普速鐵路繁忙干線鋼軌服役現(xiàn)狀的調(diào)查分析

田常海 劉佳朋 石彤 周韶博 王晨陽 梁旭

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

我國普速鐵路繁忙干線鋪設(shè)60 kg/m U75V（PD3）或U71Mn鋼軌。我國先后發(fā)布和完善了鋼軌標(biāo)準(zhǔn)，加強了鋼軌批檢驗和駐廠質(zhì)量監(jiān)督［1］，鋼軌冶金質(zhì)量和制造質(zhì)量明顯提高。從2008年開始每年對各鐵路局焊軌基地的焊接質(zhì)量進行大檢查，廠焊焊接質(zhì)量明顯提高［2］。鋼軌定尺由25 m提高到50 m和100 m，從2009年開始鋪設(shè)100 m定尺鋼軌［3］。2014年全面鋪設(shè)100 m定尺鋼軌，鋪設(shè)100 m定尺鋼軌比鋪設(shè)25 m定尺鋼軌焊接接頭數(shù)量減少3/4，從而降低了焊接接頭傷損數(shù)量。

2014年中國鐵路總公司發(fā)布《普速鐵路鋼軌打磨指導(dǎo)意見》后各鐵路局加強了廓形打磨，繁忙干線鐵路直線區(qū)段及大半徑曲線區(qū)段鋼軌每1.5～2.0年打磨一次，鋼軌廓形打磨改善了輪軌接觸關(guān)系，降低了鋼軌劣化速率。同時，線路基本實現(xiàn)了無縫化，軌道結(jié)構(gòu)得以加強，車輛轉(zhuǎn)向架性能也得到改善。這些措施減輕了鋼軌沖擊，改善了鋼軌服役現(xiàn)狀。

隨著鋼軌服役條件改善，普速鐵路鋼軌大修周期由原來的累計通過總質(zhì)量700 Mt提高到1000 Mt，并納入了TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》。大修周期的延長將影響舊軌使用，為修訂Q/CR 407—2018《鐵路舊軌使用和整修技術(shù)條件》，急需調(diào)研將作為再用軌使用的干線鋼軌服役現(xiàn)狀。2020年課題組測試了累計通過總質(zhì)量800～1100 Mt線路鋼軌性能、焊接接頭平直度和傷損情況。測試區(qū)段累計通過總質(zhì)量、定尺長度等見表1。其中，除了京九鐵路上行K289+518—K372+777、京滬鐵路上行K138+700—K158+910區(qū)段鋪設(shè)U71Mn鋼軌，其余線路區(qū)段均鋪設(shè)U75V鋼軌。

表1 測試區(qū)段鋼軌服役情況

1 鋼軌硬度測試及分析

鋼軌踏面硬度與鋼軌材質(zhì)的強度正相關(guān)［4］，故通過測試鋼軌踏面硬度可間接獲得鋼軌抗拉強度的劣化情況。

在每個線路區(qū)段隨機選擇測試位置，測試鋼軌踏面中心區(qū)域布氏硬度。測試位置距離焊接接頭區(qū)域200 mm以上，測點間距100 mm，每個測試位置測試5個點，結(jié)果見表2。其中，硬化率=（測試硬度值-初始硬度值）/初始硬度值。由表2可知：普速鐵路繁忙干線累計通過總質(zhì)量800～1100 Mt時鋼軌踏面中心硬化率在0～7%，低于大秦重載鐵路鋼軌踏面中心硬化率4%～11%［5］。

表2 布氏硬度測試結(jié)果

2 鋼軌廓形、磨耗和銹蝕深度測試及分析

對測試區(qū)段鋼軌廓形、磨耗和銹蝕深度進行了測試，測試位置同表2。

京滬鐵路按周期打磨的下行K941處、未按周期打磨距道岔約200 m下行K940+700處的右股鋼軌軌頭廓形與60N標(biāo)準(zhǔn)廓形對比見圖1。

圖1 京滬鐵路下行K941、K940+700處右股鋼軌軌頭廓形與60N標(biāo)準(zhǔn)廓形對比

由圖1可知：①在軌頭橫向-17～+32 mm區(qū)域，按周期打磨后軌頭廓形與60N廓形的豎向偏差在0.2 mm以內(nèi)。②未按周期打磨鋼軌軌頭廓形與60N廓形相差較大。在軌頭橫向-17～+32 mm區(qū)域軌頭廓形與60N廓形最大豎向偏差約1.0 mm。

