淺談無(wú)縫線路鋼軌探傷周期

楊成 李紅偉 鄧學(xué)林

摘要：近年來(lái)，鐵路的飛速發(fā)展增加了對(duì)軌道的需求，并且軌道導(dǎo)致了在剛度，韌性，高平滑度和高焊接性能方面的發(fā)展。無(wú)縫軌道具有諸如高可靠性和高穩(wěn)定性的重要優(yōu)點(diǎn)，并且是高速且重的軌道結(jié)構(gòu)的重要部分。軌道焊接是實(shí)現(xiàn)無(wú)縫軌道的最基本任務(wù)，也是影響無(wú)縫軌道工作狀況的關(guān)鍵和難點(diǎn)。

關(guān)鍵字：無(wú)縫軌道鋼軌;焊接技術(shù);發(fā)展?fàn)顩r;趨勢(shì)

由于高剛性橫截面和橫截面無(wú)縫軌道的快速發(fā)展，軌道焊接已成為確保線路質(zhì)量的主要環(huán)節(jié)之一。由于軌道的焊接質(zhì)量與軌道運(yùn)輸?shù)陌踩院托视嘘P(guān)，因此，確保軌道的焊接質(zhì)量對(duì)促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定具有現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)前用于無(wú)縫軌道的焊接方法主要包括閃焊和氣焊。閃光焊連接短軌以焊接長(zhǎng)軌，然后將焊接的長(zhǎng)軌運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢茫瑘?zhí)行單元焊接，通過(guò)氣動(dòng)焊接鎖定焊接接頭，并將這些長(zhǎng)軌連接到無(wú)縫電路。

閃光焊（也稱為接觸焊）是一種電阻焊方法，主要涉及兩個(gè)過(guò)程：焊接端的預(yù)熱和液壓up粗。根據(jù)閃光的特點(diǎn)，可分為連續(xù)閃光焊和脈沖閃光焊。連續(xù)閃光工藝技術(shù)相對(duì)成熟，應(yīng)用時(shí)間長(zhǎng)，但是脈沖閃光工藝是一種新技術(shù)，但可以彌補(bǔ)連續(xù)閃光工藝的缺點(diǎn)。例如，連續(xù)閃光焊具有相對(duì)較低的加熱效率和較小的加熱范圍，脈沖閃光焊具有大電流，較高的加熱效率，良好的穩(wěn)定性和較小的熱影響區(qū)，后者提高了鋼軌的焊接質(zhì)量。通常認(rèn)為它更有幫助。與氣體壓力焊接和鋁熱焊接相比，具有穩(wěn)定的閃光焊接性能，高質(zhì)量，快速，自動(dòng)化強(qiáng)度高和接頭機(jī)械性能接近基材的優(yōu)點(diǎn)，具有很大的優(yōu)勢(shì)。

1研究背景

鐵路無(wú)縫線路是在我國(guó)鐵路經(jīng)過(guò)1997-2007年6次提速后，為適應(yīng)新型動(dòng)力車組輕體車輛結(jié)構(gòu)，滿足動(dòng)車組高速運(yùn)行時(shí)，保證線路鋼軌設(shè)備狀態(tài)穩(wěn)定、性能良好的軌道結(jié)構(gòu)而提出的。自2007年4月我國(guó)自主研發(fā)CRH動(dòng)車組后，在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)始了大規(guī)模的升級(jí)與鋪設(shè)。

無(wú)縫線路自鋪設(shè)至今，擔(dān)負(fù)起了運(yùn)量繁重的鐵路客運(yùn)、貨運(yùn)運(yùn)輸任務(wù)，經(jīng)歷十余年的服役后，開(kāi)始出現(xiàn)疲勞狀態(tài)，鋼軌內(nèi)部材質(zhì)中的細(xì)微裂紋、焊縫部位的氣孔夾雜等傷損逐漸發(fā)展擴(kuò)大，逐步形成影響列車運(yùn)營(yíng)的安全隱患，因此檢測(cè)鋼軌質(zhì)量的無(wú)損檢測(cè)工作，正逐步體現(xiàn)出越來(lái)越大的價(jià)值。

目前，我國(guó)普遍采用的鐵路無(wú)損檢測(cè)方式為超聲波探測(cè)法，通過(guò)波的折射、反射等物理特性及超聲波的固有頻率對(duì)線路鋼軌的內(nèi)部情況進(jìn)行檢測(cè)。鋼軌內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生與發(fā)展是一個(gè)緩慢且復(fù)雜的過(guò)程，特別是無(wú)縫線路這等電氣化程度更高的線路設(shè)備，傷損的出現(xiàn)會(huì)受到多種應(yīng)力作用、幾何尺寸、形變等物理變化，及制造工藝、材料特性等化學(xué)變化的影響。

