高速鐵路鋼軌服役狀態(tài)及病害整治研究

李闖 張銀花 田常海 王宗新 石彤 劉豐收

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081）

與傳統(tǒng)鐵路相比，高速鐵路具有運(yùn)行速度快、乘坐舒適、正點(diǎn)率高等優(yōu)點(diǎn)。截至2018 年底，我國已開通運(yùn)營高速鐵路70 余條，運(yùn)營里程超過2.9 萬km，占世界高速鐵路運(yùn)營總里程的2/3 以上［1］。鋼軌是軌道交通運(yùn)輸?shù)闹匾考?，在高速鐵路體系中起著至關(guān)重要的作用，其性能直接影響著高速鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?，因此要求鋼軌具有高平直度、鋼質(zhì)潔凈、表面無缺陷、抗疲勞性能良好等特點(diǎn)［2-4］。由于動車組軸重輕，且線路曲線半徑大、坡度小，鋼軌磨耗輕微，因此鋼軌病害及其整治對策成為制約鋼軌使用的關(guān)鍵因素［5-7］。

結(jié)合我國高速鐵路運(yùn)營現(xiàn)狀，對多條典型高速鐵路鋼軌服役情況進(jìn)行調(diào)研，全面掌握高速鐵路鋼軌服役狀態(tài)，分析共性和多發(fā)性問題及其產(chǎn)生原因，總結(jié)養(yǎng)護(hù)維修管理現(xiàn)狀與成功經(jīng)驗，并提出高速鐵路用鋼軌設(shè)計、施工、養(yǎng)護(hù)維修方面建議。

1 鋼軌服役狀態(tài)及養(yǎng)修現(xiàn)狀

1.1 鋼軌服役狀態(tài)

對多個鐵路局管轄的17 條典型高速鐵路的鋼軌傷損數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，目前服役情況總體良好。主要傷損形式為焊接接頭傷損、鋼軌擦傷，分別占比44.4%，36.4%；道岔用鋼軌傷損主要包括鋼軌魚鱗紋及掉塊、直尖軌裂紋、鋼軌肥邊，分別占比6.4%，3.7%，3.3%；鋼軌母材傷損僅占0.6%；其他傷損占5.2%，包括鋼軌硌傷、小半徑曲線區(qū)段上股鋼軌側(cè)磨、鋼軌銹蝕等。

1.2 鋼軌養(yǎng)修現(xiàn)狀

鐵運(yùn)〔2012〕83 號《高速鐵路無砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》［8］、鐵運(yùn)〔2013〕29 號《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則（試行）》［9］（以下并稱修規(guī)）對鋼軌探傷、鋼軌外觀及傷損檢查工作有詳細(xì)規(guī)定。調(diào)研結(jié)果顯示，各鐵路局均能按規(guī)定完成。各工務(wù)段根據(jù)線路特點(diǎn)對部分內(nèi)容進(jìn)行細(xì)化，增加探傷及檢查頻次，并在各路局線路維修管理辦法中進(jìn)行詳細(xì)規(guī)定，如探傷車正線探傷由修規(guī)要求的每年7 遍增至8 遍。探傷儀探傷檢查執(zhí)行情況見表1，鋼軌外觀及傷損檢查執(zhí)行情況見表2。

表1 鋼軌探傷儀檢查執(zhí)行情況 次/年

表2 鋼軌外觀及傷損檢查執(zhí)行情況 次/年

高速鐵路鋼軌打磨包括預(yù)打磨、預(yù)防性打磨、修理性打磨。根據(jù)修規(guī)，軌道精調(diào)完成后進(jìn)行預(yù)打磨；鋼軌出現(xiàn)波磨、魚鱗裂紋等傷損時，應(yīng)及時進(jìn)行修理性打磨；預(yù)防性打磨按通過總質(zhì)量和鋼軌運(yùn)用狀態(tài)確定，原則上每30～50 Mt（通過總質(zhì)量）打磨1 次，最長不宜超過2 年。調(diào)研結(jié)果顯示，正線鋼軌均完成開通前預(yù)打磨；出現(xiàn)鋼軌表面?zhèn)麚p時均及時進(jìn)行修理性打磨；對于預(yù)防性打磨，各路局多為分區(qū)段完成，打磨周期多為1～3年。

