国内外铁路用钢轨标准对比分析研究

郅惠博　李洪涛　张含露

【摘 要】选取国内外铁路用典型钢轨标准TB/T 2344-2012《43kg/m-75kg/m钢轨订货技术条件》、TB/T 3276-2011《高速铁路用钢轨》、BS EN 13674-1：2011《Railway applications-Track-Rail Part1： Vignole railway rails 46 kg/m and above》、ISO 5003-2016《适用于46 kg/m及以上的传统或高速铁路用平底钢轨》和JIS E 1101-2001《热轧平底钢轨及道岔用特殊断面钢轨》（2006年和2012年进行了局部补充修订）进行对比研究，分析标准中技术要求存在的差异及其可能造成的安全性影响。通过研究结果可得，较欧洲、日本和国际ISO标准，我国高速铁路用钢轨标准在技术要求上已经达到了世界一流水平，部分测试项目及要求较国外标准更为全面和严格。

【关键词】高速铁路;钢轨;标准;技术要求

中图分类号： U213.41 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2019）32-0001-006

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.32.001

Comparative Analysis and Research on Railway Rail Standards at Home and Abroad

ZHI Hui-bo1 LI Hong-tao1 ZHANG Han-lu2

（1.Technical Center for Industrial Product and Raw Material Inspection and Testing of Shanghai Customs， Shanghai 200135， China;

2.Department of Materials Science， Fudan University， Shanghai 200433， China）

【Abstract】In this paper， the typical railway rail standards used at home and aboard （TB/T 2344-2012、TB/T 3276-2011、BS EN 13674-1：2011、ISO 5003-2016 and JIS E 1101-2001）are selected to compare and analyze their differences on the technical requirements and the potential security influences. According to the research results， compared with the European，Japanese standard and the ISO standard， the TB/T 2344-2012 and TB/T 3276-2011 rail standards for high-speed railway in China have reached the world first-class level in terms of technical requirements， and some test items and requirements are more comprehensive and strict than the foreign standards.

【Key words】High-speed railway; Railway rail; Standard; Technical requirement

0 概述

铁路是我国交通运输的中坚力量，是国家发展战略中不可缺少的重要一环。近年来中国铁路建设快速发展，据报道截止2018年底我国已建成的全国铁路线路超过13.1万公里，其中高速铁路2.9万公里以上。钢轨质量的优劣直接关系到国家利益和人民群众的财产及生命安全。近年来，随着中国自身高速铁路建设的迅速发展和“一带一路”走出去的迫切要求，高铁建设对钢轨的数量和质量都提出了更高的要求。2015年，国家发展改革委、外交部、商务部联合发布了《推动共建丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路的愿景与行动》白皮书，催生了中国投资海外铁路建设的热潮。据不完全统计，在铁路建设方面，突破国家界限的“欧亚铁路网计划”就有8.1万公里。由于国内外钢轨遵循不同的质检标准，因此需要对国内外标准本身进行全面系统地对比分析研究，了解国内外对钢轨质量的技术要求及质量整体水平。本文选取典型TB/T2344-2012《43kg/m-75kg/m钢轨订货技术条件》、TB/T3276-2011《高速铁路用钢轨》、BSEN13674-1：2011《Railway applications-Track-Rail Part1：Vignole railway rails 46kg/m and above》、ISO5003-2016《Flat bottom （Vignole） railway rails》和JISE1101-2001《熱轧平底钢轨及道岔用特殊断面钢轨》（2006年和2012年进行了修订）进行对比研究，分析标准中技术要求存在的差异及其可能造成的安全性影响。

1 国内外典型钢轨标准对比分析

1.1 检测项目对比

TB/T2344-2012《43kg/m-75kg/m钢轨订货技术条件》规定了4类钢轨断面尺寸和5种钢牌号，适用于时速160km/h以下的普速铁路;TB/T 3276-2011《高速铁路用钢轨》规定了1种断面类型和2种钢牌号，适用于时速200-250km/h和300-350km/h的高速铁路;BSEN13674-1：2011《铁路设施.轨道.钢.46kg/m及以上T型钢轨》规定了23种断面类型，7种不同钢牌号，2种断面公差和2种平直度等级，适用于普速铁路和高速铁路钢轨;ISO5003-2016《适用于46kg/m及以上的传统或高速铁路用平底钢轨》规定了1种断面类型，19种不同钢牌号，2种断面公差和2种平直度等级，适用于普速铁路和高速铁路钢轨;JISE11012001《热轧平底钢轨及道岔用特殊断面钢轨》规定了8种断面类型，14种不同的钢牌号，适用于普速铁路和高速铁路钢轨。

