包西鐵路隧道內(nèi)彈條斷裂原因分析

李承亮 崔樹坤 方杭瑋 裴建剛 楊曉光 邵緹 馬紅倫

1.中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.中國鐵路西安局集團公司延安工務(wù)段，陜西 延安 716000；3.中原利達(dá)鐵路軌道技術(shù)發(fā)展有限公司，鄭州 450100

包西鐵路于2010年12月底開通運營，運營車輛包括動車、普速列車和貨車三種。其中動車最高運行速度160 km/h，日通行量為3對；普速列車最高運行速度120 km/h，日通行量為36對；貨車最高運行速度100 km/h，日通行量為52對。上行線年通過總質(zhì)量約29 Mt，下行線年通過總質(zhì)量約56 Mt。包西鐵路隧道內(nèi)采用CRTSⅠ型板式軌道，配套采用WJ?7A型扣件。2017年7月，西安局工務(wù)處反映包西鐵路部分隧道內(nèi)彈條銹蝕嚴(yán)重，大部分彈條已斷裂。

本文以桐木石隧道、九燕山隧道內(nèi)傷損彈條為研究對象，利用現(xiàn)場調(diào)研、室內(nèi)試驗并選取現(xiàn)場試驗段進(jìn)行試鋪，初步分析彈條斷裂的原因。

1 現(xiàn)場調(diào)研

1）斷裂彈條多為線路鋪設(shè)初期上線，由建設(shè)施工方鋪設(shè)，在線運營6年半左右。從彈條斷裂處絕緣塊壓痕深度（圖1）可知，初始安裝扭矩普遍較大。

圖1 彈條斷裂處絕緣塊扣壓邊壓痕

2）斷裂彈條多發(fā)生在下行線路。甘泉車間統(tǒng)計了2016年1月—2017年8月九燕山隧道斷裂彈條情況，見表1?？芍滦芯€路斷裂彈條占比約為70%。

表1 甘泉車間九燕山隧道斷裂彈條統(tǒng)計

3）彈條斷裂位置集中于側(cè)肢尾部（圖2），中肢斷裂占比較低［1］。

圖2 彈條側(cè)肢尾部斷裂

2 室內(nèi)試驗

對隧道斷裂彈條與非斷裂彈條開展了室內(nèi)試驗，包括：①檢測硬度、脫碳層深度和金相組織；②用金相顯微鏡觀測表面裂紋。

2.1 硬度檢測

根據(jù)TB/T 3395.4—2015《高速鐵路扣件 第4部分：WJ?7型扣件》進(jìn)行彈條硬度檢測。隨機選取7個斷裂彈條作為試樣，分別編號1#—7#。取樣部位為斷裂彈條中肢中段，截取長度約13～21 mm。在試件斷面圓心至1/2半徑范圍內(nèi)試驗4個點，讀數(shù)精度不低于0.5 HRC，取后3個點的平均值。彈條硬度檢測結(jié)果見表2?？芍?，彈條的硬度均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

表2 斷裂彈條試樣硬度檢測結(jié)果

2.2 脫碳層深度檢測

根據(jù)TB/T 3395.4—2015進(jìn)行彈條的脫碳層深度檢測。對2.1節(jié)試樣的取樣部位進(jìn)行脫碳層深度檢測，每個試樣分別檢測5個部位，取最大值作為該試樣的檢測結(jié)果。以3#試樣為例，彈條脫碳層深度如圖3所示。檢測結(jié)果見表3?？芍瑥棗l的脫碳層深度均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。

