神華包神鐵路鋼軌傷損研究與管理探索

王清龍（神華包神鐵路集團有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

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神華包神鐵路鋼軌傷損研究與管理探索

王清龍
（神華包神鐵路集團有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000）

摘 要：隨著包神鐵路運量的不斷上升，鋼軌損傷數(shù)量成級數(shù)增長，鋼軌的使用壽命嚴(yán)重縮短，針對包神線鋼軌傷損情況進行了分類總結(jié)，并從加強線路維修、提高線路養(yǎng)護、焊接質(zhì)量、等方面提出了針對性的分析，并根據(jù)鋼軌損傷的類型和規(guī)律提出了預(yù)防及控制措施。

關(guān)鍵詞：工務(wù)；重載鐵路；鋼軌傷損

1 概述

神華包神鐵路公司是神府東勝煤炭外運的大通道，從2007年開始貨運量均超過億噸大關(guān)，2012年隨著萬噸列車開行，軸重、運量逐年遞增，鋼軌能否安全服役直接影響到行車安全。

表1 包神近年鋼軌重傷統(tǒng)計表

隨著包神線運量的不斷增長，鋼軌傷損數(shù)量增長迅速，2014年鋼軌傷損數(shù)量較2011年增長了307%，而同期運量只增長了128%。可以看出隨著運量的持續(xù)增長，鋼軌已經(jīng)進入了疲勞期，導(dǎo)致核傷在2014年出現(xiàn)了跳躍式增長。2015年因為運量下滑尤其是北線運量持續(xù)下降加上下行K140新?lián)Q無縫鋼軌的影響，傷損總量下降，特別是裂紋傷損數(shù)量下降明顯。

2 包神鋼軌傷損現(xiàn)狀及分類

鋼軌在大運量重載之下，長期處于惡劣的工作環(huán)境中，在列車動靜載荷作用下，鋼軌經(jīng)常傷損而造成失效，如核傷、螺孔裂紋、壓潰、磨耗、掉塊等現(xiàn)象，使輪軌耦合狀況進一步惡化，造成鋼軌壽命縮短、線路工隊線路養(yǎng)護工作量增加、養(yǎng)護成本增加，進而嚴(yán)重影響輪軌耦合，嚴(yán)重影響列車行車安全。

3 鋼軌傷損主要形式

3.1 新鋪鋼軌工藝缺陷

新鋪鋼軌工藝缺陷是指鋼軌在制造過程中含有過量的磷、硅、硫等有害元素, 使鋼軌在一定的情況下發(fā)生脆性斷裂。因此,新鋪鋼軌主要側(cè)重于鋼軌工藝缺陷的探傷，這樣可以在發(fā)現(xiàn)鋼軌傷損時, 同時可以監(jiān)控同一批爐號的鋼軌狀態(tài)。因此，新鋪鋼軌探傷主要針對針對鋼軌制造缺陷，而在役鋼軌探傷則針對鋼軌疲勞缺陷。這兩種缺陷形態(tài)、分布、大小、位置都大不相同，所以探傷所采用的標(biāo)準(zhǔn)、工藝、方法完全不同。

3.2 鋼軌側(cè)面磨耗

鋼軌曲線側(cè)面磨耗主要是由于轉(zhuǎn)向架走行部輪緣與鋼軌側(cè)面之間的滾動摩擦造成的，其值大小等于輪緣與鋼軌側(cè)面之間的鋼軌導(dǎo)向力與摩擦距離的乘積，也即滑動摩擦功。隨著鋼軌服役時間的增長，受材質(zhì)和工作環(huán)境的影響，鋼軌不可避免的會產(chǎn)生各種傷損。主要包括鋼軌磨耗、壓潰、軌頭剝離掉塊、疲勞、銹蝕、擦傷等。側(cè)磨主要表現(xiàn)在曲上股側(cè)磨，曲下股壓寬，以包神線K43-K48小曲線處所側(cè)磨尤為嚴(yán)重。

