高速铁路无砟轨道运营初期钢轨伤损分析及对策措施

徐伟昌 陈志远 上海铁路局工务处

高速铁路无砟轨道运营初期钢轨伤损分析及对策措施

徐伟昌 陈志远 上海铁路局工务处

在高速铁路无砟轨道结构中，作为轨道结构最重要组成部件的钢轨伤损时有发生。以上海局管内已开通运营的沪宁城际、沪杭高铁、京沪高铁上发现的钢轨伤损为例，总结高速铁路开通运营初期钢轨伤损的特点，分析伤损产生的原因，提出针对性对策措施，为高速铁路养护维修，特别是开通运营初期的高速铁路钢轨养护维修提供经验。

高速铁路；无砟轨道；钢轨；措施

1 引言

高速铁路无砟轨道一次性铺设跨区间无缝线路，钢轨采用 100m定尺长、60kg/m、U71Mn(G)热轧新钢轨，其主要技术特点：外形尺寸精度高、平直度好、钢质洁净、韧塑性高、焊接性能优良。

钢轨作为轨道结构最重要组成部件，其伤损直接影响高速列车运行安全，是工务专业安全风险防控的重点。在高速铁路无砟轨道养护维修过程中，我们发现的钢轨伤损主要分为三大类：一是钢轨以及道岔在制造过程中产生的缺陷，如裂纹；二是在钢轨铺设焊接过程中产生的伤损，如铝热焊气孔、夹渣等；三是在运营过程中产生的伤损，如轨头擦伤掉块、鱼鳞伤、表面外伤、侧磨等。

2 高速铁路钢轨（含道岔钢轨件）伤损统计

上海局管内沪宁城际、沪杭高铁、京沪高铁开通运营以来的伤损钢轨类型及数量见表1。

表1 高速铁路伤损钢轨情况统计表（单位：处）

从表1中我们可以看出，运营初期各线钢轨伤损情况不尽相同，但主要伤损还是集中在是表面擦伤、侧磨、焊缝伤损上。

3 高速铁路钢轨伤损分析

3.1 轨头表面擦伤掉块

沪宁城际、京沪高铁开通运营1年后，在设备巡检中陆续发现钢轨轨头表面出现掉块，掉块呈左右股钢轨对称分布，间隔均匀，使用硬度计测量，掉块处所表面硬度达到600HB。典型图片见图1。

图1 钢轨轨头擦伤

3.1.1 擦伤产生原因分析

从掉块处所表面硬度来看，应为马氏体组织；从掉块呈左右股钢轨对称均匀分布来看，应为机车车轮擦伤。当机车启动时，受机车自身状态不良、载重过大、线路坡度大等因素的影响，车轮空转造成钢轨踏面局部产生椭圆形擦伤痕迹，踏面局部呈凹陷状，车轮擦伤踏面会使轮轨接触面发生热机械作用，在踏面表层形成硬而脆的白层状马氏体组织，马氏体组织一般在一年后形成龟裂，进一步发展成掉块或表面裂纹。沪宁城际、京沪高铁在开通运营1-1.5年后发现大量的表面掉块，符合马氏体组织发展的特点，同时也可判断大量擦伤掉块是由于施工期间工程车辆造成的钢轨损伤。

3.1.2 擦伤发展趋势

钢轨表面伤损有两种发展趋势：一是擦伤层下产生微细裂纹并进一步向下发展形成核伤，引发突发性断轨；二是擦伤层发生剥离形成掉块，一方面掉块处所的局部不平顺影响列车平稳运行，另一方面掉块被高速运行中的列车吸起与车底碰撞而引发不可知的后果。

3.2 鱼鳞伤

我局运营高速铁路线路，在大站前后的曲线上，钢轨表面较普遍产生鱼鳞纹，由于发现及时，深度比较浅。典型图片见图2。

图2 钢轨鱼鳞纹伤

3.2.1 鱼鳞伤产生原因分析

列车运行过程中轮轨发生接触，钢轨发生塑性变形，经过冷作硬化，在表面形成流线型微细裂纹，类似鱼鳞形状，通常叫做鱼鳞伤。

3.2.2 鱼鳞伤发展趋势

钢轨表面微细鱼鳞伤有两种发展趋势。鱼鳞伤沿变形流线方向倾斜向下10°-15°角发展，然后转至沿纵向扩展，其扩展深度与踏面塑性变形层的深度相对应，通常会发展成剥落掉块，剥落掉快的深度一般为2mm-4mm；也有不少鱼鳞伤会直接向下或者沿纵向扩展之后再向下形成核伤。

