普速铁路60 kg/m钢轨的换轨周期

田常海， 张金， 俞喆， 林云蕾， 李闯， 梁旭， 周韶博， 张训全

（中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081）

1 概述

无缝线路60 kg/m钢轨通过总质量7亿t的大修周期是20世纪70—80年代依据当时的管理、技术、装备、运营条件确定的指标［1-2］。随着经济的发展，铁路行业在各方面取得长足进步，钢轨伤损率（所分析的钢轨伤损指钢轨重伤）逐渐减少［3］。减少钢轨重伤率的有利因素主要包括：（1）轨道结构重型化。轨枕从木枕到Ⅱ、Ⅲ型混凝土枕，钢轨从25 m 定尺到75 m 或100 m定尺；道砟从石灰岩到花岗岩。（2）维修作业机械化、专业化。维修作业从手工为主到配备捣固车、清筛车、钢轨和道岔打磨车、稳定车、整形车、大修列车、路基处理车等大型养路机械。（3）钢轨质量大幅提高。钢轨生产厂引进世界先进生产和在线检测设备，钢轨冶炼工艺水平大幅提高，实现了钢轨制造的高强度、高硬度、高纯净度、高精度、高平直度等，常用热轧钢轨强度从780 MPa 和880 MPa 分别提高到880 MPa 和980 MPa。（4）钢轨焊接质量大幅提高。采用世界先进的装备和工艺，为减少焊缝伤损提供了保障；此外，焊接标准提高、平顺性指标得到提升，降低了焊头冲击应力，有利于减少钢轨伤损。（5）钢轨养护维修技术研究取得长足进步。钢轨打磨从修理性打磨过渡到预防性打磨，按设计廓形打磨钢轨，基本实现了轮轨匹配，使车辆轨道体系动力响应得到明显改善，轨头疲劳伤损得到控制，减少轨道动应力。（6）车辆转向架性能提高。车辆转向架普遍采用先进的交叉杆和低动力响应技术等，大幅降低对轨道的冲击力。（7）钢轨探伤技术装备大幅提高。目前，我国铁路使用先进的钢轨探伤车，并配备探伤小车。钢轨伤损检测尺度达到5 mm 级，钢轨重伤检出率大幅提高。（8）线路平顺性大幅提高。随着无缝线路大规模铺设、钢轨母材质量和焊接技术和标准的提高，轨道平顺性大幅提高，极大减少了车轮对钢轨的动载荷冲击，减少了钢轨疲劳伤损。钢轨换轨周期与目前铁路设备、运输及养护维修条件等不匹配。因此，有必要重新研究普速铁路60 kg/m钢轨的换轨周期。

在此背景下，原中国铁路总公司2014年5 月组织开展普速铁路钢轨合理使用寿命的研究，研究重点为钢轨的合理换轨周期。通过对北京、上海等铁路局集团公司管辖的京沪、京广、沪昆等线路2002年起上道至2015年止下道（或在役）的60 kg/m钢轨使用状况和伤损情况的全面调查研究［3］，并进行钢轨伤损类型、伤损规律的分析，获得了重伤率与累计通过总质量的关系；采用加权统计方法，给出整亿吨累计通过总质量对应的钢轨重伤率，并与2003年取得的重伤率结果进行对比分析，提出累计通过总质量与钢轨伤损率相结合的换轨周期，分析提出换轨周期影响因素，并计算了换轨周期提高后的经济效益。

2 重伤统计地段

在2002—2003年和2014—2016年2 个时间段调查分析我国铁路干线钢轨使用和伤损情况［3-4］。以中国铁路上海局集团有限公司（简称上海局集团公司，相应其他铁路局集团公司均简称为××局集团公司）为例，2002—2008年起至2015年止上道钢轨统计情况见表1。2002—2003年普速铁路60 kg/m 钢轨使用和伤损调查的是上海、北京、沈阳、郑州、广州、成都和呼和浩特局集团公司，2014—2016年普速铁路60 kg/m 钢轨使用和伤损调查的是上海、北京、沈阳、郑州、武汉、广州、济南、兰州局集团公司。2次钢轨使用和伤损调查均包含我国主要铁路局集团公司和铁路干线，2016年伤损统计主要集中在北京、上海局集团公司，其中北京、上海局集团公司累计通过总质量超过7 亿t，统计总里程分别约为650 km 和200 km，获得的统计数据可代表我国铁路干线60 kg/m钢轨重伤和使用情况。

