高彥嵩 梁旭 魏夕凱 李英奇 劉豐收

1.中國鐵路北京局集團有限公司，北京 100860；2.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

鋼軌是重要的軌道部件。中國普速鐵路平均每年有超過5 000 km（約合60 萬t）新鋼軌投入鋼軌大修，鋼軌大修費用巨大。按照TG/GW102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》，鋼軌大修以累計通過總質(zhì)量或傷損數(shù)量達到一定值為依據(jù)，即周期修。隨著近年來鋼軌材質(zhì)的不斷優(yōu)化，鋼軌打磨、潤滑技術(shù)的提高，鋼軌服役狀態(tài)已明顯改善，鋼軌使用壽命也相應(yīng)延長，為開展鋼軌狀態(tài)修提供了條件。

本文針對鋼軌周期修中普遍存在的維修資源針對性差的問題，初步提出采用鋼軌大修指數(shù)指導(dǎo)鋼軌大修決策，進而實現(xiàn)鋼軌狀態(tài)修的構(gòu)想。

1 國內(nèi)外鋼軌大修的技術(shù)發(fā)展及確定方法

1.1 中國鋼軌大修技術(shù)的發(fā)展

中國鋼軌大修經(jīng)歷了由事后修向周期修的轉(zhuǎn)變，目前采用周期與傷損情況相結(jié)合的修理模式［1］。

1949 年以前中國鐵路鋼軌單重輕、年代老、品種雜。1949—1952 年鐵路運量增長較快，鋼軌折損嚴重，基本上屬于事后修，遠遠不能滿足運輸需要。1952—1980 年“輕、老、雜”鋼軌逐漸被更換為標準43 kg/m 或50 kg/m 鋼軌，由被動修向周期修過渡。1980 年以后，借鑒前蘇聯(lián)經(jīng)驗，最終依據(jù)鋼軌累計通過總質(zhì)量確定了中國普速鐵路大修、中修和綜合維修的周期，見表1。

表1 中國普速鐵路大修、中修及綜合維修周期

2019 年原中國鐵路總公司發(fā)布了TG/GW102—2019《普速鐵路線路修理規(guī)則》。其中規(guī)定：60 kg/m、75 kg/m 鋼軌無縫線路的鋼軌大修周期分別為累計通過總質(zhì)量達到1 000、1 500 Mt；對于未達到規(guī)定大修周期的成段鋼軌，60 kg/m 及以下鋼軌重傷率達到2～4 處/km（含焊接和膠接絕緣接頭傷損）、75 kg/m 鋼軌重傷率達到4 ～6處/km（不含焊接和膠接絕緣接頭傷損）時，應(yīng)及時更換鋼軌；出現(xiàn)嚴重銹蝕、嚴重滾動接觸疲勞以及其他影響鋼軌安全使用的情況時，應(yīng)及時更換鋼軌。

1.2 國外鋼軌大修的確定方法

目前，國外鐵路鋼軌大修主要按照以下四種方法確定。①由累計通過總質(zhì)量確定。前蘇聯(lián)P65熱處理鋼軌的大修周期為600～ 750 Mt［2］，法國、日本高速鐵路鋼軌的大修周期為500 Mt［3］。②由鋼軌磨耗量和失效率綜合確定。美國聯(lián)邦鐵路局規(guī)定：鋼軌垂直磨耗達到9～12 mm 或側(cè)面磨耗達到14～16 mm 時大修換軌，在此之前出現(xiàn)的重傷鋼軌，采用原位鋁熱焊或插入短軌的方式處理；每30 Mt 累計通過總質(zhì)量至少進行一次超聲波探傷，鋼軌因軌頭疲勞核傷或劈裂導(dǎo)致的鋼軌折斷數(shù)量不得超過0.08～0.10處/（英里·年）［4］。③由最佳經(jīng)濟下道周期確定。從經(jīng)濟角度考慮，應(yīng)在鋼軌維修費和折舊費兩者相加總和最低時大修換軌，從鋼軌鋪設(shè)服役到大修換軌的時間段為最佳經(jīng)濟下道周期（圖1）。部分歐洲國家采用該方法進行鋼軌大修［5］。④由軌道檢測與實時評估相結(jié)合確定。部分歐洲國家的鐵路鋼軌維修采用該方法。法國的高速線路軌道檢測采用軌檢車巡檢（1 次/15 d）、步行巡檢（1次/70 d）、列車尾部加掛加速度專用檢測車廂（1次/15 d），動態(tài)檢查（1 次/90 d），探傷車定期探傷（1 次/180 d）等方式［3］，繪制出反映線路綜合狀態(tài)的實時曲線圖。圖中綜合了鋼軌廓形尺寸、鋼軌頂面的平順程度等方面的數(shù)據(jù)，并以此作為鋼軌是否需要維修的判斷依據(jù)。