3.3 魚鱗傷損

魚鱗傷是指鋼軌表面一種類似魚鱗狀金屬碎裂的疲勞傷損，裂紋起源于鋼軌軌頭內(nèi)側(cè)圓弧附近，沿著列車運行方向延伸，裂紋附近常有黑影。魚鱗傷損裂紋和黑影沿鋼軌橫向發(fā)展，魚鱗傷損的寬度一般是6-20mm，最深點一般在魚鱗裂紋的前內(nèi)角，最深甚至可達到20mm。

隨著線路運行速度、車輛軸重、運量的增加，魚鱗傷損增長迅速，以包神線下行K155-K158，K22+800-K23+400較為嚴(yán)重，不僅在曲線上股、道岔基本軌、導(dǎo)曲線，在直線地段都有發(fā)生和發(fā)展。

一般通過總重達到10Mt-15Mt 時，首先在曲線上發(fā)生然后向直線地段延伸，并由魚鱗裂紋發(fā)展為剝離，掉快、魚鱗下核傷。甚至擴展成軌頭橫向裂紋，嚴(yán)重威脅行車安全。

3.4 鋼軌核傷

鋼軌核傷是目前鋼軌最主要的傷損形式之一, 2015年包神線核傷占重傷總數(shù)的56%。鋼軌核傷主要集中發(fā)生在下行曲上股內(nèi)側(cè)。由表1中統(tǒng)計數(shù)據(jù)可得出，鋼軌核傷發(fā)生在曲上股，隧道、長大橋梁上的較多，鋼軌傷損主要發(fā)生在氣溫較低的 11月至次年3月的防斷期內(nèi)，核傷的發(fā)生與線路平縱斷面技術(shù)條件、道床彈性、運量、軸重等因素緊密相關(guān)。

3.5 焊縫傷損

鋼軌焊接長鋼軌線路是無縫線路鋪設(shè)的首要條件 , 也是無縫線路鋪設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)，不管是哪種類型的焊縫（接觸焊、氣壓焊、鋁熱焊），焊接接頭的質(zhì)量與后期的焊接傷損密切相關(guān)。焊縫及熱影響區(qū)的金屬力學(xué)性能降低是造成焊縫傷損的主要原因。焊縫與鋼軌母材相比, 其抗拉強度、硬度分別約為母材的 95%和 93%左右，機械性能相對降低,因此,受列車長期動靜載荷的碾壓和沖擊,線路極易形成肥邊及各種病害,就會造成線路軌枕空吊板、道碴坍白, 如果不及時打磨,無縫線路最薄弱處的焊縫可能造成沖擊破壞,形成惡性循環(huán),從而發(fā)展成焊縫傷損,進而造成鋼軌折斷。進入2013 年以來, K95曾發(fā)生過焊縫脆斷 ,雖然每年焊縫重傷鋼軌一直保持在6根以下，但是隨著鋼軌疲勞期的到來，國鐵無縫線路焊縫傷損一般要占到傷損總數(shù)的30%，所以焊縫探傷仍然不可掉以輕心。

3.6 剝離掉塊

自包神線萬噸列車開行以來,尤其是在小半徑曲線地段，如K85-K86處曲上股軌面剝離掉塊嚴(yán)重。軌面的剝離掉塊在列車的碾壓下, 形成應(yīng)力源 ,鋼軌在車輪的反復(fù)沖擊下, 極易造成斷軌 。

3.7 軌面擦傷

以布爾臺、上灣等運量較大的專用線、磁窯灣8、9道、下行K142大坡道處重車車輪空轉(zhuǎn)擦傷最為嚴(yán)重 ,擦傷最大深度甚至達11 mm。

3.8 裂紋

螺孔裂紋在有縫或無縫線路鋼軌傷損中均占有較高比例。尤其是在普通線路中，螺栓孔裂紋傷損主要與母材質(zhì)量、螺孔質(zhì)量、線路接頭養(yǎng)護水平等有關(guān)。螺孔裂紋主要發(fā)生在列車通過時接頭受力較大的始入端第一孔及隧道中的有縫線路上。螺栓孔裂紋大部分產(chǎn)生于第一螺栓孔內(nèi)壁上，也可能在孔壁一處或多處發(fā)生，螺栓孔裂紋產(chǎn)生的時間是隨機的，在鋼軌服役的整個過程中都可能出現(xiàn)。

