普速鐵路鋼軌服役狀態(tài)評估方法及應用效果

田常海 張金 俞喆 林云蕾 張訓全 梁旭

（中國鐵道科學研究院集團有限公式金屬及化學研究所，北京 100081）

國外對鋼軌進行車載探傷和檢測，國內(nèi)采用車載和人工相結(jié)合的探傷、檢測方式。歐洲鋼軌大修采用線路檢測、評估的動態(tài)維修模式［1-2］，既考慮安全性，又考慮經(jīng)濟性。北美重載線路采用以鋼軌傷損率為指標的換軌周期［3］，我國鋼軌大修采用以累計通過總質(zhì)量為指標，同時輔以鋼軌傷損率（本文鋼軌傷損均指重傷）為指標進行大修，并逐漸向動態(tài)維修過渡［4-6］。與此同時，多數(shù)鐵路局存在鋼軌的使用時間超過了以通過總質(zhì)量為指標的大修周期。

2016 年，中國鐵路總公司在進行“普速鐵路鋼軌合理使用壽命研究”［7］基礎上開展了“普速鐵路軌道服役狀態(tài)評估關鍵技術研究”。選擇上海鐵路局管轄的京滬線下行K862+892—K917+500 段作為試驗段，進行了鋼軌狀況評估和延長鋼軌換軌周期現(xiàn)場試驗研究［8］，開展了鋼軌傷損統(tǒng)計和預測分析，在此基礎上將京滬線下行K862+892—K917+500 換軌周期由原定的通過總質(zhì)量7 億t 延長到近10 億t，并計算換軌周期提高后的經(jīng)濟效益。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

到目前為止，國外鋼軌大修周期的確定主要有以下3 種方法：①以通過總質(zhì)量或年份作為大修周期［7］，主要是前蘇聯(lián)采用；②以年每公里鋼軌傷損量作為大修周期，主要是北美國家采用［3］；③根據(jù)鋼軌的使用狀況，結(jié)合動態(tài)經(jīng)濟指標，進行動態(tài)換軌大修［2］，主要是歐洲客貨混運鐵路和重載鐵路國家采用。

在充分調(diào)研我國普速鐵路鋼軌使用和傷損情況基礎上，獲得了累計通過總質(zhì)量下每公里鋼軌傷損量，結(jié)合經(jīng)濟分析結(jié)果和我國路情，2002—2003 年，提出了我國普速鐵路鋼軌大修周期確定方法④：累計通過總質(zhì)量和鋼軌傷損率相結(jié)合的換軌周期。

2016 年，調(diào)研了我國普速鐵路鋼軌使用和傷損情況，在進行安全性和經(jīng)濟性綜合分析基礎上，進一步確定累計通過總質(zhì)量和鋼軌傷損率相結(jié)合的鋼軌換軌周期：①60 kg/m 鋼軌大修周期為累計通過總質(zhì)量1 000 Mt，當累計通過總質(zhì)量達到1 000 Mt 后，如果鋼軌傷損量較小，可以繼續(xù)運營到每公里傷損量2～4處下道；②在累計通過總質(zhì)量未達到規(guī)定大修周期的成段鋼軌，如果60 kg/m 鋼軌每公里傷損量超過4 處，對出現(xiàn)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，要及時更換鋼軌。

2 鋼軌服役狀態(tài)評估方法和參數(shù)

歐美鐵路根據(jù)鋼軌的使用狀況進行狀態(tài)換軌大修。通過對鋼軌上道后傷損量等數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，預測未來鋼軌傷損情況，進而確定與鋼軌失效有關的費用，進行經(jīng)濟效益分析，并據(jù)此計算最佳的換軌周期。我國鐵路已經(jīng)形成了鋼軌、傷損量、運量等數(shù)據(jù)電子化，只是持續(xù)記錄時間較短，但已經(jīng)初步具備了由“周期修”向“狀態(tài)修”過渡的條件。

2002—2003 年，原鐵道部科技司立項進行“提速線路鋼軌大修周期的研究”，課題組調(diào)查了27 個工務段鋼軌使用和傷損情況。以上海鐵路局提供的鋼軌大修、維修費用等數(shù)據(jù)分析鋼軌最佳經(jīng)濟下道時機，經(jīng)計算得出鋼軌經(jīng)濟下道時機為每公里鋼軌傷損量2～4處［6］。

因此，我國普速鐵路鋼軌服役狀態(tài)評估參數(shù)為累計通過總質(zhì)量和每公里鋼軌傷損量，即60 kg/m 鋼軌換軌周期為累計通過總質(zhì)量10億t和每公里鋼軌傷損量2～4處。