3.3 焊缝伤损

目前高速铁路钢轨主要存在两种焊接方式：接触焊和铝热焊。接触焊焊接自动化程度高，尤其工厂焊接，质量较高。铝热焊（德铝焊）都为现场焊接，焊接工艺复杂，自动化程度不高，出现了较多伤损。主要以气孔和夹渣的形式，也有少部分起源于焊筋边缘溢流飞边的横向疲劳裂纹。

3.3.1 气孔

2011年8 月2日探伤发现金山北N9岔11#焊缝伤损，当时判定为轨脚内侧杭端2-3档，探伤仪出波0.6-1.2格，衰减12db，波高达到80%，计算高度4mm，宽度6mm，深度10 mm。焊缝更换下道后经铁科院金化所金相分析，解剖发现该焊缝存在直径约为2.5mm气孔，位于焊筋中部，基本符合探伤情况。剖面见图3。

图3 钢轨焊缝气孔伤

2012年12月31日，在对京沪高铁苏州北1#道岔进行结构检查时发现该道岔一焊缝轨顶面上有一小针孔缺陷，经超声波探伤复核发现，此焊缝距作用边25mm轨面向下有一高度22mm，宽度为2mm小孔。焊缝更换下道后经铁科院金化所金相分析，解剖确认该处孔洞，并且孔洞已成为疲劳源，沿钢轨横向逐渐产生疲劳裂纹，并且缓慢扩展。外观见图4。

图4 焊缝气孔

铝热焊气孔产生可能原因：（1）焊剂受潮。焊剂中带有水分，在铝热反应时，高温下水分分解，在焊缝中产生气体；（2）封箱泥过多、过湿或砂模潮湿。砂型或封箱泥中的气体不能及时排出，在焊头中形成气孔；（3）预热温度过低，钢水容易凝固使气体不易排出，容易在轨底两角产生气孔。

3.3.2 夹渣

2010年12 月7日发现嘉兴南3#岔10#焊缝伤损，伤损情况为轨脚外侧沪端3-4档，探伤仪出波1.0-1.6格，衰减16db，波高达到80%。焊缝更换下道后经铁科院金化所金相分析，解剖确认焊缝中的缺陷为夹渣缺陷，大小约为5mm×3mm，位于焊筋与母材交界处的轨底下表面附近。剖面见图5。

图5 焊缝中夹渣缺陷

铝热焊夹渣产生可能原因：（1）由于轨缝过大、砂箱不密贴或产生“跑铁”现象；（2）钢水量不够，使熔渣不能完全排出；（3）镇静时间不够，反应未完成就浇注，在型腔内继续反应生成熔渣，由于凝固快，熔渣来不及浮出就形成夹渣。

3.4 尖轨侧磨

沪宁城际铁路于2010年7月开通，至今运营三年时间。在昆山南、苏州、无锡、常州等站多组正线P60-18可动心轨单开道岔（施工图号：CZ2602；设计图号：客专线（07）004；生产厂家：中铁宝桥）曲尖轨出现严重侧磨现象。曲尖轨侧磨严重的道岔位于停靠列车较多的几个大站，位于出发端且均为顺向道岔。

4 高速铁路钢轨修理初探

4.1 轨头擦伤掉块建议对策

各工务单位在接收高铁新线时，要利用便携式钢轨硬度计加强长大坡道、信号机前后线路钢轨检查，发现擦伤钢轨，要求施工单位立即更换。

高铁建设单位尽量减少DF4D和DF4B内燃机车等内燃机上道，同时建立内燃机车上道审批制度；在施工阶段，加强铺架、放线等施工车辆的状态控制；施工过程中遇到紧急制动时要及时上报指挥部，指挥部要安排专业人员对钢轨伤损情况进行检查；建议在施组中明确在大坡道地段尽量不要启动、停车和制动；施工中要做好钢轨的备料工作。

在开通运营之后，加强设备检查监测，特别是开通1年左右时，要组织钢轨表面外观的专项检查。发现掉块深度小于0.5mm的进行打磨圆顺，采用渗透等手段探伤，未发现微细裂纹后继续使用，并且进行周期性探伤；掉块深度大于0.5 mm的及时组织更换。

