國內外鐵路用鋼軌標準對比分析研究

郅惠博　李洪濤　張含露

【摘 要】選取國內外鐵路用典型鋼軌標準TB/T 2344-2012《43kg/m-75kg/m鋼軌訂貨技術條件》、TB/T 3276-2011《高速鐵路用鋼軌》、BS EN 13674-1：2011《Railway applications-Track-Rail Part1： Vignole railway rails 46 kg/m and above》、ISO 5003-2016《適用于46 kg/m及以上的傳統(tǒng)或高速鐵路用平底鋼軌》和JIS E 1101-2001《熱軋平底鋼軌及道岔用特殊斷面鋼軌》（2006年和2012年進行了局部補充修訂）進行對比研究，分析標準中技術要求存在的差異及其可能造成的安全性影響。通過研究結果可得，較歐洲、日本和國際ISO標準，我國高速鐵路用鋼軌標準在技術要求上已經達到了世界一流水平，部分測試項目及要求較國外標準更為全面和嚴格。

【關鍵詞】高速鐵路;鋼軌;標準;技術要求

中圖分類號： U213.41 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）32-0001-006

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.001

Comparative Analysis and Research on Railway Rail Standards at Home and Abroad

ZHI Hui-bo1 LI Hong-tao1 ZHANG Han-lu2

（1.Technical Center for Industrial Product and Raw Material Inspection and Testing of Shanghai Customs， Shanghai 200135， China;

2.Department of Materials Science， Fudan University， Shanghai 200433， China）

【Abstract】In this paper， the typical railway rail standards used at home and aboard （TB/T 2344-2012、TB/T 3276-2011、BS EN 13674-1：2011、ISO 5003-2016 and JIS E 1101-2001）are selected to compare and analyze their differences on the technical requirements and the potential security influences. According to the research results， compared with the European，Japanese standard and the ISO standard， the TB/T 2344-2012 and TB/T 3276-2011 rail standards for high-speed railway in China have reached the world first-class level in terms of technical requirements， and some test items and requirements are more comprehensive and strict than the foreign standards.

【Key words】High-speed railway; Railway rail; Standard; Technical requirement

0 概述

鐵路是我國交通運輸?shù)闹袌粤α?，是國家發(fā)展戰(zhàn)略中不可缺少的重要一環(huán)。近年來中國鐵路建設快速發(fā)展，據(jù)報道截止2018年底我國已建成的全國鐵路線路超過13.1萬公里，其中高速鐵路2.9萬公里以上。鋼軌質量的優(yōu)劣直接關系到國家利益和人民群眾的財產及生命安全。近年來，隨著中國自身高速鐵路建設的迅速發(fā)展和“一帶一路”走出去的迫切要求，高鐵建設對鋼軌的數(shù)量和質量都提出了更高的要求。2015年，國家發(fā)展改革委、外交部、商務部聯(lián)合發(fā)布了《推動共建絲綢之路經濟帶和21世紀海上絲綢之路的愿景與行動》白皮書，催生了中國投資海外鐵路建設的熱潮。據(jù)不完全統(tǒng)計，在鐵路建設方面，突破國家界限的“歐亞鐵路網計劃”就有8.1萬公里。由于國內外鋼軌遵循不同的質檢標準，因此需要對國內外標準本身進行全面系統(tǒng)地對比分析研究，了解國內外對鋼軌質量的技術要求及質量整體水平。本文選取典型TB/T2344-2012《43kg/m-75kg/m鋼軌訂貨技術條件》、TB/T3276-2011《高速鐵路用鋼軌》、BSEN13674-1：2011《Railway applications-Track-Rail Part1：Vignole railway rails 46kg/m and above》、ISO5003-2016《Flat bottom （Vignole） railway rails》和JISE1101-2001《熱軋平底鋼軌及道岔用特殊斷面鋼軌》（2006年和2012年進行了修訂）進行對比研究，分析標準中技術要求存在的差異及其可能造成的安全性影響。

