淺談無縫線路鋼軌探傷周期

靳芮嫚

（北京鐵路局北京工務(wù)段，北京 100021）

1 研究背景

鐵路無縫線路是在我國鐵路經(jīng)過1997-2007年6次提速后，為適應(yīng)新型動(dòng)力車組輕體車輛結(jié)構(gòu)，滿足動(dòng)車組高速運(yùn)行時(shí)，保證線路鋼軌設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定、性能良好的軌道結(jié)構(gòu)而提出的。自2007年4月我國自主研發(fā)CRH動(dòng)車組后，在全國范圍內(nèi)開始了大規(guī)模的升級與鋪設(shè)。

無縫線路自鋪設(shè)至今，擔(dān)負(fù)起了運(yùn)量繁重的鐵路客運(yùn)、貨運(yùn)運(yùn)輸任務(wù)，經(jīng)歷十余年的服役后，開始出現(xiàn)疲勞狀態(tài)，鋼軌內(nèi)部材質(zhì)中的細(xì)微裂紋、焊縫部位的氣孔夾雜等傷損逐漸發(fā)展擴(kuò)大，逐步形成影響列車運(yùn)營的安全隱患，因此檢測鋼軌質(zhì)量的無損檢測工作，正逐步體現(xiàn)出越來越大的價(jià)值。

目前，我國普遍采用的鐵路無損檢測方式為超聲波探測法，通過波的折射、反射等物理特性及超聲波的固有頻率對線路鋼軌的內(nèi)部情況進(jìn)行檢測。鋼軌內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生與發(fā)展是一個(gè)緩慢且復(fù)雜的過程，特別是無縫線路這等電氣化程度更高的線路設(shè)備，傷損的出現(xiàn)會受到多種應(yīng)力作用、幾何尺寸、形變等物理變化，及制造工藝、材料特性等化學(xué)變化的影響。

2 主要影響因素

2.1 焊縫部位

無縫線路是由鋼軌與鋼軌之間通過焊接的方式結(jié)合成一體，是電氣化鐵路的重要組成部分。目前廣泛采用的鋼軌焊接方式主要有鋁熱焊、氣壓焊、閃光焊三種，其中現(xiàn)存最多的焊縫為鋁熱焊縫。鋁熱焊縫受焊接工藝、焊接人員操作技藝影響較大，焊接時(shí)密貼閉合空間不嚴(yán)密、焊接溫度不夠或焊接人員操作不精細(xì)等因素都可能導(dǎo)致焊縫內(nèi)部產(chǎn)生夾渣、夾雜、氣孔等缺陷，為之后投入運(yùn)營埋下安全隱患。

焊接步驟完成后，在焊口外側(cè)會留下一道不規(guī)則的焊筋，需對焊筋進(jìn)行人工打磨，打磨平順后才能允許列車通過。焊縫部位的鋼軌軌頭內(nèi)部容易產(chǎn)生疲勞裂紋，從焊縫到焊縫兩側(cè)各延伸至200 mm范圍是一個(gè)探傷檢測中的重點(diǎn)部位，鋁熱焊縫的探傷周期一般定為180天，使用超聲波焊縫探傷儀對焊縫進(jìn)行檢測，在曲線地段、重載地段可適當(dāng)縮短探傷周期。

2.2 母材部位

2.2.1 幾何尺寸的影響

無縫線路鋼軌狀態(tài)受軌道結(jié)構(gòu)、線路幾何尺寸影響較大，列車通過時(shí)對鋼軌的沖擊會造成鋼軌微小形變，同時(shí)應(yīng)力會傳遞至鋼軌內(nèi)部，影響程度與不同尺寸下鋼軌斷面的受力點(diǎn)位置與受力大小有關(guān)[1]，應(yīng)通過精準(zhǔn)測算鋼軌受力點(diǎn)與受力范圍，科學(xué)地制定探傷周期。

列車通過時(shí)對鋼軌的沖擊力傳遞至鋼軌內(nèi)部后，可根據(jù)物理要素分為接觸應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)力、附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力等受力方式，同時(shí)，線路鋼軌根據(jù)鋪設(shè)環(huán)境的不同還會受到溫度應(yīng)力的影響。受力點(diǎn)的計(jì)算可通過結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)公式計(jì)算完成，過程不做贅述，現(xiàn)將鋼軌受力范圍、應(yīng)力特征及其對內(nèi)部傷損的影響總結(jié)如下。

