中法高速铁路钢轨技术对比

张银花，刘丰收，李闯，杨光，周韶博

（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 研究背景

高速铁路因其快捷便利，被世界各国追捧。从20世纪60年代开始，法国、日本、德国等国家加快了高速铁路建设步伐。1970年，法国开始研究并修建高速铁路；1981年9月，法国第1条高速铁路巴黎—里昂（东南线）投入运营；1989—1990年，大西洋线建成；之后北方线、地中海线等新线陆续建成并投入运营。至2017年底，法国高铁总里程超过2 696 km，一般速度300 km/h，最高速度320 km/h。高速铁路已为法国带来了巨大的社会和经济效益，也成为中长途出行选择的交通工具［1］。

我国高速铁路建设始于1998年，秦沈客运专线的开工拉开了我国高速铁路建设的序幕，2003年秦沈客运专线全线建成通车，我国拥有了第1条客运专线，此后，京津、武广、京沪等一大批高速铁路陆续投入运营，我国铁路开始迈入高速时代。尽管我国高速铁路起步晚，但发展迅速，截至2019年底，已有高速铁路3.5万km，占世界高速铁路里程的2/3，高速铁路网四通八达，一般速度250、300 km/h，最高速度350 km/h，在全国范围内已形成发达的高速铁路网。

钢轨是铁路运输中的重要部件之一，伴随着高速铁路的快速发展，钢轨技术取得了长足进步，实现了发展与创新。中法两国在高速铁路基础设施的配置及标准、维修养护技术和养护模式、动态与静态监测和检测技术等方面有许多成功的经验，值得相互学习和借鉴。从钢轨标准、生产制造、焊接铺设、使用养护、检测和监测等方面，对比我国与法国高速铁路钢轨技术的差异，分析提出我国高速铁路钢轨技术的发展方向。

2 中法高速铁路钢轨技术

2.1 钢轨标准

为满足高速铁路建设需求，需要制定出既体现先进水平、又符合本国实际，具有可操作性的钢轨标准。欧洲钢轨标准EN 13674.1《46 kg/m及以上T型钢轨》于1994年提出初稿，标准对氢氧氮含量、夹杂物、脱碳层、钢轨特殊性能指标以及钢轨外观质量包括几何尺寸公差、轨端和轨身平直度、表面缺陷等做出了定量要求，同时对钢轨生产过程和设备进行了相应规定，是当今世界上最为先进的钢轨标准之一。该标准2003年正式颁布，在欧洲标准化委员会成员国内实施［2］；2007年进行了第1次修订，之后每隔几年修订1次，以适应铁路发展需要。法国铁路在欧洲钢轨标准颁布之前执行法国标准；之后执行欧洲标准。

我国高速铁路钢轨标准的制定始于1998年，为修建秦沈客运专线，原铁道部组织原中国铁道科学研究院（简称铁科院）首次起草制定，2004、2007年进行修订。2010年，在时速250 km和350 km钢轨暂行技术条件的基础上，参照欧洲钢轨标准修订情况，结合国内高速铁路相关科研成果和客运专线钢轨生产和使用的经验，制定TB/T 3276《高速铁路用钢轨》标准，并于2011年8月开始实施［3］，目前正进行再次修订。

与欧洲钢轨标准相比，我国高速铁路钢轨标准在内容、技术要求和指标上基本相同，除钢轨断面、长度、钢种、引用标准不同外，个别指标存在差异（见表1），对比而言，我国高速铁路钢轨标准中的个别指标要求更加严格［4］。

表1 不同钢轨标准技术要求对比

2.2 钢轨制造技术

钢轨制造技术主要包括炼钢、轧钢和精整技术。从70年代开始，随着世界制造业的技术进步，炼钢和轧钢技术水平逐步提升。转炉炼钢逐步取代平炉炼钢，万能轧制取代孔型轧制，钢轨钢纯净度及钢轨几何尺寸公差、平直度、外观质量等大幅提升。钢轨现代化的生产技术通常可概括为“精炼”“精轧”“精整”“长尺化”和“集中检测”等5大技术，生产制造工艺流程见表2。