表1 上海局集团公司2002—2008年起至2015年止上道普速铁路60 kg/m钢轨统计情况

3 伤损统计分析

钢轨伤损统计分析包括伤损类型和伤损率统计分析。

3.1 钢轨伤损类型统计分析

统计钢轨重伤类型及其所占百分比，可以全面掌握钢轨伤损情况，分析伤损对换轨周期的影响，并可有针对性地提高钢轨养护维修质量。

2016年统计的京沪线和沪昆线钢轨重伤类型及所占百分比见表2，可以看出，京沪线焊接伤损占比达50%，而沪昆线仅占不到20%，文献［4］统计的2000—2002年上海局集团公司无缝线路发生伤损类型及所占百分比中，焊接伤损占比约30%。因此，2016年京沪线焊接伤损占比达到50%，明显高于其他线和2000—2002年焊接伤损占比，京沪线焊接伤损过高可能与近年来京沪线焊接材料和工艺等有关。

表2 京沪线和沪昆线钢轨重伤类型及所占比例 %

3.2 钢轨加权伤损率统计分析

由于统计分析钢轨伤损率的地段长度差异较大，考虑到统计地段长度影响，采用以统计地段长度为“权”，进行伤损率加权统计分析，采用算数平均法进行加权统计，则钢轨加权每公里重伤量D为：

式中：Li为统计地段长度；Di为对应每公里钢轨重伤量。

利用式（1）对表1 所列地段进行钢轨伤损率统计分析，统计起止时间为钢轨自铺设至下道或统计时间，获得了上海局集团公司管内京沪线及北京局集团公司管内京沪、津山、京九和京广线钢轨加权伤损率与累计通过总质量的关系（见图1、图2）。2003年和2016年统计的钢轨加权伤损率与累计通过总质量的关系见图3，其中2003年统计线路为上海、北京、沈阳、郑州、广州、成都和呼和浩特局集团公司管辖的主要干线，轨种分为U75V （PD3） 和U71Mn。结果表明：（1）包含站区和不含站区区间线路的京沪线累计通过总质量7 亿t 总 伤 损 率 分 别 为2.5 处/km 和1.2 处/km。（2）北京局集团公司干线累计通过总质量7亿t和10亿t钢轨加权伤损率分别为0.84 处/km 和1.49 处/km；不同线路钢轨伤损率不同，钢轨伤损率与线路条件、养护维修及管理水平有关。（3）2016年统计的北京局集团公司干线累计通过总质量10亿t 钢轨伤损率（1.49处/km）与2003年统计的累计通过总质量7 亿t 的U75V（PD3）钢轨伤损率（1.43 处/km）基本相同，但低于U71Mn 钢轨伤损率（1.74处/km）。

图1 上海局集团公司管内京沪线加权伤损率与累计通过总质量关系

图2 北京局集团公司管内不同线路钢轨加权伤损率与累计通过总质量关系

4 经济下道周期

钢轨使用在满足安全性的原则下，还应具有较高的经济效益。钢轨使用到何时下道才能产生最佳的经济效益，工程经济学较为认同的观点是：线路的运营费用和钢轨的折旧费用之和随累计通过总质量的增加出现“大→小→大”的变化趋势，其为最小时更换钢轨具有最佳的经济效益［4］。根据北京、上海局集团公司提供的有关维修费用数据，采用工程经济学原理进行津山线和京沪线钢轨经济下道周期分析。由于相同累计通过总质量下津山下行K147+600—K165+000 和津浦上行K785+977—K819+640 钢轨伤损率较大，钢轨抢修费投入相对较大，以累计通过总质量衡量，将率先达到经济下道时机，因此，以上述2个地段为例分析经济下道时机。

图3 2003年和2016年统计的钢轨加权伤损率与累计通过总质量关系

津山下行K147+600—K165+000 和津浦上行K785+977—K819+640地段累计通过总质量与折旧和维修费用之和的关系见图4、图5，表明：津山下行K147+600—K165+000和津浦上行K785+977—K819+640地段，经济下道周期均超过14 亿t，伤损率超过2.5 处/km。因此，普速铁路钢轨大修周期不是由经济周期决定。

