建立普速鐵路鋼軌大修指數(shù)的探討

高彥嵩 梁旭 魏夕凱 李英奇 劉豐收

1.中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司，北京 100860；2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司金屬及化學(xué)研究所，北京 100081

鋼軌是重要的軌道部件。中國(guó)普速鐵路平均每年有超過(guò)5 000 km（約合60 萬(wàn)t）新鋼軌投入鋼軌大修，鋼軌大修費(fèi)用巨大。按照TG/GW102—2019《普速鐵路線(xiàn)路修理規(guī)則》，鋼軌大修以累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量或傷損數(shù)量達(dá)到一定值為依據(jù)，即周期修。隨著近年來(lái)鋼軌材質(zhì)的不斷優(yōu)化，鋼軌打磨、潤(rùn)滑技術(shù)的提高，鋼軌服役狀態(tài)已明顯改善，鋼軌使用壽命也相應(yīng)延長(zhǎng)，為開(kāi)展鋼軌狀態(tài)修提供了條件。

本文針對(duì)鋼軌周期修中普遍存在的維修資源針對(duì)性差的問(wèn)題，初步提出采用鋼軌大修指數(shù)指導(dǎo)鋼軌大修決策，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鋼軌狀態(tài)修的構(gòu)想。

1 國(guó)內(nèi)外鋼軌大修的技術(shù)發(fā)展及確定方法

1.1 中國(guó)鋼軌大修技術(shù)的發(fā)展

中國(guó)鋼軌大修經(jīng)歷了由事后修向周期修的轉(zhuǎn)變，目前采用周期與傷損情況相結(jié)合的修理模式［1］。

1949 年以前中國(guó)鐵路鋼軌單重輕、年代老、品種雜。1949—1952 年鐵路運(yùn)量增長(zhǎng)較快，鋼軌折損嚴(yán)重，基本上屬于事后修，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足運(yùn)輸需要。1952—1980 年“輕、老、雜”鋼軌逐漸被更換為標(biāo)準(zhǔn)43 kg/m 或50 kg/m 鋼軌，由被動(dòng)修向周期修過(guò)渡。1980 年以后，借鑒前蘇聯(lián)經(jīng)驗(yàn)，最終依據(jù)鋼軌累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量確定了中國(guó)普速鐵路大修、中修和綜合維修的周期，見(jiàn)表1。

表1 中國(guó)普速鐵路大修、中修及綜合維修周期

2019 年原中國(guó)鐵路總公司發(fā)布了TG/GW102—2019《普速鐵路線(xiàn)路修理規(guī)則》。其中規(guī)定：60 kg/m、75 kg/m 鋼軌無(wú)縫線(xiàn)路的鋼軌大修周期分別為累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量達(dá)到1 000、1 500 Mt；對(duì)于未達(dá)到規(guī)定大修周期的成段鋼軌，60 kg/m 及以下鋼軌重傷率達(dá)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(dá)到4 ～6處/km（不含焊接和膠接絕緣接頭傷損）時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換鋼軌；出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕、嚴(yán)重滾動(dòng)接觸疲勞以及其他影響鋼軌安全使用的情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)更換鋼軌。

1.2 國(guó)外鋼軌大修的確定方法

目前，國(guó)外鐵路鋼軌大修主要按照以下四種方法確定。①由累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量確定。前蘇聯(lián)P65熱處理鋼軌的大修周期為600～ 750 Mt［2］，法國(guó)、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(guó)聯(lián)邦鐵路局規(guī)定：鋼軌垂直磨耗達(dá)到9～12 mm 或側(cè)面磨耗達(dá)到14～16 mm 時(shí)大修換軌，在此之前出現(xiàn)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(jì)通過(guò)總質(zhì)量至少進(jìn)行一次超聲波探傷，鋼軌因軌頭疲勞核傷或劈裂導(dǎo)致的鋼軌折斷數(shù)量不得超過(guò)0.08～0.10處/（英里·年）［4］。③由最佳經(jīng)濟(jì)下道周期確定。從經(jīng)濟(jì)角度考慮，應(yīng)在鋼軌維修費(fèi)和折舊費(fèi)兩者相加總和最低時(shí)大修換軌，從鋼軌鋪設(shè)服役到大修換軌的時(shí)間段為最佳經(jīng)濟(jì)下道周期（圖1）。部分歐洲國(guó)家采用該方法進(jìn)行鋼軌大修［5］。④由軌道檢測(cè)與實(shí)時(shí)評(píng)估相結(jié)合確定。部分歐洲國(guó)家的鐵路鋼軌維修采用該方法。法國(guó)的高速線(xiàn)路軌道檢測(cè)采用軌檢車(chē)巡檢（1 次/15 d）、步行巡檢（1次/70 d）、列車(chē)尾部加掛加速度專(zhuān)用檢測(cè)車(chē)廂（1次/15 d），動(dòng)態(tài)檢查（1 次/90 d），探傷車(chē)定期探傷（1 次/180 d）等方式［3］，繪制出反映線(xiàn)路綜合狀態(tài)的實(shí)時(shí)曲線(xiàn)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(shù)據(jù)，并以此作為鋼軌是否需要維修的判斷依據(jù)。

