建立普速铁路钢轨大修指数的探讨

高彦嵩 梁旭 魏夕凯 李英奇 刘丰收

1.中国铁路北京局集团有限公司，北京 100860；2.中国铁道科学研究院集团有限公司金属及化学研究所，北京 100081

钢轨是重要的轨道部件。中国普速铁路平均每年有超过5 000 km（约合60 万t）新钢轨投入钢轨大修，钢轨大修费用巨大。按照TG/GW102—2019《普速铁路线路修理规则》，钢轨大修以累计通过总质量或伤损数量达到一定值为依据，即周期修。随着近年来钢轨材质的不断优化，钢轨打磨、润滑技术的提高，钢轨服役状态已明显改善，钢轨使用寿命也相应延长，为开展钢轨状态修提供了条件。

本文针对钢轨周期修中普遍存在的维修资源针对性差的问题，初步提出采用钢轨大修指数指导钢轨大修决策，进而实现钢轨状态修的构想。

1 国内外钢轨大修的技术发展及确定方法

1.1 中国钢轨大修技术的发展

中国钢轨大修经历了由事后修向周期修的转变，目前采用周期与伤损情况相结合的修理模式［1］。

1949 年以前中国铁路钢轨单重轻、年代老、品种杂。1949—1952 年铁路运量增长较快，钢轨折损严重，基本上属于事后修，远远不能满足运输需要。1952—1980 年“轻、老、杂”钢轨逐渐被更换为标准43 kg/m 或50 kg/m 钢轨，由被动修向周期修过渡。1980 年以后，借鉴前苏联经验，最终依据钢轨累计通过总质量确定了中国普速铁路大修、中修和综合维修的周期，见表1。

表1 中国普速铁路大修、中修及综合维修周期

2019 年原中国铁路总公司发布了TG/GW102—2019《普速铁路线路修理规则》。其中规定：60 kg/m、75 kg/m 钢轨无缝线路的钢轨大修周期分别为累计通过总质量达到1 000、1 500 Mt；对于未达到规定大修周期的成段钢轨，60 kg/m 及以下钢轨重伤率达到2～4 处/km（含焊接和胶接绝缘接头伤损）、75 kg/m 钢轨重伤率达到4 ～6处/km（不含焊接和胶接绝缘接头伤损）时，应及时更换钢轨；出现严重锈蚀、严重滚动接触疲劳以及其他影响钢轨安全使用的情况时，应及时更换钢轨。

1.2 国外钢轨大修的确定方法

目前，国外铁路钢轨大修主要按照以下四种方法确定。①由累计通过总质量确定。前苏联P65热处理钢轨的大修周期为600～ 750 Mt［2］，法国、日本高速铁路钢轨的大修周期为500 Mt［3］。②由钢轨磨耗量和失效率综合确定。美国联邦铁路局规定：钢轨垂直磨耗达到9～12 mm 或侧面磨耗达到14～16 mm 时大修换轨，在此之前出现的重伤钢轨，采用原位铝热焊或插入短轨的方式处理；每30 Mt 累计通过总质量至少进行一次超声波探伤，钢轨因轨头疲劳核伤或劈裂导致的钢轨折断数量不得超过0.08～0.10处/（英里·年）［4］。③由最佳经济下道周期确定。从经济角度考虑，应在钢轨维修费和折旧费两者相加总和最低时大修换轨，从钢轨铺设服役到大修换轨的时间段为最佳经济下道周期（图1）。部分欧洲国家采用该方法进行钢轨大修［5］。④由轨道检测与实时评估相结合确定。部分欧洲国家的铁路钢轨维修采用该方法。法国的高速线路轨道检测采用轨检车巡检（1 次/15 d）、步行巡检（1次/70 d）、列车尾部加挂加速度专用检测车厢（1次/15 d），动态检查（1 次/90 d），探伤车定期探伤（1 次/180 d）等方式［3］，绘制出反映线路综合状态的实时曲线图。图中综合了钢轨廓形尺寸、钢轨顶面的平顺程度等方面的数据，并以此作为钢轨是否需要维修的判断依据。

图1 钢轨维修最佳经济下道周期示意

四种确定方法中，①和③属于周期修，②具有状态修特点，④属于状态修。

2 钢轨周期修存在的问题

2.1 到达周期应大修的钢轨大量在线服役

每年实际大修钢轨数量小于到达周期应大修的数量，即有大量超期钢轨仍在服役。以北京局集团有限公司为例，依据累计通过总质量计算管内线路每年所需更换的60 kg/m 钢轨总量与实际安排的钢轨大修数量对比见图2。其中，2020 年后根据TG/GW 102—2019 将60 kg/m 钢轨大修周期由累计通过总质量700 Mt 调整为1 000 Mt。可知，年均达到大修周期的钢轨有1 232 km，年均实际大修数量仅372 km，实际大修钢轨占比35.8%。可见，受大修资金、天窗等因素限制，北京局集团有限公司应开展周期性大修的钢轨有64.2%超期服役。虽然这么多钢轨超期服役，但整体状态良好，平均重伤率不到1处/km。