圖1 鋼軌維修最佳經(jīng)濟下道周期示意

四種確定方法中，①和③屬于周期修，②具有狀態(tài)修特點，④屬于狀態(tài)修。

2 鋼軌周期修存在的問題

2.1 到達周期應(yīng)大修的鋼軌大量在線服役

每年實際大修鋼軌數(shù)量小于到達周期應(yīng)大修的數(shù)量，即有大量超期鋼軌仍在服役。以北京局集團有限公司為例，依據(jù)累計通過總質(zhì)量計算管內(nèi)線路每年所需更換的60 kg/m 鋼軌總量與實際安排的鋼軌大修數(shù)量對比見圖2。其中，2020 年后根據(jù)TG/GW 102—2019 將60 kg/m 鋼軌大修周期由累計通過總質(zhì)量700 Mt 調(diào)整為1 000 Mt?？芍?，年均達到大修周期的鋼軌有1 232 km，年均實際大修數(shù)量僅372 km，實際大修鋼軌占比35.8%。可見，受大修資金、天窗等因素限制，北京局集團有限公司應(yīng)開展周期性大修的鋼軌有64.2%超期服役。雖然這么多鋼軌超期服役，但整體狀態(tài)良好，平均重傷率不到1處/km。

圖2 北京局集團有限公司2010—2021年鋼軌大修情況

2.2 部分下道鋼軌仍具備服役條件

隨著中國鋼軌產(chǎn)品標準、裝備水平、制造技術(shù)的顯著提高，百米長定尺鋼軌得到大規(guī)模應(yīng)用，同時鋼軌、焊接接頭成品抽檢和過程監(jiān)督檢驗制度不斷完善，鋼軌打磨等養(yǎng)護技術(shù)成熟，鋼軌重傷率明顯下降［6-8］。中國重載鐵路鋼軌累計通過總質(zhì)量1 500 Mt以上的鋼軌性能沒有呈現(xiàn)出大幅劣化趨勢，材料加工硬化率、廓形偏差、重傷率、磨耗量等均未達到輕傷標準，且符合舊軌使用標準，仍可作為再用軌服役［9-10］。

2.3 鋼軌周期修針對性不足

因線路條件不同鋼軌服役狀態(tài)存在較大差異。同一條線路，直線地段鋼軌使用周期與曲線地段差異較大，即使同為曲線地段，因年累計通過總質(zhì)量不同，鋼軌服役狀態(tài)也存在較大差異。統(tǒng)一化的鋼軌周期修缺乏針對性，難以適應(yīng)差異化的鋼軌服役狀態(tài)。周期修一方面可能導(dǎo)致部分鋼軌過度修，即鋼軌雖然累計通過總質(zhì)量達到大修周期，但整體狀態(tài)良好，而另一方面又會出現(xiàn)鋼軌欠修情況，即鋼軌累計通過總質(zhì)量雖遠未達到大修周期，但鋼軌狀態(tài)已出現(xiàn)嚴重問題。

3 建立鋼軌大修量化指標的必要性

從國際鐵路修理技術(shù)的發(fā)展來看，鋼軌大修正在由粗獷式的周期修向精細化的狀態(tài)修轉(zhuǎn)變。中國普速鐵路鋼軌大修也在開展這方面的嘗試。目前，主要采用重傷率衡量鋼軌的使用狀態(tài)，但中國鐵路鋼軌重傷率普遍較低，同時大量超期服役的鋼軌是否安全也缺乏有效評價指標，因此有必要確定一個可以綜合多方面因素來衡量鋼軌狀態(tài)的量化指標。