4 鋼軌傷損控制方案的探討

4.1 傷損原因分析

隨著通過總重的積累, 鋼軌在役期間不可避免地要發(fā)生各種各樣的傷損，其原因則主要是鋼軌制造工藝造成內(nèi)外部存在各種缺陷,鋼軌存在的氫致白點、氣泡、夾渣、偏析、疤瘤、剝離、擦碰傷、焊接質(zhì)量不良、等都可能進一步發(fā)展為鋼軌傷損。

針對鋼軌傷損，大量科研人員從線路平縱斷面、軌道結(jié)構(gòu)、機車車輛構(gòu)造、機車軸重、母材的元素成分、鋼軌冶煉工藝、鋼軌軋制工藝以及鋼軌的殘余應(yīng)力等方面進行過探討，但是結(jié)果均不理想。

4.2 傷損控制策略

眾所周知，鋼軌類型與重載運輸不匹配是鋼軌磨耗嚴(yán)重和發(fā)生傷損的主要原因。根據(jù)包神鋼軌傷損的情況, 從鋼軌的打磨 、修理、道床整修 、探傷方法等方面入手, 對大軸重、大運量的重載運輸條件下,鋼軌傷損的預(yù)防 、整治有著積極的指導(dǎo)作用。

（1）加強道床整修是減少鋼軌傷損的有效基礎(chǔ)工作,道床整修能夠提高軌道彈性 、減少列車對鋼軌的沖擊載荷。目前包神線道床大機搗固清篩安排在每年集中進行 ,受到較大的局限性,還不能做到全面覆蓋。適當(dāng)增加大機清篩搗固次數(shù)，及時消除軌道的不平順及幾何尺寸超限處所，改善線路的平順度，尤其是加強焊縫接頭處的維修保養(yǎng)，使道床飽滿密實，加強對爬行地段鋼軌的應(yīng)力放散，從而減少應(yīng)力集中，改善鋼軌受力情況，為減少鋼軌傷損提供良好基礎(chǔ)。

（2）對發(fā)生嚴(yán)重側(cè)磨的區(qū)段處所, 可重新進行超高設(shè)置, 可考慮設(shè)置欠超高，涂油脂等方法減少磨耗速度。鋪設(shè)熱塑體彈性膠墊 、軌枕更換為Ⅲ型軌枕、及時補充道床道砟、保證道床厚度、保持清潔度等手段提高軌道彈性,改善軌道的平順性，以減少車輪對軌道的沖擊，改善輪軌接觸狀況，從而減少接觸性疲勞傷損的發(fā)生和發(fā)展 。可鋪設(shè)更高的耐磨性、抗疲勞性、抗表面魚鱗和焊接性能更好的U75V鋼軌,提高鋼軌材質(zhì)是減少傷損的關(guān)鍵。

（3）有效提高焊接工藝減少焊縫傷損是減少鋼軌傷損的重點。因焊縫硬度與母材不同,在使用中產(chǎn)生易產(chǎn)生低塌和壓寬現(xiàn)象，從而形成應(yīng)力集中點,極易造成斷軌， 很難適應(yīng)重載鐵路的需求。

（4）加強探傷管理是早發(fā)現(xiàn)鋼軌傷損的第一防線。 適時調(diào)整探傷周期，嚴(yán)格執(zhí)行三級復(fù)查制度，落實三級數(shù)據(jù)回放制度，加強探傷培訓(xùn)工作。

隨著包神運量和軸重的不斷增長 , 如何加強探傷工作還需要繼續(xù)進行深入研究 ,努力延長重載運輸條件下的鋼軌使用壽命周期。

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DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.078