張銀花，劉豐收，李闖，楊光，周韶博

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 金屬及化學研究所，北京100081）

1 研究背景

高速鐵路因其快捷便利，被世界各國追捧。從20世紀60年代開始，法國、日本、德國等國家加快了高速鐵路建設(shè)步伐。1970年，法國開始研究并修建高速鐵路；1981年9月，法國第1條高速鐵路巴黎—里昂（東南線）投入運營；1989—1990年，大西洋線建成；之后北方線、地中海線等新線陸續(xù)建成并投入運營。至2017年底，法國高鐵總里程超過2 696 km，一般速度300 km/h，最高速度320 km/h。高速鐵路已為法國帶來了巨大的社會和經(jīng)濟效益，也成為中長途出行選擇的交通工具［1］。

我國高速鐵路建設(shè)始于1998年，秦沈客運專線的開工拉開了我國高速鐵路建設(shè)的序幕，2003年秦沈客運專線全線建成通車，我國擁有了第1條客運專線，此后，京津、武廣、京滬等一大批高速鐵路陸續(xù)投入運營，我國鐵路開始邁入高速時代。盡管我國高速鐵路起步晚，但發(fā)展迅速，截至2019年底，已有高速鐵路3.5萬km，占世界高速鐵路里程的2/3，高速鐵路網(wǎng)四通八達，一般速度250、300 km/h，最高速度350 km/h，在全國范圍內(nèi)已形成發(fā)達的高速鐵路網(wǎng)。

鋼軌是鐵路運輸中的重要部件之一，伴隨著高速鐵路的快速發(fā)展，鋼軌技術(shù)取得了長足進步，實現(xiàn)了發(fā)展與創(chuàng)新。中法兩國在高速鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的配置及標準、維修養(yǎng)護技術(shù)和養(yǎng)護模式、動態(tài)與靜態(tài)監(jiān)測和檢測技術(shù)等方面有許多成功的經(jīng)驗，值得相互學習和借鑒。從鋼軌標準、生產(chǎn)制造、焊接鋪設(shè)、使用養(yǎng)護、檢測和監(jiān)測等方面，對比我國與法國高速鐵路鋼軌技術(shù)的差異，分析提出我國高速鐵路鋼軌技術(shù)的發(fā)展方向。

2 中法高速鐵路鋼軌技術(shù)

2.1 鋼軌標準

為滿足高速鐵路建設(shè)需求，需要制定出既體現(xiàn)先進水平、又符合本國實際，具有可操作性的鋼軌標準。歐洲鋼軌標準EN 13674.1《46 kg/m及以上T型鋼軌》于1994年提出初稿，標準對氫氧氮含量、夾雜物、脫碳層、鋼軌特殊性能指標以及鋼軌外觀質(zhì)量包括幾何尺寸公差、軌端和軌身平直度、表面缺陷等做出了定量要求，同時對鋼軌生產(chǎn)過程和設(shè)備進行了相應(yīng)規(guī)定，是當今世界上最為先進的鋼軌標準之一。該標準2003年正式頒布，在歐洲標準化委員會成員國內(nèi)實施［2］；2007年進行了第1次修訂，之后每隔幾年修訂1次，以適應(yīng)鐵路發(fā)展需要。法國鐵路在歐洲鋼軌標準頒布之前執(zhí)行法國標準；之后執(zhí)行歐洲標準。

我國高速鐵路鋼軌標準的制定始于1998年，為修建秦沈客運專線，原鐵道部組織原中國鐵道科學研究院（簡稱鐵科院）首次起草制定，2004、2007年進行修訂。2010年，在時速250 km和350 km鋼軌暫行技術(shù)條件的基礎(chǔ)上，參照歐洲鋼軌標準修訂情況，結(jié)合國內(nèi)高速鐵路相關(guān)科研成果和客運專線鋼軌生產(chǎn)和使用的經(jīng)驗，制定TB/T 3276《高速鐵路用鋼軌》標準，并于2011年8月開始實施［3］，目前正進行再次修訂。

與歐洲鋼軌標準相比，我國高速鐵路鋼軌標準在內(nèi)容、技術(shù)要求和指標上基本相同，除鋼軌斷面、長度、鋼種、引用標準不同外，個別指標存在差異（見表1），對比而言，我國高速鐵路鋼軌標準中的個別指標要求更加嚴格［4］。

表1 不同鋼軌標準技術(shù)要求對比

2.2 鋼軌制造技術(shù)

