地铁线路钢轨探伤周期技术分折报告参考Word.docx
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地铁线路钢轨探伤周期技术分折报告参考Word
地铁线路钢轨探伤周期探讨
——技术分折报告
作者：
检修试验分部钟海波
2011年10月18日
地铁线路钢轨探伤周期探讨
——技术分折报告
作者：
检修试验分部钟海波
钢轨周期性探伤是线路检修的重要内容，是发现钢轨伤损，保障地铁安全运营的一种重要手段。
目前地铁钢轨主要的无损检测手段是超声波探伤，辅之日常手工巡检（主要检查表面伤损，如磨耗、鱼鳞伤、掉块、擦伤和疲劳纹等）。
本文主要探讨，在目前有限的人力和设备条件下，结合国内城轨的探伤模式以及广州地铁钢轨和钢轨焊接接头的不同特性，合理安排探伤周期，加强钢轨焊缝接头的探伤作业，达到更快更准地发现钢轨内部伤损的实际需求。
一、探伤工作现状
目前广州地铁采用的探伤模式是正线钢轨推车月检、钢轨焊接接头年检，按照现行的制度，探伤月检花费了大部分的工时：
广州地铁现有7条线，共236Km，按照现有探伤区划，每月共计92次正线探伤月检计划（其中一号线6次、二号线12次、三号线24次、四号线20次、五号线16次、八号线6次、广佛线8次。
）；另外，八个车辆段试车线，每月月检需8次作业计划；车辆段线季检，平均到每个月8-10次作业计划；这样钢轨母材的探伤平均每月需110次作业，全年累计约1320次作业。
按照传统模式，探伤年检一般在保证月检完成后来安排；在现有线路情况下，按照现有的钢轨焊接接头探伤工艺，每个接头正常情况下预计需要12分钟（包括除锈、涂油、探测和擦油等）；根据规定，新线开通五年内焊接接头无需探伤，这样现有线网2011年共计约87.5Km需探测，共计约14000个接头，需要2800小时，按照每次作业3小时计（其中四、五号线作业时间为2小时），需要934次作业计划（不计作业人员行走时间）。
由此，完成全年所有探伤检测计划需要2254次作业；现有探伤人员24人，分成6组，按照每月21.5个工作日，全年能完成约1548次作业；缺口706次作业。
2011年第一季度探伤作业情况：
1月份全线网钢轨探伤共计120次作业，其中年检15次；1月标准工时168h，三个探伤工班累计超时136h；2月份全线网钢轨探伤共计100次作业，其中年检2次；2月标准工时128h，三个探伤工班累计超时132h；3月份全线网钢轨探伤共计147次作业，其中年检39次；3月标准工时184h，三个探伤工班累计超时28h。
（该工时统计不包括2位2010年入司大学生的工时，一季度共约960h。
）
二、钢轨材料特性及主要病害
钢轨机械性能主要取决于钢轨的金相组织及热处理工艺、化学成分、物理力学性能。
广州地铁线路钢轨主要采用60kg/m型钢轨，材料为攀钢生产的U75V（PD3），主要化学成份：
C（0.40~0.78）,Si（0.15~0.35）,Mn （0.70~1.00）,Cu（0.04~0.08）,P<0.04，S<0.04。
抗拉强度：
980MPa,伸长率：
10%。
出厂钢轨的金相为粒状珠光体组织（FeC3+铁素体），组织均匀，表面经淬火处理后，具有较高的强度、硬度和耐磨性。
钢轨主要伤损类型有以下几种：
1、核伤：
分为黑核和白核，国际上称轨头横断面裂纹。
多数发生在钢轨轨头内，它是各类伤损中危害最大的钢轨伤损。
该类伤损在地铁线路上比较少见，且主要是钢轨轧制或焊接时的缺陷，在地铁车辆运行条件下发展较为缓慢。
2、鱼鳞伤：
是钢轨表面伤损的一种，主要产生在小半径曲线上，由线路的条件、钢轨的疲劳发展等因素造成；鱼鳞伤会给探伤检查带来困难，易造成漏检。
该类伤损在地铁线路钢轨上最为常见，尤其以原二号线最明显，鱼鳞伤的发现与跟踪以手工检查为主要手段。
3、螺孔裂纹：
螺孔裂纹是伤损中的第一位，因车轮作用在钢轨接头上的最大惯性力要比其它部位大60％，致使螺孔周边局部应力过高而产生裂纹，尤其是列车经常制动地段、绝缘接头及隧道地段，都易产生裂纹。
