重載鐵路道岔區鋼軌接頭軌腰裂紋傷損整治

尹段泉

國能朔黃鐵路發展有限公司，河北 肅寧 062350

朔黃鐵路年通過總質量逐年攀升，已突破3.4億t，列車荷載作用對鋼軌接頭的沖擊不斷加劇，鋼軌疲勞和傷損的發展速率也隨之加快［1-4］。2021年，朔黃鐵路肅寧分公司管內通過小型探傷儀共發現鋼軌重傷430處，其中占比最高的是軌腰裂紋（147處）。軌腰部位傷損多發會增加線路養護臨時要點上線的次數，給作業人員人身安全帶來極大隱患。為了保證鋼軌使用和列車運行安全，減少人員臨時上線的頻率，有必要對軌腰部位傷損原因進行分析，探討整治措施。

1 檢測試驗

從2021年檢出的傷損鋼軌中抽取1件軌腰裂紋鋼軌進行分析。該鋼軌為朔黃鐵路定州東站內6號道岔直尖軌后的連接軌，于2021年11月3日上線，采用凍結夾板進行聯結。2021年11月9日鋼軌探傷檢測時發現軌端存在裂紋，當天將該段鋼軌下線。裂紋從軌端裂至第一螺栓孔，朝第二螺栓孔方向無裂紋。該鋼軌為2021年2月攀鋼生產的75N軌，材質為U78CrV（PG4鋼軌）［5-6］，熱軋態，爐號P21301052203B，共在線使用6 d，通過總質量702.4萬t。

1.1 傷損鋼軌宏觀形貌觀測

圖1為傷損鋼軌的宏觀形貌。可以看出：斷裂發生在軌端的軌腰中部偏上部位（距軌頂面約72 mm），沿鋼軌縱向延伸至第一螺栓孔，長80 mm，且裂紋已貫穿軌腰的內外表面；鋼軌端面及軌腰表面銹蝕均較輕，端面有較完整的白色油漆標記（漆面上的黑色物質為污漬），端面無明顯磕碰痕跡；鋼軌端面與軌腰表面交界的棱角及螺栓孔棱角均已進行倒棱，無毛刺。

圖1 軌腰裂紋鋼軌宏觀形貌

為確定鋼軌軌端與夾板的匹配情況，觀察軌端的軌腰與夾板的接觸區域，并測量軌腰尺寸。非工作邊側的軌腰與夾板的接觸區域表面無明顯的接觸亮斑。而工作邊側，在軌頭下顎圓角處存在一條自軌端向內的接觸亮斑，相應地，在夾板與軌頭下顎接觸位置也存在接觸亮斑，如圖2所示。未發現夾板尺寸過大等接觸異常現象。利用接頭夾板安裝面的正負量規分別對軌端的軌腰兩側進行測量。結果表明，滿足TB/T 2344.1—2020《鋼軌 第1部分：43 kg/m～75 kg/m鋼軌》對軌腰形式的上下限要求。綜上，該鋼軌與夾板無接觸不良等問題。

圖2 傷損鋼軌與夾板的工作邊側形貌

1.2 斷口表面宏觀及微觀形貌觀測

將軌腰裂紋打開，并采用無水乙醇進行清洗，清洗前后斷口宏觀形貌見圖3。可以看出：裂紋萌生于鋼軌端面，以線源方式向軌腰內部及軌腰表面擴展，有明顯的沿鋼軌縱向擴展的放射狀棱線。根據形貌特征，斷口可分為四個區域：裂紋源、快速擴展區、疲勞擴展區和瞬斷區。近軌端的裂紋源大部分區域（距軌端50～66 mm）呈深褐色，銹蝕比較嚴重。清洗后斷口呈脆性斷裂特征，表面存在由裂紋源向內發散的輻射狀線，而無疲勞條帶等疲勞擴展痕跡，這表明裂紋萌生后在此區域內發生了快速擴展。斷口上中間較窄的扇形區域（長5～18 mm）呈白亮色，具有金屬光澤，斷口表面平整且存在較明顯的疲勞條紋，說明此區域為疲勞斷口特征，裂紋在前期快速擴展至兩區域邊界后，開始向螺孔方向發生疲勞擴展，此區域應是在鋼軌上線服役過程中產生的。靠近螺栓孔區域在清洗前呈淺褐色，斷口表面也呈現明顯的放射狀條紋，為裂紋發生疲勞擴展之后的瞬斷區。

