高速鐵路鋼軌隱傷的特性及現(xiàn)場檢查監(jiān)測方法

韓清強(qiáng)，陳大磊，楊懷志

(1.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 蚌埠工務(wù)段，安徽 蚌埠 233000；2.京滬高速鐵路股份有限公司，北京 100089)

輪軌接觸疲勞是鋼軌在接觸應(yīng)力和摩擦力作用下形成的塑性流動變形、疲勞磨耗、疲勞裂紋三者共存、相互影響或制約，發(fā)生于輪軌接觸面表層和次表層的傷損現(xiàn)象[1]。高速鐵路鋼軌踏面隱傷已成為國內(nèi)外鋼軌滾動接觸疲勞((Rolling Contact Fatigue，RCF)中的主要傷損形式之一，容易出現(xiàn)在列車運行速度較高、鋼軌強(qiáng)度等級較高及列車加減速區(qū)段。隱傷又稱為鋼軌踏面裂紋或踏面壓潰，裂紋開口朝著軌頭內(nèi)頂角方向，當(dāng)輪軌接觸應(yīng)力與鋼軌殘余應(yīng)力的疊加超出安定極限值時，因鋼軌表層產(chǎn)生塑性流動，萌生表面微裂紋[2]。鋼軌踏面隱傷是初始微裂紋在某種特定影響因素作用下擴(kuò)展形成的，鋼軌踏面隱傷一旦形成，在輪軌力作用下會產(chǎn)生踏面橢圓形凹陷，同時伴有V形裂紋，且裂紋隨著輪軌作用力的疊加不斷擴(kuò)展，對軌道平順性、高速列車運行平穩(wěn)性造成不利影響，嚴(yán)重時導(dǎo)致鋼軌斷裂，從而危及行車安全[3-4]。

1 現(xiàn)場鋼軌隱傷特性分析

京滬高速鐵路蚌埠工務(wù)段管轄正線鋼軌均采用U71Mn鋼，正線道岔鋼軌均采用新鐵德奧CN道岔，道岔鋼軌除導(dǎo)軌外均采用R350HT德國進(jìn)口鋼軌(鋼軌強(qiáng)度較高)。線路采用鋼軌高速打磨車進(jìn)行鋼軌打磨，平均每年至少打磨1遍鋼軌表面硬化層，而道岔只在2016年度和2017年度開展過廓形修理性打磨，對鋼軌踏面硬化層未進(jìn)行過專項打磨。正線線路、道岔通過允許速度Vmax=350 km /h。管內(nèi)宿州東站至蚌埠南站區(qū)間暨先導(dǎo)段最大列車通過總重約為43.5萬t。自2011年京滬高速鐵路開通以來，管內(nèi)共計更換正線線路鋼軌28根，其中26根為鋼軌擦傷，2根是受到更換軌道板的影響，鋼軌隱傷發(fā)生率為0。更換正線CN道岔結(jié)構(gòu)件10組，其中受鋼軌隱傷影響而更換的道岔鋼軌件9組，鋁熱焊接頭傷損1組，鋼軌隱傷更換率達(dá)到90%。具體傷損統(tǒng)計情況見表1。

表1 京滬高速鐵路蚌埠工務(wù)段管內(nèi)鋼軌隱傷統(tǒng)計

1.1 現(xiàn)場隱傷分布規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場的鋼軌傷損情況看，隱傷不同于鋼軌表面擦傷，屬非左右股對稱出現(xiàn)。有的出現(xiàn)在直基本軌岔前接頭附近，有的出現(xiàn)在曲基本軌岔前接頭附近，有的在岔心位置，有的在直尖軌跟端，有的左右股非同時出現(xiàn)。表面上看現(xiàn)場難以尋找其產(chǎn)生規(guī)律，但通過觀察對比可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：①鋼軌隱傷發(fā)生率正線道岔鋼軌占比為100%，正線線路鋼軌占比為0，正線道岔鋼軌傷損位置均為鋼軌強(qiáng)度較高區(qū)域，而國產(chǎn)U71Mn導(dǎo)軌區(qū)段未出現(xiàn)過傷損；②預(yù)防性或周期性打磨硬化層后的區(qū)間線路未發(fā)生隱傷，沒有打磨的站內(nèi)正線道岔隱傷出現(xiàn)較多；③傷損均存在于正線通過位置，而非道岔側(cè)向通過位置；④傷損多出現(xiàn)在正向通過區(qū)段且多為進(jìn)出站道岔加減速區(qū)位置。

1.2 鋼軌隱傷表現(xiàn)特征

從現(xiàn)場觀察到的鋼軌踏面隱傷(圖1)的表現(xiàn)特征來看，鋼軌發(fā)生隱傷往往伴隨著軌頭裂紋，尤其是V形裂紋(圖2)萌生后，在軌面上沿垂直于切向力方向擴(kuò)展，在軌頭內(nèi)部裂紋初始產(chǎn)生時沿變形流線方向以較小角度向深處發(fā)展。當(dāng)裂紋擴(kuò)展至8～10 mm深度時便轉(zhuǎn)化成水平裂紋，由于V形裂紋在軌頭內(nèi)部的發(fā)展，使得裂紋擴(kuò)展(圖3)涉及區(qū)域在輪軌力作用下產(chǎn)生了橢圓形凹陷[5]，說明V形裂紋的萌生是鋼軌踏面隱傷形成的重要前兆。