由于地铁线路绝大部分为无缝线路，该类伤损仅有可能发生在车重和车速较小的车辆段线，因此比较少见。
4、水平裂纹：
由于钢轨制造工艺不良，留下疲劳源，在轨头中就会形成水平裂纹。
无缝线路区段，因长期受到过大的偏心负载，水平推力及轨头挠曲应力的复合作用，产生焊接接头下鄂水平裂纹。
水平裂纹发展到某一长度时，会突然引起钢轨折断。
该类伤损在地铁线路中作为原始伤损出现极少，主要是疲劳纹发展而成的钢轨表面浅层水平裂纹。
5、纵向裂纹：
由于钢轨制造工艺不良，留下疲劳源，在轨头、轨腰中就会形成垂直裂纹。
垂直裂纹宽度达到一定值后会造成钢轨鼓包或劈裂，该类伤损在地铁线路中作为原始伤损出现极少，主要是疲劳纹发展而成的钢轨表面浅层纵向裂纹。
钢轨在轮轨作用下产生的轨头磨耗、钢轨波磨、轨头表面擦伤和剥离（掉块）、轨头肥边、接头不平顺等表面伤损，通过巡道外观检查。
钢轨内部的核伤和裂纹等伤损通过外观检查无法发现，这些伤损正是超声波探伤检查的重点工作。
三、钢轨接头与母材的金属学分析
钢轨焊接化学冶金过程与炼钢过程相比，无论在原材料还是在冶炼条件方面都有很大不同，焊接冶金是复杂的高温多相反应系统，在焊接过程中，由于焊接区的高温、变化急剧、过程短暂、参与反应的物质复杂。
与炼钢过程相比，焊接冶金具有：
1、熔池结晶的特殊性：
熔池体积小，冷却速度大；熔池液态金属处于过热状态；熔池是在运动下结晶，易形成柱状晶粒，结晶线速度快；2、焊缝金属的化学成份不均匀性，在熔池进行结晶的过程中，由于冷却速度快，已凝固的焊缝金属中，化学成分来不及扩散，合金元素分布是不均匀的，出现偏析现象，与此同时，焊缝的边界
——热影响区还会出现更为明显的成份不均匀，常成为焊接接头的薄弱地带；3、产生气孔和夹杂等焊接缺陷。
焊接接头的热影响区的组织和性能与母材不同，焊接接头的金相组织具有不均匀性。
母材（钢轨U75V）在生产过程中由钢坯热轧而成，经淬火加高温回火后，其金相组织为粒状珠光体，组织分布均匀，性能稳定。
焊接接头在焊接过程中，由于各部分冷却速度不同，在焊缝中间易析出铁素体形成铁素体组织（如下图所示）（白色多的部分为铁素体密集区，黑色多的部分为珠光体密集区，铁素体组织抗拉强度小，珠光体组织的抗拉强度大），热影响区由于冷速大易形成硬脆的魏氏组织。
这些情况都会引起焊缝区金属特性与钢轨母材不同，使焊接接头的强度、韧性降低。
图1闪光对焊接头的组织观察
上图为轨底左端头靠近断口处的光镜组织．其特征是：
边缘大部分为铁素体（a），越向里（纵向）铁素体越少为珠光体组织（b）。
另外，焊接接头由于焊接过程控制不到位而产生各种焊接缺陷（如：
夹渣、气孔、未熔合、未焊透、微裂纹等）。
在采用铝热焊焊接时，由于焊剂保存不好使焊剂受潮形成
气孔；由于排渣不畅易产生夹渣；预热温度不够高易产生未熔合、未焊透。
采用接触焊焊接时由于焊接参数控制不好，空气中的湿度过大等都会产产生上述焊接缺陷。
有焊接缺陷的地方都容易产生应力集中，当地铁列车行使到这些焊接缺陷处时，在焊接缺陷处产生应力集中，当产生的应力大于缺陷处金属的屈服强度时，就会产生裂纹。
列车不断行驶对裂纹产生冲击力加上温度力影响，裂纹处产生的应力集中就象一把剪刀，把接头金属沿晶界剪开，使裂纹不断扩张，如果发现不及时，当钢轨接头部位的强度小于列车运行和温度产生应力的合力时，就会发生断轨事故。
基于上述原因，应该对钢轨焊接接头制定比钢轨母材更加频密、严格的探伤周期，做更加详细的探伤检查，以防止因钢轨焊缝缺陷产生的断轨事件，保障地铁列车的安全运行。
四、广州地铁钢轨伤损情况分析
从2009月06月检修试验分部成立至今，发现的记录在册的伤损一共156处，其中折断3处，重伤1处，轻伤11处，轻伤以下141处；伤损主要集中在钢轨表面，包括表面掉块和鱼鳞伤，钢轨母材内部基本没有出现伤损；折断和重伤主要发生在焊缝接头和道岔处，焊接缺陷和制造工艺是主要原因。
表1广州地铁伤损分类统计表
线别
项目
合计
核伤
焊缝伤损
道岔伤损
横向裂纹
纵向裂纹
表面掉块