2 主要影響因素

2.1 焊縫部位

無(wú)縫線路是由鋼軌與鋼軌之間通過(guò)焊接的方式結(jié)合成一體，是電氣化鐵路的重要組成部分。目前廣泛采用的鋼軌焊接方式主要有鋁熱焊、氣壓焊、閃光焊三種，其中現(xiàn)存最多的焊縫為鋁熱焊縫。鋁熱焊縫受焊接工藝、焊接人員操作技藝影響較大，焊接時(shí)密貼閉合空間不嚴(yán)密、焊接溫度不夠或焊接人員操作不精細(xì)等因素都可能導(dǎo)致焊縫內(nèi)部產(chǎn)生夾渣、夾雜、氣孔等缺陷，為之后投入運(yùn)營(yíng)埋下安全隱患。

焊接步驟完成后，在焊口外側(cè)會(huì)留下一道不規(guī)則的焊筋，需對(duì)焊筋進(jìn)行人工打磨，打磨平順后才能允許列車通過(guò)。焊縫部位的鋼軌軌頭內(nèi)部容易產(chǎn)生疲勞裂紋，從焊縫到焊縫兩側(cè)各延伸至200 mm范圍是一個(gè)探傷檢測(cè)中的重點(diǎn)部位，鋁熱焊縫的探傷周期一般定為180天，使用超聲波焊縫探傷儀對(duì)焊縫進(jìn)行檢測(cè)，在曲線地段、重載地段可適當(dāng)縮短探傷周期。

2.2 母材部位

2.2.1 幾何尺寸的影響

無(wú)縫線路鋼軌狀態(tài)受軌道結(jié)構(gòu)、線路幾何尺寸影響較大，列車通過(guò)時(shí)對(duì)鋼軌的沖擊會(huì)造成鋼軌微小形變，同時(shí)應(yīng)力會(huì)傳遞至鋼軌內(nèi)部，影響程度與不同尺寸下鋼軌斷面的受力點(diǎn)位置與受力大小有關(guān)[1]，應(yīng)通過(guò)精準(zhǔn)測(cè)算鋼軌受力點(diǎn)與受力范圍，科學(xué)地制定探傷周期。

列車通過(guò)時(shí)對(duì)鋼軌的沖擊力傳遞至鋼軌內(nèi)部后，可根據(jù)物理要素分為接觸應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)力、附加應(yīng)力與殘余應(yīng)力等受力方式，同時(shí)，線路鋼軌根據(jù)鋪設(shè)環(huán)境的不同還會(huì)受到溫度應(yīng)力的影響。受力點(diǎn)的計(jì)算可通過(guò)結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)公式計(jì)算完成，過(guò)程不做贅述，現(xiàn)將鋼軌受力范圍、應(yīng)力特征及其對(duì)內(nèi)部傷損的影響總結(jié)如下。

2.2.2 鋼軌型號(hào)的影響

目前我國(guó)普遍使用的鋼軌型號(hào)有60 kg/m軌、50 kg/m軌及43 kg/m軌。整體來(lái)說(shuō)，鋼軌的剛度隨型號(hào)的增大而提高。列車通過(guò)時(shí)會(huì)在列車輪對(duì)與鋼軌的接觸面（后文簡(jiǎn)稱接觸面）形成剪應(yīng)力，剪應(yīng)力會(huì)對(duì)鋼軌造成彎曲形變，鋼軌剛度越高，彎曲形變?cè)叫?形變?cè)叫。瑐麚p發(fā)展越緩慢。

2.2.3 螺孔受力的影響

在鋼軌接頭至接頭兩側(cè)各延伸3 m范圍內(nèi)，列車會(huì)對(duì)接觸面形成正應(yīng)力及剪應(yīng)力，正應(yīng)力沿橫斷面?zhèn)鬟f，剪應(yīng)力沿縱斷面?zhèn)鬟f，兩股應(yīng)力傳遞至軌腰處，在螺孔位置形成應(yīng)力集中[2]。在兩股應(yīng)力長(zhǎng)期反復(fù)作用下，螺孔附近極易產(chǎn)生疲勞傷損，且細(xì)微裂紋發(fā)展較快，根據(jù)力的傳遞規(guī)律，第一螺孔受影響最大，第二孔較小。當(dāng)內(nèi)部細(xì)微裂紋發(fā)展至鋼軌表面時(shí)成為表面裂紋，在螺孔所在的幾何面中，人為添加一條正線一條法線，將幾何面沿逆時(shí)針?lè)较蚍指顬榈冖裣笙蕖⒌冖蛳笙蕖⒌冖笙笙藜暗冖粝笙蓿鸭y沿橫斷面不斷發(fā)展，會(huì)成為第Ⅰ、Ⅲ象限螺孔裂紋;沿縱斷面不斷發(fā)展，會(huì)形成第Ⅱ、Ⅳ象限螺孔裂紋。螺孔裂紋繼續(xù)發(fā)展會(huì)直接造成鋼軌折斷。