从表1中可得，国内外典型的五个铁路用标准之间既相互联系又互有不同。中国两项标准、欧洲标准和国际ISO标准中测试项目大体相同，但落锤测试是欧洲标准和国际ISO标准都没有列入的。落锤测试既能反应钢轨的强度，也能反应钢轨的断裂韧性和抗冲击性能。若钢轨的落锤测试合格，一般情况下静弯和疲劳试验性能也不会出现问题，因此，落锤测试可以为钢轨的质量安全提供多一重保障。日本标准主要倾向于对元素和力学性能的检测，相比其他标准检测项目较少。大概源于日本在国铁转制、民营化以后并没有形成统一的铁路标准体系，且日本国内本身生产钢轨的质量管控水平世界一流的缘故。

表1 不同标准检验项目对比

1.2 尺寸允许偏差对比

尺寸允许偏差是钢轨安全性能的一项重要考核标准。若精度不达标，则容易在缺陷处发生应力集中，继而导致钢轨破碎乃至断裂[1]。各国标准中对尺寸允许偏差的技术要求见表2和表3。

从表2中可以看出，中国普速铁路用钢轨标准和高速铁路用钢轨标准对钢轨高度、轨头宽度、轨腰厚度、轨底宽度、断面、接头夹板、螺栓孔等都做出了偏差量的具体要求。TB/T2344-2012涵盖了市面上常见的43kg/m-75kg/m型钢轨，而TB/T3276-2011只针对60kg/m的轨型。经过对比分析，高速铁路用钢轨标准中轨冠饱满度、轨底宽度、轨底凹入、断面斜度、螺栓孔的直径和位置的技术要求都高于普速铁路用标准。这样设计的目的是进一步减小高速铁路用钢轨的尺寸偏差，以防列车在高速行驶时对线路造成更为剧烈的磨损，带来安全隐患。表3给出的是欧洲标准、国际ISO标准和日本标准中对于尺寸允许偏差的要求。从表3中可知，欧洲标准和国际ISO标准将取样钢轨分为X、Y两种断面公差类型，且X类的要求略高于Y类。国际ISO标准在轨冠饱满度中联合考虑了A、B两种平直度等级，A类的要求略高于B类。欧洲标准在轨道高度项上与其他两种标准有所区别，它以165mm为界划分样品，对于高度在165mm以下的钢轨，尺寸精度要求更高。

表2 国内标准对钢轨尺寸允许偏差的规定

对比分析国内外标准可知，中国高速铁路用钢轨标准在接头夹板安装面斜度、断面斜度、螺栓孔位置和直径上的要求高于欧洲标准和国际ISO标准中X类的规定，其余项目所差无几。中国高速铁路用钢轨标准在多数项目上对正偏差的规定优于日本标准。

1.3 平直度对比

列车的舒适度需通过平稳的行驶面来获得，而钢轨的平直度则能保证行驶的顺畅。若钢轨平直度不达标，则容易导致轨道受力不均衡而产生偏压，导致整体使用寿命降低[2-3]。各国標准中规定的平直度技术要求见表4和表5。

对比分析国内外钢轨平直度要求可知，除了小腰规定外，我国高速铁路用钢轨标准的技术要求与欧洲标准、国际ISO标准大体相同，只在扭曲的规定形式上有差别。这说明在平直度项上，我国标准已具有世界一流水平。日本标准在扭曲全长最大间隙要求上比中国高速铁路用钢轨标准要求略高。

1.4 化学成分对比

元素是组成物质的基本成分，不同牌号钢轨间存在性能差异的主要原因之一就是化学元素含量不同。各国现行的钢轨标准中都明确规定了钢轨所含元素的限值，具体要求见表6、表7和表8。从表6中可以看出， U71MnG较U71Mn主要调整了C和Al的含量，进一步缩小了元素的波动范围，并且降低了有害元素P的含量。欧洲标准和国际ISO标准中规定的R260和HR260A牌号钢轨元素含量与U71Mn和U71MnG相似， U71MnG的C元素含量范围比R260和HR260A更小，这就对生产工艺提出了更高的要求。U75VG较U75V缩小了Si的含量范围，同时降低了有害元素P的上限值。类似的，U75V和U75VG与国际ISO标准中HR280的元素含量基本对应，U75VG的Si和V元素的含量范围比HR280更加精确。日本标准中所列的元素种类较少，但C元素规定的波动范围更窄，而Si含量整体较低。

