大型礦石堆場(chǎng)有碴軌道起重機(jī)鋼軌斷裂原因

何維維 毛 卉

中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 上海 200032

0 引言

起重機(jī)鋼軌屬于重載鋼軌，廣泛應(yīng)用于我國(guó)倉(cāng)庫(kù)、港口、堆場(chǎng)大型裝卸設(shè)備的行車軌道，鋼軌型號(hào)主要分為QU120、QU100、QU80、QU70，母軌材質(zhì)為U71Mn。U71Mn是高碳低合金鋼鋼軌，具有耐磨、耐壓、耐疲勞等性能，適合在重載軌道上使用［1］。然而，此類起重機(jī)鋼軌斷裂情況在港口碼頭裝卸使用過(guò)程中多有發(fā)生，碼頭軌道下一般為樁基軌道梁結(jié)構(gòu)，從鋼軌斷裂案例中分析總結(jié)的主要原因多為鋼軌接頭焊接質(zhì)量問(wèn)題、鋼軌安裝精度等一個(gè)或多個(gè)因素綜合作用造成的[2-6]，對(duì)于軌枕道碴結(jié)構(gòu)的起重機(jī)鋼軌斷裂，此類工程案例較少，而引起軌枕道碴結(jié)構(gòu)的起重機(jī)鋼軌斷裂原因的因素也較為復(fù)雜。國(guó)內(nèi)某大型礦石堆場(chǎng)裝卸采用斗輪堆取料機(jī)設(shè)備，基礎(chǔ)采用軌枕道碴結(jié)構(gòu)，起重機(jī)鋼軌在交付使用后陸續(xù)出現(xiàn)斷裂事故，其斷裂形態(tài)基本相同，斷裂部位基本相同。為查明起重機(jī)鋼軌斷裂產(chǎn)生的原因，制定針對(duì)性的技術(shù)修復(fù)措施，保證斗輪堆取料機(jī)設(shè)備正常運(yùn)營(yíng)使用，通過(guò)調(diào)查研究及工程經(jīng)驗(yàn)類比法，從軌上到軌下結(jié)構(gòu)查找鋼軌斷裂原因，對(duì)于研究和預(yù)防有碴軌道起重機(jī)鋼軌的斷裂事故，保證碼頭礦石堆場(chǎng)裝卸作業(yè)的安全與運(yùn)營(yíng)，具有十分重要的意義。

1 某礦石堆場(chǎng)軌枕道碴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

1.1 臂架型斗輪堆取料機(jī)設(shè)備參數(shù)

本工程為大型散貨泊位，裝卸貨種為礦石等，碼頭后方礦石堆場(chǎng)面積約500 000 m2，根據(jù)生產(chǎn)需要共布設(shè)3條堆取合一的斗輪機(jī)基礎(chǔ)，每條基礎(chǔ)長(zhǎng)度均為1 135 m，基礎(chǔ)間距為94 m，斗輪機(jī)軌道基礎(chǔ)采用軌枕道碴結(jié)構(gòu)。斗輪堆取料機(jī)的基礎(chǔ)地基經(jīng)堆載預(yù)壓+淺層強(qiáng)夯法處理后，地基承載力達(dá)到150 kPa以上，殘余沉降小于0.3m。該設(shè)備的工藝參數(shù)為軌距9 m，基距10 m，輪距0.85 m，每支腿12輪，非工作狀態(tài)（55 m/s）輪壓標(biāo)準(zhǔn)值為300 kN，斗輪堆取料機(jī)如圖1所示。

圖1 斗輪堆取料機(jī)

1.2 軌枕道碴設(shè)計(jì)方案

斗輪機(jī)軌道基礎(chǔ)采用軌枕道碴結(jié)構(gòu)，具體結(jié)構(gòu)設(shè)置為QU100鋼軌，鋼筋混凝土軌枕預(yù)制安裝，通過(guò)拉桿撐桿連接，下設(shè)600 mm道碴，整體結(jié)構(gòu)高度1 750 mm，堆取料機(jī)基礎(chǔ)斷面如圖2所示。QU100鋼軌采用現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)YB/T 5055—2014《起重機(jī)用鋼軌》起重機(jī)用鋼軌制作方法以及70型標(biāo)準(zhǔn)扣件鋼軌固定技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為12 m，單軌總長(zhǎng)為1 132 m。

圖2 堆取料機(jī)基礎(chǔ)斷面

道碴選用石料單軸抗壓強(qiáng)度不低于80 MPa、粒徑為20～70 mm的碎石道碴，破碎指標(biāo)值應(yīng)低于15%。壓實(shí)度要求為振實(shí)后的道床下沉率不低于8%(下沉量/未壓時(shí)的道床厚度)，壓實(shí)度檢測(cè)方法按TLEJGF-92-02鐵路碎石道床碾壓工法路面高程控制法執(zhí)行。