2.2.4 線路曲線的影響

為平衡鐵路線路對(duì)生活、生產(chǎn)的需要，不僅存在直線線路，還需鋪設(shè)曲線線路。在曲線線路上，接觸面承受的縱向沖擊力遠(yuǎn)高于直線線路。而且為滿足列車通過(guò)時(shí)的平衡、減少傾斜，專門為線路設(shè)計(jì)了超高，以保障列車平穩(wěn)通過(guò)。但是曲線超高的存在會(huì)在列車通過(guò)時(shí)形成轉(zhuǎn)動(dòng)慣性，對(duì)鋼軌形成彎曲應(yīng)力，彎曲應(yīng)力容易使鋼軌軌頭內(nèi)部形成核狀傷損，我們稱之為核傷，彎曲應(yīng)力與鋼軌型號(hào)成反比，但形成的核傷與鋼軌型號(hào)不成比例，整體上呈無(wú)規(guī)律分布。

2.2.5 溫度應(yīng)力的影響

線路鋼軌因鋪設(shè)環(huán)境的不同而受到不同程度溫度應(yīng)力的影響，因鋼軌材質(zhì)特性表現(xiàn)為受高溫、低溫及溫度驟然變化時(shí)會(huì)導(dǎo)致鋼軌傷損的快速發(fā)展。根據(jù)規(guī)律總結(jié)出在我國(guó)北方冬季季節(jié)是鋼軌傷損的高發(fā)期，入冬、上凍及春融期的時(shí)間節(jié)點(diǎn)是探傷工作的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。

2.2.6 其他特殊區(qū)段的影響

除上述線路區(qū)段外，還有部分區(qū)段的特性會(huì)對(duì)線路鋼軌造成影響，如橋梁、隧道、涵洞等，應(yīng)根據(jù)具體區(qū)段的特性針對(duì)性地定制鋼軌探傷周期。

3 線路探傷周期的制定與調(diào)整

通過(guò)上述內(nèi)容，我們分析了導(dǎo)致鋼軌傷損產(chǎn)生與發(fā)展的諸多因素，我們也當(dāng)以此為依據(jù)，為鋼軌無(wú)損檢測(cè)工作制定探傷周期。在一個(gè)線路大修周期內(nèi)，根據(jù)運(yùn)輸運(yùn)量的不同對(duì)所處時(shí)期分為早期、穩(wěn)定期、發(fā)展期及高發(fā)期，在不同時(shí)期內(nèi)應(yīng)該對(duì)探傷周期進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。

注：①在一個(gè)大修周期內(nèi)的早期階段，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鋼軌的探傷檢測(cè)，以防止鋼軌設(shè)備在出廠前遺留的微小傷損對(duì)運(yùn)輸安全造成隱患;②在通過(guò)穩(wěn)定期之后，因鋼軌服役時(shí)間的增加，疲勞傷損會(huì)持續(xù)增加，應(yīng)在之后的發(fā)展期、高發(fā)期階段適當(dāng)縮短探傷周期，加強(qiáng)探傷檢測(cè)，直至下一次換軌大修。

4結(jié)論

軌道焊接接頭的質(zhì)量直接影響機(jī)車的安全性。本文主要對(duì)無(wú)縫電路焊接時(shí)的閃光焊，氣壓焊等焊接工藝的特點(diǎn)，原理以及相應(yīng)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較和說(shuō)明，并介紹焊接技術(shù)的發(fā)展，以幫助相關(guān)部門。

參考文獻(xiàn)：

[1]杜志光.U75釩鋼軌固定式閃光焊接接頭組織及性能研究[D].北京交通大學(xué)，2016.

[2]倪崢嶸，高文會(huì).采用通用焊接工藝參數(shù)焊接不同鋼種鋼軌的試驗(yàn)研究[J].鐵路技術(shù)創(chuàng)新，2016，02：62-65.

[3]陳海田.新標(biāo)準(zhǔn)U71Mn鋼軌焊接工藝分析及調(diào)試[J].鐵道技術(shù)監(jiān)督，2016，4406：8-12.

[4]馮子凌，崔成林，楊艷玲.熱處理對(duì)貝氏體鋼軌和珠光體鋼軌鋁熱焊接頭性能的影響[J].鐵道建筑，2016，10：116-120.