靳芮嫚

（北京铁路局北京工务段，北京 100021）

1 研究背景

铁路无缝线路是在我国铁路经过1997-2007年6次提速后，为适应新型动力车组轻体车辆结构，满足动车组高速运行时，保证线路钢轨设备状态稳定、性能良好的轨道结构而提出的。自2007年4月我国自主研发CRH动车组后，在全国范围内开始了大规模的升级与铺设。

无缝线路自铺设至今，担负起了运量繁重的铁路客运、货运运输任务，经历十余年的服役后，开始出现疲劳状态，钢轨内部材质中的细微裂纹、焊缝部位的气孔夹杂等伤损逐渐发展扩大，逐步形成影响列车运营的安全隐患，因此检测钢轨质量的无损检测工作，正逐步体现出越来越大的价值。

目前，我国普遍采用的铁路无损检测方式为超声波探测法，通过波的折射、反射等物理特性及超声波的固有频率对线路钢轨的内部情况进行检测。钢轨内部缺陷的产生与发展是一个缓慢且复杂的过程，特别是无缝线路这等电气化程度更高的线路设备，伤损的出现会受到多种应力作用、几何尺寸、形变等物理变化，及制造工艺、材料特性等化学变化的影响。

2 主要影响因素

2.1 焊缝部位

无缝线路是由钢轨与钢轨之间通过焊接的方式结合成一体，是电气化铁路的重要组成部分。目前广泛采用的钢轨焊接方式主要有铝热焊、气压焊、闪光焊三种，其中现存最多的焊缝为铝热焊缝。铝热焊缝受焊接工艺、焊接人员操作技艺影响较大，焊接时密贴闭合空间不严密、焊接温度不够或焊接人员操作不精细等因素都可能导致焊缝内部产生夹渣、夹杂、气孔等缺陷，为之后投入运营埋下安全隐患。

焊接步骤完成后，在焊口外侧会留下一道不规则的焊筋，需对焊筋进行人工打磨，打磨平顺后才能允许列车通过。焊缝部位的钢轨轨头内部容易产生疲劳裂纹，从焊缝到焊缝两侧各延伸至200 mm范围是一个探伤检测中的重点部位，铝热焊缝的探伤周期一般定为180天，使用超声波焊缝探伤仪对焊缝进行检测，在曲线地段、重载地段可适当缩短探伤周期。

2.2 母材部位

2.2.1 几何尺寸的影响

无缝线路钢轨状态受轨道结构、线路几何尺寸影响较大，列车通过时对钢轨的冲击会造成钢轨微小形变，同时应力会传递至钢轨内部，影响程度与不同尺寸下钢轨断面的受力点位置与受力大小有关[1]，应通过精准测算钢轨受力点与受力范围，科学地制定探伤周期。

列车通过时对钢轨的冲击力传递至钢轨内部后，可根据物理要素分为接触应力、动应力、附加应力与残余应力等受力方式，同时，线路钢轨根据铺设环境的不同还会受到温度应力的影响。受力点的计算可通过结构力学相关公式计算完成，过程不做赘述，现将钢轨受力范围、应力特征及其对内部伤损的影响总结如下。

表1 钢轨受力范围、应力特征及其对内部伤损的影响

2.2.2 钢轨型号的影响

目前我国普遍使用的钢轨型号有60 kg/m轨、50 kg/m轨及43 kg/m轨。整体来说，钢轨的刚度随型号的增大而提高。列车通过时会在列车轮对与钢轨的接触面（后文简称接触面）形成剪应力，剪应力会对钢轨造成弯曲形变，钢轨刚度越高，弯曲形变越小；形变越小，伤损发展越缓慢。

2.2.3 螺孔受力的影响

在钢轨接头至接头两侧各延伸3 m范围内，列车会对接触面形成正应力及剪应力，正应力沿横断面传递，剪应力沿纵断面传递，两股应力传递至轨腰处，在螺孔位置形成应力集中[2]。在两股应力长期反复作用下，螺孔附近极易产生疲劳伤损，且细微裂纹发展较快，根据力的传递规律，第一螺孔受影响最大，第二孔较小。当内部细微裂纹发展至钢轨表面时成为表面裂纹，在螺孔所在的几何面中，人为添加一条正线一条法线，将几何面沿逆时针方向分割为第Ⅰ象限、第Ⅱ象限、第Ⅲ象限及第Ⅳ象限，裂纹沿横断面不断发展，会成为第Ⅰ、Ⅲ象限螺孔裂纹；沿纵断面不断发展，会形成第Ⅱ、Ⅳ象限螺孔裂纹。螺孔裂纹继续发展会直接造成钢轨折断。

2.2.4 线路曲线的影响

为平衡铁路线路对生活、生产的需要，不仅存在直线线路，还需铺设曲线线路。在曲线线路上，接触面承受的纵向冲击力远高于直线线路。而且为满足列车通过时的平衡、减少倾斜，专门为线路设计了超高，以保障列车平稳通过。但是曲线超高的存在会在列车通过时形成转动惯性，对钢轨形成弯曲应力，弯曲应力容易使钢轨轨头内部形成核状伤损，我们称之为核伤，弯曲应力与钢轨型号成反比，但形成的核伤与钢轨型号不成比例，整体上呈无规律分布。

2.2.5 温度应力的影响

线路钢轨因铺设环境的不同而受到不同程度温度应力的影响，因钢轨材质特性表现为受高温、低温及温度骤然变化时会导致钢轨伤损的快速发展。根据规律总结出在我国北方冬季季节是钢轨伤损的高发期，入冬、上冻及春融期的时间节点是探伤工作的重点环节。

2.2.6 其他特殊区段的影响

除上述线路区段外，还有部分区段的特性会对线路钢轨造成影响，如桥梁、隧道、涵洞等，应根据具体区段的特性针对性地定制钢轨探伤周期。

3 线路探伤周期的制定与调整

通过上述内容，我们分析了导致钢轨伤损产生与发展的诸多因素，我们也当以此为依据，为钢轨无损检测工作制定探伤周期。在一个线路大修周期内，根据运输运量的不同对所处时期分为早期、稳定期、发展期及高发期，在不同时期内应该对探伤周期进行适当的调整，调整方法如表2所示。

表2 不同时期内探伤周期的调整方法