2 鋼軌斷口特征及規(guī)律

2.1 斷口分布調(diào)查

斗輪堆取料機(jī)設(shè)備在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的重載調(diào)試運(yùn)營(yíng)后，發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)軌道多處斷裂。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，鋼軌斷裂部位共5個(gè)點(diǎn)，其中3個(gè)點(diǎn)均發(fā)生在錨定基礎(chǔ)與道碴銜接附近，錨定基礎(chǔ)附近鋼軌斷裂如圖3所示。標(biāo)準(zhǔn)軌長(zhǎng)度為12 m，每12 m鋼軌需在較寬軌枕進(jìn)行焊接，有2個(gè)點(diǎn)發(fā)生在鋼軌接頭附近，裂縫為斜向斷裂，裂縫周圍有焊接接地扁鋼，鋼軌接頭附近鋼軌斷裂點(diǎn)如圖4所示。

圖4 鋼軌接頭附近鋼軌斷裂

2.2 道碴質(zhì)量調(diào)查

對(duì)鋼軌斷裂部位下的軌枕基礎(chǔ)進(jìn)行開(kāi)挖，發(fā)現(xiàn)軌枕下35 cm范圍內(nèi)，道碴含有較多砂土，軌枕基礎(chǔ)下道碴質(zhì)量揭露如圖5所示，與設(shè)計(jì)要求的道碴指標(biāo)相差較大。

圖5 軌枕基礎(chǔ)下道碴質(zhì)量揭露

從鋼軌斷口分布特征上看，斗輪機(jī)基礎(chǔ)上的鋼軌較為筆直，地基深層沉降對(duì)鋼軌斷裂破壞產(chǎn)生的影響較小。鋼軌斷裂部位主要發(fā)生在錨定基礎(chǔ)及鋼軌接頭附近，斷裂部位同時(shí)有焊接接地扁鋼。通過(guò)對(duì)鋼軌斷裂部位處軌枕基礎(chǔ)的道碴質(zhì)量調(diào)查，發(fā)現(xiàn)道碴含有較多砂土，與設(shè)計(jì)要求的道碴指標(biāo)相差較大。

3 鋼軌斷裂原因分析

3.1 鋼軌接地焊縫質(zhì)量不佳造成鋼軌母材損傷

斷裂裂縫周圍有焊接接地扁鋼，母軌材質(zhì)為U71Mn，其主要化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))C為0.65%～0.76%，Si為0.15%～0.5%，Mn為0.7%～1.4%，P≤0.035%，S≤0.03%。鋼軌的材質(zhì)及力學(xué)性能（包括鋼軌的強(qiáng)度、耐磨性及韌性）在很大程度上取決于鋼軌的化學(xué)成分。從含碳量指標(biāo)看，U71Mn為高碳鋼，但在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生大量顯微裂紋的高碳馬氏體組織。從含錳量指標(biāo)看，U71Mn錳含量較高，但在焊接過(guò)程中容易產(chǎn)生影響焊接效果的低溫馬氏體組織。鋼中有害的殘余元素磷和硫，從另一個(gè)方面反映對(duì)純凈性的要求，對(duì)其含量的限制一定要嚴(yán)格。鋼軌的可焊性常用碳當(dāng)量估計(jì)[7]，其為

經(jīng)驗(yàn)證明，在碳當(dāng)量Ce大于0.6%的情況下，鋼的淬煉傾向較強(qiáng)，是焊接鋼中比較難的一種。U71Mn的碳當(dāng)量在0.77%～1.01%之間，為高碳高錳鋼，屬于可焊性較差的材料，如果焊接工藝不良，U71Mn鋼軌斷裂點(diǎn)易發(fā)生于焊接部位。鋼軌裂縫周圍有焊接接地扁鋼，由于接地扁鋼的力學(xué)性能與鋼軌母材不同，如未按照GB 50169—2016《電氣裝置安裝工程 接地裝置施工及驗(yàn)收規(guī)范》的相關(guān)要求進(jìn)行焊接保護(hù)，易造成鋼軌母材組織損傷，起重機(jī)鋼軌在輪壓的反復(fù)碾壓作用下易發(fā)生斷裂。