鋼軌制造技術(shù)主要包括煉鋼、軋鋼和精整技術(shù)。從70年代開始，隨著世界制造業(yè)的技術(shù)進步，煉鋼和軋鋼技術(shù)水平逐步提升。轉(zhuǎn)爐煉鋼逐步取代平爐煉鋼，萬能軋制取代孔型軋制，鋼軌鋼純凈度及鋼軌幾何尺寸公差、平直度、外觀質(zhì)量等大幅提升。鋼軌現(xiàn)代化的生產(chǎn)技術(shù)通?？筛爬椤熬珶挕薄熬垺薄熬薄伴L尺化”和“集中檢測”等5大技術(shù)，生產(chǎn)制造工藝流程見表2。

表2 鋼軌現(xiàn)代化生產(chǎn)制造工藝流程

法國鋼軌產(chǎn)品主要由煉鋼和軋鋼2家鋼廠協(xié)作完成。原Corus公司旗下的Soltac鋼廠專門生產(chǎn)鋼坯，1978年新建氧氣轉(zhuǎn)爐，90年代新建鐵水預(yù)脫硫和真空脫氣裝備，方坯連鑄始于1994年。法國Hayange軋鋼廠專門進行鋼軌軋制，1996—1998年該廠進行技術(shù)改造，發(fā)明了萬能軋制技術(shù)，可利用萬能軋機軋制80 m定尺長鋼軌，2000年前已實現(xiàn)鋼軌現(xiàn)代化的生產(chǎn)［5-6］。2011年，Hayange軋鋼廠又對軋制設(shè)備及熱處理生產(chǎn)線進行技術(shù)改造，改造后可生產(chǎn)108 m定尺長熱軋和熱處理鋼軌，供全法鐵路使用。法國鋼軌內(nèi)部質(zhì)量和幾何尺寸、平直度等處于國際領(lǐng)先水平。

我國鋼軌生產(chǎn)制造企業(yè)在70年代開始針對煉鋼進行技術(shù)改造，轉(zhuǎn)爐煉鋼替代平爐煉鋼，不僅鋼水質(zhì)量好，且節(jié)能、成本低。2003年起，國內(nèi)鋼廠開始引進國外先進設(shè)備，萬能軋制取代孔型軋制，鋼軌幾何尺寸和平直度控制水平等均大幅提升。2004年，攀鋼集團有限公司建成世界一流水平的萬能生產(chǎn)線，是國內(nèi)第1家、全球第3家采用萬能軋制工藝生產(chǎn)制造100 m定尺長的鋼軌企業(yè)，2004年12月生產(chǎn)制造出國內(nèi)第1支100 m長定尺鋼軌。之后，國內(nèi)其他鋼軌生產(chǎn)制造企業(yè)先后完成現(xiàn)代化的技術(shù)改造，均具備現(xiàn)代化生產(chǎn)鋼軌的能力，可滿足我國鐵路快速發(fā)展的需要［7-8］。

我國攀鋼集團有限公司與法國鋼軌生產(chǎn)設(shè)備和工藝流程基本相同，均采用轉(zhuǎn)爐煉鋼、7機架萬能軋制、平立復(fù)合矯直、在線自動化檢測等技術(shù)，國內(nèi)其他鋼軌生產(chǎn)制造企業(yè)采用5機架萬能軋制、VD真空脫氣，工藝流程略有不同。

2.3 鋼軌焊接體系

法國高速鐵路建設(shè)始于20世紀70年代，鋼軌焊接體系是將72 m定尺長鋼軌焊接成約360 m長鋼軌，采用鋁熱焊接的方式進行單元軌節(jié)和鎖定焊接。我國高速鐵路鋼軌的焊接體系為在焊軌基地采用固定式閃光焊接，將100 m定尺長鋼軌焊接成500 m長鋼軌，采用移動閃光焊的方式進行單元軌節(jié)和鎖定焊接，僅道岔區(qū)采用鋁熱焊接。我國鋼軌焊接體系在鋼軌定尺長度、焊接鋼軌長度及焊接方法等方面均處于世界先進水平［9］。

2.4 鋼軌使用及維修養(yǎng)護

2.4.1 鋼軌合理選用

高速列車具有軸重輕、速度快等特點，對鋼軌安全性和平順性有較高要求。高安全性要求主要體現(xiàn)在鋼質(zhì)潔凈、表面無缺陷、優(yōu)良的韌塑性及焊接性；高平順性要求主要體現(xiàn)在保持優(yōu)良的輪軌關(guān)系，直接影響高速列車運行品質(zhì)、輪軌部件使用壽命及維護成本。中法兩國在鋼軌選用方面具有各自的技術(shù)體系。