表2 钢轨现代化生产制造工艺流程

法国钢轨产品主要由炼钢和轧钢2家钢厂协作完成。原Corus公司旗下的Soltac钢厂专门生产钢坯，1978年新建氧气转炉，90年代新建铁水预脱硫和真空脱气装备，方坯连铸始于1994年。法国Hayange轧钢厂专门进行钢轨轧制，1996—1998年该厂进行技术改造，发明了万能轧制技术，可利用万能轧机轧制80 m定尺长钢轨，2000年前已实现钢轨现代化的生产［5-6］。2011年，Hayange轧钢厂又对轧制设备及热处理生产线进行技术改造，改造后可生产108 m定尺长热轧和热处理钢轨，供全法铁路使用。法国钢轨内部质量和几何尺寸、平直度等处于国际领先水平。

我国钢轨生产制造企业在70年代开始针对炼钢进行技术改造，转炉炼钢替代平炉炼钢，不仅钢水质量好，且节能、成本低。2003年起，国内钢厂开始引进国外先进设备，万能轧制取代孔型轧制，钢轨几何尺寸和平直度控制水平等均大幅提升。2004年，攀钢集团有限公司建成世界一流水平的万能生产线，是国内第1家、全球第3家采用万能轧制工艺生产制造100 m定尺长的钢轨企业，2004年12月生产制造出国内第1支100 m长定尺钢轨。之后，国内其他钢轨生产制造企业先后完成现代化的技术改造，均具备现代化生产钢轨的能力，可满足我国铁路快速发展的需要［7-8］。

我国攀钢集团有限公司与法国钢轨生产设备和工艺流程基本相同，均采用转炉炼钢、7机架万能轧制、平立复合矫直、在线自动化检测等技术，国内其他钢轨生产制造企业采用5机架万能轧制、VD真空脱气，工艺流程略有不同。

2.3 钢轨焊接体系

法国高速铁路建设始于20世纪70年代，钢轨焊接体系是将72 m定尺长钢轨焊接成约360 m长钢轨，采用铝热焊接的方式进行单元轨节和锁定焊接。我国高速铁路钢轨的焊接体系为在焊轨基地采用固定式闪光焊接，将100 m定尺长钢轨焊接成500 m长钢轨，采用移动闪光焊的方式进行单元轨节和锁定焊接，仅道岔区采用铝热焊接。我国钢轨焊接体系在钢轨定尺长度、焊接钢轨长度及焊接方法等方面均处于世界先进水平［9］。

2.4 钢轨使用及维修养护

2.4.1 钢轨合理选用

高速列车具有轴重轻、速度快等特点，对钢轨安全性和平顺性有较高要求。高安全性要求主要体现在钢质洁净、表面无缺陷、优良的韧塑性及焊接性；高平顺性要求主要体现在保持优良的轮轨关系，直接影响高速列车运行品质、轮轨部件使用寿命及维护成本。中法两国在钢轨选用方面具有各自的技术体系。

（1）钢轨强度等级。1981年，法国修建巴黎—里昂高速铁路时，铺设UIC700钢轨，强度等级700 MPa级，后来再修建的铁路直线和曲线均广泛铺用UIC 900A钢轨，强度等级880 MPa级。欧洲规定车速在200 km/h以上时，选用ER7和ER8车轮，标准规定轮辋硬度≥245 HB，实际轮轨硬度比接近1∶1［10］。

我国修建秦沈客运专线时，在300 km/h试验区段（山海关—遂中北66.8 km）铺设880 MPa级的UIC900A（相当于U71MnK）钢轨，在其他区段铺设U75V钢轨，强度等级980 MPa级。通过对钢轨材质强度的选择及钢轨化学成分的优化研究，借鉴国外高速铁路钢轨的材质强度选用及对我国既有线提速区段钢轨使用情况的长期跟踪研究结果，提出我国高速铁路钢轨强度的选用原则，即200 km/h以上高速客运铁路选用880 MPa级的U71Mn钢轨，200～250 km/h兼顾货运铁路选用980 MPa级的U75V钢轨［11］。我国从2007年开始逐步引进动车组列车，其中车轮材质主要有欧洲标准ER8、ER8C，标准规定轮辋硬度≥245 HB。实际车轮硬度略低于钢轨硬度［12］。

中法高速铁路钢轨化学成分及性能指标见表3。

（2）钢轨型面。法国高速铁路采用1∶20轨底坡，铺设UIC60钢轨，钢轨廓形为60E1（见图1）。法国TGV高速列车主要采用1∶40锥形踏面，轮轨型面匹配关系较为单一，为1种钢轨廓形与1种车轮型面匹配。

