建立普速鐵路鋼軌大修指數的探討

高彥嵩 梁旭 魏夕凱 李英奇 劉豐收

1.中國鐵路北京局集團有限公司，北京 100860；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081

鋼軌是重要的軌道部件。中國普速鐵路平均每年有超過5 000 km（約合60 萬t）新鋼軌投入鋼軌大修，鋼軌大修費用巨大。按照TG/GW102—2019《普速鐵路線路修理規則》，鋼軌大修以累計通過總質量或傷損數量達到一定值為依據，即周期修。隨著近年來鋼軌材質的不斷優化，鋼軌打磨、潤滑技術的提高，鋼軌服役狀態已明顯改善，鋼軌使用壽命也相應延長，為開展鋼軌狀態修提供了條件。

本文針對鋼軌周期修中普遍存在的維修資源針對性差的問題，初步提出采用鋼軌大修指數指導鋼軌大修決策，進而實現鋼軌狀態修的構想。

1 國內外鋼軌大修的技術發展及確定方法

1.1 中國鋼軌大修技術的發展

中國鋼軌大修經歷了由事后修向周期修的轉變，目前采用周期與傷損情況相結合的修理模式［1］。

1949 年以前中國鐵路鋼軌單重輕、年代老、品種雜。1949—1952 年鐵路運量增長較快，鋼軌折損嚴重，基本上屬于事后修，遠遠不能滿足運輸需要。1952—1980 年“輕、老、雜”鋼軌逐漸被更換為標準43 kg/m 或50 kg/m 鋼軌，由被動修向周期修過渡。1980 年以后，借鑒前蘇聯經驗，最終依據鋼軌累計通過總質量確定了中國普速鐵路大修、中修和綜合維修的周期，見表1。

表1 中國普速鐵路大修、中修及綜合維修周期

2019 年原中國鐵路總公司發布了TG/GW102—2019《普速鐵路線路修理規則》。其中規定：60 kg/m、75 kg/m 鋼軌無縫線路的鋼軌大修周期分別為累計通過總質量達到1 000、1 500 Mt；對于未達到規定大修周期的成段鋼軌，60 kg/m 及以下鋼軌重傷率達到2～4 處/km（含焊接和膠接絕緣接頭傷損）、75 kg/m 鋼軌重傷率達到4 ～6處/km（不含焊接和膠接絕緣接頭傷損）時，應及時更換鋼軌；出現嚴重銹蝕、嚴重滾動接觸疲勞以及其他影響鋼軌安全使用的情況時，應及時更換鋼軌。

1.2 國外鋼軌大修的確定方法

目前，國外鐵路鋼軌大修主要按照以下四種方法確定。①由累計通過總質量確定。前蘇聯P65熱處理鋼軌的大修周期為600～ 750 Mt［2］，法國、日本高速鐵路鋼軌的大修周期為500 Mt［3］。②由鋼軌磨耗量和失效率綜合確定。美國聯邦鐵路局規定：鋼軌垂直磨耗達到9～12 mm 或側面磨耗達到14～16 mm 時大修換軌，在此之前出現的重傷鋼軌，采用原位鋁熱焊或插入短軌的方式處理；每30 Mt 累計通過總質量至少進行一次超聲波探傷，鋼軌因軌頭疲勞核傷或劈裂導致的鋼軌折斷數量不得超過0.08～0.10處/（英里·年）［4］。③由最佳經濟下道周期確定。從經濟角度考慮，應在鋼軌維修費和折舊費兩者相加總和最低時大修換軌，從鋼軌鋪設服役到大修換軌的時間段為最佳經濟下道周期（圖1）。部分歐洲國家采用該方法進行鋼軌大修［5］。④由軌道檢測與實時評估相結合確定。部分歐洲國家的鐵路鋼軌維修采用該方法。法國的高速線路軌道檢測采用軌檢車巡檢（1 次/15 d）、步行巡檢（1次/70 d）、列車尾部加掛加速度專用檢測車廂（1次/15 d），動態檢查（1 次/90 d），探傷車定期探傷（1 次/180 d）等方式［3］，繪制出反映線路綜合狀態的實時曲線圖。圖中綜合了鋼軌廓形尺寸、鋼軌頂面的平順程度等方面的數據，并以此作為鋼軌是否需要維修的判斷依據。

圖1 鋼軌維修最佳經濟下道周期示意

四種確定方法中，①和③屬于周期修，②具有狀態修特點，④屬于狀態修。

2 鋼軌周期修存在的問題

2.1 到達周期應大修的鋼軌大量在線服役

每年實際大修鋼軌數量小于到達周期應大修的數量，即有大量超期鋼軌仍在服役。以北京局集團有限公司為例，依據累計通過總質量計算管內線路每年所需更換的60 kg/m 鋼軌總量與實際安排的鋼軌大修數量對比見圖2。其中，2020 年后根據TG/GW 102—2019 將60 kg/m 鋼軌大修周期由累計通過總質量700 Mt 調整為1 000 Mt。可知，年均達到大修周期的鋼軌有1 232 km，年均實際大修數量僅372 km，實際大修鋼軌占比35.8%。可見，受大修資金、天窗等因素限制，北京局集團有限公司應開展周期性大修的鋼軌有64.2%超期服役。雖然這么多鋼軌超期服役，但整體狀態良好，平均重傷率不到1處/km。

