1、地鐵線路鋼軌探傷周期探討技術分折報告作者：檢修試驗分部 鐘海波2011年10月18日地鐵線路鋼軌探傷周期探討技術分折報告作者：檢修試驗分部 鐘海波鋼軌周期性探傷是線路檢修的重要內容，是發現鋼軌傷損，保障地鐵安全運營的一種重要手段。目前地鐵鋼軌主要的無損檢測手段是超聲波探傷，輔之日常手工巡檢（主要檢查表面傷損，如磨耗、魚鱗傷、掉塊、擦傷和疲勞紋等）。本文主要探討，在目前有限的人力和設備條件下，結合國內城軌的探傷模式以及廣州地鐵鋼軌和鋼軌焊接接頭的不同特性，合理安排探傷周期，加強鋼軌焊縫接頭的探傷作業，達到更快更準地發現鋼軌內部傷損的實際需求。一、探傷工作現狀目前廣州地鐵采用的探傷模式是正線鋼軌推

2、車月檢、鋼軌焊接接頭年檢，按照現行的制度，探傷月檢花費了大部分的工時：廣州地鐵現有7條線，共236Km，按照現有探傷區劃，每月共計92次正線探傷月檢計劃（其中一號線6次、二號線12次、三號線24次、四號線20次、五號線16次、八號線6次、廣佛線8次。）；另外，八個車輛段試車線，每月月檢需8次作業計劃；車輛段線季檢，平均到每個月8-10次作業計劃；這樣鋼軌母材的探傷平均每月需110次作業，全年累計約1320次作業。按照傳統模式，探傷年檢一般在保證月檢完成后來安排；在現有線路情況下，按照現有的鋼軌焊接接頭探傷工藝，每個接頭正常情況下預計需要12分鐘（包括除銹、涂油、探測和擦油等）；根據規定，新線開

3、通五年內焊接接頭無需探傷，這樣現有線網2011年共計約87.5Km需探測，共計約14000個接頭，需要2800小時，按照每次作業3小時計（其中四、五號線作業時間為2小時），需要934次作業計劃（不計作業人員行走時間）。由此，完成全年所有探傷檢測計劃需要2254次作業；現有探傷人員24人，分成6組，按照每月21.5個工作日，全年能完成約1548次作業；缺口706次作業。2011年第一季度探傷作業情況：1月份全線網鋼軌探傷共計120次作業，其中年檢15次；1月標準工時168h，三個探傷工班累計超時136h；2月份全線網鋼軌探傷共計100次作業，其中年檢2次；2月標準工時128h，三個探傷工班累計超

4、時132h；3月份全線網鋼軌探傷共計147次作業，其中年檢39次；3月標準工時184h，三個探傷工班累計超時28h。（該工時統計不包括2位2010年入司大學生的工時，一季度共約960h。）二、鋼軌材料特性及主要病害鋼軌機械性能主要取決于鋼軌的金相組織及熱處理工藝、化學成分、物理力學性能。廣州地鐵線路鋼軌主要采用60kg/m型鋼軌，材料為攀鋼生產的U75V（PD3），主要化學成份：C（0.400.78）,Si（0.150.35）,Mn （0.701.00）,Cu（0.040.08）,P<0.04，S<0.04。抗拉強度：980MPa, 伸長率：10%。出廠鋼軌的金相為粒狀珠

5、光體組織（FeC3+鐵素體），組織均勻，表面經淬火處理后，具有較高的強度、硬度和耐磨性。鋼軌主要傷損類型有以下幾種：1、核傷：分為黑核和白核，國際上稱軌頭橫斷面裂紋。多數發生在鋼軌軌頭內，它是各類傷損中危害最大的鋼軌傷損。該類傷損在地鐵線路上比較少見，且主要是鋼軌軋制或焊接時的缺陷，在地鐵車輛運行條件下發展較為緩慢。2、魚鱗傷：是鋼軌表面傷損的一種，主要產生在小半徑曲線上，由線路的條件、鋼軌的疲勞發展等因素造成；魚鱗傷會給探傷檢查帶來困難，易造成漏檢。該類傷損在地鐵線路鋼軌上最為常見，尤其以原二號線最明顯，魚鱗傷的發現與跟蹤以手工檢查為主要手段。3、螺孔裂紋：螺孔裂紋是傷損中的第一位，因車輪作