我国高速铁路轨底坡为1∶40，铺设CHN60钢轨，2014年以前采用TB60廓形。针对我国高速铁路运营初期出现的轮轨型面匹配不良问题，铁科院通过对轮轨关系理论的深入研究及应用实践，优化设计出可显著改善轮轨关系的60N廓形（已纳入铁道行业标准），并研发了60N钢轨及高速铁路钢轨打磨技术。相对于TB60廓形，60N廓形重点优化了轨距角圆弧几何尺寸，轮轨接触位置直线区段移向踏面中心，曲线区段形成共形接触（见图2）。2014年以后，60N钢轨在新建高速铁路中广泛应用，并取得了良好的应用效果［13-15］。我国高速铁路轮轨型面匹配关系较为复杂，主要为1种钢轨廓形与4种技术平台5种车轮型面匹配［1，13］，对铁路运营维护工作提出更高要求。

图1 60E1钢轨廓形

图2 TB60和60N钢轨型面对比（虚线为60N）

2.4.2 钢轨服役现状及典型伤损

我国高速铁路轨道分无砟轨道和有砟轨道2种类型，高速纯客运铁路铺设无砟轨道，客货混运铁路铺设有砟轨道，无砟轨道占比高。自京津城际开通运营至今，高速铁路最长运营时间已超过10年，钢轨的使用情况总体良好。随着运营时间的增加，钢轨出现了一些伤损。据2016年统计数据，钢轨母材伤损仅占伤损总量的0.6%，主要伤损形式为焊接接头伤损及钢轨擦伤，二者合计约占伤损总量的80%。此外，道岔钢轨件伤损相对较多，主要包括轨件鱼鳞纹、剥离掉块和钢轨肥边。其他伤损形式还有隐伤、波磨、小半径曲线侧磨等［16］。我国钢轨典型伤损见图3。

图3 我国钢轨典型伤损

法国高速铁路最高运营速度超过300 km/h，但轨道以有砟轨道为主。钢轨主要伤损类型有疲劳伤损（鱼鳞纹）、道砟飞溅造成的伤损、隐伤、波磨、焊接接头伤损等。疲劳伤损（鱼鳞纹）主要发生在道岔区，表面缺陷主要发生在直线，直线和曲线上均出现钢轨波磨。对比可知，除了由道砟飞溅造成的轨顶面伤损外，法国钢轨伤损类型与我国差异较小。法国钢轨典型伤损见图4。

图4 法国钢轨典型伤损

2.4.3 钢轨检查与修理

法国国家铁路公司（SNCF）检测列车每2周对轨道进行1次检测，另有6辆检测车可加挂在运营列车上，每6周进行1次探伤作业。利用高速拍照和高速摄像等技术检查轨面缺陷，重视对检测数据的记录、分析和处理，自动化、信息化程度较高，已积累大量的检测数据，用来指导科学维护。

法国高速铁路在新线开通运营前或钢轨更换后进行钢轨预打磨，主要为了消除轨头表面约0.3 mm深的脱碳层；消除运输、铺设作业产生的轨面0.3 mm深度以下碰伤；消除钢轨制造过程中产生的周期不平顺；恢复轨头断面设计形状。目前在法国国家铁路网上的预防性打磨实行分级打磨策略。SNCF利用数理统计方法研究普速铁路最佳预防性打磨周期，通过分析现场钢轨使用台账数据，结合钢轨各项维护成本，建立了总维护成本与预防性打磨深度和周期三者间的函数关系，通过计算得出总维护成本最小的打磨周期约为2～4年，打磨深度约为0.3 mm［17］。而对于高速铁路，预防性打磨周期为1年，每次打磨约0.1 mm，主要目的是消除道砟飞溅引起的钢轨表面伤损及预防钢轨接触疲劳伤损，同时降低噪声［18］。修理性打磨主要为及时修理表面缺陷，修磨深度最大可达3 mm。

我国高速铁路采用综合检测列车、车载式线路检查仪等检测设备对线路进行周期性检查，综合检测列车每10～15 d检查1遍。钢轨检查采用以探伤车为主、探伤仪为辅的方式，对正线钢轨进行周期性探伤，每年检查不少于7遍；使用钢轨探伤仪对正线钢轨每年检查1遍，对正线道岔及调节器的钢轨每月检查1遍。个别检查项目例如钢轨廓形、光带等仍依赖人工检测，自动化程度相对较低。

