重載條件下PG4鋼軌擦傷監控對策研究

柴 志 強

(大秦鐵路股份有限公司大同工務段，山西 大同 037005)

重載條件下PG4鋼軌擦傷監控對策研究

柴 志 強

(大秦鐵路股份有限公司大同工務段，山西 大同 037005)

結合工程實例，分析了重載條件下PG4鋼軌擦傷斷軌的特點及形成原因，并從建立有效防控聯絡機制，建立探傷監控制度、探傷數據對比分析等方面，闡述了鋼軌擦傷的監控及處理措施，從而杜絕斷軌隱患發生，保證行車安全。

重載，PG4鋼軌，斷軌，監控制度

1 概述

大秦鐵路是我國第一條雙線電氣化重載運煤專線，全長653 km，設計年運量是1億t，但為了保證西煤東運能力的最大化，從2004年起對大秦線實施逐年擴能改造，年運輸任務也逐年攀升。同時，在大秦線增開1萬t，2萬t等組合重載列車，在2014年年初，成功實驗開行了3萬t組合列車。在如此條件下，大秦線運量近年來一直保持在4.5億t范圍，這就給我們的線路養護維修帶來巨大壓力，特別是在如此繁忙運營條件下，鋼軌疲勞傷損發展較快，鋼軌磨耗傷損十分嚴重。大同工務段管轄大秦重車線K2+100～K164+000,全長范圍內鋪設了攀鋼產第四代鋼軌，簡稱“PG4鋼軌”。PG4鋼軌上線以來，以其突出的耐磨性深受現場認可，但隨著硬度的提高，鋼軌脆性增大，造成傷損的發展速率加快，特別是擦傷后監控難度大，傷損發展無規律可循，超出了常規的處理及監控手段，給行車安全帶來隱患。

2 問題的提出

我段大秦重車線所鋪設的PG4鋼軌，使用初期，以其高耐磨性解決了現場曲線上股側磨軌更換頻繁問題，同時在鋼軌的修理上也減輕了勞動強度，得到了現場認可，但在PG4鋼軌高硬度特點的另一面，也表現出脆性增大，鋼軌脆斷的情況時有發生，特別表現在鋼軌表面輕微擦傷后，一是容易發生脆斷，二是軌面打磨后軌面向下仍迅速發展形成核傷，造成斷軌，給日常的監控、處理帶來了巨大難度。下面是我段擦傷的幾起實例。

2.1 鋼軌擦傷后迅速折斷

2014年1月14日，大秦重車線K93+500 m處出現機故，當機車再次啟動時，車輪空轉造成大秦重車線K93+20號左股鋼軌頂面長150 mm、最大深度1.2 mm的擦傷(見圖1)。1月16日，該擦傷處鋼軌折斷，此時距擦傷尚不足48 h，此次擦傷造成了軌頭內緊貼擦傷下有一與擦傷同寬度的12 mm×23 mm的核傷(見圖2)。

2.2 鋼軌擦傷后迅速發展為核傷

2016年3月3日，大秦重車線K94+500 m～K94+800 m處，由于機車停車，再次啟動時，左右股鋼軌共擦傷24處，最大深度為0.7 mm，當天上午我們對擦傷處所進行打磨處理，打磨后經探傷檢測，軌頂面下已存在核傷5處，在后續一周內又相繼發現傷損8處且傷損發展4處，其中重車線K94+29號左股9 d后探傷檢測發現核傷發展接近軌頭全斷面，我段切除后掰開傷損已發展為68 mm×36 mm(見圖3)。

由于PG4鋼軌的特性，在每次鋼軌擦傷后，雖然深度不深，甚至未達到輕傷標準，但鋼軌擦傷處頂面核傷的形成及發展快，常規的手段不能很好地監控傷損的發展，現已成為我段目前防斷的重點、難點。為此建立一個完善的監控制度，合理的維修養護手段十分必要。

3 鋼軌擦傷的形成和特點

3.1 鋼軌擦傷的形成

鋼軌的擦傷主要是由于機車牽引功率達不到啟車條件以及緊急制動過程中，機車車輪空轉或滑動，在輪軌接觸面產生高溫，接觸應力急速增大，造成局部過熱和粘著，在列車通過后急速冷卻形成的金屬塑變和分離。

