普速铁路钢轨服役状态评估方法及应用效果

田常海 张金 俞喆 林云蕾 张训全 梁旭

（中国铁道科学研究院集团有限公式金属及化学研究所，北京 100081）

国外对钢轨进行车载探伤和检测，国内采用车载和人工相结合的探伤、检测方式。欧洲钢轨大修采用线路检测、评估的动态维修模式［1-2］，既考虑安全性，又考虑经济性。北美重载线路采用以钢轨伤损率为指标的换轨周期［3］，我国钢轨大修采用以累计通过总质量为指标，同时辅以钢轨伤损率（本文钢轨伤损均指重伤）为指标进行大修，并逐渐向动态维修过渡［4-6］。与此同时，多数铁路局存在钢轨的使用时间超过了以通过总质量为指标的大修周期。

2016 年，中国铁路总公司在进行“普速铁路钢轨合理使用寿命研究”［7］基础上开展了“普速铁路轨道服役状态评估关键技术研究”。选择上海铁路局管辖的京沪线下行K862+892—K917+500 段作为试验段，进行了钢轨状况评估和延长钢轨换轨周期现场试验研究［8］，开展了钢轨伤损统计和预测分析，在此基础上将京沪线下行K862+892—K917+500 换轨周期由原定的通过总质量7 亿t 延长到近10 亿t，并计算换轨周期提高后的经济效益。

1 国内外研究现状

到目前为止，国外钢轨大修周期的确定主要有以下3 种方法：①以通过总质量或年份作为大修周期［7］，主要是前苏联采用；②以年每公里钢轨伤损量作为大修周期，主要是北美国家采用［3］；③根据钢轨的使用状况，结合动态经济指标，进行动态换轨大修［2］，主要是欧洲客货混运铁路和重载铁路国家采用。

在充分调研我国普速铁路钢轨使用和伤损情况基础上，获得了累计通过总质量下每公里钢轨伤损量，结合经济分析结果和我国路情，2002—2003 年，提出了我国普速铁路钢轨大修周期确定方法④：累计通过总质量和钢轨伤损率相结合的换轨周期。

2016 年，调研了我国普速铁路钢轨使用和伤损情况，在进行安全性和经济性综合分析基础上，进一步确定累计通过总质量和钢轨伤损率相结合的钢轨换轨周期：①60 kg/m 钢轨大修周期为累计通过总质量1 000 Mt，当累计通过总质量达到1 000 Mt 后，如果钢轨伤损量较小，可以继续运营到每公里伤损量2～4处下道；②在累计通过总质量未达到规定大修周期的成段钢轨，如果60 kg/m 钢轨每公里伤损量超过4 处，对出现严重锈蚀、严重滚动接触疲劳以及其他影响钢轨安全使用的情况时，要及时更换钢轨。

2 钢轨服役状态评估方法和参数

欧美铁路根据钢轨的使用状况进行状态换轨大修。通过对钢轨上道后伤损量等数据的统计分析，预测未来钢轨伤损情况，进而确定与钢轨失效有关的费用，进行经济效益分析，并据此计算最佳的换轨周期。我国铁路已经形成了钢轨、伤损量、运量等数据电子化，只是持续记录时间较短，但已经初步具备了由“周期修”向“状态修”过渡的条件。

2002—2003 年，原铁道部科技司立项进行“提速线路钢轨大修周期的研究”，课题组调查了27 个工务段钢轨使用和伤损情况。以上海铁路局提供的钢轨大修、维修费用等数据分析钢轨最佳经济下道时机，经计算得出钢轨经济下道时机为每公里钢轨伤损量2～4处［6］。

因此，我国普速铁路钢轨服役状态评估参数为累计通过总质量和每公里钢轨伤损量，即60 kg/m 钢轨换轨周期为累计通过总质量10亿t和每公里钢轨伤损量2～4处。

按累计通过总质量并结合每公里钢轨伤损量可确定换轨周期，但需要进行钢轨伤损预测，预测下一年每公里钢轨伤损量，以便预先做换轨计划。由于一些钢轨探伤无法进行（例如钢轨焊接接头低塌、锈蚀等），钢轨探伤存在误判。因此，更换钢轨前还必须进行现场调研和检测，调研钢轨实际使用状态，并测试探伤无法进行的钢轨焊接接头低塌、锈蚀等伤损，在现场评估、测试基础上，结合累计通过总质量和每公里钢轨伤损量通过综合分析确定钢轨换轨周期。

以上海铁路局管辖的京沪线下行K862+892—K917+500 作为试验段，进行钢轨服役状态评估，分析研究换轨周期。

3 京沪线下行K862+892—K917+500段现场调研

京沪线下行 K862+892—K917+500 段于 2010 年12月铺设60 kg/m 的U75V钢轨，2016年底该段钢轨累计通过总质量约7 亿t，2016 年根据累计通过总质量7亿t大修换轨指标计划2017 年更换京沪线下行K862+892—K917+500 段钢轨。2016 年进行的伤损统计表明，京沪线下行K862+892—K917+500 段累计通过总质量7 亿t，每公里钢轨伤损量不足1.1 处。在进行京沪线下行K862+892—K917+500 段钢轨使用和伤损现场调研后，向使用单位建议该段钢轨暂时不下道，根据钢轨伤损率统计预测和钢轨使用状态评估钢轨下道时间。