圖3 軌腰斷口宏觀形貌

對耦合斷口上的裂紋源區和疲勞擴展區邊界處進行掃描電鏡觀察，見圖4和圖5。從圖4（a）可以看出，裂紋以線源方式從靠近棱角處的軌端面上萌生，線源長約3.3 mm，之后呈放射狀向軌腰內部擴展。由于列車經過鋼軌接頭時軌端受到的沖擊力較大，通過圖4（b）較高倍的照片可看出斷口表面碾壓磨損較為嚴重，已無法看清具體形貌特征，但從斷口上仍可確認裂紋源處無疲勞裂紋，整體呈脆性快速斷裂特征。從圖5可以看出有疲勞條紋特征，但表面碾壓磨損比較嚴重，無法看清具體特征。

圖5 疲勞擴展區斷口掃描電鏡下微觀形貌

1.3 傷損部位金相組織檢驗

從軌底側的耦合斷口上分別取裂紋源和軌腰中線處的縱截面金相試樣進行觀察，結果見圖6、圖7。

圖6 裂紋源縱截面的金相組織

圖7 軌腰中線縱截面的金相組織

從圖6可以看出：對于裂紋源縱截面，浸蝕前軌端邊緣及基體內均無較大尺寸的夾雜物，在裂紋源下方的軌端面上存在一條平行于斷口的表面裂紋；浸蝕后軌腰端面存在明顯的塑性變形層，厚度為30～60μm。邊緣存在白亮色的馬氏體組織，且在整個試樣軌端面上都存在斷斷續續的馬氏體組織，最厚約15μm。鋼軌的基體組織正常，為珠光體加少量鐵素體。

從圖7可以看出：對于軌腰中線縱截面，浸蝕前軌端邊緣及基體內無較大尺寸的夾雜物；浸蝕后軌腰端面有塑性變形層和斷續的馬氏體組織，最厚約15μm。

1.4 傷損鋼軌理化性能檢驗

1.4.1 化學成分檢驗

按照GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發射光譜分析方法（常規法）》，對傷損鋼軌進行化學成分測定，并與TB/T 2344.1—2020的技術要求進行對比，見表1。可知，該鋼軌的化學成分滿足TB/T 2344.1—2020對U78CrV鋼的技術要求。

表1 傷損鋼軌化學成分（質量分數） %

1.4 .2拉伸性能檢驗

根據TB/T 2344.1—2020，在軌端一側及遠軌端無螺栓孔一側的軌頭分別取樣，見圖8。對試樣進行拉伸性能測試，并與TB/T 2344.1—2020的技術要求進行對比，結果見表2。可知，傷損鋼軌拉伸性能滿足TB/T 2344.1—2020的技術要求。

圖8 鋼軌全斷面硬度測點位置示意

表2 傷損鋼軌的拉伸性能測試結果

1.4.3 全斷面洛氏硬度檢驗

根據GB/T 230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗第1部分：試驗方法》，在傷損鋼軌上截取全橫斷面試樣進行洛氏硬度檢測，觀察是否存在較大的波動點。檢測結果表明，傷損軌的軌腰和軌底的硬度較為穩定，且在裂紋源位置并無較大的硬度波動點。

