普速铁路繁忙干线钢轨服役现状的调查分析

田常海 刘佳朋 石彤 周韶博 王晨阳 梁旭

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

我国普速铁路繁忙干线铺设60 kg/m U75V（PD3）或U71Mn钢轨。我国先后发布和完善了钢轨标准，加强了钢轨批检验和驻厂质量监督［1］，钢轨冶金质量和制造质量明显提高。从2008年开始每年对各铁路局焊轨基地的焊接质量进行大检查，厂焊焊接质量明显提高［2］。钢轨定尺由25 m提高到50 m和100 m，从2009年开始铺设100 m定尺钢轨［3］。2014年全面铺设100 m定尺钢轨，铺设100 m定尺钢轨比铺设25 m定尺钢轨焊接接头数量减少3/4，从而降低了焊接接头伤损数量。

2014年中国铁路总公司发布《普速铁路钢轨打磨指导意见》后各铁路局加强了廓形打磨，繁忙干线铁路直线区段及大半径曲线区段钢轨每1.5～2.0年打磨一次，钢轨廓形打磨改善了轮轨接触关系，降低了钢轨劣化速率。同时，线路基本实现了无缝化，轨道结构得以加强，车辆转向架性能也得到改善。这些措施减轻了钢轨冲击，改善了钢轨服役现状。

随着钢轨服役条件改善，普速铁路钢轨大修周期由原来的累计通过总质量700 Mt提高到1000 Mt，并纳入了TG/GW 102—2019《普速铁路线路修理规则》。大修周期的延长将影响旧轨使用，为修订Q/CR 407—2018《铁路旧轨使用和整修技术条件》，急需调研将作为再用轨使用的干线钢轨服役现状。2020年课题组测试了累计通过总质量800～1100 Mt线路钢轨性能、焊接接头平直度和伤损情况。测试区段累计通过总质量、定尺长度等见表1。其中，除了京九铁路上行K289+518—K372+777、京沪铁路上行K138+700—K158+910区段铺设U71Mn钢轨，其余线路区段均铺设U75V钢轨。

表1 测试区段钢轨服役情况

1 钢轨硬度测试及分析

钢轨踏面硬度与钢轨材质的强度正相关［4］，故通过测试钢轨踏面硬度可间接获得钢轨抗拉强度的劣化情况。

在每个线路区段随机选择测试位置，测试钢轨踏面中心区域布氏硬度。测试位置距离焊接接头区域200 mm以上，测点间距100 mm，每个测试位置测试5个点，结果见表2。其中，硬化率=（测试硬度值-初始硬度值）/初始硬度值。由表2可知：普速铁路繁忙干线累计通过总质量800～1100 Mt时钢轨踏面中心硬化率在0～7%，低于大秦重载铁路钢轨踏面中心硬化率4%～11%［5］。

表2 布氏硬度测试结果

2 钢轨廓形、磨耗和锈蚀深度测试及分析

对测试区段钢轨廓形、磨耗和锈蚀深度进行了测试，测试位置同表2。

京沪铁路按周期打磨的下行K941处、未按周期打磨距道岔约200 m下行K940+700处的右股钢轨轨头廓形与60N标准廓形对比见图1。

图1 京沪铁路下行K941、K940+700处右股钢轨轨头廓形与60N标准廓形对比

由图1可知：①在轨头横向-17～+32 mm区域，按周期打磨后轨头廓形与60N廓形的竖向偏差在0.2 mm以内。②未按周期打磨钢轨轨头廓形与60N廓形相差较大。在轨头横向-17～+32 mm区域轨头廓形与60N廓形最大竖向偏差约1.0 mm。

磨耗和锈蚀深度测试结果见表3。可知：①累计通过总质量800～1100 Mt时钢轨垂直磨耗在3.0～5.7 mm，平均值为4.1 mm。由于测试的线路多、总里程长，测试的垂直磨耗值较文献［6-7］更准确。②轨底角边缘厚度在8.35～14.52 mm，轨距挡板最大锈蚀坑深度为5 mm。钢轨磨耗、锈蚀等指标远未达到TG/GW 102—2019普速修规轻伤标准，满足Q/CR 407—2018再用轨条件。

表3 钢轨垂直磨耗和轨底角边缘厚度

3 钢轨焊接接头平直度测试与分析

采用电子平直尺对表1中线路区段钢轨焊接接头轨顶面中心区域进行平直度测试。结果表明：①45个厂焊接头中只有1个低接头，平直度为-0.15 mm/1 m。平直度超过0.30 mm/1 m的高接头有2个，最大值为0.37 mm/1 m。除低接头和平直度超过0.30 mm/1 m的2个高接头，厂焊接头平直度满足TB/T 1632.1—2014《钢轨焊接》标准要求，所有厂焊接头平直度未达到TG/GW 102—2019要求的病害整治限值。②12个铝热焊接头中高接头占1/3，平直度在0.10～0.30 mm/1 m，算术平均值为0.18 mm/1 m；低接头平直度最小值为-0.40 mm/1 m，达到了TG/GW 102—2019要求的病害整治限度。

4 钢轨伤损调查及统计分析

对表1线路区段进行了钢轨伤损调查。现场调查了每1.5～2.0年进行一次预防性打磨的线路区间和未按周期打磨的线岔结合部区域钢轨伤损情况。结果表明：按周期打磨的钢轨无鱼鳞纹、剥落掉块、波磨、擦伤、肥边等损伤；未按周期打磨的线岔结合部钢轨有明显的鱼鳞纹、剥落掉块损伤，无波磨、擦伤及肥边。周期性打磨去除了部分钢轨硬化层，控制和减缓了钢轨硬化速率，延迟了鱼鳞纹产生时间，减少了接触疲劳伤损。

根据郑州铁路局提供的从上道至2021年大修线路的钢轨重伤数据和北京铁路局及上海铁路局提供的从上道至2020年京沪、京广、津山、京九铁路钢轨重伤数据，以线路长度为权重，对总里程约779.338 km的线路累计通过总质量和钢轨重伤量进行统计，结果见表4。可知：累计通过总质量700～1100 Mt时每公里钢轨重伤量在0.2～3.4处，未超出钢轨大修的上限4处；累计通过总质量930 Mt时每公里钢轨加权重伤量为1.3处，未达到钢轨大修的下限2处；京沪、京广、京九、陇海、津山干线累计通过总质量约1000 Mt，每公里钢轨加权重伤量约1处，比2016年和2018年统计值（1.5处）低1/3。

表4 2021年郑州铁路局大修线路和2020年北京、上海等铁路局调查的线路钢轨伤损情况统计结果

5 结论

1）普速铁路繁忙干线累计通过总质量800～1100 Mt时钢轨踏面中心硬化率在0～7%。按周期打磨后轮轨接触区域钢轨廓形与60N标准廓形竖向偏差在0.2 mm以内。钢轨垂直磨耗在3.0～5.7 mm，平均值为4.1 mm；轨底角边缘厚度在8.35～14.52 mm，轨距挡板最大锈蚀坑深度为5 mm。

2）测试的45个厂焊接头的平直度在-0.15～0.37 mm/1 m，低接头1个，平直度超过0.3 mm/1 m的高接头2个；铝热焊接头平直度在-0.40～0.30 mm/1 m。

3）按周期打磨的钢轨无鱼鳞纹、波磨、擦伤、肥边等伤损；未按周期打磨的线岔结合部区域钢轨有鱼鳞纹、剥落掉块等伤损。每公里钢轨重伤量在0.2～3.4处，未超出钢轨大修的上限。