图4 津山下行K147+600—K165+000地段累计通过总质量与折旧费和维修费用之和的关系

5 换轨周期

根据我国路情，确定大修周期应遵循以下原则：首先确保行车安全和列车不间断运行，其次铁路运输的综合技术经济效益最高，即钢轨换轨周期取决于安全性和经济性。

图5 津浦上行K785+977—K819+640地段累计通过总质量与折旧费和维修费用之和的关系

5.1 安全性方面

安全性方面重点分析钢轨伤损率、运营实践和钢轨探伤。

比较2003、2016年2 次统计普速铁路钢轨重伤结果，2016年统计的北京局集团公司干线累计通过总质量10亿t钢轨伤损率（1.49处/km）与2003年统计累计通过总质量7 亿t 的U75V（PD3）钢轨伤损率（1.43 处/km）基本相同，但明显低于U71Mn钢轨伤损率（1.74处/km）。将60 kg/m钢轨大修换轨周期由累计通过总质量7亿t提高到10亿t，安全可靠性方面不但没有下降，而是有所提高。从运营安全方面考虑，累计通过总质量未达到10 亿t 的成段钢轨，如果钢轨伤损量超过4 处/km 应及时更换；对出现严重锈蚀、严重滚动接触疲劳及其他影响钢轨安全使用的情况时要及时更换。

运营实践方面：截至2015年底，我国部分铁路局集团公司钢轨累计通过总质量都较大，如北京、郑州局集团公司累计通过总质量10 亿t 以上钢轨分别约为400、165 km，武汉、沈阳、济南、广州和兰州局集团公司均有累计通过总质量10亿t以上钢轨在服役，部分已达到13亿t以上。因此，从运营实践方面证明可提高钢轨大修周期至10亿t。

钢轨探伤方面：我国铁路综合运用钢轨探伤车和探伤小车进行钢轨探伤，钢轨伤损检测尺度达到5 mm级。钢轨探伤周期与2002—2003年探伤周期基本相同，能够满足运营要求。

5.2 经济性方面

采用经济学原理分析普速铁路60 kg/m 钢轨经济下道周期，结果表明，津山下行K147+600—K165+000 和津浦上行K785.977—K819.640 地段，经济下道周期均超过14亿t，伤损率超过2.5处/km。因此，普速铁路钢轨大修周期不是由经济周期决定。

综上所述，提出普速铁路60 kg/m钢轨大修周期为累计通过总质量10亿t，当累计通过总质量达到10亿t后，如果钢轨伤损量较小，可继续运营到伤损率2～4处/km下道；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钢轨伤损率超过4处/km，或出现严重锈蚀、严重滚动接触疲劳及其他影响钢轨安全使用的情况时，要及时更换钢轨。

考虑到我国铁路线路运输、养护维修和钢轨使用现状，并结合近年来我国铁路技术进步，采用安全性和经济性相结合的分析方法提出累计通过总质量与钢轨重伤量相结合的大修换轨周期指标，该指标既具有安全性，又满足经济性，同时实现了钢轨由“固定修”向“状态修”过渡，根据钢轨实际使用和伤损情况，避免钢轨虽然达到通过总质量规定的换轨周期但重伤量过小而提前下道产生的浪费，充分延长钢轨使用寿命。对于极少数因轨距角接触疲劳可能导致钢轨在未达到累计通过总质量大修换轨指标情况下出现伤损率超过4 处/km 的成段钢轨应及时更换，确保铁路运输安全。

6 使用寿命影响因素

京沪线上下行K131+210—K210+339 地段铺设U71Mn 钢轨，自2002—2003年上道后累计通过总质量约10.5 亿t，钢轨伤损主要表现为焊接伤损及胶接绝缘接头孔裂，但伤损率并没超过2～4处/km，影响在役钢轨使用寿命的伤损主要表现为焊接接头低塌及轨腰与轨底连接圆弧区域或轨底区域锈蚀，其中焊接接头低塌主要表现为接触焊焊接接头低塌，间距为铺设钢轨定尺长度25 m。京沪线下行K131+210—K210+339地段钢轨下颚锈蚀和焊接接头低塌伤损见图6，钢轨焊接接头低塌表现为低塌区域钢轨光带变宽。