圖1 蚌埠南站N7岔叉心位置隱傷

圖2 蚌埠南站N7岔叉心V形裂紋

圖3 蚌埠南站N7岔隱傷剖面(裂紋擴(kuò)展)

1.3 鋼軌隱傷的發(fā)展趨勢

以蚌埠南站N5岔以例，傷損發(fā)現(xiàn)時間為2018年1月9日，更換時間為2018年7月3日。從現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)分析來看(圖4)，傷損在表現(xiàn)出來以后的一個月內(nèi)基本趨于穩(wěn)定，深度為6.2～6.4 mm。第2個月、第3個月內(nèi)發(fā)展較快，平均每月發(fā)展0.5 mm左右，達(dá)到7.2 mm時再次趨于穩(wěn)定。期間在4月23日便出現(xiàn)了表面掉塊現(xiàn)象，如果不及時進(jìn)行更換，將會產(chǎn)生水平方向裂紋，存在嚴(yán)重的斷軌安全隱患。

圖4 蚌埠南N5岔叉隱傷發(fā)展趨勢示意

2 現(xiàn)場檢查監(jiān)測方法

目前國內(nèi)外主要采用超聲縱波與橫波來監(jiān)測鋼軌在使用中出現(xiàn)的各種疲勞傷損[6]。采用的主要探傷設(shè)備有鋼軌探傷車、人工探傷小車等，基本配備的是70°,45°(或37°～45°間其他角度)，0° 3種探頭(探頭頻率均為2～5 MHz)，分別用于監(jiān)測軌頭核傷、鋼軌內(nèi)部的斜裂紋以及鋼軌內(nèi)部的水平裂紋，而對鋼軌表面的缺陷沒有監(jiān)測能力。加之由于軌頭表面裂紋存在，嚴(yán)重阻礙了聲波進(jìn)入鋼軌內(nèi)部，反而影響了內(nèi)部缺陷的有效監(jiān)測。因此，目前通過探傷車、人工探傷小車很難發(fā)現(xiàn)鋼軌隱傷，即使采用人工探傷也很難發(fā)現(xiàn)。

目前國內(nèi)很少使用低頻超聲波探傷小車(200～400 kHz)作為隱傷裂紋的探傷手段[7]。近年來，京滬高速鐵路蚌埠工務(wù)段管內(nèi)鋼軌產(chǎn)生的隱傷均采用人工目視法檢查，主要根據(jù)是鋼軌隱傷會在鋼軌表面產(chǎn)生凹陷并伴有裂紋。因裂紋初期較為細(xì)小難以查看，現(xiàn)場采用目視法檢查時重點查看鋼軌光帶變化有無異常(接頭除外，但又類似于接頭壓潰情況)，如發(fā)現(xiàn)存在鋼軌光帶異常(或變寬)，多數(shù)為隱傷等RCF傷損所致(早期新鐵德奧道岔尖軌跟端變截面處因鋼軌軋制工藝問題導(dǎo)致的壓潰情況等除外)。同時，現(xiàn)場應(yīng)加強(qiáng)綜合巡檢系統(tǒng)的使用與判別，高度重視鋼軌光帶異常區(qū)域的復(fù)核工作，人工檢查或復(fù)核巡查系統(tǒng)時發(fā)現(xiàn)鋼軌隱傷等RCF傷損，現(xiàn)場采用無損加固臨時處理，同步采用小型測厚儀進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測。一般監(jiān)測周期為每周1次，監(jiān)測傷損發(fā)展變化情況，確保現(xiàn)場做到搶前抓早，在隱傷裂紋深度達(dá)到8 mm前建議及時更換，防止演變成水平裂紋傷損，從而有效防止斷軌事件發(fā)生。

3 結(jié)語

國內(nèi)高速鐵路網(wǎng)目前正處于快速發(fā)展期，鋼軌是行車安全的主要影響因素。針對鋼軌隱傷等RCF傷損，一方面要高度重視鋼軌表層的預(yù)防性打磨工作，包括有針對性地對加速區(qū)段、鋼軌強(qiáng)度較大區(qū)段等實施硬化層預(yù)防性打磨，同時根據(jù)隱傷發(fā)生的頻率和嚴(yán)重程度制定合理的打磨周期，現(xiàn)場可采用大機(jī)打磨與手工小車打磨相結(jié)合的方式;另一方面應(yīng)對高速鐵路鋼軌隱傷等RCF傷損開展進(jìn)一步研究，開發(fā)以輪軌接觸產(chǎn)生的頻率或振幅等數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的鋼軌防斷監(jiān)測裝置，通過分析鋼軌傷損變化特點，指導(dǎo)現(xiàn)場開展針對性鋼軌防斷工作。同時也可開發(fā)更多有關(guān)鋼軌裂紋的低頻表面波監(jiān)測技術(shù)，同時進(jìn)一步修訂完善鋼軌傷損管理辦法，避免由于鋼軌的滾動接觸疲勞傷損威脅行車安全。