神华包神铁路钢轨伤损研究与管理探索

王清龙（神华包神铁路集团有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯 017000）



神华包神铁路钢轨伤损研究与管理探索

王清龙
（神华包神铁路集团有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯 017000）

摘 要：随着包神铁路运量的不断上升，钢轨损伤数量成级数增长，钢轨的使用寿命严重缩短，针对包神线钢轨伤损情况进行了分类总结，并从加强线路维修、提高线路养护、焊接质量、等方面提出了针对性的分析，并根据钢轨损伤的类型和规律提出了预防及控制措施。

关键词：工务；重载铁路；钢轨伤损

1 概述

神华包神铁路公司是神府东胜煤炭外运的大通道，从2007年开始货运量均超过亿吨大关，2012年随着万吨列车开行，轴重、运量逐年递增，钢轨能否安全服役直接影响到行车安全。

表1 包神近年钢轨重伤统计表

随着包神线运量的不断增长，钢轨伤损数量增长迅速，2014年钢轨伤损数量较2011年增长了307%，而同期运量只增长了128%。可以看出随着运量的持续增长，钢轨已经进入了疲劳期，导致核伤在2014年出现了跳跃式增长。2015年因为运量下滑尤其是北线运量持续下降加上下行K140新换无缝钢轨的影响，伤损总量下降，特别是裂纹伤损数量下降明显。

2 包神钢轨伤损现状及分类

钢轨在大运量重载之下，长期处于恶劣的工作环境中，在列车动静载荷作用下，钢轨经常伤损而造成失效，如核伤、螺孔裂纹、压溃、磨耗、掉块等现象，使轮轨耦合状况进一步恶化，造成钢轨寿命缩短、线路工队线路养护工作量增加、养护成本增加，进而严重影响轮轨耦合，严重影响列车行车安全。

3 钢轨伤损主要形式

3.1 新铺钢轨工艺缺陷

新铺钢轨工艺缺陷是指钢轨在制造过程中含有过量的磷、硅、硫等有害元素, 使钢轨在一定的情况下发生脆性断裂。因此,新铺钢轨主要侧重于钢轨工艺缺陷的探伤，这样可以在发现钢轨伤损时, 同时可以监控同一批炉号的钢轨状态。因此，新铺钢轨探伤主要针对针对钢轨制造缺陷，而在役钢轨探伤则针对钢轨疲劳缺陷。这两种缺陷形态、分布、大小、位置都大不相同，所以探伤所采用的标准、工艺、方法完全不同。

3.2 钢轨侧面磨耗

钢轨曲线侧面磨耗主要是由于转向架走行部轮缘与钢轨侧面之间的滚动摩擦造成的，其值大小等于轮缘与钢轨侧面之间的钢轨导向力与摩擦距离的乘积，也即滑动摩擦功。随着钢轨服役时间的增长，受材质和工作环境的影响，钢轨不可避免的会产生各种伤损。主要包括钢轨磨耗、压溃、轨头剥离掉块、疲劳、锈蚀、擦伤等。侧磨主要表现在曲上股侧磨，曲下股压宽，以包神线K43-K48小曲线处所侧磨尤为严重。

3.3 鱼鳞伤损

鱼鳞伤是指钢轨表面一种类似鱼鳞状金属碎裂的疲劳伤损，裂纹起源于钢轨轨头内侧圆弧附近，沿着列车运行方向延伸，裂纹附近常有黑影。鱼鳞伤损裂纹和黑影沿钢轨横向发展，鱼鳞伤损的宽度一般是6-20mm，最深点一般在鱼鳞裂纹的前内角，最深甚至可达到20mm。

随着线路运行速度、车辆轴重、运量的增加，鱼鳞伤损增长迅速，以包神线下行K155-K158，K22+800-K23+400较为严重，不仅在曲线上股、道岔基本轨、导曲线，在直线地段都有发生和发展。

一般通过总重达到10Mt-15Mt 时，首先在曲线上发生然后向直线地段延伸，并由鱼鳞裂纹发展为剥离，掉快、鱼鳞下核伤。甚至扩展成轨头横向裂纹，严重威胁行车安全。

3.4 钢轨核伤

钢轨核伤是目前钢轨最主要的伤损形式之一, 2015年包神线核伤占重伤总数的56%。钢轨核伤主要集中发生在下行曲上股内侧。由表1中统计数据可得出，钢轨核伤发生在曲上股，隧道、长大桥梁上的较多，钢轨伤损主要发生在气温较低的 11月至次年3月的防断期内，核伤的发生与线路平纵断面技术条件、道床弹性、运量、轴重等因素紧密相关。