圖3 3#斷裂彈條脫碳層深度（單位：mm）

表3 斷裂彈條試樣脫碳層深度檢測結(jié)果

2.3 金相組織檢測

根據(jù)TB/T 3395.4—2015進(jìn)行斷裂彈條金相組織檢測。采用2.1節(jié)試樣作為彈條金相組織檢測試樣。TB/T 2478—1993《彈條金相組織評級圖》規(guī)定，金相組織應(yīng)為均勻的回火屈氏體和回火索氏體，允許有少量的鐵素體，心部允許有微量的貝氏體。檢測結(jié)果表明，所有試樣的金相組織為均勻的回火屈式體和回火索氏體，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。以7#試樣為例，斷裂彈條金相組織如圖4所示。

圖4 7#斷裂彈條金相組織

2.4 裂紋檢測

選取2.1中的7件斷裂彈條和3件現(xiàn)場拆回未斷裂彈條進(jìn)行裂紋檢測。對斷裂彈條在斷口位置分別沿彈條直徑和垂直于彈條直徑方向制取裂紋檢測試樣，對未斷裂彈條在尾部圓弧處制取試樣（圖5）。使用金相預(yù)磨機、金相拋光機對試樣進(jìn)行拋光，然后用金相顯微鏡觀測裂紋。經(jīng)金相顯微鏡觀測，所有樣品均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

更有信佛的信徒說，李駟峋假信佛，真行兇，假借信佛之名，搜羅天下名貴香爐，遍尋世上貴重香料，弄得天怒人怨。菩薩脾氣再好，也會生氣，有道是，我佛慈悲，亦作獅子吼。菩薩一生氣，就把他的魂收走了。李駟峋臨死前那股異香，其實是菩薩留下的標(biāo)記。常人哪來的異香？更不用說是大惡人了。

圖5 未斷裂彈條試樣制取示意

綜上，斷裂彈條硬度、總脫碳層深度和金相組織均在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)，不存在產(chǎn)品質(zhì)量問題。

3 線路試鋪情況

2017年，選取九燕山隧道建立長期跟蹤試驗段，在里程K591處鋪設(shè)了浸油、靜電噴粉［2］、滲鋅鎳［3］、冷鍍鋅、藍(lán)波克、達(dá)克羅、石墨烯等多種防銹彈條，安裝狀態(tài)包含正常扭矩（120 N·m）、過大扭矩（300 N·m）以及特殊處理減小彈條尾部接觸應(yīng)力方式。

截至2021年3月，對試驗段持續(xù)進(jìn)行跟蹤觀測，發(fā)現(xiàn)各類防銹工藝現(xiàn)場防銹效果略有不同。試驗段開通前期，由于普速列車廁所直排的存在，各類防銹彈條表面涂層封閉層很快被腐蝕，直觀表現(xiàn)為類似銹蝕污濁。2018年下半年后取消了列車廁所直排，各類防銹彈條未見加速銹蝕現(xiàn)象。試驗段內(nèi)斷裂彈條與銹蝕無直接關(guān)系。

試驗段共鋪設(shè)895件彈條，斷裂52件，占5.8%。其中，既有扣件組裝鋪設(shè)815件，斷裂52件，占6.4%；特殊處理減小尾部接觸應(yīng)力處80件彈條無一斷裂。

根據(jù)試驗段銹蝕-斷裂統(tǒng)計，浸油彈條銹蝕最嚴(yán)重，靜電噴粉次之。浸油彈條斷裂占比最高（34/52），靜電噴粉次之（18/52）。其他防銹工藝暫未見銹蝕和斷裂現(xiàn)象。根據(jù)試驗段安裝扭矩-斷裂形式統(tǒng)計，彈條中肢斷裂均發(fā)生在過大扭矩安裝區(qū)段。

4 斷裂原因分析

4.1 彈條尾部接觸應(yīng)力過大

彈條發(fā)生斷裂的位置集中在尾部，斷口有明顯的光滑疲勞擴展區(qū)和粗糙顆粒狀的疲勞斷裂區(qū)［4］（圖6）。可以看出，疲勞擴展區(qū)的發(fā)展方向與彈條截面垂直，與彈條最大主應(yīng)力方向呈45°；斷裂區(qū)的發(fā)展方向與彈條截面呈45°，與彈條最大主應(yīng)力方向垂直。