1 國內外典型鋼軌標準對比分析

1.1 檢測項目對比

TB/T2344-2012《43kg/m-75kg/m鋼軌訂貨技術條件》規(guī)定了4類鋼軌斷面尺寸和5種鋼牌號，適用于時速160km/h以下的普速鐵路;TB/T 3276-2011《高速鐵路用鋼軌》規(guī)定了1種斷面類型和2種鋼牌號，適用于時速200-250km/h和300-350km/h的高速鐵路;BSEN13674-1：2011《鐵路設施.軌道.鋼.46kg/m及以上T型鋼軌》規(guī)定了23種斷面類型，7種不同鋼牌號，2種斷面公差和2種平直度等級，適用于普速鐵路和高速鐵路鋼軌;ISO5003-2016《適用于46kg/m及以上的傳統(tǒng)或高速鐵路用平底鋼軌》規(guī)定了1種斷面類型，19種不同鋼牌號，2種斷面公差和2種平直度等級，適用于普速鐵路和高速鐵路鋼軌;JISE11012001《熱軋平底鋼軌及道岔用特殊斷面鋼軌》規(guī)定了8種斷面類型，14種不同的鋼牌號，適用于普速鐵路和高速鐵路鋼軌。

從表1中可得，國內外典型的五個鐵路用標準之間既相互聯(lián)系又互有不同。中國兩項標準、歐洲標準和國際ISO標準中測試項目大體相同，但落錘測試是歐洲標準和國際ISO標準都沒有列入的。落錘測試既能反應鋼軌的強度，也能反應鋼軌的斷裂韌性和抗沖擊性能。若鋼軌的落錘測試合格，一般情況下靜彎和疲勞試驗性能也不會出現(xiàn)問題，因此，落錘測試可以為鋼軌的質量安全提供多一重保障。日本標準主要傾向于對元素和力學性能的檢測，相比其他標準檢測項目較少。大概源于日本在國鐵轉制、民營化以后并沒有形成統(tǒng)一的鐵路標準體系，且日本國內本身生產鋼軌的質量管控水平世界一流的緣故。

表1 不同標準檢驗項目對比

1.2 尺寸允許偏差對比

尺寸允許偏差是鋼軌安全性能的一項重要考核標準。若精度不達標，則容易在缺陷處發(fā)生應力集中，繼而導致鋼軌破碎乃至斷裂[1]。各國標準中對尺寸允許偏差的技術要求見表2和表3。

從表2中可以看出，中國普速鐵路用鋼軌標準和高速鐵路用鋼軌標準對鋼軌高度、軌頭寬度、軌腰厚度、軌底寬度、斷面、接頭夾板、螺栓孔等都做出了偏差量的具體要求。TB/T2344-2012涵蓋了市面上常見的43kg/m-75kg/m型鋼軌，而TB/T3276-2011只針對60kg/m的軌型。經過對比分析，高速鐵路用鋼軌標準中軌冠飽滿度、軌底寬度、軌底凹入、斷面斜度、螺栓孔的直徑和位置的技術要求都高于普速鐵路用標準。這樣設計的目的是進一步減小高速鐵路用鋼軌的尺寸偏差，以防列車在高速行駛時對線路造成更為劇烈的磨損，帶來安全隱患。表3給出的是歐洲標準、國際ISO標準和日本標準中對于尺寸允許偏差的要求。從表3中可知，歐洲標準和國際ISO標準將取樣鋼軌分為X、Y兩種斷面公差類型，且X類的要求略高于Y類。國際ISO標準在軌冠飽滿度中聯(lián)合考慮了A、B兩種平直度等級，A類的要求略高于B類。歐洲標準在軌道高度項上與其他兩種標準有所區(qū)別，它以165mm為界劃分樣品，對于高度在165mm以下的鋼軌，尺寸精度要求更高。

