大準(zhǔn)鐵路鋼軌傷損焊補(bǔ)技術(shù)的研究與應(yīng)用

周 杰

(神華準(zhǔn)能大準(zhǔn)鐵路公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300)

大準(zhǔn)鐵路是處于“西煤東運(yùn)”通道上的一條重要運(yùn)煤專(zhuān)用鐵路，2016年的年通過(guò)總重已達(dá)到156 Mt[1]。隨著大準(zhǔn)鐵路運(yùn)量逐年增加及萬(wàn)噸列車(chē)的運(yùn)行，對(duì)鋼軌、尖軌、轍叉的沖擊力度不斷加劇，導(dǎo)致其傷損數(shù)量增多，并出現(xiàn)不同程度的傷損掉塊[2]。這些傷損掉塊中除一部分使用時(shí)間長(zhǎng)、裂紋發(fā)展極為嚴(yán)重的傷損鋼軌無(wú)法進(jìn)行焊補(bǔ)修復(fù)外，一般均可以進(jìn)行焊補(bǔ)修復(fù)[3]。大準(zhǔn)鐵路自2009年引進(jìn)鋼軌焊補(bǔ)技術(shù)以來(lái)，已累計(jì)焊補(bǔ)傷損1927處。通過(guò)焊補(bǔ)，一定程度上延長(zhǎng)了鋼軌的使用壽命，節(jié)約了大量維護(hù)保養(yǎng)費(fèi)用，帶來(lái)了較好的經(jīng)濟(jì)效益。因此，鋼軌的焊補(bǔ)修復(fù)具有巨大的發(fā)展前景，值得進(jìn)一步研究。

1 大準(zhǔn)鐵路歷年鋼軌傷損情況

隨著大準(zhǔn)鐵路運(yùn)量的逐年攀升，鋼軌傷損也呈現(xiàn)出逐年大幅增加的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)近幾年大準(zhǔn)鐵路鋼軌傷損情況的統(tǒng)計(jì)(見(jiàn)表1)可看出核傷、掉塊、裂紋是鋼軌傷損的主要類(lèi)型，而且主要集中在鐵路正線(xiàn)的小半徑曲線(xiàn)處(R≤800 m)。這3類(lèi)傷損之和占鋼軌傷損總數(shù)的82.6%，而鋼軌掉塊傷損又占到這3類(lèi)主要傷損的39.5%。鋼軌掉塊傷損主要出現(xiàn)在接頭、尖軌、轍叉處。掉塊傷損一般發(fā)生在累計(jì)通過(guò)總重20～30 Mt 期間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到換軌周期，若全部予以更換，勢(shì)必會(huì)造成較大的資源浪費(fèi)。

表1 鋼軌傷損統(tǒng)計(jì)

2 大準(zhǔn)鐵路快速焊補(bǔ)工藝

2.1 快速焊補(bǔ)工藝流程

快速焊補(bǔ)工藝流程為焊前預(yù)處理、焊補(bǔ)和焊后打磨。焊前預(yù)處理是用氧化焰和中性焰將鋼軌表面的硬化層(疲勞層)、氧化物(鐵銹)、污垢、碎裂、微細(xì)裂紋徹底清除，預(yù)熱長(zhǎng)度應(yīng)控制在400 mm之內(nèi)[4]。焊補(bǔ)采用中性焰融化焊條，焊條始終不能離開(kāi)熔池。應(yīng)根據(jù)鋼軌類(lèi)型采用不同的焊條型號(hào)和焊接方式[5]。各類(lèi)鋼軌焊接參數(shù)見(jiàn)表2。焊后打磨是采用GM-6打磨機(jī)的平行砂輪，對(duì)焊層進(jìn)行平順性打磨。打磨時(shí)，砂輪給進(jìn)量和力度不可過(guò)大，不可出現(xiàn)藍(lán)紫色斑，應(yīng)先打磨鋼軌頂面后打磨鋼軌兩側(cè)。打磨的平順度用1 m鋼直尺測(cè)定，允許偏差為+0.3 mm，不得出現(xiàn)負(fù)值，軌面與車(chē)輪接觸面積應(yīng)不少于90%。

表2 各類(lèi)鋼軌焊接參數(shù)

2.2 快速焊補(bǔ)工藝要點(diǎn)