圖1 鋼軌維修最佳經(jīng)濟(jì)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(tài)修特點(diǎn)，④屬于狀態(tài)修。

2 鋼軌周期修存在的問(wèn)題

2.1 到達(dá)周期應(yīng)大修的鋼軌大量在線(xiàn)服役

每年實(shí)際大修鋼軌數(shù)量小于到達(dá)周期應(yīng)大修的數(shù)量，即有大量超期鋼軌仍在服役。以北京局集團(tuán)有限公司為例，依據(jù)累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量計(jì)算管內(nèi)線(xiàn)路每年所需更換的60 kg/m 鋼軌總量與實(shí)際安排的鋼軌大修數(shù)量對(duì)比見(jiàn)圖2。其中，2020 年后根據(jù)TG/GW 102—2019 將60 kg/m 鋼軌大修周期由累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量700 Mt 調(diào)整為1 000 Mt?？芍?，年均達(dá)到大修周期的鋼軌有1 232 km，年均實(shí)際大修數(shù)量?jī)H372 km，實(shí)際大修鋼軌占比35.8%?？梢?jiàn)，受大修資金、天窗等因素限制，北京局集團(tuán)有限公司應(yīng)開(kāi)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(tài)良好，平均重傷率不到1處/km。

圖2 北京局集團(tuán)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(guó)鋼軌產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、裝備水平、制造技術(shù)的顯著提高，百米長(zhǎng)定尺鋼軌得到大規(guī)模應(yīng)用，同時(shí)鋼軌、焊接接頭成品抽檢和過(guò)程監(jiān)督檢驗(yàn)制度不斷完善，鋼軌打磨等養(yǎng)護(hù)技術(shù)成熟，鋼軌重傷率明顯下降［6-8］。中國(guó)重載鐵路鋼軌累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量1 500 Mt以上的鋼軌性能沒(méi)有呈現(xiàn)出大幅劣化趨勢(shì)，材料加工硬化率、廓形偏差、重傷率、磨耗量等均未達(dá)到輕傷標(biāo)準(zhǔn)，且符合舊軌使用標(biāo)準(zhǔn)，仍可作為再用軌服役［9-10］。

2.3 鋼軌周期修針對(duì)性不足

因線(xiàn)路條件不同鋼軌服役狀態(tài)存在較大差異。同一條線(xiàn)路，直線(xiàn)地段鋼軌使用周期與曲線(xiàn)地段差異較大，即使同為曲線(xiàn)地段，因年累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量不同，鋼軌服役狀態(tài)也存在較大差異。統(tǒng)一化的鋼軌周期修缺乏針對(duì)性，難以適應(yīng)差異化的鋼軌服役狀態(tài)。周期修一方面可能導(dǎo)致部分鋼軌過(guò)度修，即鋼軌雖然累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量達(dá)到大修周期，但整體狀態(tài)良好，而另一方面又會(huì)出現(xiàn)鋼軌欠修情況，即鋼軌累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量雖遠(yuǎn)未達(dá)到大修周期，但鋼軌狀態(tài)已出現(xiàn)嚴(yán)重問(wèn)題。

3 建立鋼軌大修量化指標(biāo)的必要性

從國(guó)際鐵路修理技術(shù)的發(fā)展來(lái)看，鋼軌大修正在由粗獷式的周期修向精細(xì)化的狀態(tài)修轉(zhuǎn)變。中國(guó)普速鐵路鋼軌大修也在開(kāi)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(tài)，但中國(guó)鐵路鋼軌重傷率普遍較低，同時(shí)大量超期服役的鋼軌是否安全也缺乏有效評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此有必要確定一個(gè)可以綜合多方面因素來(lái)衡量鋼軌狀態(tài)的量化指標(biāo)。