圖2 北京局集團有限公司2010—2021年鋼軌大修情況

2.2 部分下道鋼軌仍具備服役條件

隨著中國鋼軌產品標準、裝備水平、制造技術的顯著提高，百米長定尺鋼軌得到大規模應用，同時鋼軌、焊接接頭成品抽檢和過程監督檢驗制度不斷完善，鋼軌打磨等養護技術成熟，鋼軌重傷率明顯下降［6-8］。中國重載鐵路鋼軌累計通過總質量1 500 Mt以上的鋼軌性能沒有呈現出大幅劣化趨勢，材料加工硬化率、廓形偏差、重傷率、磨耗量等均未達到輕傷標準，且符合舊軌使用標準，仍可作為再用軌服役［9-10］。

2.3 鋼軌周期修針對性不足

因線路條件不同鋼軌服役狀態存在較大差異。同一條線路，直線地段鋼軌使用周期與曲線地段差異較大，即使同為曲線地段，因年累計通過總質量不同，鋼軌服役狀態也存在較大差異。統一化的鋼軌周期修缺乏針對性，難以適應差異化的鋼軌服役狀態。周期修一方面可能導致部分鋼軌過度修，即鋼軌雖然累計通過總質量達到大修周期，但整體狀態良好，而另一方面又會出現鋼軌欠修情況，即鋼軌累計通過總質量雖遠未達到大修周期，但鋼軌狀態已出現嚴重問題。

3 建立鋼軌大修量化指標的必要性

從國際鐵路修理技術的發展來看，鋼軌大修正在由粗獷式的周期修向精細化的狀態修轉變。中國普速鐵路鋼軌大修也在開展這方面的嘗試。目前，主要采用重傷率衡量鋼軌的使用狀態，但中國鐵路鋼軌重傷率普遍較低，同時大量超期服役的鋼軌是否安全也缺乏有效評價指標，因此有必要確定一個可以綜合多方面因素來衡量鋼軌狀態的量化指標。

建立鋼軌大修量化指標也是降本增效和實施精細化管理的現實需要。近年來，中國鐵路客貨運收入受疫情影響較大，線路設備管理部門和單位應把維修資源用到更急需設備的更換中，而非簡單依據周期修標準更換鋼軌，提升鋼軌大修技術經濟性，這就要求線路設備管理部門和單位更科學、更準確、更全面地掌握線路鋼軌的服役狀態。通過綜合指標量化鋼軌的服役狀態，將具有技術經濟意義。

4 鋼軌大修指數的初步構想

目前，中國普速鐵路鋼軌大修下道的主要依據為累計通過總質量、重傷率、曲線鋼軌磨耗限值和其他傷損情況（嚴重的銹蝕、波磨、掉塊等）。鋼軌重傷率是反映鋼軌狀態的一項重要指標，調查全路13條主要普速干線鐵路2017—2020年的鋼軌重傷情況（圖3）發現，鋼軌母材傷損主要集中在軌頭區域，以內部核傷和軌面疲勞傷損為主，而近幾年鋼軌母材折斷有60%源于軌底區域。這種差異主要是由于目前的探傷技術在軌底區域存在盲區（圖4）。隨著渦流探傷等新技術的采用，軌底盲區將會逐漸減少或消除。

圖3 2017—2020年中國普速干線鐵路鋼軌重傷情況

圖4 鋼軌母材超聲檢查斷面覆蓋范圍及盲區

從上面的統計情況來看，鋼軌重傷率不能完全反映鋼軌實際狀態。因此，鋼軌服役狀態的量化指標既要考慮影響鋼軌服役狀態的主要因素，又要兼顧指標的可用性、便捷性和統一性。

鋼軌大修指數應涵蓋鋼軌服役性能、鋼軌表面狀態、鋼軌養護維修情況等。其主要構成見表2。

表2 鋼軌大修指數主要構成

深入研究鋼軌大修指數的構成和算法，構建一種鋼軌狀態直觀評價模式，將有助于科學合理反映鋼軌的真實性能和狀態。合理運用鋼軌大修指數，既可減少周期修可能導致的過度修和欠修問題，又可有效提高對鋼軌安全服役的認知度，為鋼軌大修決策的科學制定提供依據。

5 結論

1）中國鋼軌大修經歷了由事后修向周期修的轉變，目前采用周期與傷損情況相結合的修理模式。國外鋼軌大修周期的確定主要采用累計通過總質量、鋼軌磨耗量和失效率綜合確定、最佳經濟下道周期、軌道檢測與實時評估相結合確定四種方法。

2）中國鋼軌大修的周期修模式存在針對性不足，導致過渡修和維修不足同時存在，需要確定一個可以綜合多方面因素來衡量鋼軌狀態的量化指標。該指標既要全面客觀反映鋼軌服役狀態，又需科學評價鋼軌安全性能。

3）鋼軌大修指數應涵蓋鋼軌服役性能、鋼軌表面狀態、鋼軌養護維修情況等。鋼軌大修指數可為鋼軌大修決策的制定提供依據。