鱼鳞伤损
疲劳裂纹
表面缺陷
表面刮痕
钢轨锈蚀
螺孔裂纹
一号线
0
3
0
0
0
12
1
1
0
0
0
0
17
二号线
0
0
0
0
0
3
1
0
0
0
0
0
4
三号线
0
0
15
1
0
14
1
6
0
1
1
0
38
四号线
0
1
0
0
0
11
0
0
0
1
4
0
17
五号线
0
1
0
0
0
9
0
0
7
2
3
0
22
八号线
0
6
1
5
6
15
18
1
3
1
0
1
57
广佛线
0
0
0
0
0
1
0
0
0
0
0
0
1
合计
0
11
16
5
6
65
21
8
10
5
8
1
156
四、地铁行业现状与国铁的比较
国内地铁钢轨探伤周期不一，使用的设备和采用的工艺也不尽相同；钢轨焊缝接头一般均采用年检为探伤周期，正线钢轨母材大多数为月检，比如广州地铁、北京地铁和上海地铁；也有采用双月检的，比如南京地铁；还有采用季检和半年检的，比如天津地铁和天津城际轨道交通等。
国有铁路采用的钢轨探伤周期和广州地铁现行基本一致（其中焊接接头探伤从2005年新标准实施后，改为半年检。
），广州地铁各线的年通过总重大致为30~40Mt，按照国铁的“铁路线路维修规则”中相关规定（详见下表），广州地铁的探伤周期为一年检查7次。
“铁路线路维修规则”表8.3.3正线、到发线线路和道岔钢轨探伤周期
年通总重（Mt）
年探伤遍数
75kg/m、60kg/m
50kg/m
43kg/m及以下
≥80
10
50~80
8
10
25~50
7
8
9
8~25
6
7
8
≤8
5
6
7
五、抓住重点作业环节，合理安排探伤周期
综上所述，我们应该结合焊接接头的特点，把探伤的重点工作转移到接头探伤作业上来，把接头作为重点检查对象进行探伤，以此来制定合理的探伤周期。
这里按照接头探伤作为重点来倒推出钢轨探伤的周期。
根据利用现有设备进行实践，用最熟手的探伤工对焊接接头（表面打磨平滑，无毛边）进行全方位探伤，测得的最快平均检测速度为10分钟/头，我们仍按照年检进行探伤，这样
40000接头所用时间为40000×10÷60=6666小时，每天分12组（2人一组），探伤作业3小时，则185天可完成年度探伤。
工作日按每月21.5天计算，一年有258天可以进行作业，则剩余的作业时间还有258-185（接头年检）-20（车厂线季检）-15（道岔检查）=38工作日。
如果线路实行半年检，则探伤里程为250×2×2=1000公里，每天探伤6公里，分8组探伤，则需21天完成全线两次探伤。
考虑到这是最理想状态下的情况，得出的时间相对宽松，班组中的人员素质各不相同，加上班组还有很多临时作业，剩余的17个工作日可以作为其他临时工作使用。
表3按钢轨探伤月检和半年检所需时间对比
探伤人员数量
钢轨总长
（公里）
钢轨焊接接头总数（个）
钢轨月检所需时间（工作日）
钢轨半年检所需时间（工作日）
车厂线检查所需时间（工作日）
道岔检查所需时间（工作日）
钢轨接头检查所需时间（工作日）
合计（工作日）
钢轨月检
24人
1000
40000
125
20
15
160
320
钢轨半年检
24人
1000
40000
21
20
15
185
241
基于上述分析和估算，提出以下建议：
1、把线路探伤周期从月检改为半年检，从而延长钢轨接头年检的作业时间，保证接头的检验质量是可行和可靠的。
2、因为手工数字超声波探伤仪对接头进行全面检查，对轨腰部位的要求比较高，为了保证探伤质量，建议对轨腰部分的焊筋先进行全面清理。
3、在新线验收过程中也要对轨腰部分的焊筋打磨质量提出要求。
4、为确保探伤质量，现有人员很难满足目前探伤作业的需要，应该适当增加探伤作业人员数量。
5、为提高探伤人员的水平，需增加探伤人员在焊接接头探伤方面的培训。
6、尽快购置大型探伤车，弥补钢轨母材探伤检测上的人力不足，集中精力确保钢轨焊缝准确探测。
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