3.2 斗輪機(jī)裝卸設(shè)備安裝精度誤差

從鋼軌的斷口形態(tài)分析，斷裂類型為脆性斷裂。根據(jù)熱軋鋼軌屈服強(qiáng)度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析[8]，U71Mn熱軋態(tài)的屈服強(qiáng)度為460 MPa，考慮到斗輪機(jī)設(shè)備輪壓荷載的影響，鋼軌QU100 U71Mn容許應(yīng)力約240 MPa。在斗輪機(jī)設(shè)備運(yùn)營(yíng)使用過(guò)程中，起重機(jī)鋼軌不僅要承受輪壓荷載的豎向作用，還要承受斗輪機(jī)設(shè)備支腿輪系左右側(cè)向壓力作用。然而鋼軌側(cè)向承受力較差，當(dāng)支腿車輪左右偏離軸線，引起左右車輪側(cè)向擠壓鋼軌，鋼軌承受的側(cè)向應(yīng)力會(huì)變得較大，鋼軌同時(shí)承受輪壓荷載，支腿輪系左右側(cè)向壓力大于鋼軌容許應(yīng)力時(shí)，鋼軌會(huì)發(fā)生斷裂。

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)逐一檢查支腿車輪同軸度和平面度，發(fā)現(xiàn)軌道左側(cè)或右側(cè)車輪偏離軸線，超過(guò)了車輪軌道安裝公差規(guī)范的要求[9]。另外，從鋼軌頂表面觀察分析，軌頂面被車輪擦傷,擦痕近似橢圓形。車輪與鋼軌之間如淬火處理般劇烈摩擦，部分軌頂面溫度甚至超過(guò)金屬相變溫度，在車輪荷載的反復(fù)作用下，軌道頂面坍塌變寬，形成高碳馬氏體。高碳馬氏體性質(zhì)脆硬，韌性較低，在大量細(xì)微裂紋的出現(xiàn)中演化成逐漸剝落的碎裂小塊，形成凹坑，由此可知高碳馬氏體的形成原因主要是車輪空轉(zhuǎn)打滑引起的。

3.3 基床道碴與錨定基礎(chǔ)軟硬銜接薄弱點(diǎn)

斗輪堆取料機(jī)基礎(chǔ)較常用的結(jié)構(gòu)形式是軌枕道碴基礎(chǔ)。鋼軌直接承受斗輪堆取料機(jī)裝卸設(shè)備的輪壓荷載，鋼軌下的軌枕為一系列的彈性支承點(diǎn)，承受鋼軌上的輪壓荷載，并將其均勻傳遞至道碴基床上。道床承受由軌枕傳來(lái)的車輪荷載，并將荷載均勻分布到路基上。錨定基礎(chǔ)位置根據(jù)工藝要求設(shè)置，使斗輪堆取料機(jī)能夠承受非工作狀態(tài)下的基本風(fēng)壓，使其不被強(qiáng)風(fēng)吹動(dòng)。錨定基礎(chǔ)是采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆而成，為剛性體；而道碴是用柔性較大的道碴碎散體填筑而成。顯而易見(jiàn)，基床道碴與錨定基礎(chǔ)之間本來(lái)存在較大的剛度差，如果對(duì)基床道碴的質(zhì)量控制不嚴(yán)（如道碴含砂等），勢(shì)必會(huì)造成基礎(chǔ)銜接區(qū)剛度突變較大，產(chǎn)生較大的塑性變形，鋼軌會(huì)在斗輪機(jī)輪壓的反復(fù)碾壓作用下出現(xiàn)脆性斷裂。

因此，道床是制約重載運(yùn)行的重要因素，是有碴軌道結(jié)構(gòu)中最薄弱的一個(gè)環(huán)節(jié)，而道床系數(shù)是軌枕道碴基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)，與道碴類型、地基承載力及承壓面等因素相關(guān)，一般根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)確定。根據(jù)我國(guó)鐵路設(shè)計(jì)假定，本工程取6 kg/cm3，處于良好軌道狀態(tài)，道碴選用石料單軸抗壓強(qiáng)度不低于80 MPa、粒徑 20～70 mm 的碎石道碴，破碎指標(biāo)值應(yīng)低于15%。壓實(shí)度要求為振實(shí)后的道床下沉率不低于8%(下沉量/未壓時(shí)的道床厚度)，但對(duì)鋼軌斷裂點(diǎn)下軌枕基礎(chǔ)進(jìn)行開(kāi)挖調(diào)查發(fā)現(xiàn)，道碴含有較多的砂土。根據(jù)季順迎等[10]的研究成果，鐵路道碴的彈性模量和沉降量受含砂率的影響非常顯著。當(dāng)含砂率達(dá)到一定的比例，對(duì)道碴的彈性模量及沉降量的影響非常顯著，特別當(dāng)含砂量大于50%時(shí)，隨含砂量的增加，道碴沉降量呈線性增長(zhǎng)，故道碴質(zhì)量控制不嚴(yán)也是造成鋼軌脆性斷裂的主要因素之一。