磨耗和銹蝕深度測試結(jié)果見表3?？芍孩倮塾嬐ㄟ^總質(zhì)量800～1100 Mt時鋼軌垂直磨耗在3.0～5.7 mm，平均值為4.1 mm。由于測試的線路多、總里程長，測試的垂直磨耗值較文獻(xiàn)［6-7］更準(zhǔn)確。②軌底角邊緣厚度在8.35～14.52 mm，軌距擋板最大銹蝕坑深度為5 mm。鋼軌磨耗、銹蝕等指標(biāo)遠(yuǎn)未達(dá)到TG/GW 102—2019普速修規(guī)輕傷標(biāo)準(zhǔn)，滿足Q/CR 407—2018再用軌條件。

表3 鋼軌垂直磨耗和軌底角邊緣厚度

3 鋼軌焊接接頭平直度測試與分析

采用電子平直尺對表1中線路區(qū)段鋼軌焊接接頭軌頂面中心區(qū)域進行平直度測試。結(jié)果表明：①45個廠焊接頭中只有1個低接頭，平直度為-0.15 mm/1 m。平直度超過0.30 mm/1 m的高接頭有2個，最大值為0.37 mm/1 m。除低接頭和平直度超過0.30 mm/1 m的2個高接頭，廠焊接頭平直度滿足TB/T 1632.1—2014《鋼軌焊接》標(biāo)準(zhǔn)要求，所有廠焊接頭平直度未達(dá)到TG/GW 102—2019要求的病害整治限值。②12個鋁熱焊接頭中高接頭占1/3，平直度在0.10～0.30 mm/1 m，算術(shù)平均值為0.18 mm/1 m；低接頭平直度最小值為-0.40 mm/1 m，達(dá)到了TG/GW 102—2019要求的病害整治限度。

4 鋼軌傷損調(diào)查及統(tǒng)計分析

對表1線路區(qū)段進行了鋼軌傷損調(diào)查?，F(xiàn)場調(diào)查了每1.5～2.0年進行一次預(yù)防性打磨的線路區(qū)間和未按周期打磨的線岔結(jié)合部區(qū)域鋼軌傷損情況。結(jié)果表明：按周期打磨的鋼軌無魚鱗紋、剝落掉塊、波磨、擦傷、肥邊等損傷；未按周期打磨的線岔結(jié)合部鋼軌有明顯的魚鱗紋、剝落掉塊損傷，無波磨、擦傷及肥邊。周期性打磨去除了部分鋼軌硬化層，控制和減緩了鋼軌硬化速率，延遲了魚鱗紋產(chǎn)生時間，減少了接觸疲勞傷損。

根據(jù)鄭州鐵路局提供的從上道至2021年大修線路的鋼軌重傷數(shù)據(jù)和北京鐵路局及上海鐵路局提供的從上道至2020年京滬、京廣、津山、京九鐵路鋼軌重傷數(shù)據(jù)，以線路長度為權(quán)重，對總里程約779.338 km的線路累計通過總質(zhì)量和鋼軌重傷量進行統(tǒng)計，結(jié)果見表4?？芍豪塾嬐ㄟ^總質(zhì)量700～1100 Mt時每公里鋼軌重傷量在0.2～3.4處，未超出鋼軌大修的上限4處；累計通過總質(zhì)量930 Mt時每公里鋼軌加權(quán)重傷量為1.3處，未達(dá)到鋼軌大修的下限2處；京滬、京廣、京九、隴海、津山干線累計通過總質(zhì)量約1000 Mt，每公里鋼軌加權(quán)重傷量約1處，比2016年和2018年統(tǒng)計值（1.5處）低1/3。

表4 2021年鄭州鐵路局大修線路和2020年北京、上海等鐵路局調(diào)查的線路鋼軌傷損情況統(tǒng)計結(jié)果

5 結(jié)論

1）普速鐵路繁忙干線累計通過總質(zhì)量800～1100 Mt時鋼軌踏面中心硬化率在0～7%。按周期打磨后輪軌接觸區(qū)域鋼軌廓形與60N標(biāo)準(zhǔn)廓形豎向偏差在0.2 mm以內(nèi)。鋼軌垂直磨耗在3.0～5.7 mm，平均值為4.1 mm；軌底角邊緣厚度在8.35～14.52 mm，軌距擋板最大銹蝕坑深度為5 mm。

2）測試的45個廠焊接頭的平直度在-0.15～0.37 mm/1 m，低接頭1個，平直度超過0.3 mm/1 m的高接頭2個；鋁熱焊接頭平直度在-0.40～0.30 mm/1 m。

3）按周期打磨的鋼軌無魚鱗紋、波磨、擦傷、肥邊等傷損；未按周期打磨的線岔結(jié)合部區(qū)域鋼軌有魚鱗紋、剝落掉塊等傷損。每公里鋼軌重傷量在0.2～3.4處，未超出鋼軌大修的上限。