建立鋼軌大修量化指標也是降本增效和實施精細化管理的現(xiàn)實需要。近年來，中國鐵路客貨運收入受疫情影響較大，線路設(shè)備管理部門和單位應(yīng)把維修資源用到更急需設(shè)備的更換中，而非簡單依據(jù)周期修標準更換鋼軌，提升鋼軌大修技術(shù)經(jīng)濟性，這就要求線路設(shè)備管理部門和單位更科學、更準確、更全面地掌握線路鋼軌的服役狀態(tài)。通過綜合指標量化鋼軌的服役狀態(tài)，將具有技術(shù)經(jīng)濟意義。

4 鋼軌大修指數(shù)的初步構(gòu)想

目前，中國普速鐵路鋼軌大修下道的主要依據(jù)為累計通過總質(zhì)量、重傷率、曲線鋼軌磨耗限值和其他傷損情況（嚴重的銹蝕、波磨、掉塊等）。鋼軌重傷率是反映鋼軌狀態(tài)的一項重要指標，調(diào)查全路13條主要普速干線鐵路2017—2020年的鋼軌重傷情況（圖3）發(fā)現(xiàn)，鋼軌母材傷損主要集中在軌頭區(qū)域，以內(nèi)部核傷和軌面疲勞傷損為主，而近幾年鋼軌母材折斷有60%源于軌底區(qū)域。這種差異主要是由于目前的探傷技術(shù)在軌底區(qū)域存在盲區(qū)（圖4）。隨著渦流探傷等新技術(shù)的采用，軌底盲區(qū)將會逐漸減少或消除。

圖3 2017—2020年中國普速干線鐵路鋼軌重傷情況

圖4 鋼軌母材超聲檢查斷面覆蓋范圍及盲區(qū)

從上面的統(tǒng)計情況來看，鋼軌重傷率不能完全反映鋼軌實際狀態(tài)。因此，鋼軌服役狀態(tài)的量化指標既要考慮影響鋼軌服役狀態(tài)的主要因素，又要兼顧指標的可用性、便捷性和統(tǒng)一性。

鋼軌大修指數(shù)應(yīng)涵蓋鋼軌服役性能、鋼軌表面狀態(tài)、鋼軌養(yǎng)護維修情況等。其主要構(gòu)成見表2。

表2 鋼軌大修指數(shù)主要構(gòu)成

深入研究鋼軌大修指數(shù)的構(gòu)成和算法，構(gòu)建一種鋼軌狀態(tài)直觀評價模式，將有助于科學合理反映鋼軌的真實性能和狀態(tài)。合理運用鋼軌大修指數(shù)，既可減少周期修可能導(dǎo)致的過度修和欠修問題，又可有效提高對鋼軌安全服役的認知度，為鋼軌大修決策的科學制定提供依據(jù)。

5 結(jié)論

1）中國鋼軌大修經(jīng)歷了由事后修向周期修的轉(zhuǎn)變，目前采用周期與傷損情況相結(jié)合的修理模式。國外鋼軌大修周期的確定主要采用累計通過總質(zhì)量、鋼軌磨耗量和失效率綜合確定、最佳經(jīng)濟下道周期、軌道檢測與實時評估相結(jié)合確定四種方法。

2）中國鋼軌大修的周期修模式存在針對性不足，導(dǎo)致過渡修和維修不足同時存在，需要確定一個可以綜合多方面因素來衡量鋼軌狀態(tài)的量化指標。該指標既要全面客觀反映鋼軌服役狀態(tài)，又需科學評價鋼軌安全性能。

3）鋼軌大修指數(shù)應(yīng)涵蓋鋼軌服役性能、鋼軌表面狀態(tài)、鋼軌養(yǎng)護維修情況等。鋼軌大修指數(shù)可為鋼軌大修決策的制定提供依據(jù)。