焊接接头低塌重伤标准为3 mm/1 m，京沪线上下行K131+210—K210+339 地段累计通过总质量约10.5 亿t焊接接头低塌量约为1 mm/1 m，虽未达到重伤标准，但列车车轮行驶过焊接接头会造成较大冲击，目前，工务段使用小型打磨机械频繁进行修理，减少焊接接头不平顺，但根本解决方法是提高焊接接头强度，达到或略高于母材强度，并提高焊接接头平顺性，延长钢轨换轨周期。制约钢轨换轨周期另一因素是钢轨锈蚀，特别是轨底锈蚀，钢轨锈蚀与钢轨使用环境密切相关，达到重伤标准时需及时更换。

图6 京沪线下行K131+210—K210+339地段钢轨伤损

导致钢轨未达到累计通过总质量规定而提前下道的钢轨伤损是轨距角区域接触疲劳裂纹伤损。沪昆线上行K19+940 附近右股钢轨接触疲劳伤损宏观形貌见图7，由于接触疲劳裂纹伤损，该段钢轨累计通过总质量约5亿t时即下道，这种情况较为少见，只要按60N钢轨廓形或目标廓形和规定的钢轨打磨周期进行预防性打磨［5-7］，就会控制接触疲劳裂纹，避免钢轨提前下道。

7 提高换轨周期经济效益分析

我国铁路现有修程修制分为周期维修、经常保养、临时补修［8］。钢轨维修经费不仅包括中修费、打磨、清筛、捣固和重伤钢轨抢修费，还包括日常修理、检查等费用，这些费用每年基本固定，在计算换轨周期延长经济效益时可不考虑。以2011—2015年上海局集团公司京沪线和沪昆线大修换轨费用平均值91.067 万元/km计算大修换轨周期延长后的经济效益，换轨周期由累计通过总质量7 亿t 延长到10 亿t，以累计通过总质量70亿t计算，累计通过总质量7亿t更换钢轨10次，累计通过总质量10 亿t 更换钢轨7 次，换轨周期延长后节约投入为91.067 万元×（10-7）=273.201 万元。因此每运行通过总质量1亿t，每公里节约投入为273.201万元÷7=3.903万元。虽然换轨周期由累计通过总质量7亿t延长到10亿t，但钢轨使用后其残值基本不变。

图7 沪昆线上行K19+940附近右股钢轨接触疲劳伤损宏观形貌

因此，换轨周期由累计通过总质量7 亿t 提高到10 亿t，对于年通过总质量1 亿t 线路，换轨1 km 每年可节约经费3.903万元。

8 结论

针对北京、上海局集团公司2002—2008年起至2015年止上道钢轨进行现场调研、伤损统计、经济分析，获得钢轨换轨周期，分析换轨周期影响因素，计算了提高换轨周期的经济效益。主要研究结论如下：

（1）2016年统计的京沪线和沪昆线钢轨焊接、核伤、擦伤和孔裂占总重伤比分别为50%、21%、1%、20%和18%、33%、0 和44%；包含站区和不含站区区间线路京沪线累计通过总质量7 亿t 总伤损率分别约为2.5处/km和1.2处/km。

（2）2016年统计的北京局集团公司干线累计通过总质量10 亿t 钢轨伤损率（1.49 处/km）与2003年统计累计 通 过 总质量7 亿t 的U75V （PD3） 钢轨伤损率（1.43 处/km）基本相同，但低于U71Mn 钢轨伤损率（1.74处/km）。

（3）津山下行K147+600—K165+000 和津浦上行K785.977—K819.64 地段，经济下道周期均超过14 亿t，伤损率超过2.5 处/km。普速铁路钢轨大修周期不是由经济周期决定。

（4）60 kg/m钢轨大修周期为累计通过总质量10亿t，当累计通过总质量达到10 亿t 后，如果钢轨伤损率较小，可继续运营到伤损率2～4 处/km 下道；在累计通过总质量未达到规定大修周期的成段钢轨，如果钢轨伤损率超过4 处/km，需进行更换；对出现严重锈蚀、严重滚动接触疲劳及其他影响钢轨安全使用的情况时，要及时进行更换。

（5）换轨周期由累计通过总质量7亿t提高到10亿t，每换轨1 km可节约经费3.903万元。

（6）影响在役钢轨使用寿命的伤损主要表现为轨距角接触疲劳裂纹、焊接接头低塌及钢轨锈蚀伤损。