3.5 焊缝伤损

钢轨焊接长钢轨线路是无缝线路铺设的首要条件 , 也是无缝线路铺设的关键技术，不管是哪种类型的焊缝（接触焊、气压焊、铝热焊），焊接接头的质量与后期的焊接伤损密切相关。焊缝及热影响区的金属力学性能降低是造成焊缝伤损的主要原因。焊缝与钢轨母材相比, 其抗拉强度、硬度分别约为母材的 95%和 93%左右，机械性能相对降低,因此,受列车长期动静载荷的碾压和冲击,线路极易形成肥边及各种病害,就会造成线路轨枕空吊板、道碴坍白, 如果不及时打磨,无缝线路最薄弱处的焊缝可能造成冲击破坏,形成恶性循环,从而发展成焊缝伤损,进而造成钢轨折断。进入2013 年以来, K95曾发生过焊缝脆断 ,虽然每年焊缝重伤钢轨一直保持在6根以下，但是随着钢轨疲劳期的到来，国铁无缝线路焊缝伤损一般要占到伤损总数的30%，所以焊缝探伤仍然不可掉以轻心。

3.6 剥离掉块

自包神线万吨列车开行以来,尤其是在小半径曲线地段，如K85-K86处曲上股轨面剥离掉块严重。轨面的剥离掉块在列车的碾压下, 形成应力源 ,钢轨在车轮的反复冲击下, 极易造成断轨 。

3.7 轨面擦伤

以布尔台、上湾等运量较大的专用线、磁窑湾8、9道、下行K142大坡道处重车车轮空转擦伤最为严重 ,擦伤最大深度甚至达11 mm。

3.8 裂纹

螺孔裂纹在有缝或无缝线路钢轨伤损中均占有较高比例。尤其是在普通线路中，螺栓孔裂纹伤损主要与母材质量、螺孔质量、线路接头养护水平等有关。螺孔裂纹主要发生在列车通过时接头受力较大的始入端第一孔及隧道中的有缝线路上。螺栓孔裂纹大部分产生于第一螺栓孔内壁上，也可能在孔壁一处或多处发生，螺栓孔裂纹产生的时间是随机的，在钢轨服役的整个过程中都可能出现。

4 钢轨伤损控制方案的探讨

4.1 伤损原因分析

随着通过总重的积累, 钢轨在役期间不可避免地要发生各种各样的伤损，其原因则主要是钢轨制造工艺造成内外部存在各种缺陷,钢轨存在的氢致白点、气泡、夹渣、偏析、疤瘤、剥离、擦碰伤、焊接质量不良、等都可能进一步发展为钢轨伤损。

针对钢轨伤损，大量科研人员从线路平纵断面、轨道结构、机车车辆构造、机车轴重、母材的元素成分、钢轨冶炼工艺、钢轨轧制工艺以及钢轨的残余应力等方面进行过探讨，但是结果均不理想。

4.2 伤损控制策略

众所周知，钢轨类型与重载运输不匹配是钢轨磨耗严重和发生伤损的主要原因。根据包神钢轨伤损的情况, 从钢轨的打磨 、修理、道床整修 、探伤方法等方面入手, 对大轴重、大运量的重载运输条件下,钢轨伤损的预防 、整治有着积极的指导作用。

（1）加强道床整修是减少钢轨伤损的有效基础工作,道床整修能够提高轨道弹性 、减少列车对钢轨的冲击载荷。目前包神线道床大机捣固清筛安排在每年集中进行 ,受到较大的局限性,还不能做到全面覆盖。适当增加大机清筛捣固次数，及时消除轨道的不平顺及几何尺寸超限处所，改善线路的平顺度，尤其是加强焊缝接头处的维修保养，使道床饱满密实，加强对爬行地段钢轨的应力放散，从而减少应力集中，改善钢轨受力情况，为减少钢轨伤损提供良好基础。

（2）对发生严重侧磨的区段处所, 可重新进行超高设置, 可考虑设置欠超高，涂油脂等方法减少磨耗速度。铺设热塑体弹性胶垫 、轨枕更换为Ⅲ型轨枕、及时补充道床道砟、保证道床厚度、保持清洁度等手段提高轨道弹性,改善轨道的平顺性，以减少车轮对轨道的冲击，改善轮轨接触状况，从而减少接触性疲劳伤损的发生和发展 。可铺设更高的耐磨性、抗疲劳性、抗表面鱼鳞和焊接性能更好的U75V钢轨,提高钢轨材质是减少伤损的关键。

（3）有效提高焊接工艺减少焊缝伤损是减少钢轨伤损的重点。因焊缝硬度与母材不同,在使用中产生易产生低塌和压宽现象，从而形成应力集中点,极易造成断轨， 很难适应重载铁路的需求。

（4）加强探伤管理是早发现钢轨伤损的第一防线。 适时调整探伤周期，严格执行三级复查制度，落实三级数据回放制度，加强探伤培训工作。

随着包神运量和轴重的不断增长 , 如何加强探伤工作还需要继续进行深入研究 ,努力延长重载运输条件下的钢轨使用寿命周期。

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DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.12.078