提高大秦重载铁路钢轨使用寿命的思考-

1、提高大秦重载铁路钢轨使用寿命的思考周清跃1 习年生1张银花2陈朝阳2(1铁道科学研究院研发中心,北京,100081; 2铁道科学研究院金化所,北京,1000812004-5-17.2004-5-22,2004-5-25摘要:介绍了国外重载铁路以及目前大秦铁路钢轨铺设使用情况。从重载铁路对钢轨的要求出发,根据我国现有钢轨的性能特点,提出了大秦重载铁路钢轨铺用的具体建议,并对进一步提高大秦重载铁路钢轨使用寿命的措施进行了初步的探讨。大秦铁路西起山西省大同市韩家岭站,东至河北省秦皇岛市柳村南站,全长653Km。一期工程韩家岭大石庄区段于1988年12月开通,二期工程1992年12月开通。大秦铁路是我

2、国第一条双线电气化开行重载单元列车的运煤专线,是具有20世纪80年代国际先进水平的重载铁路,也是我国具有代表性的重载铁路。大秦铁路设计运输能力近期年运量6 000万t,远期1亿t。而大秦铁路实际达到的运量开通次年完成约2000万t,之后平均每年以13.4%的速度递增。2002年完成运煤1.0339亿t,第一次突破了亿吨大关。开通后的前十年,开行重载列车30 946列,占开行列车的33.7 %,其中5 000t重载列车15 038列,6 000t重载列车15 855列,万t重载列车53列。之后5 000t以上的重载列车比例逐年增加1。根据我国国民经济发展的需要,为实现铁路重载运输的跨越式发展,2

3、003年初铁道部首次提出在大秦线上“开行2万t列车”的重载运输方案,并将年运煤量突破2亿t作为攻关目标。这将大大超过大秦铁路的原设计能力。钢轨作为轨道结构的重要部件,是否适应和如何适应开行2万t列车的需要,这是摆在铁路工作者面前的课题。作者通过调查大秦铁路钢轨的使用情况,针对钢轨及焊接接头使用中存在的问题,结合国外重载铁路钢轨铺设使用情况,从重载铁路对钢轨的要求出发,根据我国现有钢轨的性能特点,提出了大秦重载铁路钢轨铺用的建议,并对提高大秦重载铁路钢轨使用寿命的措施进行了初步探讨。1大秦重载铁路钢轨及焊接接头的伤损大秦线1988年12月新建开通时铺设断面为60kg/m 长度为25m的普通轨(U

4、71Mn,有缝线路,型混凝土轨枕、弹条扣件。最大限制坡度重载方向+4.0,空车方向+12.0 ,最小曲线半径800m,困难地段400m。1995年1997年,大秦铁路重载方向进行了亿吨配套工程改造,逐步采用了型混凝土轨枕,一级道碴和75kg/m重型钢轨,并焊接成跨区间无缝线路。由于当时全线铺设强度等级为880MPa级的普通热轧钢轨,耐磨性能较差,在500-600m 的曲线上使用9个月侧磨达到17-18mm,月均侧磨达到了2.0mm2。另外,由于铺设的是有缝线路,钢轨接头伤损严重。20世纪90年代中后期,大秦铁路在曲线上逐渐铺设强度等级为1180MPa级及以上的全长热处理钢轨。在直线区段铺设强度

5、等级为980MPa级的微合金热轧钢轨(U75V和U76NbRE,钢轨的使用寿命有所延长。大秦铁路由北京铁路局大同铁路分局管辖,下设茶坞、湖东和秦西3个工务段。茶坞工务段管内地处山区,从k195.0k388.78上下行线正线延长387.6km,其中有曲线198处,延长110km;半径小于900m的曲线有87处,延长60公里,最小曲线半径500m,最大坡度9.8。茶坞工务段管内大秦线重车线总长197km ,现已全部更换为75kg/m 无缝线路,铺设年代和长度见表1。其中1995年铺设攀钢产PD2全长热处理钢轨约18km ;1998年铺设攀钢产U75V 钢轨约84km ,其中曲线钢轨为攀钢产的离线热

6、处理钢轨;1999年铺设包钢产U76NbRE 钢轨约68km ,其中曲线部分铺设的热处理钢轨由呼和焊轨厂加工;2000年铺设包钢产U75V 钢轨约22km ,其中曲线部分铺设的热处理钢轨由铁科院钢轨热处理试验中心等单位加工。钢轨厂内焊接采用闪光焊,全部由北京沙河焊轨厂完成;现场联合接头采用气压焊,由北京铁路局工电重点大修段完成;岔区、锁定焊以及断轨修复采用铝热焊,既有国产焊剂也有进口法国焊剂。截止到2003年12月7日,茶坞工务段管内75kg/m 钢轨及焊接接头伤损情况如表1所示。表1 茶坞工务段管内重车方向75kg/m 钢轨及焊接接头伤损统计重伤加固 (处 轻伤(处重、轻伤总计(处焊缝 母材