4 處理措施

基于上述起重機(jī)鋼軌斷裂原因分析，本工程有碴軌道起重機(jī)鋼軌斷裂的原因是多種因素影響綜合造成的，結(jié)合斷裂原因分析，可采取如下技術(shù)措施進(jìn)行修復(fù)：

1）縮小軟硬基礎(chǔ)銜接區(qū)的軌枕間距，減輕基床壓力。在斷裂處兩側(cè)各15 m范圍內(nèi)，對(duì)軌枕下深度600 mm以內(nèi)的不合格道碴進(jìn)行更換，且道碴指標(biāo)必須滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求以及道碴壓實(shí)度要求為振實(shí)后的道床下沉率不低于8%(下沉量/未壓時(shí)的道床厚度)。

2）鋼軌及接地扁鋼在實(shí)際焊接過(guò)程中必須采用溫度場(chǎng)合理，滿足規(guī)范要求的焊接工藝參數(shù)來(lái)改善接地扁鋼的焊接性，采用鋁熱焊接方案作為起重機(jī)鋼軌焊接方案，其自動(dòng)化程度遠(yuǎn)高于手工焊，操作簡(jiǎn)單，工效高，并且鋼軌的焊縫性能基本接近鋼軌母材，焊縫質(zhì)量較容易控制，一般情況下不會(huì)造成鋼軌母材損傷。同時(shí)在低溫環(huán)境焊接時(shí)，焊接后要及時(shí)采取保溫措施。

3）提高斗輪堆取料機(jī)操作人員水平，制動(dòng)應(yīng)平穩(wěn)，嚴(yán)格控制不同料源的輸送機(jī)的運(yùn)行速度，以防車輪空轉(zhuǎn)打滑擦傷鋼軌。同時(shí)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行后，要對(duì)扣件進(jìn)行重新安裝和調(diào)整，做到道碴密實(shí)，減少啃軌現(xiàn)象的發(fā)生，如發(fā)現(xiàn)軌枕翹起立即采取相應(yīng)的措施，以避免鋼軌斷裂。

4）斗輪堆取料機(jī)設(shè)備的制作安裝精度應(yīng)進(jìn)一步提高，特別是支腿車輪，車輪同軸度和平面度要滿足規(guī)范要求，減少啃軌，確保軌道承受均布輪壓作用。

5 結(jié)論

通過(guò)更換鋼軌斷裂點(diǎn)下軌枕基礎(chǔ)的不合格道碴，確保道碴壓實(shí)度要求滿足設(shè)計(jì)要求，縮小軟硬基礎(chǔ)銜接區(qū)的軌枕間距以減輕基床壓力，調(diào)整斗輪堆取料機(jī)裝卸設(shè)備的支腿車輪安裝精度，對(duì)鋼軌斷裂處進(jìn)行鋁熱焊接修復(fù)并及時(shí)采取保溫措施，運(yùn)營(yíng)后再?zèng)]發(fā)生鋼軌斷裂的事故。針對(duì)有碴軌道起重機(jī)鋼軌斷裂原因，提出以下幾點(diǎn)建議：

1）造成鋼軌斷裂的原因一般是由多種因素綜合引起的，除了從常見(jiàn)的鋼軌焊接、材質(zhì)等斷裂原因查找之外，還要考慮裝卸設(shè)備的支腿車輪安裝精度以及軌枕基礎(chǔ)下的道碴質(zhì)量控制等因素對(duì)鋼軌的影響。

2）斗輪堆取料機(jī)設(shè)備支腿有多輪，如果車輪的同軸度和平面度發(fā)生偏差，極易導(dǎo)致鋼軌同時(shí)承受三維應(yīng)力作用，特別是U71Mn鋼軌的塑性降低更加明顯，鋼軌脆性斷裂的可能性更大。因此，斗輪堆取料機(jī)在設(shè)計(jì)、制造和安裝過(guò)程中應(yīng)充分考慮這一因素的影響，如支腿車輪空載時(shí)一個(gè)車輪對(duì)其他3個(gè)車輪所形成平面的垂直偏差不應(yīng)大于小車軌道局部平面的2/3倍，小車軌道的局部平面度不得超過(guò)由0.001倍的小車基距或0.001的小車軌距所確定的較小值。

3）軌枕道碴結(jié)構(gòu)中最薄弱的是道床，其不均勻下沉也是鋼軌斷裂的主要因素之一，是制約重載運(yùn)行的重要因素，道床系數(shù)是軌枕道碴基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)。道床結(jié)構(gòu)屬于隱蔽工程，必須嚴(yán)格控制道碴材料質(zhì)量和按規(guī)范施工，滿足壓實(shí)度控制標(biāo)準(zhǔn)。