由于高速鐵路列車軸重輕、曲線半徑大、線路條件好，鋼軌廓形變化相對較小，對于鋼軌狀態(tài)較好的地段，2 年進(jìn)行1 次預(yù)防性打磨過于頻繁，建議根據(jù)鋼軌實(shí)際服役狀態(tài)安排預(yù)防性打磨。

2 鋼軌病害及整治對策

2.1 焊接接頭傷損

焊接接頭傷損為高速鐵路最普遍的鋼軌傷損形式。目前，我國高速鐵路線路鋼軌焊接有3種方式，即工廠閃光焊接、現(xiàn)場閃光焊接、鋁熱焊接，其接頭傷損占比分別為15%，33%，52%。

對一高速鐵路區(qū)段的焊接接頭傷損情況進(jìn)行統(tǒng)計。傷損焊接接頭數(shù)量為焊接接頭總量的1.14%，其中重傷0.25%、輕傷0.89%。不同焊接接頭傷損情況見表3，計算時每種焊接方式的重傷率、輕傷率、總傷損率均以該焊接方式的接頭總量為分母。

表3 不同焊接接頭的傷損情況 %

由表3可知：

1）工廠閃光焊接頭的傷損比例遠(yuǎn)低于現(xiàn)場閃光焊和鋁熱焊。這是因為工廠閃光焊接頭在焊軌基地完成，實(shí)行流水線作業(yè)，生產(chǎn)管理更加規(guī)范，生產(chǎn)過程中很少因管理問題出現(xiàn)質(zhì)量把控不良的情況；工廠閃光焊接設(shè)備為固定安裝在生產(chǎn)車間內(nèi)的大型裝備，技術(shù)更加先進(jìn)，尤其是固定式鋼軌閃光焊機(jī)在焊接功率、機(jī)械結(jié)構(gòu)和剛度、設(shè)備穩(wěn)定性等方面比移動式鋼軌閃光焊機(jī)具有非常明顯的優(yōu)勢?，F(xiàn)場閃光焊及鋁熱焊在施工現(xiàn)場完成焊接，其生產(chǎn)過程受現(xiàn)場多種因素影響，傷損率相對較高。

2）鋁熱焊接頭的重傷率遠(yuǎn)高于工廠閃光焊和現(xiàn)場閃光焊。這是因為工廠閃光焊和現(xiàn)場閃光焊均采用大型自動化機(jī)械裝備進(jìn)行，而鋁熱焊生產(chǎn)過程中多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)依靠人工操作，其質(zhì)量無法保障。

對該區(qū)段焊接接頭傷損按發(fā)生位置進(jìn)行統(tǒng)計。發(fā)生在軌頭、軌腰、軌底的傷損焊接接頭數(shù)量分別為焊接接頭總量的0.26%，0.10%，0.78%。3 種焊接接頭在鋼軌各位置的傷損率見表4，計算時每種焊接方式發(fā)生在各位置的傷損率均以該焊接方式的接頭總量為分母。

表4 不同焊接接頭在各位置的傷損率 %

由表4 可知，軌底出現(xiàn)傷損的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于軌頭和軌腰，其中現(xiàn)場閃光焊接頭尤其明顯。這是因為鋼軌軌腳位置厚度小且處于邊緣，在焊接過程中其溫度場不易控制，容易受到外界環(huán)境（氣溫、風(fēng)、灰塵等）的影響，所以出現(xiàn)傷損的概率較高；現(xiàn)場閃光焊接在露天環(huán)境中實(shí)施，更加容易受到環(huán)境影響，而且焊后熱處理工序主要依靠人工控制質(zhì)量，如加熱溫度不夠極易導(dǎo)致軌底三角區(qū)晶粒相對粗大，在探傷時形成界面反射。