7、 铺设年度铺设 长度(km 钢轨种类焊缝母材插入 短轨 (处焊 缝母材总数数/km总数数/km 1995 18.091 PD2118 7 2951 15 198 10.9 221.21998 84.866 U75V 464 38 21 209132694 8.2 170 2.01999 68.509 U76NbRE 429 75 31 12114 581 8.5 89 1.32000 22.418 U75V 85 - 2 31 1 118 5.2 1 .04 2002 3.116 U76NbRE 5 - 1 10 1 16 5.1 1 .32 合计197 -1101 12084 4221631

8、607283PD2118 7 29 51 15 198 10.9 221.2U75V 549 38 23 240133812 7.6 171 1.6分钢种统计 U76NbRE 434 75 32 13115 597 7.5 90 1.1从表1结果可知,焊接接头的伤损在钢轨伤损中的比例很大(80%以上,而且特别严重:铺设于1995年、1998年和1999年的PD2、U75V 和U76NbRE 钢轨焊接接头每公里伤损率(包括轻伤分别为10.9、8.2和8.5处,其中重伤焊缝(包括折断每公里伤损率分别为8.1、5.7和6.7处。值得注意的是,与其它线路相比,大秦铁路钢轨母材的重伤率并不高,即PD2淬

9、火轨使用9年(累计通过总重约9亿t的重伤率为0.39根/km ,U75V 钢轨使用6年(累计通过总重约7亿t的重伤率为0.45根/km ,U76NbRE 钢轨使用5年(累计通过总重约6亿t的重伤率为1.09根/km 。考虑重伤率随累计通过总重增加而增加的因素,可以认为:PD2热处理钢轨重伤率低于微合金热轧轨。表2为不同焊接方式焊接的接头伤损统计。由此可见,焊缝伤损中气压焊最为严重,其伤损率(包括轻伤达到了29%84%;其次为铝热焊,伤损率达到5.2%43%;闪光焊伤损率相对较低,其伤损率为5.5%6.0%,但与其他线路铺设的60kg/m 钢轨无缝线路相比,也是很高的(一般闪光焊接头的伤损率小于

10、2%3。钢轨焊接接头的严重伤损不仅增加了工务维修养护工作量,还时刻威胁着铁路的行车安全。表2 不同焊接接头伤损比例统计(截至2001年10月闪光焊 (厂焊 气压焊 铝热焊 合计 铺设 年度钢轨种类总数伤损伤损率总数伤损伤损率总数伤损伤损率总数伤损伤损率1995 PD2 122076 6% 16814284%22645 20%1614 263 16%1998 U75V 5941379 6% 69520129%37 16 43%6673 596 8.9% 4921271 5.5% 67342162%114 6 5.2%5708 698 12%1999 U76NbRE除了焊接接头伤损严重外,钢轨母材

11、的伤损也不能忽视。其中,出现重伤进行加固处理的就达120多处。另外,虽然在曲线上铺设了全长热处理钢轨,但上股侧磨依然严重,下股也出现程度不同的剥离掉块,见图1图4。而下股出现的剥离掉块造成超声波探伤的困难,给安全带来隐患。据统计,截止2004年4月底,在重车线上(约197km,在曲线地段下股铺设的全长热处理钢轨存在的鱼鳞伤和剥离掉块共计1924根,其中因剥离掉块严重影响探伤的有780根,具体分布见表3。由表可见,剥离掉块伤损随着使用年限的增加而增加。下股热处理钢轨出现了较为严重的剥离掉块,是重载铁路钢轨伤损特点之一。 图1 上股侧磨(k286, U76NbRE热处理钢轨图2 下股剥离掉块(同左

12、 图3 上股侧磨(花果山隧道口,U75V热处理轨图4 下股剥离掉块(同左表3 热处理钢轨鱼鳞纹及剥离掉块伤损分布数量/根合计/根铺设年度钢轨种类曲线半径/m鱼鳞纹剥离掉块1998 U75V 6001200 441 366 8071999 U76NbRE 6001200 490 226 716 2000 U75V 800 157 139 2962002 U76NbRE 8005649 105合计1144 780 1924随着万t 列车的开行,钢轨及焊接接头的伤损进一步加剧。据茶坞工务段统计,自2003年9月开行万t 列车至今年4月底以来,发生焊缝伤损383处,母材伤损94处,线上已加固的焊缝拉开

