淺談無縫線路鋼軌探傷周期

靳芮嫚

【摘 要】論文從鐵路設(shè)備服務(wù)生產(chǎn)運輸安全的角度闡述了對線路鋼軌進行無損檢測的重要性，并通過多年從業(yè)鋼軌探傷工作得出的現(xiàn)場一線傷損數(shù)據(jù)進行對比與總結(jié)，利用力學算法得出鋼軌傷損的重要特性與產(chǎn)生規(guī)律，通過調(diào)整鋼軌探傷周期達到優(yōu)化探傷組織結(jié)構(gòu)、確保鋼軌設(shè)備安全穩(wěn)定的目的。

【Abstract】This paper expounds the importance of non-destructive testing of line rails from the perspective of railway equipment serving the production and transportation safety. It compares and summarizes the first-line injury data obtained from years of steel rail inspection work， and uses mechanical algorithm to obtain the important characteristics and production rules of rail damage. Through adjusting the flaw detection period， the structure of flaw detection and the safety and stability of rail equipment are optimized.

【關(guān)鍵詞】無縫線路；鋼軌探傷；探傷周期

【Keywords】seamless rail； rail flaw detection； inspection cycle

【中圖分類號】U213.4 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2019）03-0158-02

1 研究背景

鐵路無縫線路是在我國鐵路經(jīng)過1997-2007年6次提速后，為適應(yīng)新型動力車組輕體車輛結(jié)構(gòu)，滿足動車組高速運行時，保證線路鋼軌設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定、性能良好的軌道結(jié)構(gòu)而提出的。自2007年4月我國自主研發(fā)CRH動車組后，在全國范圍內(nèi)開始了大規(guī)模的升級與鋪設(shè)。

無縫線路自鋪設(shè)至今，擔負起了運量繁重的鐵路客運、貨運運輸任務(wù)，經(jīng)歷十余年的服役后，開始出現(xiàn)疲勞狀態(tài)，鋼軌內(nèi)部材質(zhì)中的細微裂紋、焊縫部位的氣孔夾雜等傷損逐漸發(fā)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(zhì)量的無損檢測工作，正逐步體現(xiàn)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(nèi)部情況進行檢測。鋼軌內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生與發(fā)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(shè)備，傷損的出現(xiàn)會受到多種應(yīng)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(jié)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(xiàn)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(nèi)部產(chǎn)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(cè)會留下一道不規(guī)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(nèi)部容易產(chǎn)生疲勞裂紋，從焊縫到焊縫兩側(cè)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(tài)受軌道結(jié)構(gòu)、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(yīng)力會傳遞至鋼軌內(nèi)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(guān)[1]，應(yīng)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(nèi)部后，可根據(jù)物理要素分為接觸應(yīng)力、動應(yīng)力、附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力等受力方式，同時，線路鋼軌根據(jù)鋪設(shè)環(huán)境的不同還會受到溫度應(yīng)力的影響。受力點的計算可通過結(jié)構(gòu)力學相關(guān)公式計算完成，過程不做贅述，現(xiàn)將鋼軌受力范圍、應(yīng)力特征及其對內(nèi)部傷損的影響總結(jié)如下。

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(yīng)力，剪應(yīng)力會對鋼軌造成彎曲形變，鋼軌剛度越高，彎曲形變越??；形變越小，傷損發(fā)展越緩慢。

2.2.3 螺孔受力的影響

在鋼軌接頭至接頭兩側(cè)各延伸3 m范圍內(nèi)，列車會對接觸面形成正應(yīng)力及剪應(yīng)力，正應(yīng)力沿橫斷面?zhèn)鬟f，剪應(yīng)力沿縱斷面?zhèn)鬟f，兩股應(yīng)力傳遞至軌腰處，在螺孔位置形成應(yīng)力集中[2]。在兩股應(yīng)力長期反復作用下，螺孔附近極易產(chǎn)生疲勞傷損，且細微裂紋發(fā)展較快，根據(jù)力的傳遞規(guī)律，第一螺孔受影響最大，第二孔較小。當內(nèi)部細微裂紋發(fā)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(fā)展，會成為第Ⅰ、Ⅲ象限螺孔裂紋；沿縱斷面不斷發(fā)展，會形成第Ⅱ、Ⅳ象限螺孔裂紋。螺孔裂紋繼續(xù)發(fā)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(chǎn)的需要，不僅存在直線線路，還需鋪設(shè)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(shè)計了超高，以保障列車平穩(wěn)通過。但是曲線超高的存在會在列車通過時形成轉(zhuǎn)動慣性，對鋼軌形成彎曲應(yīng)力，彎曲應(yīng)力容易使鋼軌軌頭內(nèi)部形成核狀傷損，我們稱之為核傷，彎曲應(yīng)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(guī)律分布。

2.2.5 溫度應(yīng)力的影響

線路鋼軌因鋪設(shè)環(huán)境的不同而受到不同程度溫度應(yīng)力的影響，因鋼軌材質(zhì)特性表現(xiàn)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(fā)展。根據(jù)規(guī)律總結(jié)出在我國北方冬季季節(jié)是鋼軌傷損的高發(fā)期，入冬、上凍及春融期的時間節(jié)點是探傷工作的重點環(huán)節(jié)。

2.2.6 其他特殊區(qū)段的影響

除上述線路區(qū)段外，還有部分區(qū)段的特性會對線路鋼軌造成影響，如橋梁、隧道、涵洞等，應(yīng)根據(jù)具體區(qū)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(diào)整

通過上述內(nèi)容，我們分析了導致鋼軌傷損產(chǎn)生與發(fā)展的諸多因素，我們也當以此為依據(jù)，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(nèi)，根據(jù)運輸運量的不同對所處時期分為早期、穩(wěn)定期、發(fā)展期及高發(fā)期，在不同時期內(nèi)應(yīng)該對探傷周期進行適當?shù)恼{(diào)整，調(diào)整方法如表2所示。

注：①在一個大修周期內(nèi)的早期階段，應(yīng)加強對鋼軌的探傷檢測，以防止鋼軌設(shè)備在出廠前遺留的微小傷損對運輸安全造成隱患；②在通過穩(wěn)定期之后，因鋼軌服役時間的增加，疲勞傷損會持續(xù)增加，應(yīng)在之后的發(fā)展期、高發(fā)期階段適當縮短探傷周期，加強探傷檢測，直至下一次換軌大修。

【參考文獻】

【1】中國鐵路總公司.鐵路技術(shù)管理規(guī)程[M].北京：中國鐵道出版社，2014.

【2】北京鐵路局.鋼軌探傷基本知識[M].北京：中國鐵道出版社，2013.