普速鐵路再用軌使用條件研究

田常海 劉佳朋 石彤 杜涵秋 張金 俞喆

中國鐵道科學研究院集團有限公司金屬及化學研究所，北京 100081

近年來，我國每年新建和大修鐵路用鋼軌數量約為300萬t，其中大修鋼軌達80萬t。為提高全壽命周期內鋼軌應用效益，再用軌的使用日益引起關注。再用軌分為整形整修軌（簡稱整修軌）、一般再用軌、不整修軌。國外20世紀50年代開始進行舊軌整修，經整修的再用軌進行二次甚至三次使用。20世紀90年代，國內鋼軌市場價格由1 600元/t漲到4 000元/t，導致線路大修資金短缺，加之鋼軌供應緊張，我國開始引進舊軌整修設備，進行了舊軌整修的工藝技術和使用經濟性研究［1-2］。整修軌和一般再用軌的使用，緩解了鋼軌緊張的局面。在研究再用軌整修技術、總結使用經驗基礎上，中國鐵路總公司發布了Q/CR 407—2018《鐵路舊軌使用和整修技術條件》，規定60 kg/m再用軌可鋪設在年通過總質量50 Mt以下線路。

20世紀90年代至今，國內鋼軌價格從4 000元/t漲到接近5 000元/t，漲幅遠小于同期全國居民消費價格指數（Consumer Price Index，CPI）。隨著鋼軌生產廠家的增加和產量的提高，鋼軌處于供過于求的狀態。部分鐵路局停止了舊軌整形整修，不整修軌和一般再用軌在再用軌中占比較高。考慮到鋼軌價格和產能及整修情況都發生了變化，本文從傷損和經濟兩方面重新研究不同年通過總質量線路再用軌和新軌的使用經濟性，完善再用軌使用條件，為再用軌和新軌使用提供決策依據。

1 再用軌和新軌傷損對比

我國干線鋼軌上道后累計通過總質量700 Mt及以上時下道。根據正線、站線等線路的需求，挑選來自Ⅰ級或Ⅱ級線路的下道鋼軌，分三種情況使用和處理［3-4］：①符合再用軌使用分類的一級或二級再用軌，加工成長軌條鋪設到線路正線或到發線上；②符合再用軌使用分類的三級再用軌，將鋁熱焊焊接接頭切除后鋪設到站線上；③符合再用軌使用分類的四級再用軌，鋪設到其他站線或按廢軌處理。

為探究再用軌和新軌每千米鋼軌重傷量（重傷率）是否與線路級別、養護維修條件有關，選擇條件基本相同的皖贛鐵路下行K0+000—K56+700、上行K0+777—K33+978區段進行再用軌和新軌傷損統計。皖贛鐵路再用軌和新軌使用情況見表1。

表1 皖贛鐵路再用軌和新軌使用情況

為比較不同級別線路鋪設再用軌和新軌重傷率的差異，選取京滬鐵路鋼軌重傷數據［5-6］，以線路長度為權進行鋼軌重傷率統計，并與皖贛鐵路上下行線路進行對比，結果見圖1。可知：①累計通過總質量MT=300 Mt時，皖贛鐵路上行線整修軌每千米鋼軌重傷量為3.00處；MT=300、400 Mt時，皖贛鐵路下行線新軌每千米鋼軌重傷量分別為0.89、1.09處，京滬鐵路分別為1.24、1.62處。②MT=300 Mt時，對于條件基本相同的皖贛鐵路上下行線路，整修軌重傷率是新軌的3.4倍，皖贛鐵路新軌重傷率低于京滬鐵路。

圖1 皖贛鐵路和京滬鐵路鋼軌重傷率對比

2 經濟性分析模型

在線路級別和養護維修條件基本相同的情況下，新軌和再用軌重傷率不同，導致重傷鋼軌的搶修費有較大差異，且鋪設新軌和再用軌的初始投入費用也存在較大差異。除重傷鋼軌搶修費外，新軌和再用軌運營后的檢查、維護等費用基本相同。因此，進行不同年通過總質量線路鋪設新軌和再用軌經濟性分析時只考慮初始投入和重傷軌搶修費。

文獻［7］應用費用現值比較法、費用年值比較法等對片區生活污水收集管網各備選方案的全生命周期總費用現值進行對比分析。文獻［8-9］考慮了通貨膨脹和利率對項目投資的影響。文獻［10］比較了現值法、費用比較法、終值法等評價設備更新經濟性的方法。分析投入和維修的經濟性時，需要考慮通貨膨脹率和名義利率。在新軌使用周期內，采用實際利率比較新軌和再用軌從鋪設至下道的投入終值，即可對比新軌和再用軌使用的經濟性。

實際利率i的計算式為

式中：r為名義利率；f為平均通貨膨脹率。

新鋼軌使用n年后下道作為再用軌使用，新軌殘值終值Cn即為再用軌價格初值C0。新軌使用期后終值Dx和再用軌使用期后終值Dz分別為

式中：D0、Dp分別為新軌大修費初值、再用軌鋪設費初值；Lx、Lz分別為整個使用周期內的新軌大修費初值、再用軌鋪設費初值的利息；Qx、Qz分別為新軌、再用軌重傷處理費（重傷處理費利息按通過總質量中間值計算）；T為新軌使用總年數；Sx、Sz分別為新軌、再用軌的每千米重傷量；F0為每處重傷修理費初值；Cv為鋼軌使用周期損失率；Cz為再用軌剩余殘值終值；m為對應新軌使用總年數的更換再用軌次數；j=1，2，…，m。