2017 年3 月，进行了京沪线下行K862+892—K917+500段钢轨使用和伤损情况现场调查，选定京沪线下行K941+000 附近线路进行了钢轨使用和伤损情况现场测试。京沪线下行K941+000 附近地段钢轨刚刚打磨过，钢轨廓形及光带见图1。可知：①打磨前、后轨顶表面没有接触疲劳裂纹，钢轨状态良好；焊接接头平直度在-0.2 mm/1 m～+0.4 mm/1 m 以内，钢轨锈蚀深度不足1 mm。②在轮轨接触区域和轨距角区域钢轨打磨廓形与60N 钢轨标准廓形极其相近，平均竖向偏差不足0.2 mm，打磨后钢轨光带宽度约20 mm。

图1 京沪线下行K941+000处左、右股钢轨廓形与光带情况

京沪线下行K862+892—K917+500 段钢轨上道至2018 年 11 月累计通过总质量约 9 亿 t，2018 年 11 月课题组第2 次对京沪线下行K862+892—K917+500 段钢轨使用进行了现场调查，测试了京沪线下行K941+000附近线路钢轨廓形和垂直磨耗数据。调查结果表明：①钢轨顶面无宏观疲劳裂纹，光带宽度约55 mm；②累计通过总质量约9亿t时京沪线U75V钢轨垂直磨耗约3.5 mm（含打磨）。

4 京沪线下行K862+892—K917+500试验段伤损分析与预测

依据上海铁路局提供的钢轨、伤损、运量等数据库，将站区和区间线路分开，对京沪线下行K862+892—K917+500段2010年12月钢轨铺设上道至2019年3月下道期间每公里钢轨伤损量进行了统计分析。分析结果表明：

1）每公里钢轨伤损量与累计通过总质量呈二次函数关系。

2）累计通过总质量900 Mt，包含站区与不含站区每公里钢轨伤损量分别为1.39，0.66处。

3）预测累计通过总质量1 000 Mt，包含站区与不含站区每公里钢轨伤损量分别为1.52，0.68处。

4）焊接伤损全部是铝热焊伤损，孔裂伤损主要是胶接绝缘接头伤损，约占总孔裂伤损的70%。

5）钢轨伤损主要发生在站区及其前后，站区钢轨伤损率约为线路区间的5倍。

根据钢轨伤损率与累计通过总质量呈二次函数关系，利用钢轨上道至目前钢轨伤损历史数据，预测下一年的每公里钢轨伤损量（见表1），以便对是否换轨做出决策。

表1 京沪线下行K862+892—K917+500段每公里钢轨伤损量预测值及相对误差

由表1 可知，累计通过总质量超过7 亿t 后每公里钢轨伤损量预测相对误差不超过14%，累计通过总质量超过8 亿t 后总每公里钢轨伤损量预测相对误差不超过5%，平均值约为3%。

5 钢轨评估技术现场验证及延长换轨周期的经济效益

京沪线下行K862+892—K917+500 段累计通过总质量达到7亿t，包含站区及不含站区每公里钢轨伤损量分别为1.11，0.58 处；采用2018 年及以前钢轨伤损数据，根据每公里钢轨伤损量与累计通过总质量呈二次函数关系预测累计通过总质量10 亿t 时包含站区、不含站区每公里钢轨伤损量分别为1.52，0.68处。累计通过总质量达到10亿t时每公里钢轨伤损量远未达到2～4 处，预测每公里钢轨伤损量达到2 处时累计通过总质量约13～14 亿t。由每公里钢轨伤损量分析结果和现场实地调研钢轨使用状态可知，京沪线下行K862+892—K917+500 段钢轨完全可以继续使用至累计通过总质量10 亿t 乃至13 亿t。但由于研究项目结束和计划安排原因，该段钢轨2019 年3 月下道了，下道时累计通过总质量为9.3亿t。

2011—2015 年上海铁路局大修换轨费用平均值为91 万元/km，换轨周期由累计通过总质量700 Mt 提高到930 Mt。以累计通过总质量6 510 Mt 计算，累计通过总质量700 Mt 更换钢轨9.3 次，累计通过总质量930 Mt 更换钢轨7 次，累计通过总质量6 510 Mt 更换周期延长后节约经费 91 万元×（9.3-7）=209.3 万元。因此每运行通过总质量1 000 Mt 每换轨1 km 节约经费209.3万元÷6.51=32.15万元。

6 结论

本文针对普速铁路在役钢轨服役状态，开展了普速铁路在役钢轨服役状态评估方法和参数研究，得到如下主要结论：

1）钢轨服役状态评估参数为累计通过总质量和钢轨伤损率，60 kg/m钢轨换轨周期为累计通过总质量10亿t和每公里钢轨伤损量2～4处。

2）钢轨伤损主要发生在站区及其前后，站区钢轨伤损率约为线路区间的5倍。焊接伤损全部是铝热焊伤损，孔裂伤损主要是胶接绝缘接头伤损，约占总孔裂伤损的70%。

3）试验段累计通过总质量9.3 亿t 时钢轨顶面无宏观疲劳裂纹，光带宽度约55 mm；累计通过总质量约9 亿t 时京沪线U75V 钢轨垂直磨耗约3.5 mm（含打磨）。

4）京沪线下行K862+892—K917+500 段累计通过总质量7，10 亿t 时的每公里钢轨伤损量分别约为1.1，1.5 处。预测每公里钢轨伤损量达到2 处时累计通过总质量约13～14 亿t。根据每公里钢轨伤损量分析结果和现场实地调研钢轨使用状态预测京沪线下行K862+892—K917+500 段完全可以继续使用至累计通过总质量10亿t乃至13亿t。

5）换轨周期由累计通过总质量7 亿t 提高到9.3亿t，每换轨1 km可节约经费约32万元。