（1）鋼軌強度等級。1981年，法國修建巴黎—里昂高速鐵路時，鋪設(shè)UIC700鋼軌，強度等級700 MPa級，后來再修建的鐵路直線和曲線均廣泛鋪用UIC 900A鋼軌，強度等級880 MPa級。歐洲規(guī)定車速在200 km/h以上時，選用ER7和ER8車輪，標準規(guī)定輪輞硬度≥245 HB，實際輪軌硬度比接近1∶1［10］。

我國修建秦沈客運專線時，在300 km/h試驗區(qū)段（山海關(guān)—遂中北66.8 km）鋪設(shè)880 MPa級的UIC900A（相當于U71MnK）鋼軌，在其他區(qū)段鋪設(shè)U75V鋼軌，強度等級980 MPa級。通過對鋼軌材質(zhì)強度的選擇及鋼軌化學成分的優(yōu)化研究，借鑒國外高速鐵路鋼軌的材質(zhì)強度選用及對我國既有線提速區(qū)段鋼軌使用情況的長期跟蹤研究結(jié)果，提出我國高速鐵路鋼軌強度的選用原則，即200 km/h以上高速客運鐵路選用880 MPa級的U71Mn鋼軌，200～250 km/h兼顧貨運鐵路選用980 MPa級的U75V鋼軌［11］。我國從2007年開始逐步引進動車組列車，其中車輪材質(zhì)主要有歐洲標準ER8、ER8C，標準規(guī)定輪輞硬度≥245 HB。實際車輪硬度略低于鋼軌硬度［12］。

中法高速鐵路鋼軌化學成分及性能指標見表3。

（2）鋼軌型面。法國高速鐵路采用1∶20軌底坡，鋪設(shè)UIC60鋼軌，鋼軌廓形為60E1（見圖1）。法國TGV高速列車主要采用1∶40錐形踏面，輪軌型面匹配關(guān)系較為單一，為1種鋼軌廓形與1種車輪型面匹配。

我國高速鐵路軌底坡為1∶40，鋪設(shè)CHN60鋼軌，2014年以前采用TB60廓形。針對我國高速鐵路運營初期出現(xiàn)的輪軌型面匹配不良問題，鐵科院通過對輪軌關(guān)系理論的深入研究及應(yīng)用實踐，優(yōu)化設(shè)計出可顯著改善輪軌關(guān)系的60N廓形（已納入鐵道行業(yè)標準），并研發(fā)了60N鋼軌及高速鐵路鋼軌打磨技術(shù)。相對于TB60廓形，60N廓形重點優(yōu)化了軌距角圓弧幾何尺寸，輪軌接觸位置直線區(qū)段移向踏面中心，曲線區(qū)段形成共形接觸（見圖2）。2014年以后，60N鋼軌在新建高速鐵路中廣泛應(yīng)用，并取得了良好的應(yīng)用效果［13-15］。我國高速鐵路輪軌型面匹配關(guān)系較為復(fù)雜，主要為1種鋼軌廓形與4種技術(shù)平臺5種車輪型面匹配［1，13］，對鐵路運營維護工作提出更高要求。

圖1 60E1鋼軌廓形

圖2 TB60和60N鋼軌型面對比（虛線為60N）

2.4.2 鋼軌服役現(xiàn)狀及典型傷損

我國高速鐵路軌道分無砟軌道和有砟軌道2種類型，高速純客運鐵路鋪設(shè)無砟軌道，客貨混運鐵路鋪設(shè)有砟軌道，無砟軌道占比高。自京津城際開通運營至今，高速鐵路最長運營時間已超過10年，鋼軌的使用情況總體良好。隨著運營時間的增加，鋼軌出現(xiàn)了一些傷損。據(jù)2016年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，鋼軌母材傷損僅占傷損總量的0.6%，主要傷損形式為焊接接頭傷損及鋼軌擦傷，二者合計約占傷損總量的80%。此外，道岔鋼軌件傷損相對較多，主要包括軌件魚鱗紋、剝離掉塊和鋼軌肥邊。其他傷損形式還有隱傷、波磨、小半徑曲線側(cè)磨等［16］。我國鋼軌典型傷損見圖3。