1)治早、治小。鋼軌焊補(bǔ)宜治早、治小，及時(shí)焊補(bǔ)較小的傷損，有效防止傷損擴(kuò)大，保證行車(chē)安全。

2)尖軌、基本軌焊補(bǔ)后必須進(jìn)行回火處理。尖軌焊補(bǔ)前預(yù)熱到200 ℃以上，焊完后立即回火處理，加熱保溫3～5 min；基本軌焊補(bǔ)前預(yù)熱到350℃以上，焊完后立即回火處理，加熱保溫3～5 min[6]?；鼗鹛幚砜捎行撥墐?nèi)應(yīng)力。

3)砂輪片的選用必須適宜。砂輪片的硬度選擇原則：磨削軟材料時(shí)，選用較硬的砂輪片；磨削硬材料時(shí)，選用較軟的砂輪片。合金鋼組合轍叉在打磨時(shí)宜選用材質(zhì)為棕剛玉、白剛玉或黑碳化硅的砂輪片[7]，其粒度號(hào)為24～46、硬度為中軟1～2。如砂輪片選用不正確，即便砂輪片耐用，打磨時(shí)灰塵少，打磨的效率和速度也較低。

4)焊前打磨必須徹底。焊前應(yīng)將裂紋徹底打磨干凈，徹底清除裂紋和待焊部位鋼軌硬化層、油污與鐵銹，并露出金屬光澤[8]。若缺陷或傷損嚴(yán)重，須打磨的寬度接近軌頂寬度時(shí)，應(yīng)分2次打磨。首先磨去軌頂面的2/3，待焊補(bǔ)達(dá)一半軌頭頂面后，再磨掉其余部分，進(jìn)行焊補(bǔ)[4]。

5)每根焊條應(yīng)一次焊完。每根焊條引弧后中途不要滅弧，應(yīng)一次性焊完整根焊條；焊補(bǔ)區(qū)域應(yīng)連續(xù)完成焊接工作。

6)正確引弧、擺弧、運(yùn)條、收弧。引弧和收弧應(yīng)避開(kāi)輪緣槽邊緣及焊層與母材的交界處。必須在焊道前方10～15 mm處引弧。電弧引燃后，立即拖回到焊道起點(diǎn)進(jìn)行焊接、擺弧、運(yùn)條。收弧時(shí)，要使焊條回焊5～10 mm，稍作停頓，填滿(mǎn)弧坑后再滅弧。引弧端應(yīng)于收弧處錯(cuò)開(kāi)。

7)焊后打磨，軌頂面和側(cè)面必須平順。施焊結(jié)束后，應(yīng)對(duì)尖軌和基本軌斷面輪廓進(jìn)行打磨。打磨時(shí)應(yīng)做到軌頂面和側(cè)面都平順。用1 m鋼直尺檢查時(shí)，焊補(bǔ)打磨處頂面凸起應(yīng)小于0.3 mm，施焊過(guò)的軌頭內(nèi)側(cè)作用面允許凹下0.2 mm，不允許凸出。焊后打磨到位，才可延緩出現(xiàn)肥邊及避免發(fā)生掉快，確保焊補(bǔ)質(zhì)量。目檢焊補(bǔ)層外形，應(yīng)符合轍叉頂面輪廓形狀。咽喉寬度應(yīng)在67～72 mm以?xún)?nèi)，轍叉心軌理論尖端至心軌寬度為50 mm，輪緣槽寬度應(yīng)達(dá)到45～47 mm。

2.3 快速焊補(bǔ)工藝特點(diǎn)

鋼軌是加入少量Si,Mn,Cr,Ni等合金元素的特種用途鋼材，它的基本焊接性能與合金鋼相近，屬于高碳鋼，其含碳量約為0.8%[8]。采用常規(guī)的焊接方法易出現(xiàn)裂紋、氣孔、硬脆組織等病害[9]。采用快速焊補(bǔ)工藝具有以下特點(diǎn)：①經(jīng)過(guò)快速焊接的部件，能夠滿(mǎn)足尖軌、鋼軌的使用要求和力學(xué)性能，可延長(zhǎng)構(gòu)件使用壽命0.5～3倍，且能適應(yīng)鋼軌的外部工作環(huán)境變化;②焊接工藝對(duì)操作人員的身體傷害??；③焊修整形后完全符合軌道設(shè)計(jì)幾何斷面要求；④焊后質(zhì)量穩(wěn)定，不易出現(xiàn)氣孔、裂紋等病害；⑤焊補(bǔ)后鋼軌的剛性、韌度、耐磨性等技術(shù)性能不低于原軌件所具備的水平；⑥可利用列車(chē)間隔施工，不影響正常行車(chē)安全；⑦不需拆卸，加熱、保溫、焊修作業(yè)過(guò)程相當(dāng)便利;⑧焊修后維護(hù)工藝簡(jiǎn)單，保養(yǎng)時(shí)間短，工效高，成本低。