針對焊接接頭傷損的整治建議如下：

1）發(fā)現(xiàn)焊縫傷損后立即進(jìn)行傷損確認(rèn)，根據(jù)傷損程度采用加固傷損焊縫、加強(qiáng)觀測、限速運(yùn)行、切除焊縫插入短軌等措施；

2）學(xué)習(xí)鋼軌焊接工廠的管理經(jīng)驗，加強(qiáng)監(jiān)督，促進(jìn)生產(chǎn)管理的規(guī)范性；

3）加強(qiáng)對現(xiàn)場閃光焊的監(jiān)管，規(guī)范新線建設(shè)中現(xiàn)場鋼軌焊接管理；

4）改進(jìn)設(shè)備，在現(xiàn)場閃光焊中推廣大型自動化裝備，如在焊后熱處理工序中采用大型感應(yīng)熱處理裝備可將人為因素的影響降到最低；

5）加強(qiáng)包括鋁熱焊在內(nèi)的現(xiàn)場施工裝備的自動化和智能化研發(fā)力度，盡量減少人為因素的影響；

6）督促鋁熱焊生產(chǎn)廠家完善鋁熱焊劑生產(chǎn)質(zhì)量，提高鋁熱焊的焊接質(zhì)量。

2.2 鋼軌擦傷

擦傷是鋼軌表面最常見的傷損形式。擦傷本質(zhì)是輪軌接觸面摩擦產(chǎn)生高溫，同時高的接觸應(yīng)力降低了材料的相變溫度，導(dǎo)致軌頭頂面金屬組織產(chǎn)生相變，由珠光體組織轉(zhuǎn)變成硬而脆的白層（圖1），白層組織在外力作用下易于破碎和斷裂，最終形成裂紋或掉塊。擦傷主要有4 種類型：①機(jī)車啟動時車輪空轉(zhuǎn)造成的擦傷。多呈橢圓或長條形，一般擦傷深度較深。②下坡制動造成的擦傷。通常呈連續(xù)的長條形，擦傷深度與車輛載重相關(guān)。③抱閘行駛造成的軌面縱向連續(xù)擦傷。多呈條狀分布，擦傷深度相對較淺。④輪軌接觸面相對滑動造成的擦傷。多呈條狀分布，擦傷深度相對較淺。

圖1 擦傷形貌

現(xiàn)場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，多數(shù)高速鐵路開通3 年內(nèi)都會出現(xiàn)鋼軌擦傷，除個別連續(xù)擦傷外，擦傷間距多為1.8 m，符合內(nèi)燃機(jī)車（DF系列）輪對間距尺寸?？梢姡咚勹F路鋼軌的擦傷多數(shù)不是動車組造成的，而是在建設(shè)或運(yùn)營過程中由工程車所致。

對一高速鐵路區(qū)段的不同坡度條件下鋼軌擦傷占比情況進(jìn)行統(tǒng)計。坡度為0的地段擦傷僅占總擦傷的7.5%；坡度在0～5‰，5‰～10‰，大于10‰時的擦傷占比分別為36.2%，22.3%，34.0%?？梢姡L大坡道容易產(chǎn)生鋼軌擦傷。這是由于建設(shè)初期工程車運(yùn)輸組織單線允許正反運(yùn)行，坡道位置啟動與制動擦傷均有可能發(fā)生。

統(tǒng)計該區(qū)段不同坡度條件下重傷在擦傷中的占比，結(jié)果顯示：坡度為0 時未見重傷，即重傷率為0；坡度在0～5‰，5‰～10‰，大于10‰時的重傷率分別為3%，14%，50%?？梢?，隨坡度增大，擦傷的重傷率逐漸增加。這是因為坡度越大機(jī)車啟動或制動越困難，對鋼軌擦傷越嚴(yán)重。

