철도 레일의 훼손 및 시험

초음파탐상 장비로 레일 점검하는 모습

 

□ 레일의 시험(testing)

1) 인장시험：공시체는 동일 용강 번호에 속하는 모든 강괴를 1조로 하며, 시험편은 KSB 0801의 금속재료 인장시험편에 규정한 4호 시험편으로 한다. 시험방법은 KSB0802 금속재료 인장시험방법의 규정에 따른다.

2) 낙중시험：공시체는 인장시험편을 채취한 이외의 임의의 강괴로부터 압연된 레일의 강괴 머리 부분 쪽을 끊어버린 부분의 뒤 끝으로부터 채취한다. span이 914mm의 2지점위에 레일을 얹어 놓고 그 중앙에 907kg의 추를 규정된 높이에서 자유낙하시켜 부러짐, 터짐, 결손 등의 이상이 없어야 한다.

3) 휨(bending) 시험：span이 1m인 레일중앙에 소정의 하중을 재하시킬 때의 처짐량과 하중을 제거한 후의 영구 처짐량을 조사한 후 파단될 때까지 재하시켜 파단하중을 조사한다.

4) 경도시험：이 시험은 레일 살 붙이기 용접부시험 이외에는 참고로 하는 것이며, 부리넬(brinell) 경도는 평균 HB 250정도이다.

5) 파단시험：낙중시험에 합격한 시험편을 파단시켜 단면에 홈이 있는가를 조사한다.

6) 피로시험：피로시험기로 시험편시험 및 원형레일의 피로시험을 한다.

 

열차하중으로 레일에 피로현상이 생기게 되는데, 피로한도에 도달하면 레일은 급격히 파손된다. 그러므로 훼손, 부식, 마모현상이 비교적 적은 직선상에서는 외적으로 양호한 레일이라 할지라도 피로한도에 도달한 레일은 갱환해 주어야 하는데 열차의 누적 통과톤수로 레일종류에 따라 피로한도를 감안하여 레일갱환주기를 준수해야 한다.

 

 

□ 레일의 훼손 원인

레일이 외력의 작용과 레일자신이 보유하는 내부결함 또는 양자의 결함으로 사용불능 상태로 되는 것을 훼손이라 하며, 주요 원인은 다음과 같다.

1) 레일 제작 중 강괴(ingot) 내부의 결함 또는 압연작업의 불량 등으로 품질적인 결함을 발생케 한다. 또한 압연할 때 가스(gas)에 의하여 내부에 공기공을 내포시키거나 냉각수축에 의하여 중앙부에 관상의 줄이 발생한다.

2) 레일의 취급방법과 부설방법이 불량할 때

3) 레일의 단면이 하중에 비하여 약할 때

4) 부식, 이음매부 레일 끝 처짐(rail batter)등으로 레일상태가 악화될 때

5) 궤도보수상태가 불량 일 때

6) 차량불량과 탈선, 전복사고가 발생할 때

 

 

□ 레일의 훼손 현상

⑴ 유궤, 좌궤

레일이 열차의 반복하중을 받아서 두부정부의 일부가 궤간 내측으로 찌그러지거나 또는 정부의 전부가 압좌되어서 얕아지는 현상이다.

⑵ 종열, 횡열

종열은 두부의 연직면에 따라서 발생되며, 때로는 복부의 볼트 구멍에 따라 발생된다. 횡열은 두부 내부에 발생된 핵심 균열이 반복하중에 의하여 발달된다. 종렬과 횡렬은 레일내부의 결함이 그 주위에 전파되는 것으로 균열이 발생하기 시작하면 급속히 레일을 파단시키게 되거나 외부에서는 발견하기 곤란하므로 주의해야 한다.

⑶ 파단(split web at rail end), 파저(broken base)

파단은 이음매 볼트 부근이 응력집중이 원인으로 되어 방사선상으로 발생하는 균열이 대부분이며 경우에 따라서는 두부와 복부에 발생하는 것도 있고 레일 훼손의 총수의 약 50%를 점유한다. 파단 방지대책은 터널 내 갱환 주기 파악, 국부적 노반침하 점검 등 응력조건 개선이다. 레일 저부가 레일 못과 침목과의 지나친 밀착관계로 파손되는 것을 파저라 한다.

⑷ 상복부균열, 하복부균열

레일 두부와 복부가 상접한 상복부, 복부와 저부가 상접한 하복부는 큰 응력을 받으므로, 이 부분에 균열이 발생하는 현상을 전자의 경우를 상복부균열이라 하고 후자의 경우를 하복부균열이라 한다.

⑸ 절 손

레일이 완전히 부러지거나 또는 절손되게 하는 대횡렬이 발생하는 것으로 내부결함이 원인으로 되며 경질레일에서 많이 일어난다. 절손은 내부적인 진행과정 후 돌발적으로 발생하기 쉽다.

⑹ 손 상

불량차륜, 차량의 공전, 급격한 제동, 레일못을 박을 때의 해머(hammer)자국이 레일을 손상시켜 레일의 수명을 단축시킬 수 있다.

⑺ 흑점균열

고속중량운전에서 곡선외 궤두부에 흑색반점상의 균열이 발생하는 경향이 있다. 침목과 레일 접촉부의 큰 압력으로 상처를 발생케 하여 표면에 나타난 부분은 작은 균열이라도 레일부에서는 큰 횡열로 발달되어 두부의 대부분에 균열이 퍼져있는 수가 있다.

 

 

□ 레일의 내구연한(durability of rail)

레일의 내구연한은 훼손, 부식, 마모 등의 3요인에 의하여 결정된다. 일반적으로 레일의 수명은 열차의 통과톤수, 차량중량을 또는 궤도가 해변이나 터널 등 부설된 조건에 따라 일정치 않으나 대략 직선부는 20~30년, 해안에서는 12~16년, 터널내에서는 5~10년 정도이다. 최근 급곡선(R=400이하)에는 편마모로 갱환주기가 잦아 레일의 두부를 열처리하여 경도를 높인 경두레일을 곡선외측에 부설하여 수명을 연장시키고 있다.

 

 

□ 레일의 마모(wear of rail)

레일과 차륜은 접촉면적이 적은 상태에서 차륜이 주행하므로 레일면은 강한 마찰로 마모되게 된다. 이 현상은 레일이 무르고, 경량레일일수록, 직선보다 곡선의 외궤가, 곡선반경이 적을수록, 평탄선보다는 구배선이 심하며, 열차중량, 속도, 통과 ton수가 많을수록 마모진행이 빠르다. 이와는 달리 레일의 길이 방향으로 수cm간격으로 파형으로 마모되는 파상마모(corrugation)현상이 있으나 이것은 도상이 과도하게 견고한 개소와 콘크리트도상 등 레일의 지승체가 견고하여 탄력성이 부족하고 불균일하여 발생한다. 레일마모는 레일의 경질화, 마모방지레일 부설 및 도유의 실시로 경감시킬 수 있다.