zhì)量不良、等都可能進(jìn)一步發(fā)展為鋼軌傷損。

針對鋼軌傷損，大量科研人員從線路平縱斷面、軌道結(jié)構(gòu)、機(jī)車車輛構(gòu)造、機(jī)車軸重、母材的元素成分、鋼軌冶煉工藝、鋼軌軋制工藝以及鋼軌的殘余應(yīng)力等方面進(jìn)行過探討，但是結(jié)果均不理想。

4.2 傷損控制策略

眾所周知，鋼軌類型與重載運(yùn)輸不匹配是鋼軌磨耗嚴(yán)重和發(fā)生傷損的主要原因。根據(jù)包神鋼軌傷損的情況, 從鋼軌的打磨 、修理、道床整修 、探傷方法等方面入手, 對大軸重、大運(yùn)量的重載運(yùn)輸條件下,鋼軌傷損的預(yù)防 、整治有著積極的指導(dǎo)作用。

（1）加強(qiáng)道床整修是減少鋼軌傷損的有效基礎(chǔ)工作,道床整修能夠提高軌道彈性 、減少列車對鋼軌的沖擊載荷。目前包神線道床大機(jī)搗固清篩安排在每年集中進(jìn)行 ,受到較大的局限性,還不能做到全面覆蓋。適當(dāng)增加大機(jī)清篩搗固次數(shù)，及時(shí)消除軌道的不平順及幾何尺寸超限處所，改善線路的平順度，尤其是加強(qiáng)焊縫接頭處的維修保養(yǎng)，使道床飽滿密實(shí)，加強(qiáng)對爬行地段鋼軌的應(yīng)力放散，從而減少應(yīng)力集中，改善鋼軌受力情況，為減少鋼軌傷損提供良好基礎(chǔ)。

（2）對發(fā)生嚴(yán)重側(cè)磨的區(qū)段處所, 可重新進(jìn)行超高設(shè)置, 可考慮設(shè)置欠超高，涂油脂等方法減少磨耗速度。鋪設(shè)熱塑體彈性膠墊 、軌枕更換為Ⅲ型軌枕、及時(shí)補(bǔ)充道床道砟、保證道床厚度、保持清潔度等手段提高軌道彈性,改善軌道的平順性，以減少車輪對軌道的沖擊，改善輪軌接觸狀況，從而減少接觸性疲勞傷損的發(fā)生和發(fā)展 ?？射佋O(shè)更高的耐磨性、抗疲勞性、抗表面魚鱗和焊接性能更好的U75V鋼軌,提高鋼軌材質(zhì)是減少傷損的關(guān)鍵。

（3）有效提高焊接工藝減少焊縫傷損是減少鋼軌傷損的重點(diǎn)。因焊縫硬度與母材不同,在使用中產(chǎn)生易產(chǎn)生低塌和壓寬現(xiàn)象，從而形成應(yīng)力集中點(diǎn),極易造成斷軌， 很難適應(yīng)重載鐵路的需求。

（4）加強(qiáng)探傷管理是早發(fā)現(xiàn)鋼軌傷損的第一防線。 適時(shí)調(diào)整探傷周期，嚴(yán)格執(zhí)行三級復(fù)查制度，落實(shí)三級數(shù)據(jù)回放制度，加強(qiáng)探傷培訓(xùn)工作。

隨著包神運(yùn)量和軸重的不斷增長 , 如何加強(qiáng)探傷工作還需要繼續(xù)進(jìn)行深入研究 ,努力延長重載運(yùn)輸條件下的鋼軌使用壽命周期。

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DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.078