从表格7可以看出，在残余元素方面，欧洲标准R260和国际ISO标准HR260A牌号钢轨其余类型残余元素含量较中国标准稍有不同。但由于V元素含量很低，因此影响不甚明显。日本标准则没有对残余元素含量做出规定。由表格8可知，在H、O、N含量上，中国高速铁路用钢轨标准的要求最高，日本标准未做出相关规定。

1.5 机械性能对比

钢轨需要承受列车带来的巨大冲击载荷，因此必须具有优良的机械性能才可以保证行驶安全。钢轨的强度、韧塑性等机械性能与化学成分、组织结构密切相关[4]。钢轨的硬度决定了表面滚动接触疲劳磨损状况，硬度越高，磨损越少且钢轨抵抗变形的能力越高[5-6]。TB/T2344-2012和TB/T3276-2011标准中对抗拉强度、断后伸长率和轨头顶面硬度的具体要求见表9。从表中可知，不论是用于普速铁路的钢轨还是用于高速铁路的钢轨，抗拉强度、断后伸长率和轨头顶面硬度的规定是一致的。

表8 不同标准氮、氧、氢元素含量上限

表10给出了欧洲标准、国际ISO标准和日本标准中抗拉强度、断后伸长率和轨头顶面硬度的要求。对比结果表明R260（国际ISO标准中为HR260A）和HR280三项数据与U71Mn和U75V相同，但是硬度测试的条件有所不同。我国采用的是HBW10/3000的测试条件，而欧洲标准和国际ISO标准采用了HBW2.5/187.5的测试条件。日本标准与其他四项标准有所区别，整体强度、硬度要求较低。对于60kg/m的钢轨而言，抗拉强度不低于800MPa，轨头顶面中心硬度不低于235HBW。

除了抗拉强度、断后伸长率和轨头顶面硬度外，疲劳性能、断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率也是衡量钢轨质量的指标。服役中的钢轨需要承受来自列车的循环应力，如果没有一定的疲劳性能和抗冲击韧性则容易发生断裂[6]。各国标准中对钢轨疲劳性能、断裂韧性和疲劳裂纹扩展速率的具体要求见表11。从表中数据可知，我国普速铁路用钢轨标准及高速铁路用钢轨标准、欧洲标准和国际ISO标准四项标准要求一致。日本JISE1101-2001中没有相关规定。

1.6 非金属夹杂物对比

非金属夹杂物是由炼钢过程中的炉渣、残留反应产物等引起的，它会破坏金属基体的连续性，导致钢轨机械性能下降甚至疲劳断裂。国内标准中非金属夹杂物的要求见表12。从表12中可以看出，中国高速铁路用钢轨标准中A级夹杂物的要求高于B级夹杂物，也高于普速铁路用钢轨标准的要求。欧洲标准和国际ISO标准是通过测定氧化物的多少来鉴定钢轨中非金属夹杂物情况的，规定供货总量的95%不得超过1级，5%不得超过1.5级[7-8]。但国际ISO标准中除了上述方法外，还可以根据ISO4967-2013《Steel-Determination of content of nonmetallic inclusions-Micrographic method using standard diagrams》标准进行非金属夹杂物检测，要求见表13。此方法对每一类非金属夹杂物的级别规定相较中国标准更为宽松一些。日本标准中没有非金属夹杂物的相关规定。

我国标准对于钢轨中非金属夹杂物的检测要求更加全面。高速铁路用钢轨标准较之普速铁路用钢轨标准和国际ISO标准要求更高，可以进一步保证钢轨的洁净度，从而降低由于内部缺陷而导致断轨的风险。

1.7 显微组织对比

中国标准、欧洲标准和国际ISO标准中均规定钢轨的显微组织需以珠光体为主，可以存在少量的铁素体，但不允许存在马氏体、贝氏体和晶界渗碳体[7-10]。日本标准未提及相关规定。