比較Dx和Dz的大小，如果Dx較小，則表明鋪設新軌更經濟；如果Dz較小，則表明鋪設再用軌更經濟。

3 經濟性分析參數

根據2011—2015年對上海局、北京局、太原局等的調研結果，新軌使用30年后殘值C30約24萬元/km。新軌價格按0.5萬元/t計算，換算后為60萬元/km，則鋼軌殘值折價率為24/60=0.4。按鋼軌折價率0.4計算，則新鋼軌使用10、15、20年后的殘值C10、C15和C20分別為48、42、36萬元/km。1990—2015年名義利率平均值為4.44%，通貨膨脹率平均值為4.40%，實際利率平均值為0.14%，波動范圍為-10.57%～6.07%。

根據京滬鐵路新軌及皖贛鐵路、符夾鐵路再用軌傷損統計結果［5-6］，得到MT=300～1200 Mt新軌重傷率以及MT=150、300 Mt再用軌重傷率R150、R300。對于再用軌，累計通過總質量為300 Mt的k倍（k為整數）時，重傷率取kR300；MT=750 Mt時，重傷率取2R300+R150。不同累計通過總質量下新軌和再用軌重傷率見表2。

表2 不同累計通過總質量下新軌和再用軌重傷率

對上海局、北京局、太原局等鋼軌使用情況進行調查，結果表明重傷鋼軌處理費F0約為3萬元/km。對上海局2011—2015年鋪設新軌和再用軌的人工費、材料費、機械使用費、勘探設計費等進行統計，可得新軌及再用軌的鋪設費初值，見表3。設定鋼軌使用周期損失率Cv=5%。

表3 新軌及再用軌的鋪設費初值 萬元/km

4 模型計算結果及分析

由各路局再用軌實際使用情況的調研結果可知，60 kg/m再用軌鋪設在年通過總質量MY≤50 Mt或MY≤15 Mt的線路上。對于MY=40 Mt的線路，鋪設新軌使用30年，則MT=1 200 Mt；若鋪設再用軌，按使用壽命為MT=300 Mt［6］計算，需要更換再用軌4次。依據新軌及再用軌鋪設費初值（參見表3）并考慮再用軌價格初值，初步分析可知使用新軌更經濟。對于MY≤20 Mt的線路，鋪設新軌使用30年，則MT≤600 Mt，遠沒有達到鋼軌大修周期累計通過總質量1 000 Mt；若鋪設再用軌，需要更換1～2次，初步分析可知使用再用軌更經濟。

干線鋼軌使用25年后作為再用軌鋪設到正線上是較少見的情況。干線鋼軌鋪設10、15、20年后每千米價格分別為48、36、30萬元。根據式（2）、式（3），得到不同年通過總質量線路的新軌和再用軌（整修軌和一般再用軌）使用經濟性分析模型計算結果，見表4。

表4 新軌和再用軌使用經濟性分析模型計算結果

由表4可知：①年通過總質量40 Mt的線路鋪設新軌更經濟；②一般情況下，年通過總質量30 Mt的線路鋪設新軌更經濟，只有在通貨膨脹極高、i≤-8.70%時鋪設一般再用軌經濟；③對于年通過總質量25 Mt的線路，i＞0.70%時鋪設一般再用軌經濟；i≤0.35%時鋪設新軌更經濟；④年通過總質量20 Mt的線路鋪設一般再用軌更經濟；⑤鋪設一般再用軌的經濟性好于整修軌。

根據統計結果，1990—2015年實際利率平均值為0.14%。統計的25年中，i＞0.35%的達到15年，占統計年份的60%；i＞0.70%的達到13年，占統計年份的52%；只有1年的i≤-8.70%，占統計年份的4%。因此，年通過總質量25 Mt的線路鋪設新軌經濟的概率更高，但二者經濟性相差不大；年通過總質量30 Mt線路鋪設新軌更經濟。

由于線路年通過總質量隨線路里程變化，提出再用軌使用條件為：年通過總質量20 Mt及以下線路可鋪設再用軌，在鋼軌緊缺情況下年通過總質量30 Mt以下線路可鋪設再用軌。

根據TG/GW 102—2019《普速鐵路線路修理規則》，25 Mt≤MY＜50 Mt線路鋼軌探傷周期為7次/年；再用軌使用壽命按累計通過總質量300 Mt計算時，使用條件由年通過總質量50 Mt以下降到30 Mt以下，探傷次數由不少于42次提高到不少于70次，約提高67%，有利于及時檢出再用軌傷損，提高再用軌使用的安全性。

5 結論

1）累計通過總質量300 Mt下，線路級別和養護維修條件基本相同的皖贛鐵路上下行線路，整修軌重傷率是新軌的3.4倍，皖贛鐵路鋼軌重傷率偏高與鋪設再用軌有關。

2）年通過總質量30 Mt及以上線路鋪設新軌更經濟；年通過總質量20 Mt線路鋪設一般再用軌更經濟；一般情況下，年通過總質量25 Mt線路鋪設新軌更經濟。

3）再用軌使用條件為：年通過總質量20 Mt及以下線路可鋪設再用軌，在鋼軌緊缺情況下年通過總質量30 Mt以下線路可鋪設再用軌。

4）再用軌使用壽命按累計通過總質量300 Mt計算時，使用條件由年通過總質量50 Mt以下降到30 Mt以下，探傷次數由不少于42次提高到不小于70次。這樣有利于及時檢查出再用軌傷損，提高再用軌使用的安全性。