3.2 PG4鋼軌擦傷的特點

1)鋼軌裂紋形成速度快。

從以上多起PG4鋼軌擦傷導致斷軌的情況看，在數小時內，鋼軌的擦傷處所就形成裂紋，在極短的時間內導致鋼軌脆斷，完全不同于以往其他類型鋼軌擦傷后傷損的發展規律。

2)鋼軌核傷形成速度快。

通過多起擦傷案例，PG4鋼軌在擦傷后，普遍在擦傷部位迅速形成核傷，按照以往及時進行打磨處理程序，也不能從根本上解決已形成的核傷。

3)鋼軌傷損發展速度快。

PG4鋼軌擦傷后，形成的核傷在發展過程中，均無明顯發展痕跡，均是由極小傷損短時間內直接發展為軌頭全斷面(見圖3)；同時，PG4鋼軌擦傷產生的核傷均為垂直傷損，這也不同于我們以往其他材質鋼軌核傷一般存在傾斜角度的特點。

4 PG4鋼軌擦傷斷軌原因

4.1 強度的影響

1)含碳量的提高。PG4鋼軌含碳量達到0.78%(見表1)，明顯高于其他任何類型鋼軌，隨著含碳量的增加，鋼軌的強度、硬度上升，但塑性、韌性下降。

2)Cr—V合金的運用。PG4鋼軌加入Cr—V合金，有效地減小珠光體的團尺寸、片間距和滲透碳厚度的效果，同時提高了鋼軌的屈服強度和抗拉強度。

綜合各項成分材料，雖然PG4鋼軌的強度級別達到了1 300 MPa以上，但鋼軌的韌塑性性能也大大下降。

4.2 合金元素含量的影響

PG4鋼軌中控制Cr—V合金含量不得超過0.7%(見表1)。因為隨著Cr元素含量提高后，將降低珠光體的開始轉變溫度，不利于組織控制，尤其是在熱處理時，如處理不當，將產生馬氏體組織。同時鋼軌在熱處理后，當冷卻速度超過一定值時，就會出現貝氏體或馬氏體。

表1 PG4,U75V鋼軌主要元素成分含量百分比 %

4.3 斷軌的誘因

由于鋼軌擦傷時，接觸應力急速增大，在輪軌接觸面產生高溫，導致鋼軌局部金屬溫度瞬間升高，并達到奧氏體化溫度，而由于PG4鋼軌特殊的化學成分，在隨后的快速冷卻中生成了硬而脆的馬氏體組織，而馬氏體具有較大的裂紋敏感性，加之PG4鋼軌與其他鋼軌相比較韌性較差、裂紋擴展速率相對較快，導致了PG4鋼軌擦傷快速發展為核傷并導致鋼軌脆斷。因此，擦傷時的高溫是造成PG4鋼軌脆斷的主要誘因。

5 鋼軌擦傷的監控及處理手段

5.1 牢固樹立PG4鋼軌擦傷就意味著斷軌的意識

通過對PG4鋼軌多起擦傷情況的現場分析，由于其特有的性能決定了傷損的迅速發展，短則數小時就會發生脆斷。因此，要牢固樹立擦傷就意味著斷軌的意識，不得掉以輕心，特別是針對擦傷程度輕微地段，也要及時作出處理，并要有計劃進行更換，防止傷損擴散造成斷軌。

5.2 建立有效防控聯絡機制

鋼軌的擦傷主要是由于機車功率不足，牽引過程中車輪空轉，還有就是司機操作不當，緊急制動車輪滑行，因此從源頭上卡控擦傷的影響顯得尤為重要。所以說，首先要加大與機務段聯系，建立鋼軌擦傷相互溝通機制，機務段與工務段都要定部門、定專人負責此事，加強信息溝通，保證第一時間掌握擦傷信息。其次，機務段要加大對司機操作的培訓，減少人為因素造成的鋼軌擦傷，如發現操作中車輪空轉、采取緊急制動等情況，要立即向工務段提供可能發生擦傷的具體地點位置，由工務段及時安排進行現場檢查，確?，F場情況及時發現，及時處理。

對于長大坡道、區間停車標、曾經發生過擦傷等易發生擦傷的地段，工務段及車間要建立臺賬，線路車間在日常巡檢中要當作重點地段來巡視，探傷作業通過時，要密切注意鋼軌狀態，保證擦傷病害的及時發現。