表2 國內標準對鋼軌尺寸允許偏差的規(guī)定

對比分析國內外標準可知，中國高速鐵路用鋼軌標準在接頭夾板安裝面斜度、斷面斜度、螺栓孔位置和直徑上的要求高于歐洲標準和國際ISO標準中X類的規(guī)定，其余項目所差無幾。中國高速鐵路用鋼軌標準在多數(shù)項目上對正偏差的規(guī)定優(yōu)于日本標準。

1.3 平直度對比

列車的舒適度需通過平穩(wěn)的行駛面來獲得，而鋼軌的平直度則能保證行駛的順暢。若鋼軌平直度不達標，則容易導致軌道受力不均衡而產生偏壓，導致整體使用壽命降低[2-3]。各國標準中規(guī)定的平直度技術要求見表4和表5。

對比分析國內外鋼軌平直度要求可知，除了小腰規(guī)定外，我國高速鐵路用鋼軌標準的技術要求與歐洲標準、國際ISO標準大體相同，只在扭曲的規(guī)定形式上有差別。這說明在平直度項上，我國標準已具有世界一流水平。日本標準在扭曲全長最大間隙要求上比中國高速鐵路用鋼軌標準要求略高。

1.4 化學成分對比

元素是組成物質的基本成分，不同牌號鋼軌間存在性能差異的主要原因之一就是化學元素含量不同。各國現(xiàn)行的鋼軌標準中都明確規(guī)定了鋼軌所含元素的限值，具體要求見表6、表7和表8。從表6中可以看出， U71MnG較U71Mn主要調整了C和Al的含量，進一步縮小了元素的波動范圍，并且降低了有害元素P的含量。歐洲標準和國際ISO標準中規(guī)定的R260和HR260A牌號鋼軌元素含量與U71Mn和U71MnG相似， U71MnG的C元素含量范圍比R260和HR260A更小，這就對生產工藝提出了更高的要求。U75VG較U75V縮小了Si的含量范圍，同時降低了有害元素P的上限值。類似的，U75V和U75VG與國際ISO標準中HR280的元素含量基本對應，U75VG的Si和V元素的含量范圍比HR280更加精確。日本標準中所列的元素種類較少，但C元素規(guī)定的波動范圍更窄，而Si含量整體較低。

從表格7可以看出，在殘余元素方面，歐洲標準R260和國際ISO標準HR260A牌號鋼軌其余類型殘余元素含量較中國標準稍有不同。但由于V元素含量很低，因此影響不甚明顯。日本標準則沒有對殘余元素含量做出規(guī)定。由表格8可知，在H、O、N含量上，中國高速鐵路用鋼軌標準的要求最高，日本標準未做出相關規(guī)定。

1.5 機械性能對比

鋼軌需要承受列車帶來的巨大沖擊載荷，因此必須具有優(yōu)良的機械性能才可以保證行駛安全。鋼軌的強度、韌塑性等機械性能與化學成分、組織結構密切相關[4]。鋼軌的硬度決定了表面滾動接觸疲勞磨損狀況，硬度越高，磨損越少且鋼軌抵抗變形的能力越高[5-6]。TB/T2344-2012和TB/T3276-2011標準中對抗拉強度、斷后伸長率和軌頭頂面硬度的具體要求見表9。從表中可知，不論是用于普速鐵路的鋼軌還是用于高速鐵路的鋼軌，抗拉強度、斷后伸長率和軌頭頂面硬度的規(guī)定是一致的。

表8 不同標準氮、氧、氫元素含量上限

表10給出了歐洲標準、國際ISO標準和日本標準中抗拉強度、斷后伸長率和軌頭頂面硬度的要求。對比結果表明R260（國際ISO標準中為HR260A）和HR280三項數(shù)據(jù)與U71Mn和U75V相同，但是硬度測試的條件有所不同。我國采用的是HBW10/3000的測試條件，而歐洲標準和國際ISO標準采用了HBW2.5/187.5的測試條件。日本標準與其他四項標準有所區(qū)別，整體強度、硬度要求較低。對于60kg/m的鋼軌而言，抗拉強度不低于800MPa，軌頭頂面中心硬度不低于235HBW。