13、69处,焊缝断裂9处,母材断裂3处。与2003年18月相比,焊缝及母材伤损分别提高了130%和96%。可以预见,开行2万t 列车后钢轨及焊接接头的伤损将进一步加剧。这将增加轨道维修养护的压力,甚至威胁重载铁路的行车安全。2重载铁路铺用钢轨的思考2.1重载铁路对钢轨的要求重载铁路运输的核心是一个“重”字。通过重载运输,一趟车运输上万吨甚至几万吨的货物,以提高运输效率,减少运输成本。因此对钢轨的要求主要体现在刚度和强度两个方面。为了提高轨道刚度,适应重载要求,一般采用60-75kg/m 的重型钢轨;为了提高曲线区段钢轨耐磨性,采用强度等级为1200MPa 及以上的全长热处理钢轨或相同强度等级的其他

14、高强耐磨钢轨。在直线上则要求钢轨具有较高的耐疲劳性能以及抗表面伤损的能力。同时,为满足铺设无缝线路的需要,钢轨应具有良好的焊接性能。因此,重载铁路对钢轨的要求应当是耐磨、耐疲劳、抗表面伤损和良好的焊接性能。另外,由于重载运输年运量特别大的特点,同样寿命(通过总重的钢轨,在重载铁路上的维修养护量就显得频繁和时间间隔短。因此,重载铁路上应采用比一般线路的使用寿命更高的钢轨或者采用适当的措施来延长钢轨的寿命。 2.2 国外重载铁路钢轨铺用情况钢轨是轨道结构中最重要的部件。国外重载铁路运输的实践表明,重载铁路钢轨的使用寿命主要取决于磨损和表面接触疲劳伤损。美国对重载铁路用钢轨的研究指出,在直线或大半经

15、曲线路段,疲劳是寿命的主要控制因素;而在小半径曲线上,磨损是寿命的主要控制因素4。为此,美国在采用重型钢轨的同时(如采用132RE-136RE ,相当于65-68kg/m 断面,在曲线上铺设强度等级1200-1300MPa 的全长热处理钢轨,并辅以科学润滑和合理的打磨,以最大程度的提高其使用寿命。在直线上,除了前苏联铁路成段铺设全长热处理钢轨(硬度为331 HB -388HB ,美国铁路铺设强度大于960MPa 的热轧钢轨外,其他国家一般铺设强度等级为880MPa 的普通热轧钢轨。另外,国外还积极开展比现有钢种更耐磨如过共析珠光体热处理钢轨(日本5,具有优良抗表面伤损性能的高强韧性贝氏体钢轨(

16、德国、美国等64、低碳马氏体钢轨的研究7。 2.3我国现有钢轨的性能特点2003年底,铁道部颁布的铁道行业标准TB/T2344-2003 “43-75kg/m 热轧钢轨订货技术条件”所规定的热轧钢轨的牌号有三个,其化学成分和力学性能如表4所示。U71Mn 钢轨是采用较低的碳含量以及较高的锰含量的化学成分配方,其强度等级为880MPa ,实际抗拉强度在930MPa 以上。由于平均碳含量低,韧性、塑性和焊接性能较好。同时,由于铺设使用时间较长,人们对其特性比较熟悉。但因强度等级相对较低,在小半径曲线上使用耐磨性能不够。另外,当含锰量处于中上限时,不太适合进行热处理。U75V(PD3为攀钢研制开发的

17、微合金钢轨,与U71Mn相比,增加了碳、硅含量,降低了锰含量,添加了微合金元素钒,热轧状态下强度可达到980MPa级。1998年前,U75V钢轨由于其实际强度较高,在800m半径以下的曲线上使用可比U71Mn钢轨的耐磨寿命长0.5-1.0倍。但由于脆性较大,焊接较为困难,断轨时有发生,为此,1998年调整了该轨钢的化学成分,降低了其中的C、Si、V元素的含量,从而改善了韧性和焊接性能,但同时也降低了耐磨性能。表4 我国现有轨钢的化学成分及力学性能化学成分/% 力学性能钢种、牌号C Si Mn PS V/Nb Rm/MPaA/%HBWU71Mn 0.65-0.760.15-0.351.10-1.