針對鋼軌擦傷的整治建議如下：

1）在高速鐵路坡度較大地段，在建設(shè)尤其鋪軌過程中應(yīng)預(yù)防機(jī)車啟動或制動擦傷。鋪軌階段密切監(jiān)控機(jī)車運(yùn)行情況，改進(jìn)施工工藝，加強(qiáng)運(yùn)營接管單位的介入監(jiān)控，預(yù)防鋪軌車對鋼軌造成不利影響。

2）一旦出現(xiàn)機(jī)車啟動或制動擦傷，應(yīng)在高速鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試前進(jìn)行處理。

3）加強(qiáng)對長大坡道、信號燈附近鋼軌的檢查，發(fā)現(xiàn)擦傷鋼軌盡快進(jìn)行打磨或更換處理。

4）鋼軌擦傷深度達(dá)到1 mm 及以上時應(yīng)換軌或左右股同時銑磨；鋼軌擦傷深度0.5～1.0 mm 時應(yīng)左右股同時打磨或銑磨；鋼軌擦傷深度0.5 mm 以下時可只打磨擦傷鋼軌。當(dāng)通過鋼軌修理性打磨等手段已經(jīng)無法徹底消除或鋼軌基體已產(chǎn)生較深裂紋時，須更換鋼軌。打磨或銑磨后用便攜式硬度計對傷損部位進(jìn)行硬度測試，如果布氏硬度不大于鄰近母材硬度的50 HB，則表明已經(jīng)打磨或銑削掉硬化層，否則須繼續(xù)打磨或銑磨，直至硬度合格為止。

2.3 其他傷損

由于道岔用鋼軌傷損與其特殊結(jié)構(gòu)及位置有關(guān)，不在本文研究范圍，而鋼軌母材傷損占比較小，故本文僅分析其他傷損情況。

2.3.1 鋼軌硌傷

鋼軌表面硌傷是由于輪軌間碾入金屬異物而造成的一種鋼軌傷損［10］。鋼軌硌傷可分為2 類：①異物碾壓進(jìn)鋼軌踏面，造成單處傷損；②異物碾壓至車輪踏面，隨車輪轉(zhuǎn)動，對鋼軌造成連續(xù)碾壓，形成鋼軌踏面上的一系列凹坑。2 種硌傷的本質(zhì)是一樣的，其形貌見圖2。

圖2 鋼軌硌傷形貌

針對鋼軌硌傷的整治建議如下：

1）鋼軌硌傷深度1.5 mm 及以上時應(yīng)銑磨或換軌；鋼軌硌傷深度0.5～1.5 mm 時應(yīng)完全打磨或銑磨消除；鋼軌硌傷深度0.5 mm 以下，打磨后硌傷深度應(yīng)控制在0.3 mm以內(nèi)。

2）硌傷打磨過程中可使用渦流探傷儀探測硌傷殘留深度。

2.3.2 小半徑曲線上股鋼軌側(cè)磨

高速鐵路正線曲線半徑大，動車組軸重輕，鋼軌整體磨耗較小，基本無側(cè)磨［6］。但到發(fā)線、聯(lián)絡(luò)線及個別正線的小半徑曲線區(qū)段（半徑R≤800 m）易產(chǎn)生上股鋼軌側(cè)磨（圖3），嚴(yán)重時導(dǎo)致鋼軌因磨耗到限而下道。

圖3 小半徑曲線區(qū)段上股鋼軌側(cè)磨形貌

對高速鐵路小半徑曲線區(qū)段的鋼軌服役狀態(tài)進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計，不同半徑下的側(cè)磨發(fā)生率見表5?？芍?，隨著曲線半徑的減小，上股鋼軌側(cè)磨發(fā)生率呈上升趨勢，在R≤500 m的曲線區(qū)段更容易發(fā)生上股側(cè)磨。小半徑曲線區(qū)段初期鋪設(shè)的鋼軌為熱軋態(tài)鋼軌，由于輪軌間的滑動摩擦及輪緣對軌頭切削造成斷面不斷減小。線路更換在線熱處理鋼軌后，側(cè)磨速率明顯降低［11］。