5.3 鋼軌擦傷后的處理

經現場檢查確認鋼軌擦傷后，要立即進行處理。對PG4鋼軌擦傷的判定不能再以《鐵路線路修理規則》中對擦傷輕、重傷標準來判別?！惰F路線路修理規則》中規定“線路允許速度小于等于120 km/h的軌頂面擦傷，輕傷標準為深度超過1 mm；重傷標準為深度超過2 mm”，而PG4鋼軌多數擦傷雖未達到重傷標準，甚至未達到輕傷時，擦傷處軌頂面下已形成核傷。因此，我們要采取“嚴格”的標準對待PG4鋼軌擦傷的處理。

1)打磨鋼軌處理。

打磨處理主要針對擦傷程度較輕，一般對于PG4鋼軌來說，未達到輕傷標準，擦傷深度在1 mm以下時，采取打磨方式進行處理。采用打磨機進行擦傷面的打磨處理時，要保證打磨處所出現新的鋼軌晶體組織，將擦傷表面的馬氏體組織及細小裂紋清除干凈，徹底清除裂紋源。如擦傷處所已形成核傷，則需及時安排進行更換處理。

2)更換鋼軌處理。

當擦傷深度較深，對于PG4鋼軌來說，達到輕傷標準1 mm以上時，雖然為輕傷，但由于PG4鋼軌的特性，打磨處理已不能夠解決裂紋源的問題，只能作為臨時處理方式，打磨后做好臨時加固，密切監控傷損的發展，在后續48 h內要及時安排更換鋼軌處理。如擦傷深度達到2 mm及以上時，鋼軌隨時都有脆斷的可能，必須及時安排進行換軌處理。

5.4 建立嚴密探傷監控制度

5.4.1 探傷現場傷損監控

在探傷監控手段上，當現場發現PG4鋼軌有擦傷時，探傷作業人員要立即進行逐處復核。探測時，一是要提高增益、放慢速度，注意調整70°探頭的位置，發現異常波形及時用多種方法進行校對(側校、鄂校)；二是要加大水量，提高探頭的耦合度，確保儀器波形顯示完整。

對于探傷檢測波形異常地段，探傷車間要將存在傷損的處所精確定位，由線路車間及時安排打磨處理。打磨后，由探傷車間進行再次復探，對仍存在異常波形的處所，由線路車間安排換軌處理。對于一時無法處理的處所，由線路車間采取臨時加固的措施，并派人不間斷巡視，直至進行換軌處理。在此期間，探傷車間保證不少于24 h進行一次探測，密切注意傷損的發展。

5.4.2 探傷數據回放對比分析

在探傷現場探測后，要立即將數據進行回傳，由三級回放人員分別進行回放對比分析。同時，各級回放人員要結合現場傷損判別情況，分析傷損發展趨勢，加大對傷損發展的監控，如發現傷損有發展跡象時，要立即通知探傷現場監控人員，必要時要縮短復查時間，加密探測頻次，對發展速率明顯加快的處所要立即進行上報，由線路車間組織及時進行換軌處理。

6 結語

重載線路較之于普通線路由于列車軸重大，更容易產生鋼軌擦傷，且PG4鋼軌是重載線路主要鋼軌材質，我們通過以上一系列加強措施，使得每次擦傷后，傷損的發展均在監控范圍以內，有效地杜絕了斷軌隱患的發生，取得了良好效果。

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[7] 張銀花，周清躍，陳朝陽，等.重載鐵路高強鋼軌的試驗研究[J].中國鐵道科學,2010，31(4)：20-26.

On monitoring strategies for PG4 rail burns under heavy loading

Chai Zhiqiang

(DatongTrackMaintenanceDivision,Datong-QinhuangdaoRailwayCo,Ltd,Datong037005,China)

Combining with the engineering cases, the paper analyzes the features of broken rails of PG4 rail burn under the heavy loading and its reasons, and illustrates the monitoring over the rail burn and treatment from the establishment of the effective prevention and control liaison mechanism, construction of burn monitoring regulation, and comparative analysis of the burn data, so as to avoid the hidden hazards of broken rails and ensure the safety of the traffic.

heaving loading, PG4 rail, broken rail, monitoring regulation

1009-6825(2017)21-0118-03

2017-05-17

柴志強(1979- ),男，工程師

U213.4

A