建立鋼軌大修量化指標(biāo)也是降本增效和實(shí)施精細(xì)化管理的現(xiàn)實(shí)需要。近年來(lái)，中國(guó)鐵路客貨運(yùn)收入受疫情影響較大，線(xiàn)路設(shè)備管理部門(mén)和單位應(yīng)把維修資源用到更急需設(shè)備的更換中，而非簡(jiǎn)單依據(jù)周期修標(biāo)準(zhǔn)更換鋼軌，提升鋼軌大修技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，這就要求線(xiàn)路設(shè)備管理部門(mén)和單位更科學(xué)、更準(zhǔn)確、更全面地掌握線(xiàn)路鋼軌的服役狀態(tài)。通過(guò)綜合指標(biāo)量化鋼軌的服役狀態(tài)，將具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。

4 鋼軌大修指數(shù)的初步構(gòu)想

目前，中國(guó)普速鐵路鋼軌大修下道的主要依據(jù)為累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量、重傷率、曲線(xiàn)鋼軌磨耗限值和其他傷損情況（嚴(yán)重的銹蝕、波磨、掉塊等）。鋼軌重傷率是反映鋼軌狀態(tài)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，調(diào)查全路13條主要普速干線(xiàn)鐵路2017—2020年的鋼軌重傷情況（圖3）發(fā)現(xiàn)，鋼軌母材傷損主要集中在軌頭區(qū)域，以?xún)?nèi)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(qū)域。這種差異主要是由于目前的探傷技術(shù)在軌底區(qū)域存在盲區(qū)（圖4）。隨著渦流探傷等新技術(shù)的采用，軌底盲區(qū)將會(huì)逐漸減少或消除。

圖3 2017—2020年中國(guó)普速干線(xiàn)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(qū)

從上面的統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，鋼軌重傷率不能完全反映鋼軌實(shí)際狀態(tài)。因此，鋼軌服役狀態(tài)的量化指標(biāo)既要考慮影響鋼軌服役狀態(tài)的主要因素，又要兼顧指標(biāo)的可用性、便捷性和統(tǒng)一性。

鋼軌大修指數(shù)應(yīng)涵蓋鋼軌服役性能、鋼軌表面狀態(tài)、鋼軌養(yǎng)護(hù)維修情況等。其主要構(gòu)成見(jiàn)表2。

表2 鋼軌大修指數(shù)主要構(gòu)成

深入研究鋼軌大修指數(shù)的構(gòu)成和算法，構(gòu)建一種鋼軌狀態(tài)直觀評(píng)價(jià)模式，將有助于科學(xué)合理反映鋼軌的真實(shí)性能和狀態(tài)。合理運(yùn)用鋼軌大修指數(shù)，既可減少周期修可能導(dǎo)致的過(guò)度修和欠修問(wèn)題，又可有效提高對(duì)鋼軌安全服役的認(rèn)知度，為鋼軌大修決策的科學(xué)制定提供依據(jù)。

5 結(jié)論

1）中國(guó)鋼軌大修經(jīng)歷了由事后修向周期修的轉(zhuǎn)變，目前采用周期與傷損情況相結(jié)合的修理模式。國(guó)外鋼軌大修周期的確定主要采用累計(jì)通過(guò)總質(zhì)量、鋼軌磨耗量和失效率綜合確定、最佳經(jīng)濟(jì)下道周期、軌道檢測(cè)與實(shí)時(shí)評(píng)估相結(jié)合確定四種方法。

2）中國(guó)鋼軌大修的周期修模式存在針對(duì)性不足，導(dǎo)致過(guò)渡修和維修不足同時(shí)存在，需要確定一個(gè)可以綜合多方面因素來(lái)衡量鋼軌狀態(tài)的量化指標(biāo)。該指標(biāo)既要全面客觀反映鋼軌服役狀態(tài)，又需科學(xué)評(píng)價(jià)鋼軌安全性能。

3）鋼軌大修指數(shù)應(yīng)涵蓋鋼軌服役性能、鋼軌表面狀態(tài)、鋼軌養(yǎng)護(hù)維修情況等。鋼軌大修指數(shù)可為鋼軌大修決策的制定提供依據(jù)。