我国于20世纪80年代开始引进钢轨打磨车和打磨技术，虽然起步晚，但发展快。目前，打磨列车已经国产化，打磨技术也实现了创新。我国高速铁路对钢轨实施预打磨、预防性打磨及修理性打磨。预打磨和修理性打磨技术与法国基本相同。预防性打磨周期较法国长，一般2～4年，通过总质量超过60 Mt，打磨深度通常小于0.3 mm。随着钢轨维护技术经验的积累，钢轨打磨周期将延长［19-21］。

2.4.4 钢轨和焊接接头伤损修复

法国钢轨伤损修复主要采用打磨、插入短轨和焊补的方式进行。其中，焊补修复是采用电弧焊接方式，在钢轨表面堆焊一层金属，适用于深度在2～15 mm，长度不超过500 mm的伤损，这一技术在SNCF广泛使用［22］；另一种焊补方式是将钢轨伤损部位去除，采用铝热焊方法修复（见图5）。对于焊接接头伤损，多采用原位焊技术，即切除伤损焊接接头，采用铝热焊接，在伤损接头处实施原位焊接修复，修复后，焊接接头宽度55 mm或68 mm，原位焊修复技术已在线路上成熟应用。

图5 法国铁路钢轨伤损修复示意图

我国铁路钢轨和焊接接头伤损修复主要采用打磨、插入短轨和更换的方式进行。其中，高速铁路插入短轨的长度不小于20 m，两端主要采用铝热焊接的方式焊连，正在实践插入短轨的始端采用闪光焊、尾端采用铝热焊技术。高速铁路正线禁止钢轨焊补。对于伤损焊接接头，中国铁道科学研究院集团有限公司正在研究原位焊接修复技术，目前已通过技术评审，将在高速铁路推广应用。相比较而言，我国钢轨和焊接接头伤损修复技术安全，但稍显落后，且不经济。

2.4.5 钢轨大修周期

大修换轨周期主要由钢轨磨耗、重伤率以及成本因素等确定。目前世界各国铁路钢轨的大修周期主要由4种方式确定:（1）由通过总质量确定；（2）根据每公里钢轨重伤的根数确定；（3）根据钢轨的状态，即钢轨伤损、磨耗、每公里伤损数量，并结合通过总质量来确定；（4）仅根据钢轨磨耗量确定。

国际铁路联盟UIC对钢轨部件的全生命周期提出推荐性意见。高速线路上，钢轨的生命周期由钢轨伤损数量和频率及相关的维修成本确定，对于900 MPa强度等级钢轨，大修周期600～700 Mt。不同速度的客货共线、风沙侵蚀等会降低钢轨的生命周期［23］。日本按照通过总质量确定大修周期，规定直线钢轨500～600 Mt通过总质量更换钢轨。法国第一条高铁线路巴黎—里昂，根据统计分布可计算出使用寿命30年。2015年，该线路因磨耗到限，开始更换钢轨，钢轨实际寿命达34年。

我国铁路钢轨使用情况表明，直线及大半径曲线钢轨磨耗量较小，其使用寿命主要受钢轨的重伤率影响。我国钢轨的大修周期由通过总质量和重伤率共同决定。根据钢轨使用寿命的大量统计数据，结合仿真计算及对安全性和经济性的评估，研究确定了我国普速铁路无缝线路60 kg/m钢轨大修周期为1 000 Mt，每公里伤损量2～4处［24］。高速铁路钢轨尚无明确的大修周期规定，目前已开展了初步研究。从钢轨材质、载荷条件、通过总质量及服役环境等因素分析的基础上，高速铁路钢轨的大修周期还应重点考虑轨道的薄弱环节，如铝热焊头、胶结绝缘接头、锈蚀、重伤等因素加以制定［25］。

3 结束语

法国高速铁路技术走在世界前列，在钢轨标准、生产制造、使用维护等方面积累了许多成熟的经验。我国高速铁路钢轨标准已和欧洲国家接轨，钢轨制造装备和工艺、实物质量水平等已达世界先进水平。但在基础研究、运营维护等方面仍与法国等高速铁路发达国家存在差距，可借鉴法国高速铁路钢轨技术成熟的经验，结合我国实际情况，继续开展轮轨关系深化研究，继续提高检测和监测技术水平，应用大数据指导养护维修和经济运营策略的制定，实现状态修和经济修。在前期钢轨技术的研究和应用基础上，走出适合我国国情的创新发展之路。