图2 北京局集团有限公司2010—2021年钢轨大修情况

2.2 部分下道钢轨仍具备服役条件

随着中国钢轨产品标准、装备水平、制造技术的显著提高，百米长定尺钢轨得到大规模应用，同时钢轨、焊接接头成品抽检和过程监督检验制度不断完善，钢轨打磨等养护技术成熟，钢轨重伤率明显下降［6-8］。中国重载铁路钢轨累计通过总质量1 500 Mt以上的钢轨性能没有呈现出大幅劣化趋势，材料加工硬化率、廓形偏差、重伤率、磨耗量等均未达到轻伤标准，且符合旧轨使用标准，仍可作为再用轨服役［9-10］。

2.3 钢轨周期修针对性不足

因线路条件不同钢轨服役状态存在较大差异。同一条线路，直线地段钢轨使用周期与曲线地段差异较大，即使同为曲线地段，因年累计通过总质量不同，钢轨服役状态也存在较大差异。统一化的钢轨周期修缺乏针对性，难以适应差异化的钢轨服役状态。周期修一方面可能导致部分钢轨过度修，即钢轨虽然累计通过总质量达到大修周期，但整体状态良好，而另一方面又会出现钢轨欠修情况，即钢轨累计通过总质量虽远未达到大修周期，但钢轨状态已出现严重问题。

3 建立钢轨大修量化指标的必要性

从国际铁路修理技术的发展来看，钢轨大修正在由粗犷式的周期修向精细化的状态修转变。中国普速铁路钢轨大修也在开展这方面的尝试。目前，主要采用重伤率衡量钢轨的使用状态，但中国铁路钢轨重伤率普遍较低，同时大量超期服役的钢轨是否安全也缺乏有效评价指标，因此有必要确定一个可以综合多方面因素来衡量钢轨状态的量化指标。

建立钢轨大修量化指标也是降本增效和实施精细化管理的现实需要。近年来，中国铁路客货运收入受疫情影响较大，线路设备管理部门和单位应把维修资源用到更急需设备的更换中，而非简单依据周期修标准更换钢轨，提升钢轨大修技术经济性，这就要求线路设备管理部门和单位更科学、更准确、更全面地掌握线路钢轨的服役状态。通过综合指标量化钢轨的服役状态，将具有技术经济意义。

4 钢轨大修指数的初步构想

目前，中国普速铁路钢轨大修下道的主要依据为累计通过总质量、重伤率、曲线钢轨磨耗限值和其他伤损情况（严重的锈蚀、波磨、掉块等）。钢轨重伤率是反映钢轨状态的一项重要指标，调查全路13条主要普速干线铁路2017—2020年的钢轨重伤情况（图3）发现，钢轨母材伤损主要集中在轨头区域，以内部核伤和轨面疲劳伤损为主，而近几年钢轨母材折断有60%源于轨底区域。这种差异主要是由于目前的探伤技术在轨底区域存在盲区（图4）。随着涡流探伤等新技术的采用，轨底盲区将会逐渐减少或消除。

图3 2017—2020年中国普速干线铁路钢轨重伤情况

图4 钢轨母材超声检查断面覆盖范围及盲区

从上面的统计情况来看，钢轨重伤率不能完全反映钢轨实际状态。因此，钢轨服役状态的量化指标既要考虑影响钢轨服役状态的主要因素，又要兼顾指标的可用性、便捷性和统一性。

钢轨大修指数应涵盖钢轨服役性能、钢轨表面状态、钢轨养护维修情况等。其主要构成见表2。

表2 钢轨大修指数主要构成

深入研究钢轨大修指数的构成和算法，构建一种钢轨状态直观评价模式，将有助于科学合理反映钢轨的真实性能和状态。合理运用钢轨大修指数，既可减少周期修可能导致的过度修和欠修问题，又可有效提高对钢轨安全服役的认知度，为钢轨大修决策的科学制定提供依据。

5 结论

1）中国钢轨大修经历了由事后修向周期修的转变，目前采用周期与伤损情况相结合的修理模式。国外钢轨大修周期的确定主要采用累计通过总质量、钢轨磨耗量和失效率综合确定、最佳经济下道周期、轨道检测与实时评估相结合确定四种方法。

2）中国钢轨大修的周期修模式存在针对性不足，导致过渡修和维修不足同时存在，需要确定一个可以综合多方面因素来衡量钢轨状态的量化指标。该指标既要全面客观反映钢轨服役状态，又需科学评价钢轨安全性能。

3）钢轨大修指数应涵盖钢轨服役性能、钢轨表面状态、钢轨养护维修情况等。钢轨大修指数可为钢轨大修决策的制定提供依据。