6、用在鋼軌接頭上的最大慣性力要比其它部位大60，致使螺孔周邊局部應力過高而產生裂紋，尤其是列車經常制動地段、絕緣接頭及隧道地段，都易產生裂紋。由于地鐵線路絕大部分為無縫線路，該類傷損僅有可能發生在車重和車速較小的車輛段線，因此比較少見。4、水平裂紋：由于鋼軌制造工藝不良，留下疲勞源，在軌頭中就會形成水平裂紋。無縫線路區段，因長期受到過大的偏心負載，水平推力及軌頭撓曲應力的復合作用，產生焊接接頭下鄂水平裂紋。水平裂紋發展到某一長度時，會突然引起鋼軌折斷。該類傷損在地鐵線路中作為原始傷損出現極少，主要是疲勞紋發展而成的鋼軌表面淺層水平裂紋。5、縱向裂紋：由于鋼軌制造工藝不良，留下疲勞源，在軌頭、軌腰

7、中就會形成垂直裂紋。垂直裂紋寬度達到一定值后會造成鋼軌鼓包或劈裂，該類傷損在地鐵線路中作為原始傷損出現極少，主要是疲勞紋發展而成的鋼軌表面淺層縱向裂紋。鋼軌在輪軌作用下產生的軌頭磨耗、鋼軌波磨、軌頭表面擦傷和剝離（掉塊）、軌頭肥邊、接頭不平順等表面傷損，通過巡道外觀檢查。鋼軌內部的核傷和裂紋等傷損通過外觀檢查無法發現，這些傷損正是超聲波探傷檢查的重點工作。三、鋼軌接頭與母材的金屬學分析鋼軌焊接化學冶金過程與煉鋼過程相比，無論在原材料還是在冶煉條件方面都有很大不同，焊接冶金是復雜的高溫多相反應系統，在焊接過程中，由于焊接區的高溫、變化急劇、過程短暫、參與反應的物質復雜。與煉鋼過程相比，焊接冶金具

8、有：1、熔池結晶的特殊性：熔池體積小，冷卻速度大；熔池液態金屬處于過熱狀態；熔池是在運動下結晶，易形成柱狀晶粒，結晶線速度快；2、焊縫金屬的化學成份不均勻性，在熔池進行結晶的過程中，由于冷卻速度快，已凝固的焊縫金屬中，化學成分來不及擴散，合金元素分布是不均勻的，出現偏析現象，與此同時，焊縫的邊界熱影響區還會出現更為明顯的成份不均勻，常成為焊接接頭的薄弱地帶；3、產生氣孔和夾雜等焊接缺陷。焊接接頭的熱影響區的組織和性能與母材不同，焊接接頭的金相組織具有不均勻性。母材（鋼軌U75V）在生產過程中由鋼坯熱軋而成，經淬火加高溫回火后，其金相組織為粒狀珠光體，組織分布均勻，性能穩定。焊接接頭在焊接過程中

9、，由于各部分冷卻速度不同，在焊縫中間易析出鐵素體形成鐵素體組織（如下圖所示）（白色多的部分為鐵素體密集區，黑色多的部分為珠光體密集區，鐵素體組織抗拉強度小，珠光體組織的抗拉強度大），熱影響區由于冷速大易形成硬脆的魏氏組織。這些情況都會引起焊縫區金屬特性與鋼軌母材不同，使焊接接頭的強度、韌性降低。圖1 閃光對焊接頭的組織觀察上圖為軌底左端頭靠近斷口處的光鏡組織其特征是：邊緣大部分為鐵素體（a），越向里（縱向）鐵素體越少為珠光體組織（b）。另外，焊接接頭由于焊接過程控制不到位而產生各種焊接缺陷（如：夾渣、氣孔、未熔合、未焊透、微裂紋等）。在采用鋁熱焊焊接時，由于焊劑保存不好使焊劑受潮形成氣孔；由于

10、排渣不暢易產生夾渣；預熱溫度不夠高易產生未熔合、未焊透。采用接觸焊焊接時由于焊接參數控制不好，空氣中的濕度過大等都會產產生上述焊接缺陷。有焊接缺陷的地方都容易產生應力集中，當地鐵列車行使到這些焊接缺陷處時，在焊接缺陷處產生應力集中，當產生的應力大于缺陷處金屬的屈服強度時，就會產生裂紋。列車不斷行駛對裂紋產生沖擊力加上溫度力影響，裂紋處產生的應力集中就象一把剪刀，把接頭金屬沿晶界剪開，使裂紋不斷擴張，如果發現不及時，當鋼軌接頭部位的強度小于列車運行和溫度產生應力的合力時，就會發生斷軌事故。基于上述原因，應該對鋼軌焊接接頭制定比鋼軌母材更加頻密、嚴格的探傷周期，做更加詳細的探傷檢查，以防止因鋼軌焊