圖3 我國鋼軌典型傷損

法國高速鐵路最高運營速度超過300 km/h，但軌道以有砟軌道為主。鋼軌主要傷損類型有疲勞傷損（魚鱗紋）、道砟飛濺造成的傷損、隱傷、波磨、焊接接頭傷損等。疲勞傷損（魚鱗紋）主要發(fā)生在道岔區(qū)，表面缺陷主要發(fā)生在直線，直線和曲線上均出現(xiàn)鋼軌波磨。對比可知，除了由道砟飛濺造成的軌頂面?zhèn)麚p外，法國鋼軌傷損類型與我國差異較小。法國鋼軌典型傷損見圖4。

圖4 法國鋼軌典型傷損

2.4.3 鋼軌檢查與修理

法國國家鐵路公司（SNCF）檢測列車每2周對軌道進行1次檢測，另有6輛檢測車可加掛在運營列車上，每6周進行1次探傷作業(yè)。利用高速拍照和高速攝像等技術(shù)檢查軌面缺陷，重視對檢測數(shù)據(jù)的記錄、分析和處理，自動化、信息化程度較高，已積累大量的檢測數(shù)據(jù)，用來指導(dǎo)科學維護。

法國高速鐵路在新線開通運營前或鋼軌更換后進行鋼軌預(yù)打磨，主要為了消除軌頭表面約0.3 mm深的脫碳層；消除運輸、鋪設(shè)作業(yè)產(chǎn)生的軌面0.3 mm深度以下碰傷；消除鋼軌制造過程中產(chǎn)生的周期不平順；恢復(fù)軌頭斷面設(shè)計形狀。目前在法國國家鐵路網(wǎng)上的預(yù)防性打磨實行分級打磨策略。SNCF利用數(shù)理統(tǒng)計方法研究普速鐵路最佳預(yù)防性打磨周期，通過分析現(xiàn)場鋼軌使用臺賬數(shù)據(jù)，結(jié)合鋼軌各項維護成本，建立了總維護成本與預(yù)防性打磨深度和周期三者間的函數(shù)關(guān)系，通過計算得出總維護成本最小的打磨周期約為2～4年，打磨深度約為0.3 mm［17］。而對于高速鐵路，預(yù)防性打磨周期為1年，每次打磨約0.1 mm，主要目的是消除道砟飛濺引起的鋼軌表面?zhèn)麚p及預(yù)防鋼軌接觸疲勞傷損，同時降低噪聲［18］。修理性打磨主要為及時修理表面缺陷，修磨深度最大可達3 mm。

我國高速鐵路采用綜合檢測列車、車載式線路檢查儀等檢測設(shè)備對線路進行周期性檢查，綜合檢測列車每10～15 d檢查1遍。鋼軌檢查采用以探傷車為主、探傷儀為輔的方式，對正線鋼軌進行周期性探傷，每年檢查不少于7遍；使用鋼軌探傷儀對正線鋼軌每年檢查1遍，對正線道岔及調(diào)節(jié)器的鋼軌每月檢查1遍。個別檢查項目例如鋼軌廓形、光帶等仍依賴人工檢測，自動化程度相對較低。

我國于20世紀80年代開始引進鋼軌打磨車和打磨技術(shù)，雖然起步晚，但發(fā)展快。目前，打磨列車已經(jīng)國產(chǎn)化，打磨技術(shù)也實現(xiàn)了創(chuàng)新。我國高速鐵路對鋼軌實施預(yù)打磨、預(yù)防性打磨及修理性打磨。預(yù)打磨和修理性打磨技術(shù)與法國基本相同。預(yù)防性打磨周期較法國長，一般2～4年，通過總質(zhì)量超過60 Mt，打磨深度通常小于0.3 mm。隨著鋼軌維護技術(shù)經(jīng)驗的積累，鋼軌打磨周期將延長［19-21］。

2.4.4 鋼軌和焊接接頭傷損修復(fù)

法國鋼軌傷損修復(fù)主要采用打磨、插入短軌和焊補的方式進行。其中，焊補修復(fù)是采用電弧焊接方式，在鋼軌表面堆焊一層金屬，適用于深度在2～15 mm，長度不超過500 mm的傷損，這一技術(shù)在SNCF廣泛使用［22］；另一種焊補方式是將鋼軌傷損部位去除，采用鋁熱焊方法修復(fù)（見圖5）。對于焊接接頭傷損，多采用原位焊技術(shù)，即切除傷損焊接接頭，采用鋁熱焊接，在傷損接頭處實施原位焊接修復(fù)，修復(fù)后，焊接接頭寬度55 mm或68 mm，原位焊修復(fù)技術(shù)已在線路上成熟應(yīng)用。