除了抗拉強度、斷后伸長率和軌頭頂面硬度外，疲勞性能、斷裂韌性和疲勞裂紋擴展速率也是衡量鋼軌質量的指標。服役中的鋼軌需要承受來自列車的循環(huán)應力，如果沒有一定的疲勞性能和抗沖擊韌性則容易發(fā)生斷裂[6]。各國標準中對鋼軌疲勞性能、斷裂韌性和疲勞裂紋擴展速率的具體要求見表11。從表中數(shù)據(jù)可知，我國普速鐵路用鋼軌標準及高速鐵路用鋼軌標準、歐洲標準和國際ISO標準四項標準要求一致。日本JISE1101-2001中沒有相關規(guī)定。

1.6 非金屬夾雜物對比

非金屬夾雜物是由煉鋼過程中的爐渣、殘留反應產物等引起的，它會破壞金屬基體的連續(xù)性，導致鋼軌機械性能下降甚至疲勞斷裂。國內標準中非金屬夾雜物的要求見表12。從表12中可以看出，中國高速鐵路用鋼軌標準中A級夾雜物的要求高于B級夾雜物，也高于普速鐵路用鋼軌標準的要求。歐洲標準和國際ISO標準是通過測定氧化物的多少來鑒定鋼軌中非金屬夾雜物情況的，規(guī)定供貨總量的95%不得超過1級，5%不得超過1.5級[7-8]。但國際ISO標準中除了上述方法外，還可以根據(jù)ISO4967-2013《Steel-Determination of content of nonmetallic inclusions-Micrographic method using standard diagrams》標準進行非金屬夾雜物檢測，要求見表13。此方法對每一類非金屬夾雜物的級別規(guī)定相較中國標準更為寬松一些。日本標準中沒有非金屬夾雜物的相關規(guī)定。

我國標準對于鋼軌中非金屬夾雜物的檢測要求更加全面。高速鐵路用鋼軌標準較之普速鐵路用鋼軌標準和國際ISO標準要求更高，可以進一步保證鋼軌的潔凈度，從而降低由于內部缺陷而導致斷軌的風險。

1.7 顯微組織對比

中國標準、歐洲標準和國際ISO標準中均規(guī)定鋼軌的顯微組織需以珠光體為主，可以存在少量的鐵素體，但不允許存在馬氏體、貝氏體和晶界滲碳體[7-10]。日本標準未提及相關規(guī)定。

珠光體是鐵素體片和滲碳體片交替形成的，在性能上要優(yōu)于單一的鐵素體組織或者滲碳體組織。珠光體的片層間距是影響鋼軌宏觀機械性能的主要因素之一，片層間距越小，相界面越多。相界面可以阻礙位錯的進一步發(fā)展，因此可以提高鋼軌抵抗塑性變形和斷裂的能力[11]。片層間距的大小和鋼軌軋制時的冷卻速度以及奧氏體向珠光體轉變的溫度有關，而轉變溫度又與鋼軌中的合金元素有關。因此，適當調整鋼軌中的化學成分可以改善片層間距，進而改善鋼軌的機械性能[12]。目前而言，珠光體組織能使鋼軌材料的強度和韌性最大化。近幾年，低碳低合金鋼貝氏體鋼軌逐漸成為各國的研究熱點[13]。

1.8 脫碳層深度對比

脫碳層是指材料中的碳被氧化后形成的層帶。在鋼軌中發(fā)生脫碳的部位通常以珠光體+鐵素體的顯微組織為主。這是因為碳含量較少時，鋼在降溫過程中先析出鐵素體，繼續(xù)降溫到共析溫度時才會產生珠光體。脫碳的情況越是嚴重，這部分組織中鐵素體就會越多。一般情況下，鋼軌在軋制過程中表面溫度較高，容易造成碳氧化，在隨后的冷卻過程中就形成脫碳層。