珠光体是铁素体片和渗碳体片交替形成的，在性能上要優于单一的铁素体组织或者渗碳体组织。珠光体的片层间距是影响钢轨宏观机械性能的主要因素之一，片层间距越小，相界面越多。相界面可以阻碍位错的进一步发展，因此可以提高钢轨抵抗塑性变形和断裂的能力[11]。片层间距的大小和钢轨轧制时的冷却速度以及奥氏体向珠光体转变的温度有关，而转变温度又与钢轨中的合金元素有关。因此，适当调整钢轨中的化学成分可以改善片层间距，进而改善钢轨的机械性能[12]。目前而言，珠光体组织能使钢轨材料的强度和韧性最大化。近几年，低碳低合金钢贝氏体钢轨逐渐成为各国的研究热点[13]。

1.8 脱碳层深度对比

脱碳层是指材料中的碳被氧化后形成的层带。在钢轨中发生脱碳的部位通常以珠光体+铁素体的显微组织为主。这是因为碳含量较少时，钢在降温过程中先析出铁素体，继续降温到共析温度时才会产生珠光体。脱碳的情况越是严重，这部分组织中铁素体就会越多。一般情况下，钢轨在轧制过程中表面温度较高，容易造成碳氧化，在随后的冷却过程中就形成脱碳层。

表12 国内不同标准非金属夹杂物级别要求对比表

表13 ISO 5003：2016标准中非金属夹杂物级别要求

TB/T3276-2011、TB/T2344-2012、BSEN13674-1-2011和ISO5003：2016标准中均规定钢轨的脱碳层深度不得超过0.5 mm，否则容易导致钢轨出现较为严重的磨损，同时降低接触疲劳寿命。

1.9 其他检测对比

通过表1可知，不同国家低倍测验的方法有所不同。TB/T3276-2011和TB/T2344-2012采用热酸蚀检验，BSEN13674-1：2011和JISE1101-2001《热轧平底钢轨及道岔用特殊断面钢轨》采用硫印检验，2016年公布的ISO5003：2016《适用于46kg/m及以上的传统或高速铁路用平底钢轨》将两种方法都纳入其中，具体实施则依照买卖双方协商确定[14]。酸蚀检验一般针对的是钢材料，考察材料是否存在缩孔、气泡、裂纹、夹杂、翻皮、白点、晶间裂纹等缺陷。硫印是用感光相纸显示试样的硫偏析，主要用于钢铁行业铸坯质量的检验。

除日本标准外，各国标准均规定轨底残余应力不应超过250MPa。否则在列车循环应力的作用下，容易引发钢轨断裂。在我国沪汉蓉通道-合武线高铁的建设期间，曾出现过从欧洲进口的Corus Rail France公司生产的高铁钢轨残余应力超标不合格退运的情况。

落锤测试是中国标准中独有的检测项目。要求在成品钢轨中取样，经1000kg重锤从9.1m的高度自由下落锤击一次后不发生断裂，并在质量证明书中给出挠度值以反应钢轨的强度、韧塑性和抗冲击性能。

2 结论展望

综上所述，我国制定的普速铁路用钢轨标准，虽在各项技术指标上相对而言较为宽松，但总体上已经非常趋近于高速铁路用钢轨标准，这也体现出我国钢轨标准是随着铁路和冶金行业的发展而不断更新，逐渐走向科学合理的。较欧洲、日本标准和国际ISO标准，我国高速铁路用钢轨标准在技术要求上已经达到了世界一流水平，部分测试项目及要求较国外标准更为全面和严格。对于一流的中国高铁钢轨标准应积极地向世界推广，这有利于在“一带一路”海外铁路建设项目中一步步将中国标准打造成良好的品牌名片。

此外，进口钢轨属于高风险敏感商品，原质检总局2016年发布的《关于加强钢丝绳、锅炉管等涉及安全的进口金属材料质量安全监管的通知》[质检检函（2016）65号]中就特别强调要高度重视进口钢丝绳、钢轨等金属材料产品的检验监管工作。2017年原质检总局和国家标准化管理委员会颁布了《关于<水泥包装袋>等1077项强制性国家标准转化为推荐性国家标准的公告》，其中规定涉及钢轨检验的强制性标准转化为推荐性标准。由于强制性标准转化为推荐性标准，海关对于事关人民群众生命和财产安全的进口钢轨质量的检验工作面临着检验依据不统一、无强制性标准的局面，在“放管服”和通关便利化大背景下，该公告的颁布对我国口岸进口钢轨的快速有效检验工作提出了新的挑战。因此，通过本文对国内外铁路用钢轨标准的对比分析研究，可以一定程度上了解国内外对钢轨质量技术要求及质量整体水平，为海关对于进口钢轨的检验监管工作进行技术支撑，创新检验监管新体系建设。

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