圖6 彈條疲勞斷裂分析

在標(biāo)準(zhǔn)安裝狀態(tài)下，彈條尾端與鐵墊板支承位置存在一定程度的觸碰。由于鐵墊板材料QT?450的剛度較高，導(dǎo)致彈條與鐵墊板接觸時有相當(dāng)大的接觸剛度［5］，造成接觸部位附近的彈條應(yīng)力較大，提高了發(fā)生疲勞傷損的可能性。在列車通過的交變應(yīng)力作用下，接觸部位的應(yīng)力誘導(dǎo)彈條產(chǎn)生疲勞源區(qū)微觀裂紋，再經(jīng)集結(jié)溝通形成宏觀裂紋，即彈條疲勞斷裂的裂紋擴展區(qū)，且裂紋發(fā)展方向與最大主應(yīng)力方向呈45°。疲勞裂紋擴展積累，剩余截面強度逐步降低，到達(dá)彈條荷載極限時突然斷裂，形成疲勞斷裂區(qū)，此時斷裂方向與最大主應(yīng)力方向垂直。

分析結(jié)果與現(xiàn)場斷裂形式完全吻合，表明彈條斷裂的主要原因是尾部接觸應(yīng)力過大［6-7］。

4.2 彈條銹蝕

銹蝕導(dǎo)致彈條光滑的表面逐漸變得粗糙，根據(jù)金屬疲勞傷損原理［8］可知，表面光潔度對金屬疲勞的發(fā)生和發(fā)展具有較大的影響。特別是在彈條自身存在應(yīng)力集中情況下，如遇到金屬表面銹蝕造成金屬表面高低不平，這些不平滑處相當(dāng)于應(yīng)力集中增強，加劇了彈條裂紋的擴展。這也是浸油和靜電噴涂防腐方式的彈條更早出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象的原因。

4.3 安裝扭矩過大

彈條安裝扭矩過大時，彈條中肢前端與絕緣塊接觸，中肢成簡支梁狀態(tài)。當(dāng)扭矩逐漸增大時，中肢的最大應(yīng)力也隨之增大，當(dāng)應(yīng)力超過彈簧鋼的容許應(yīng)力［9］時，彈條中肢易產(chǎn)生斷裂情況。

根據(jù)TB/T 3395.4—2015在室內(nèi)進(jìn)行模擬試驗。采用扭矩350 N?m的安裝狀態(tài)進(jìn)行扣件組裝疲勞試驗，試驗6萬次時彈條中肢部位發(fā)生傷損，傷損發(fā)生在T形螺栓與彈條的接觸位置，如圖7所示。斷裂情況和現(xiàn)場300 N·m安裝狀態(tài)彈條中肢斷裂情況相一致。

圖7 室內(nèi)大扭矩模擬安裝疲勞斷裂形式

5 結(jié)論及建議

1）斷裂彈條不存在產(chǎn)品質(zhì)量問題。

2）彈條尾部接觸應(yīng)力過大是彈條斷裂的主要原因。

3）在長期服役狀態(tài)下，鐵墊板支承位長年受荷載沖擊，加之安裝時扭矩大造成的凹痕加大了彈條尾部接觸風(fēng)險，極易形成接觸應(yīng)力過大，進(jìn)而造成疲勞斷裂。

4）運營環(huán)境不良造成彈條銹蝕，產(chǎn)生銹坑，造成彈條在銹坑處應(yīng)力集中而損壞。不規(guī)則銹蝕加劇了微觀裂紋源的擴展，降低了彈條使用壽命。

5）建議在后期養(yǎng)護(hù)維修過程中，選用防銹效果較好的防銹工藝，同時嚴(yán)格規(guī)范施工操作，彈條安裝時以中肢距絕緣塊離縫0～1 mm為準(zhǔn)［10］。