表5 不同半徑的小半徑曲線區(qū)段側(cè)磨發(fā)生率

針對小半徑曲線鋼軌側(cè)磨的整治建議如下：

1）鋪設(shè)在線熱處理鋼軌，提高鋼軌強(qiáng)度，減少上股鋼軌側(cè)磨；

2）通過軌距角處脂潤滑的方式減磨，同時應(yīng)注意潤滑方式，避免影響列車制動；

3）在條件允許的情況下，盡量采用大曲線半徑，并根據(jù)列車實(shí)際通過速度合理設(shè)置曲線超高。

2.3.3 鋼軌銹蝕

高速鐵路鋼軌使用周期相對較長，銹蝕成為影響鋼軌使用的另一重要因素。鋼軌銹蝕多發(fā)生在潮濕有較強(qiáng)腐蝕污染物的地段，根據(jù)其環(huán)境特點(diǎn)主要分為2 種：①沿海、隧道鐵路區(qū)段因潮濕產(chǎn)生鋼軌銹蝕；②普速列車排泄物聚集在扣件處導(dǎo)致的鋼軌銹蝕，宏觀表現(xiàn)為鋼軌基體的局部點(diǎn)蝕或坑蝕。鋼軌銹蝕的初期表面多呈麻點(diǎn)狀，發(fā)展到后期會出現(xiàn)坑蝕現(xiàn)象，最后呈片狀脫落，如圖4所示。

圖4 鋼軌銹蝕形貌

為了延緩鋼軌銹蝕，國內(nèi)外主要采取2 種方法。①涂刷有機(jī)涂料。通過對鋼軌涂刷有機(jī)鋅涂料、焦油環(huán)樹脂、硝基甲酸乙酯等耐腐蝕涂料，隔絕鋼軌基體與腐蝕介質(zhì)，防止鋼軌銹蝕。②選用耐腐蝕鋼軌。在鋼軌鋼材中加入Cr，Cu，Ni，P等合金元素，提高耐腐蝕性能。我國鋼軌生產(chǎn)廠已研發(fā)出耐蝕涂料及耐腐蝕鋼軌，建議在鋼軌銹蝕嚴(yán)重地段推廣使用。

3 結(jié)語

通過對多條高速鐵路鋼軌服役情況的調(diào)研及評估，認(rèn)為目前我國高速鐵路鋼軌的服役情況總體良好，鋼軌母材質(zhì)量穩(wěn)定可靠。對于鋼軌探傷、外觀、傷損檢查工作，各鐵路局均能按規(guī)定完成，鋼軌維護(hù)滿足運(yùn)營需要。高速鐵路鋼軌主要傷損形式為焊接接頭傷損與鋼軌擦傷，二者合計約占傷損總量的80%。焊縫傷損多與現(xiàn)場焊接質(zhì)量有關(guān)；高速鐵路鋼軌的擦傷多為工程車造成的。

線路設(shè)計上，建議高速鐵路聯(lián)絡(luò)線、動車所走行線、城際小半徑曲線、道岔用鋼軌部件采用在線熱處理鋼軌，根據(jù)線路實(shí)際情況選擇鋼種。線路施工時應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)場鋼軌焊接質(zhì)量的監(jiān)管，加強(qiáng)對廠焊軌進(jìn)場檢驗驗收及現(xiàn)場焊接質(zhì)量控制，同時防止工程車對鋼軌造成擦傷等。線路管理上，建議按通過總質(zhì)量和使用狀態(tài)制定鋼軌打磨周期，定期進(jìn)行鋼軌廓形的動態(tài)檢測，減少輪軌形面不匹配導(dǎo)致的問題。