11、縫缺陷產生的斷軌事件，保障地鐵列車的安全運行。四、廣州地鐵鋼軌傷損情況分析從2009月06月檢修試驗分部成立至今，發現的記錄在冊的傷損一共156處，其中折斷3處，重傷1處，輕傷11處，輕傷以下141處；傷損主要集中在鋼軌表面，包括表面掉塊和魚鱗傷，鋼軌母材內部基本沒有出現傷損；折斷和重傷主要發生在焊縫接頭和道岔處，焊接缺陷和制造工藝是主要原因。表1 廣州地鐵傷損分類統計表線別項目合計核傷焊縫傷損道岔傷損橫向裂紋縱向裂紋表面掉塊魚鱗傷損疲勞裂紋表面缺陷表面刮痕鋼軌銹蝕螺孔裂紋一號線030001211000017二號線0000031000004三號線0015101416011038四號線01000

12、1100014017五號線01000900723022八號線0615615181310157廣佛線0000010000001合計01116566521810581156四、地鐵行業現狀與國鐵的比較國內地鐵鋼軌探傷周期不一，使用的設備和采用的工藝也不盡相同；鋼軌焊縫接頭一般均采用年檢為探傷周期，正線鋼軌母材大多數為月檢，比如廣州地鐵、北京地鐵和上海地鐵；也有采用雙月檢的，比如南京地鐵；還有采用季檢和半年檢的，比如天津地鐵和天津城際軌道交通等。國有鐵路采用的鋼軌探傷周期和廣州地鐵現行基本一致（其中焊接接頭探傷從2005年新標準實施后，改為半年檢。），廣州地鐵各線的年通過總重大致為3040Mt，按照

13、國鐵的“鐵路線路維修規則”中相關規定（詳見下表），廣州地鐵的探傷周期為一年檢查7次。“鐵路線路維修規則” 表8.3.3 正線、到發線線路和道岔鋼軌探傷周期年通總重（Mt）年探傷遍數75kg/m、60 kg/m50 kg/m43 kg/m及以下8010508081025507898256788567五、抓住重點作業環節，合理安排探傷周期綜上所述，我們應該結合焊接接頭的特點，把探傷的重點工作轉移到接頭探傷作業上來，把接頭作為重點檢查對象進行探傷，以此來制定合理的探傷周期。這里按照接頭探傷作為重點來倒推出鋼軌探傷的周期。根據利用現有設備進行實踐，用最熟手的探傷工對焊接接頭（表面打磨平滑，無毛邊）進行

14、全方位探傷，測得的最快平均檢測速度為10分鐘/頭，我們仍按照年檢進行探傷，這樣40000接頭所用時間為40000×10÷60=6666小時，每天分12組（2人一組），探傷作業3小時，則185天可完成年度探傷。工作日按每月21.5天計算，一年有258天可以進行作業，則剩余的作業時間還有258-185（接頭年檢）-20（車廠線季檢）-15（道岔檢查）=38工作日。如果線路實行半年檢，則探傷里程為250×2×2=1000公里，每天探傷6公里，分8組探傷，則需21天完成全線兩次探傷。考慮到這是最理想狀態下的情況，得出的時間相對寬松，班組中的人員素質各不相同，加上班組還有很多臨時作業，剩余的17個工作日可以作為其他臨時工作使用。表3 按鋼軌探傷月檢和半年檢所需時間對比探傷人員數量鋼軌總長（公里）鋼軌焊接接頭總數（個）鋼軌月檢所需時間（工作日）鋼軌半年檢所需時間（工作日）車廠線檢查所需時間（工作日）道岔檢查所需時間（工作日）鋼軌接頭檢查所需時間（工作日）合計（工作日）鋼軌月檢24人1000400001252015160320鋼軌半年檢24人100040000212015185241基于上述分析和估算，提出以下建議：1、把線路探傷周期從月檢改為半年檢，從而延長鋼軌接頭年檢的作業時間，保證接頭的檢驗質