圖5 法國鐵路鋼軌傷損修復(fù)示意圖

我國鐵路鋼軌和焊接接頭傷損修復(fù)主要采用打磨、插入短軌和更換的方式進行。其中，高速鐵路插入短軌的長度不小于20 m，兩端主要采用鋁熱焊接的方式焊連，正在實踐插入短軌的始端采用閃光焊、尾端采用鋁熱焊技術(shù)。高速鐵路正線禁止鋼軌焊補。對于傷損焊接接頭，中國鐵道科學研究院集團有限公司正在研究原位焊接修復(fù)技術(shù)，目前已通過技術(shù)評審，將在高速鐵路推廣應(yīng)用。相比較而言，我國鋼軌和焊接接頭傷損修復(fù)技術(shù)安全，但稍顯落后，且不經(jīng)濟。

2.4.5 鋼軌大修周期

大修換軌周期主要由鋼軌磨耗、重傷率以及成本因素等確定。目前世界各國鐵路鋼軌的大修周期主要由4種方式確定:（1）由通過總質(zhì)量確定；（2）根據(jù)每公里鋼軌重傷的根數(shù)確定；（3）根據(jù)鋼軌的狀態(tài)，即鋼軌傷損、磨耗、每公里傷損數(shù)量，并結(jié)合通過總質(zhì)量來確定；（4）僅根據(jù)鋼軌磨耗量確定。

國際鐵路聯(lián)盟UIC對鋼軌部件的全生命周期提出推薦性意見。高速線路上，鋼軌的生命周期由鋼軌傷損數(shù)量和頻率及相關(guān)的維修成本確定，對于900 MPa強度等級鋼軌，大修周期600～700 Mt。不同速度的客貨共線、風沙侵蝕等會降低鋼軌的生命周期［23］。日本按照通過總質(zhì)量確定大修周期，規(guī)定直線鋼軌500～600 Mt通過總質(zhì)量更換鋼軌。法國第一條高鐵線路巴黎—里昂，根據(jù)統(tǒng)計分布可計算出使用壽命30年。2015年，該線路因磨耗到限，開始更換鋼軌，鋼軌實際壽命達34年。

我國鐵路鋼軌使用情況表明，直線及大半徑曲線鋼軌磨耗量較小，其使用壽命主要受鋼軌的重傷率影響。我國鋼軌的大修周期由通過總質(zhì)量和重傷率共同決定。根據(jù)鋼軌使用壽命的大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，結(jié)合仿真計算及對安全性和經(jīng)濟性的評估，研究確定了我國普速鐵路無縫線路60 kg/m鋼軌大修周期為1 000 Mt，每公里傷損量2～4處［24］。高速鐵路鋼軌尚無明確的大修周期規(guī)定，目前已開展了初步研究。從鋼軌材質(zhì)、載荷條件、通過總質(zhì)量及服役環(huán)境等因素分析的基礎(chǔ)上，高速鐵路鋼軌的大修周期還應(yīng)重點考慮軌道的薄弱環(huán)節(jié)，如鋁熱焊頭、膠結(jié)絕緣接頭、銹蝕、重傷等因素加以制定［25］。

3 結(jié)束語

法國高速鐵路技術(shù)走在世界前列，在鋼軌標準、生產(chǎn)制造、使用維護等方面積累了許多成熟的經(jīng)驗。我國高速鐵路鋼軌標準已和歐洲國家接軌，鋼軌制造裝備和工藝、實物質(zhì)量水平等已達世界先進水平。但在基礎(chǔ)研究、運營維護等方面仍與法國等高速鐵路發(fā)達國家存在差距，可借鑒法國高速鐵路鋼軌技術(shù)成熟的經(jīng)驗，結(jié)合我國實際情況，繼續(xù)開展輪軌關(guān)系深化研究，繼續(xù)提高檢測和監(jiān)測技術(shù)水平，應(yīng)用大數(shù)據(jù)指導(dǎo)養(yǎng)護維修和經(jīng)濟運營策略的制定，實現(xiàn)狀態(tài)修和經(jīng)濟修。在前期鋼軌技術(shù)的研究和應(yīng)用基礎(chǔ)上，走出適合我國國情的創(chuàng)新發(fā)展之路。