2 傷損原因

2.1 軌端裂紋產生的原因

組織特征及理化檢驗結果顯示，傷損鋼軌軌腰端面存在厚度為30～60μm的塑性變形層及斷斷續續的馬氏體組織，馬氏體層最厚約15μm。其基體組織為珠光體和少量鐵素體，軌端邊緣及基體內均未發現較大尺寸的夾雜物。傷損鋼軌的化學成分、金相組織和拉伸性能均滿足TB/T 2344.1—2020對U78CrV鋼的技術要求，軌腰橫斷面硬度無明顯的波動點。同時鋼軌端面與軌腰表面交界的棱角已進行倒棱，軌端裂紋處無磕碰等外傷痕跡，且鋼軌夾板安裝面與夾板的接觸斑正常，無匹配不當問題。

因此，鋼軌軌端萌生裂紋的主要原因是軌端面存在較多的馬氏體。由于馬氏體脆硬的性質，在所受應力較大及應力集中條件下極易開裂，從而萌生裂紋。

2.2 軌端裂紋快速發展的原因

自軌端馬氏體處萌生裂紋后，斷口首先呈現出布滿輻射狀線的脆性斷裂特征，這表明該裂紋擴展過程是一次快速產生的。

傷損鋼軌表面及軌腰斷口形貌表明，裂紋以線源方式起源于軌端面的軌腰部位；之后向軌腰內部及軌腰表面發生縱向快速擴展，形成長50～66 mm的快速擴展斷口，而后列車經過產生的反復動彎應力使裂紋發生疲勞擴展，形成長5～18 mm的疲勞斷口；最后發生直至第一螺栓孔處的瞬間斷裂。線路狀態不良，如接頭養護不良、接頭病害整治不及時、膠接絕緣接頭作業質量不佳、道床彈性不好等，都會加大列車通過時的反復動彎應力，從而大大加快軌端裂紋的發展。

3 維修養護措施

1）對短軌接頭端面進行處理

采用鋼軌端面打磨機或液壓鋼軌端銑機對鋸軌后的鋼軌接頭端面進行打磨或者端銑處理，消除因鋸片摩擦產生的馬氏體組織。

2）應用焊軌車對短軌接頭進行焊復

充分利用大型焊軌車對所有短軌接頭及時焊復，最大程度上減少重載列車對鋼軌接頭的沖擊力，從根源上減少軌端與螺孔裂紋傷損。

3）加強接頭區域養護

加強對接頭區域的養護，軌縫始終保持在規定范圍之內；定期對接頭夾板和螺栓進行涂油，緩減列車的沖擊和破壞；2萬噸主要進路道岔安裝整體式軌距桿，提高道岔整體橫向剛度，減小2萬噸列車側向通過時對道岔的橫向作用力。

4）綜合整治接頭病害

加大對接頭部位道床的整治力度，防止接頭空吊、道床板結；定期對軌面進行整修，及時打磨接頭軌端不均勻磨耗、剝落掉塊和肥邊。

5）嚴格控制鋼軌膠接絕緣接頭作業質量

現場膠接絕緣接頭嚴格按照TB/T 2975—2018《鋼軌膠接絕緣接頭》標準工藝流程操作，鋼軌軌端、螺栓孔、鋼軌膠接面應打磨光滑、無毛刺，膠接范圍內鋼軌軌腰上的生產廠標等應打磨平整。

6）通過大中型養路機械作業，恢復道床彈性

將長度不超過50 m的岔間線路納入道岔機篩范圍內，充分利用大中型養路機械解決岔區道床臟污板結、翻漿冒泥等問題；有效恢復道床彈性，改善輪軌力學結構關系，減緩道岔鋼軌壓潰、掉塊等傷損發展，延長軌件使用壽命。

4 結語

本文通過對朔黃鐵路軌腰裂紋傷損鋼軌進行檢測試驗，明確了鋼軌傷損類型為起源于鋼軌端面的軌腰水平裂紋，鋼軌端面存在馬氏體組織是軌腰水平裂紋產生的主要原因。因此，應對短軌接頭端面進行打磨或者端銑處理，對短軌接頭進行焊復，加強接頭區域養護，綜合整治接頭病害，嚴格控制鋼軌膠接絕緣接頭作業質量，利用大中型養路機械作業恢復道床彈性，從根本上避免鋼軌軌端裂紋的產生。