表1 鋼軌受力范圍、應(yīng)力特征及其對內(nèi)部傷損的影響

2.2.2 鋼軌型號的影響

目前我國普遍使用的鋼軌型號有60 kg/m軌、50 kg/m軌及43 kg/m軌。整體來說，鋼軌的剛度隨型號的增大而提高。列車通過時(shí)會在列車輪對與鋼軌的接觸面（后文簡稱接觸面）形成剪應(yīng)力，剪應(yīng)力會對鋼軌造成彎曲形變，鋼軌剛度越高，彎曲形變越??；形變越小，傷損發(fā)展越緩慢。

2.2.3 螺孔受力的影響

在鋼軌接頭至接頭兩側(cè)各延伸3 m范圍內(nèi)，列車會對接觸面形成正應(yīng)力及剪應(yīng)力，正應(yīng)力沿橫斷面?zhèn)鬟f，剪應(yīng)力沿縱斷面?zhèn)鬟f，兩股應(yīng)力傳遞至軌腰處，在螺孔位置形成應(yīng)力集中[2]。在兩股應(yīng)力長期反復(fù)作用下，螺孔附近極易產(chǎn)生疲勞傷損，且細(xì)微裂紋發(fā)展較快，根據(jù)力的傳遞規(guī)律，第一螺孔受影響最大，第二孔較小。當(dāng)內(nèi)部細(xì)微裂紋發(fā)展至鋼軌表面時(shí)成為表面裂紋，在螺孔所在的幾何面中，人為添加一條正線一條法線，將幾何面沿逆時(shí)針方向分割為第Ⅰ象限、第Ⅱ象限、第Ⅲ象限及第Ⅳ象限，裂紋沿橫斷面不斷發(fā)展，會成為第Ⅰ、Ⅲ象限螺孔裂紋；沿縱斷面不斷發(fā)展，會形成第Ⅱ、Ⅳ象限螺孔裂紋。螺孔裂紋繼續(xù)發(fā)展會直接造成鋼軌折斷。

2.2.4 線路曲線的影響

為平衡鐵路線路對生活、生產(chǎn)的需要，不僅存在直線線路，還需鋪設(shè)曲線線路。在曲線線路上，接觸面承受的縱向沖擊力遠(yuǎn)高于直線線路。而且為滿足列車通過時(shí)的平衡、減少傾斜，專門為線路設(shè)計(jì)了超高，以保障列車平穩(wěn)通過。但是曲線超高的存在會在列車通過時(shí)形成轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，對鋼軌形成彎曲應(yīng)力，彎曲應(yīng)力容易使鋼軌軌頭內(nèi)部形成核狀傷損，我們稱之為核傷，彎曲應(yīng)力與鋼軌型號成反比，但形成的核傷與鋼軌型號不成比例，整體上呈無規(guī)律分布。

2.2.5 溫度應(yīng)力的影響

線路鋼軌因鋪設(shè)環(huán)境的不同而受到不同程度溫度應(yīng)力的影響，因鋼軌材質(zhì)特性表現(xiàn)為受高溫、低溫及溫度驟然變化時(shí)會導(dǎo)致鋼軌傷損的快速發(fā)展。根據(jù)規(guī)律總結(jié)出在我國北方冬季季節(jié)是鋼軌傷損的高發(fā)期，入冬、上凍及春融期的時(shí)間節(jié)點(diǎn)是探傷工作的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

2.2.6 其他特殊區(qū)段的影響

除上述線路區(qū)段外，還有部分區(qū)段的特性會對線路鋼軌造成影響，如橋梁、隧道、涵洞等，應(yīng)根據(jù)具體區(qū)段的特性針對性地定制鋼軌探傷周期。

3 線路探傷周期的制定與調(diào)整

通過上述內(nèi)容，我們分析了導(dǎo)致鋼軌傷損產(chǎn)生與發(fā)展的諸多因素，我們也當(dāng)以此為依據(jù)，為鋼軌無損檢測工作制定探傷周期。在一個(gè)線路大修周期內(nèi)，根據(jù)運(yùn)輸運(yùn)量的不同對所處時(shí)期分為早期、穩(wěn)定期、發(fā)展期及高發(fā)期，在不同時(shí)期內(nèi)應(yīng)該對探傷周期進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，調(diào)整方法如表2所示。

表2 不同時(shí)期內(nèi)探傷周期的調(diào)整方法