按累計通過總質(zhì)量并結(jié)合每公里鋼軌傷損量可確定換軌周期，但需要進行鋼軌傷損預測，預測下一年每公里鋼軌傷損量，以便預先做換軌計劃。由于一些鋼軌探傷無法進行（例如鋼軌焊接接頭低塌、銹蝕等），鋼軌探傷存在誤判。因此，更換鋼軌前還必須進行現(xiàn)場調(diào)研和檢測，調(diào)研鋼軌實際使用狀態(tài)，并測試探傷無法進行的鋼軌焊接接頭低塌、銹蝕等傷損，在現(xiàn)場評估、測試基礎上，結(jié)合累計通過總質(zhì)量和每公里鋼軌傷損量通過綜合分析確定鋼軌換軌周期。

以上海鐵路局管轄的京滬線下行K862+892—K917+500 作為試驗段，進行鋼軌服役狀態(tài)評估，分析研究換軌周期。

3 京滬線下行K862+892—K917+500段現(xiàn)場調(diào)研

京滬線下行 K862+892—K917+500 段于 2010 年12月鋪設60 kg/m 的U75V鋼軌，2016年底該段鋼軌累計通過總質(zhì)量約7 億t，2016 年根據(jù)累計通過總質(zhì)量7億t大修換軌指標計劃2017 年更換京滬線下行K862+892—K917+500 段鋼軌。2016 年進行的傷損統(tǒng)計表明，京滬線下行K862+892—K917+500 段累計通過總質(zhì)量7 億t，每公里鋼軌傷損量不足1.1 處。在進行京滬線下行K862+892—K917+500 段鋼軌使用和傷損現(xiàn)場調(diào)研后，向使用單位建議該段鋼軌暫時不下道，根據(jù)鋼軌傷損率統(tǒng)計預測和鋼軌使用狀態(tài)評估鋼軌下道時間。

2017 年3 月，進行了京滬線下行K862+892—K917+500段鋼軌使用和傷損情況現(xiàn)場調(diào)查，選定京滬線下行K941+000 附近線路進行了鋼軌使用和傷損情況現(xiàn)場測試。京滬線下行K941+000 附近地段鋼軌剛剛打磨過，鋼軌廓形及光帶見圖1?？芍孩俅蚰デ?、后軌頂表面沒有接觸疲勞裂紋，鋼軌狀態(tài)良好；焊接接頭平直度在-0.2 mm/1 m～+0.4 mm/1 m 以內(nèi)，鋼軌銹蝕深度不足1 mm。②在輪軌接觸區(qū)域和軌距角區(qū)域鋼軌打磨廓形與60N 鋼軌標準廓形極其相近，平均豎向偏差不足0.2 mm，打磨后鋼軌光帶寬度約20 mm。

圖1 京滬線下行K941+000處左、右股鋼軌廓形與光帶情況

京滬線下行K862+892—K917+500 段鋼軌上道至2018 年 11 月累計通過總質(zhì)量約 9 億 t，2018 年 11 月課題組第2 次對京滬線下行K862+892—K917+500 段鋼軌使用進行了現(xiàn)場調(diào)查，測試了京滬線下行K941+000附近線路鋼軌廓形和垂直磨耗數(shù)據(jù)。調(diào)查結(jié)果表明：①鋼軌頂面無宏觀疲勞裂紋，光帶寬度約55 mm；②累計通過總質(zhì)量約9億t時京滬線U75V鋼軌垂直磨耗約3.5 mm（含打磨）。

4 京滬線下行K862+892—K917+500試驗段傷損分析與預測

依據(jù)上海鐵路局提供的鋼軌、傷損、運量等數(shù)據(jù)庫，將站區(qū)和區(qū)間線路分開，對京滬線下行K862+892—K917+500段2010年12月鋼軌鋪設上道至2019年3月下道期間每公里鋼軌傷損量進行了統(tǒng)計分析。分析結(jié)果表明：

1）每公里鋼軌傷損量與累計通過總質(zhì)量呈二次函數(shù)關系。

2）累計通過總質(zhì)量900 Mt，包含站區(qū)與不含站區(qū)每公里鋼軌傷損量分別為1.39，0.66處。

3）預測累計通過總質(zhì)量1 000 Mt，包含站區(qū)與不含站區(qū)每公里鋼軌傷損量分別為1.52，0.68處。

4）焊接傷損全部是鋁熱焊傷損，孔裂傷損主要是膠接絕緣接頭傷損，約占總孔裂傷損的70%。

5）鋼軌傷損主要發(fā)生在站區(qū)及其前后，站區(qū)鋼軌傷損率約為線路區(qū)間的5倍。

根據(jù)鋼軌傷損率與累計通過總質(zhì)量呈二次函數(shù)關系，利用鋼軌上道至目前鋼軌傷損歷史數(shù)據(jù)，預測下一年的每公里鋼軌傷損量（見表1），以便對是否換軌做出決策。