表12 國內不同標準非金屬夾雜物級別要求對比表

表13 ISO 5003：2016標準中非金屬夾雜物級別要求

TB/T3276-2011、TB/T2344-2012、BSEN13674-1-2011和ISO5003：2016標準中均規(guī)定鋼軌的脫碳層深度不得超過0.5 mm，否則容易導致鋼軌出現(xiàn)較為嚴重的磨損，同時降低接觸疲勞壽命。

1.9 其他檢測對比

通過表1可知，不同國家低倍測驗的方法有所不同。TB/T3276-2011和TB/T2344-2012采用熱酸蝕檢驗，BSEN13674-1：2011和JISE1101-2001《熱軋平底鋼軌及道岔用特殊斷面鋼軌》采用硫印檢驗，2016年公布的ISO5003：2016《適用于46kg/m及以上的傳統(tǒng)或高速鐵路用平底鋼軌》將兩種方法都納入其中，具體實施則依照買賣雙方協(xié)商確定[14]。酸蝕檢驗一般針對的是鋼材料，考察材料是否存在縮孔、氣泡、裂紋、夾雜、翻皮、白點、晶間裂紋等缺陷。硫印是用感光相紙顯示試樣的硫偏析，主要用于鋼鐵行業(yè)鑄坯質量的檢驗。

除日本標準外，各國標準均規(guī)定軌底殘余應力不應超過250MPa。否則在列車循環(huán)應力的作用下，容易引發(fā)鋼軌斷裂。在我國滬漢蓉通道-合武線高鐵的建設期間，曾出現(xiàn)過從歐洲進口的Corus Rail France公司生產的高鐵鋼軌殘余應力超標不合格退運的情況。

落錘測試是中國標準中獨有的檢測項目。要求在成品鋼軌中取樣，經1000kg重錘從9.1m的高度自由下落錘擊一次后不發(fā)生斷裂，并在質量證明書中給出撓度值以反應鋼軌的強度、韌塑性和抗沖擊性能。

2 結論展望

綜上所述，我國制定的普速鐵路用鋼軌標準，雖在各項技術指標上相對而言較為寬松，但總體上已經非常趨近于高速鐵路用鋼軌標準，這也體現(xiàn)出我國鋼軌標準是隨著鐵路和冶金行業(yè)的發(fā)展而不斷更新，逐漸走向科學合理的。較歐洲、日本標準和國際ISO標準，我國高速鐵路用鋼軌標準在技術要求上已經達到了世界一流水平，部分測試項目及要求較國外標準更為全面和嚴格。對于一流的中國高鐵鋼軌標準應積極地向世界推廣，這有利于在“一帶一路”海外鐵路建設項目中一步步將中國標準打造成良好的品牌名片。

此外，進口鋼軌屬于高風險敏感商品，原質檢總局2016年發(fā)布的《關于加強鋼絲繩、鍋爐管等涉及安全的進口金屬材料質量安全監(jiān)管的通知》[質檢檢函（2016）65號]中就特別強調要高度重視進口鋼絲繩、鋼軌等金屬材料產品的檢驗監(jiān)管工作。2017年原質檢總局和國家標準化管理委員會頒布了《關于<水泥包裝袋>等1077項強制性國家標準轉化為推薦性國家標準的公告》，其中規(guī)定涉及鋼軌檢驗的強制性標準轉化為推薦性標準。由于強制性標準轉化為推薦性標準，海關對于事關人民群眾生命和財產安全的進口鋼軌質量的檢驗工作面臨著檢驗依據(jù)不統(tǒng)一、無強制性標準的局面，在“放管服”和通關便利化大背景下，該公告的頒布對我國口岸進口鋼軌的快速有效檢驗工作提出了新的挑戰(zhàn)。因此，通過本文對國內外鐵路用鋼軌標準的對比分析研究，可以一定程度上了解國內外對鋼軌質量技術要求及質量整體水平，為海關對于進口鋼軌的檢驗監(jiān)管工作進行技術支撐，創(chuàng)新檢驗監(jiān)管新體系建設。

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