3 大準(zhǔn)線(xiàn)焊補(bǔ)效果評(píng)價(jià)

以大準(zhǔn)線(xiàn)K173+700和K175+350兩處鋼軌剝落掉塊為代表，對(duì)焊補(bǔ)前后鋼軌接頭形狀和力學(xué)性能進(jìn)行對(duì)比。

3.1 鋼軌接頭形狀對(duì)比

采用快速焊補(bǔ)工藝，對(duì)傷損掉塊的鋼軌進(jìn)行焊補(bǔ)，焊補(bǔ)前后鋼軌接頭形狀對(duì)比見(jiàn)圖1?？梢钥闯?，焊補(bǔ)維修之后的鋼軌與原鋼軌保持一致的幾何形位，并用1 m 鋼直尺檢測(cè)其平順性，能夠滿(mǎn)足線(xiàn)路的平順性要求。

3.2 鋼軌力學(xué)性能對(duì)比

焊補(bǔ)前在原鋼軌上取樣，測(cè)試其化學(xué)成分和力學(xué)性能。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3和表4。焊補(bǔ)后取焊絲熔敷金屬部位及焊補(bǔ)部位進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表5。取焊補(bǔ)部位試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和室溫沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6。焊補(bǔ)部位鋼軌頂面布氏硬度試驗(yàn)和維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7、表8。

圖1 焊補(bǔ)前后鋼軌接頭形狀對(duì)比

表3 焊補(bǔ)前原鋼軌化學(xué)成分 %

表4 焊補(bǔ)前原鋼軌力學(xué)性能

表5 焊絲熔敷金屬部位及焊補(bǔ)部位化學(xué)成分 %

表6 焊補(bǔ)部位力學(xué)性能

表7 焊補(bǔ)部位鋼軌頂面布氏硬度 HB

表8 焊補(bǔ)部位鋼軌頂面維氏硬度 HV

由表3—表8可知：焊補(bǔ)層的化學(xué)成分與母材相似，鋼軌焊補(bǔ)部位力學(xué)性能，鋼軌頂面布氏硬度、維氏硬度均能滿(mǎn)足規(guī)范[10]要求。

4 快速焊補(bǔ)的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

新鋼軌和焊補(bǔ)后鋼軌單價(jià)對(duì)比見(jiàn)表9，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，新鋼軌和焊補(bǔ)后鋼軌的使用期限以及鋼軌年折算費(fèi)用對(duì)比見(jiàn)表10。

表9 新鋼軌和焊補(bǔ)后鋼軌單價(jià)對(duì)比

注：質(zhì)量列是以60 kg/m鋼軌為例計(jì)算的； 舊軌回收單位列是按市場(chǎng)價(jià)1 200元/t計(jì)算的。

表10 新鋼軌和焊補(bǔ)后鋼軌使用期限及鋼軌年折算費(fèi)用對(duì)比

2016年焊補(bǔ)鋼軌400根，尖軌195根，轍叉210根，基本軌195根。根據(jù)表9和表10中的單價(jià)進(jìn)行計(jì)算，采用快速焊補(bǔ)工藝與更換新鋼軌相比，每年可節(jié)約費(fèi)用595.1萬(wàn)元。

5 結(jié)論與建議

1)相比傳統(tǒng)鋼軌焊補(bǔ)工藝，大準(zhǔn)線(xiàn)采用的鋼軌快速焊補(bǔ)工藝具有簡(jiǎn)便、高效、焊接質(zhì)量較高、后期維護(hù)工作量小等特點(diǎn)，對(duì)于保障鐵路運(yùn)營(yíng)安全效果明顯。

2)焊補(bǔ)層具有優(yōu)良的耐磨損性能。通過(guò)近幾年的上道檢測(cè)，大準(zhǔn)鐵路焊補(bǔ)后鋼軌具有優(yōu)良的實(shí)用性能，能夠勝任重載鐵路惡劣工況。

3)焊補(bǔ)層的化學(xué)成分與母材相似。經(jīng)試驗(yàn)分析，其焊補(bǔ)后鋼軌力學(xué)性能、硬度等均能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

4)與更換新鋼軌相比，焊補(bǔ)鋼軌具有明顯的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，值得大范圍推廣。