18、400.0300.030- 8809 260-300U75V 0.71-0.800.50-0.800.70-1.050.0300.0300.04-0.12 980 9 280-320U76NbRE 0.72-0.800.60-0.90 1.0-1.30 0.0300.0300.02-0.05 980 9 280-320U76NbRE(原BNbRE是包钢结合自身矿源特点研制的一种热轧强度等级为980MPa的微合金钢轨,它采用了碳、硅、锰合金元素来强化轨钢,并添加了微合金元素铌以及进行稀土处理。由于铌和稀土的特点和作用,在不出现其他冶金缺陷的情况下,其韧塑性以及焊接性能要稍优于U75V钢轨。不同强

19、度等级钢轨的使用结果表明,980MPa 的微合金热轧钢轨在重载、繁忙铁路小于1000m的曲线上使用其耐磨性能虽比U71Mn热轧轨好,但还远不能满足使用要求。实践证明,在小半径曲线上铺设强度等级为1180MPa及以上的全长热处理钢轨,其耐磨寿命可比铺设强度等级为980-880MPa的热轧钢轨提高2-5倍及以上,具有显著的经济效益。目前,攀钢可年产在线U75V热处理钢轨10万吨以上,包钢以及铁路钢轨热处理生产厂可采用离线热处理方法,对U71Mn、U75V、U76NbRE进行热处理,强度等级可达1180-1230MPa。为了有效提高热处理钢轨的性能,在重新修订的铁道行业标准“热处理钢轨技术条件”TB

20、/T2635-2004中,对U71Mn钢轨的化学成分进行调整,并规定了三种钢轨热处理后应具有的最低性能指标,如表5所示。表5 热处理钢轨的化学成分及性能化学成分%牌号C SiMnP S V/NbRm/MPa A/% HBWU71Mn 0.70-0.76 0.15-0.35 1.20-1.400.0300.030- 1180 10 332-391U75V 0.71-0.80 0.50-0.80 0.70-1.050.0300.030V0.04-0.121230 10 341-401U76NbRE 0.72-0.80 0.60-0.90 1.00-1.300.0300.030Nb0.02-0.05

21、1230 10 341-401注:TB/T2635-2004规定,热处理钢轨分为2个强度等级即H340和H370。其中U71Mn 为H340; U75V 和U76NbRE则按达到的性能指标可分别按H340和H370交货。在线钢轨热处理是上世纪 80 年代后发展起来的一项新技术，由于其生产效率高，生产 成本低，综合质量好，很快在一些工业发达国家推广应用，其发展呈取代离线淬火工艺的趋 势，如日本目前全部采用钢轨在线热处理。 在线热处理钢轨由于未重新奥氏体化，除韧性指标以及残余应力分布不及离线热处理 钢轨外，其他诸多性能指标都优于离线热处理。不仅硬化层深度大，而且除了轨头强化外， 轨腰和轨底部位也得

22、到了适当的强化。 因此整体强化性能明显好于离线热处理轨。 由于 U75V 的化学成分配方特点，在线热处理后，轨头硬化层的硬度要比离线轨低。在线和离线热处理 轨全断面硬度分布如图 5 所示。 aU75V (C0.76% b U76NbRE (C0.76% 图 5 在线和离线热处理钢轨的硬度分布（a,b 离线热处理轨；c U75V 在线热处理轨） 2.4 大秦重载铁路钢轨铺用建议 根据目前大秦铁路钢轨的使用情况，建议在半径小于 1200m 的曲线上下股应铺设强度 等级 1230MPa 及以上的全长热处理钢轨或相应强度等级的其他高强耐磨钢轨。根据国内高 强钢轨的实际情况，目前以采用 U75V 钢轨进

23、行离线热处理最为合适，轨头顶面硬度应大于 340HB。热处理后轨头加热层深度应大于 15mm。为了提高热处理钢轨的质量，应采用喷压 缩空气冷却（即喷风冷却）热处理。 进口热处理钢轨在客货混运既有线直线上的使用情况表明8，轨头硬度大于 340HB 的 进口热处理钢轨由于难以磨损， 造成严重的滚动接触疲劳伤损， 在使用 35 亿吨通过总重后 发生核伤，其使用寿命不及 880MPa 级 U71Mn 钢轨的一半。但从大秦铁路 PD2 全长热处理 钢轨的使用情况来看， 在直线区段发生的滚动接触疲劳伤损并不严重， 因此在重载铁路上出 现的钢轨伤损类型是不同于其他线路的。 741 根据前面对几种钢轨母材伤损