表1 京滬線下行K862+892—K917+500段每公里鋼軌傷損量預測值及相對誤差

由表1 可知，累計通過總質(zhì)量超過7 億t 后每公里鋼軌傷損量預測相對誤差不超過14%，累計通過總質(zhì)量超過8 億t 后總每公里鋼軌傷損量預測相對誤差不超過5%，平均值約為3%。

5 鋼軌評估技術現(xiàn)場驗證及延長換軌周期的經(jīng)濟效益

京滬線下行K862+892—K917+500 段累計通過總質(zhì)量達到7億t，包含站區(qū)及不含站區(qū)每公里鋼軌傷損量分別為1.11，0.58 處；采用2018 年及以前鋼軌傷損數(shù)據(jù)，根據(jù)每公里鋼軌傷損量與累計通過總質(zhì)量呈二次函數(shù)關系預測累計通過總質(zhì)量10 億t 時包含站區(qū)、不含站區(qū)每公里鋼軌傷損量分別為1.52，0.68處。累計通過總質(zhì)量達到10億t時每公里鋼軌傷損量遠未達到2～4 處，預測每公里鋼軌傷損量達到2 處時累計通過總質(zhì)量約13～14 億t。由每公里鋼軌傷損量分析結(jié)果和現(xiàn)場實地調(diào)研鋼軌使用狀態(tài)可知，京滬線下行K862+892—K917+500 段鋼軌完全可以繼續(xù)使用至累計通過總質(zhì)量10 億t 乃至13 億t。但由于研究項目結(jié)束和計劃安排原因，該段鋼軌2019 年3 月下道了，下道時累計通過總質(zhì)量為9.3億t。

2011—2015 年上海鐵路局大修換軌費用平均值為91 萬元/km，換軌周期由累計通過總質(zhì)量700 Mt 提高到930 Mt。以累計通過總質(zhì)量6 510 Mt 計算，累計通過總質(zhì)量700 Mt 更換鋼軌9.3 次，累計通過總質(zhì)量930 Mt 更換鋼軌7 次，累計通過總質(zhì)量6 510 Mt 更換周期延長后節(jié)約經(jīng)費 91 萬元×（9.3-7）=209.3 萬元。因此每運行通過總質(zhì)量1 000 Mt 每換軌1 km 節(jié)約經(jīng)費209.3萬元÷6.51=32.15萬元。

6 結(jié)論

本文針對普速鐵路在役鋼軌服役狀態(tài)，開展了普速鐵路在役鋼軌服役狀態(tài)評估方法和參數(shù)研究，得到如下主要結(jié)論：

1）鋼軌服役狀態(tài)評估參數(shù)為累計通過總質(zhì)量和鋼軌傷損率，60 kg/m鋼軌換軌周期為累計通過總質(zhì)量10億t和每公里鋼軌傷損量2～4處。

2）鋼軌傷損主要發(fā)生在站區(qū)及其前后，站區(qū)鋼軌傷損率約為線路區(qū)間的5倍。焊接傷損全部是鋁熱焊傷損，孔裂傷損主要是膠接絕緣接頭傷損，約占總孔裂傷損的70%。

3）試驗段累計通過總質(zhì)量9.3 億t 時鋼軌頂面無宏觀疲勞裂紋，光帶寬度約55 mm；累計通過總質(zhì)量約9 億t 時京滬線U75V 鋼軌垂直磨耗約3.5 mm（含打磨）。

4）京滬線下行K862+892—K917+500 段累計通過總質(zhì)量7，10 億t 時的每公里鋼軌傷損量分別約為1.1，1.5 處。預測每公里鋼軌傷損量達到2 處時累計通過總質(zhì)量約13～14 億t。根據(jù)每公里鋼軌傷損量分析結(jié)果和現(xiàn)場實地調(diào)研鋼軌使用狀態(tài)預測京滬線下行K862+892—K917+500 段完全可以繼續(xù)使用至累計通過總質(zhì)量10億t乃至13億t。

5）換軌周期由累計通過總質(zhì)量7 億t 提高到9.3億t，每換軌1 km可節(jié)約經(jīng)費約32萬元。