淺談無縫線路鋼軌探傷周期

靳芮嫚

（北京鐵路局北京工務段，北京 100021）

1 研究背景

鐵路無縫線路是在我國鐵路經過1997-2007年6次提速后，為適應新型動力車組輕體車輛結構，滿足動車組高速運行時，保證線路鋼軌設備狀態穩定、性能良好的軌道結構而提出的。自2007年4月我國自主研發CRH動車組后，在全國范圍內開始了大規模的升級與鋪設。

無縫線路自鋪設至今，擔負起了運量繁重的鐵路客運、貨運運輸任務，經歷十余年的服役后，開始出現疲勞狀態，鋼軌內部材質中的細微裂紋、焊縫部位的氣孔夾雜等傷損逐漸發展擴大，逐步形成影響列車運營的安全隱患，因此檢測鋼軌質量的無損檢測工作，正逐步體現出越來越大的價值。

目前，我國普遍采用的鐵路無損檢測方式為超聲波探測法，通過波的折射、反射等物理特性及超聲波的固有頻率對線路鋼軌的內部情況進行檢測。鋼軌內部缺陷的產生與發展是一個緩慢且復雜的過程，特別是無縫線路這等電氣化程度更高的線路設備，傷損的出現會受到多種應力作用、幾何尺寸、形變等物理變化，及制造工藝、材料特性等化學變化的影響。

2 主要影響因素

2.1 焊縫部位

無縫線路是由鋼軌與鋼軌之間通過焊接的方式結合成一體，是電氣化鐵路的重要組成部分。目前廣泛采用的鋼軌焊接方式主要有鋁熱焊、氣壓焊、閃光焊三種，其中現存最多的焊縫為鋁熱焊縫。鋁熱焊縫受焊接工藝、焊接人員操作技藝影響較大，焊接時密貼閉合空間不嚴密、焊接溫度不夠或焊接人員操作不精細等因素都可能導致焊縫內部產生夾渣、夾雜、氣孔等缺陷，為之后投入運營埋下安全隱患。

焊接步驟完成后，在焊口外側會留下一道不規則的焊筋，需對焊筋進行人工打磨，打磨平順后才能允許列車通過。焊縫部位的鋼軌軌頭內部容易產生疲勞裂紋，從焊縫到焊縫兩側各延伸至200 mm范圍是一個探傷檢測中的重點部位，鋁熱焊縫的探傷周期一般定為180天，使用超聲波焊縫探傷儀對焊縫進行檢測，在曲線地段、重載地段可適當縮短探傷周期。

2.2 母材部位

2.2.1 幾何尺寸的影響

無縫線路鋼軌狀態受軌道結構、線路幾何尺寸影響較大，列車通過時對鋼軌的沖擊會造成鋼軌微小形變，同時應力會傳遞至鋼軌內部，影響程度與不同尺寸下鋼軌斷面的受力點位置與受力大小有關[1]，應通過精準測算鋼軌受力點與受力范圍，科學地制定探傷周期。

列車通過時對鋼軌的沖擊力傳遞至鋼軌內部后，可根據物理要素分為接觸應力、動應力、附加應力與殘余應力等受力方式，同時，線路鋼軌根據鋪設環境的不同還會受到溫度應力的影響。受力點的計算可通過結構力學相關公式計算完成，過程不做贅述，現將鋼軌受力范圍、應力特征及其對內部傷損的影響總結如下。

表1 鋼軌受力范圍、應力特征及其對內部傷損的影響

2.2.2 鋼軌型號的影響

目前我國普遍使用的鋼軌型號有60 kg/m軌、50 kg/m軌及43 kg/m軌。整體來說，鋼軌的剛度隨型號的增大而提高。列車通過時會在列車輪對與鋼軌的接觸面（后文簡稱接觸面）形成剪應力，剪應力會對鋼軌造成彎曲形變，鋼軌剛度越高，彎曲形變越小；形變越小，傷損發展越緩慢。

2.2.3 螺孔受力的影響

在鋼軌接頭至接頭兩側各延伸3 m范圍內，列車會對接觸面形成正應力及剪應力，正應力沿橫斷面傳遞，剪應力沿縱斷面傳遞，兩股應力傳遞至軌腰處，在螺孔位置形成應力集中[2]。在兩股應力長期反復作用下，螺孔附近極易產生疲勞傷損，且細微裂紋發展較快，根據力的傳遞規律，第一螺孔受影響最大，第二孔較小。當內部細微裂紋發展至鋼軌表面時成為表面裂紋，在螺孔所在的幾何面中，人為添加一條正線一條法線，將幾何面沿逆時針方向分割為第Ⅰ象限、第Ⅱ象限、第Ⅲ象限及第Ⅳ象限，裂紋沿橫斷面不斷發展，會成為第Ⅰ、Ⅲ象限螺孔裂紋；沿縱斷面不斷發展，會形成第Ⅱ、Ⅳ象限螺孔裂紋。螺孔裂紋繼續發展會直接造成鋼軌折斷。

2.2.4 線路曲線的影響

為平衡鐵路線路對生活、生產的需要，不僅存在直線線路，還需鋪設曲線線路。在曲線線路上，接觸面承受的縱向沖擊力遠高于直線線路。而且為滿足列車通過時的平衡、減少傾斜，專門為線路設計了超高，以保障列車平穩通過。但是曲線超高的存在會在列車通過時形成轉動慣性，對鋼軌形成彎曲應力，彎曲應力容易使鋼軌軌頭內部形成核狀傷損，我們稱之為核傷，彎曲應力與鋼軌型號成反比，但形成的核傷與鋼軌型號不成比例，整體上呈無規律分布。

2.2.5 溫度應力的影響

線路鋼軌因鋪設環境的不同而受到不同程度溫度應力的影響，因鋼軌材質特性表現為受高溫、低溫及溫度驟然變化時會導致鋼軌傷損的快速發展。根據規律總結出在我國北方冬季季節是鋼軌傷損的高發期，入冬、上凍及春融期的時間節點是探傷工作的重點環節。

2.2.6 其他特殊區段的影響

除上述線路區段外，還有部分區段的特性會對線路鋼軌造成影響，如橋梁、隧道、涵洞等，應根據具體區段的特性針對性地定制鋼軌探傷周期。

3 線路探傷周期的制定與調整

通過上述內容，我們分析了導致鋼軌傷損產生與發展的諸多因素，我們也當以此為依據，為鋼軌無損檢測工作制定探傷周期。在一個線路大修周期內，根據運輸運量的不同對所處時期分為早期、穩定期、發展期及高發期，在不同時期內應該對探傷周期進行適當的調整，調整方法如表2所示。

表2 不同時期內探傷周期的調整方法