24、率的分析比较， 考虑在线热处理钢轨全断面得到强化， 应 对承载有利。因此，在直线上铺设在线热处理钢轨值得试验。鉴于在直线区段钢轨的受力状 态以及钢轨伤损的特点，要求在线热处理钢轨轨头部位抗拉强度达到 1180MPa（硬度为 330HB 左右，不宜高于 350HB） ，其他部位达到 1080 MPa 即可。 3 提高大秦重载铁路钢轨使用寿命措施初探 3.1 研究重型钢轨焊接技术，提高焊接接头可靠性 从大秦铁路钢轨使用情况来看， 钢轨焊接接头的伤损十分严重， 并随着单列运量及通过 总重的增加而加快。提高焊接接头的使用可靠性刻不容缓，并应从源头抓起。为此建议： 1）在选用和采购钢轨时应充分注意其可焊

25、性，同时应保证钢轨的几何尺寸精度尤其对 保证焊接接头平顺性有关的项目指标以及端部的平直度等。 2）针对 75kg/m 钢轨轨型大，现有气压焊设备刚度低，焊接质量较差，不能满足使用要 求的局面，应继续开展钢轨气压焊设备和工艺的研究，必要时引进设备和技术，并探讨使用 新的现场焊接方法如车载式闪光焊的可能性，从根本上提高现场焊接接头的质量。 3）做好厂内闪光焊、现场气压焊的焊后热处理工作。对于热处理钢轨应保证每个焊接 接头在进行全断面正火的基础上再进行轨头的淬火处理，以恢复焊接接头轨头部位的硬度。 4）加强钢轨焊接的质量控制，严格按焊接工艺操作，尤其要保证焊接接头的平直度， 减少低接头的出现。 3.

26、2 加强轨道维修养护，开展科学、合理的润滑和打磨 铁路轨道是由路基、道碴、轨枕、垫板、扣件以及钢轨等部件组成。各部件间的使用寿 命相互影响。因此进行换轨大修时应对轨下基础即轨枕、道床进行配套同步大修，并应积极 开展状态修的研究，以适应开行 2 万 t 重载列车的需要。 积极开展钢轨打磨，改善轨面状态，延长钢轨使用寿命。根据钢轨轨面出现波磨、鱼鳞 纹以及剥离掉块的情况决定打磨周期，以充分发挥打磨的作用。 对曲线上股钢轨进行科学润滑， 既减少上股钢轨的侧磨， 又不促进和加速剥离掉块的形 成和发展。 3.3 研究高强耐磨抗疲劳新钢种，适应重载铁路发展的需要 从大秦重载铁路钢轨使用情况来看， 迫切需要

27、研究超高强度钢轨。 这种钢轨其屈服强度 应大于 900 MPa 1000MPa，抗拉强度大于 1300 MPa 1400MPa，既有良好的耐磨性能又有 很好的抗接触疲劳性能（抗剥离掉块） ，同时具有良好的可焊性，成本增加也不大。根据这 些要求，结合国外的研究成果，可考虑以下两个方面。 1） 研究超高强度热处理钢轨 采用 U75V 或 U76NbRE 钢轨进行热处理，其离线热处理钢轨的强度等级也只能达到 1230MPa， 而在线热处理多数只能达到 1180MPa， 在大秦线这样的重载铁路的曲线上使用仍 感耐磨及耐剥离性能不够。应该研制开发轨头热处理后强度等级达到 1300MPa 及以上的低 合金

28、热处理钢轨，要求轨头轨顶面硬度大于 350HB，同时，在合金配方设计时应充分考虑 使其具有良好的焊接性能。根据国外的经验，初步建议采用含 Cr 热处理专用钢种并采用喷 风冷却热处理。 2） 研究高强韧性贝氏体钢轨 742 目前世界上新的高强钢轨的研发重点主要集中在贝氏体钢轨上。 美国、 德国等国从进一 步提高重载铁路用钢轨耐磨性能的角度出发， 所研制的贝氏体钢轨已经上道试铺， 在挪威北 部的运煤线路的 300m 半径的曲线上使用， 结果表明其耐磨寿命为传统热轧钢轨的 8 倍， 比 1300MPa 级的热处理钢轨提高 25%左右。因此应开发强度等级大于 1300MPa 的超高强度贝 氏体钢轨在重载铁路上使用。铁道科学研究院已与鞍钢合作开展了 1200MPa 级的贝氏体钢 轨的试验研究，并于 2003 年 7 月通过铁道部科技司组织的技术审查，现已在沈阳、成都上 道试铺，对其使用性能进行考核。 4.结论及建议 1） 大秦重载铁路钢轨伤损的主要