4.2 鱼鳞伤建议对策

对于大站前后的曲线加强钢轨外观及探伤检查，及时发现鱼鳞伤是否发生发展；出现鱼鳞纹后及时采用钢轨打磨列车进行打磨，消除初期鱼鳞纹，人工干预减缓鱼鳞伤的发展；研究适用于高速铁路无砟轨道的钢轨润滑剂，减少鱼鳞伤发生。

4.3 焊缝伤损对策措施

综上所述案例，焊接伤损产生的主要原因都是焊接过程中未严格执行焊接工艺，或焊剂存在质量问题，或操作不熟练，或未达到标准就进行下一步操作等等，致使预热、反应、排气渣等过程未能充分到位，从而产生了气孔、夹渣等缺陷。

（1）在新线铺轨焊接时提前介入，把好焊接质量关。注意焊剂质量、操作过程以及最后的打磨处理是否满足焊接工艺。及时做好焊接后的探伤，发现问题就地处理。

（2）对探伤判定的轻伤处所进行无损夹具胶结加固，并定期探伤，增加探伤遍次，一季度一遍为宜。记录每次探伤波形，达到重伤标准立即更换。

4.4 尖轨侧磨对策措施

联合道岔生产厂家，逐步更换同类型全长淬火尖轨；研制试用尖轨防磨轮滑剂。

4.5 高速铁路钢轨探伤的想法

根据高铁开通运营三年的探伤及检查发现，高速铁路开通初期钢轨伤损大部分是钢轨在早期的制造、运输、铺设及焊接过程中出现。在正常的探伤检查中尚未发现疲劳伤损如核伤、螺孔裂纹，与既有线存在较大区别。在探伤设备、管理模式上可以采取更为科学合理的安排。

4.5.1 探伤设备

高速铁路的钢轨探伤对高铁安全至关重要，为保证探伤质量，必须采用先进的数字化仪器，记录作业过程、作业结果，指导高速铁路钢轨的养修。母材探伤以高速探伤车为

主，辅之以自走行双轨探伤小车以弥补大型探伤车对部分类型伤损检查能力的不足，手推式钢轨探伤小车用于道岔钢轨检查以及复核校对；研究无损加固后焊缝探伤的设备和工艺，按周期对无损加固焊缝进行检查；焊缝探伤采用可记录波形的探伤仪，确保每个焊头都有记录，建立档案。

4.5.2 管理模式

钢轨探伤专业性相对较强，为保证探伤质量，应该加强专业化管理。成立专门的高速铁路探伤车间，可以合理安排探伤周期、维修保养检测设备，提高探伤人员的业务水平，进行探伤数据管理分析，更好指导钢轨的养修。

5 结语及建议

高速铁路开通运营初期，钢轨伤损的主要形式为擦伤掉块，外伤、焊缝伤损 、尖轨侧磨和鱼鳞伤等。本文给出了初步的原因分析和从确保高铁行车安全角度的对策措施。高速钢轨伤损发展、伤损类型的分布规律和延长钢轨使用寿命的修理办法（如钢轨打磨）都有待于今后进一步在高速铁路高铁运营实践中深入研究。

责任编辑：宋飞 龚佩毅

来稿时间：2014-7-24

图1 空铁联运信息管理服务平台构成和功能

4.2 “空铁联运”客运服务流程需改进和完善

因技术安全角度考虑，航空和铁路的票务系统接口尚未实现对接，因此空铁联运票订购后，在出票、送取票等环节上较为繁琐，特别是目前联运铁路段车票的出票点普遍较车站有一定距离，车票需要相关部门花费一定人力、物力提前送达至车站取票专窗；而对于联运旅客来说，车票在出发当天才能凭有效证件前往车站窗口取票，也不能凭电子客票或其他有效证件直接进出站。旅客因取票不及时或取不到车票等而耽误行程等现象，也时有发生。

航空公司和铁路通过“代码共享”，开发和销售统一的联运产品，把虹桥（浦东）机场出发或到达的航班、及途径虹桥火车站的铁路班次作为空铁联运辐射范围，旅客通过网上或代理点一次性购买联运产品后，以两种交通方式到达最终目的地。整个产品的开发、销售、服务等均通过空铁联运信息管理系统来实现。同时，双方可在两机场航站楼内，以及上海虹桥站设置“空铁联运服务台”，为旅客提供一体化、简单、高效的服务，比如咨询、出票、取票、改签、值机、应急处置、延伸产品宣传或销售、或者联运票务速递等服务。这一模式较适用目前机场、铁路管理体制下的联运工作，运行和管理成本较为经济、流程简化。

责任编辑：宋 飞

来稿时间：2014-8-28