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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 1998~2006년까지 서울메트로의 궤도 유지관리 이력을 조사하여 레일용접부에서 발생하는 손상현황을 알아보았다.
- 따라서 본 연구에서는 국내외 레일교체주기 산정에 관한 기준 및 근거자료 검토, 레일용접부 손상유형 및 원인조사, 서울메트로의 궤도유지관리 이력조사 및 교체시기에 도래한 노후 레일 용접부에 대한 휨강도시험을 통해 현 누적통과 톤수에 의한 레일교체기준의 개정을 위한 기초자료를 제시하고자 하였다.
- 본 연구는 현행 누적통과톤수에 의한 국내 레일 교체기준의 타당성을 분석하기 위한 기초연구로써 국내 - 외 레일 교체기준 조사, 국내 - 외 연구동향, 궤도유지관리이력조사 및 실내시험을 실시하였다. 이에 대한 연구결과를 정리하면 다음과 같다.
제안 방법
- 노후레일용접부와 신규레일용접부에 대한 휨 강도를 비교하여 노후레일용접부에 대한 내구성을 비교.평가하고자 누적 통과 톤수에 의한 레일교체기준에 도래한 10개의 50kg/m 용접레일시편테르밋 5개, 가스압접 5개)에 대하여 휨강도시험을 수행하였으며 시편에 대한 기본사항은 Table 5에 나타내었다.
- 레일연마에 의한 요철 제거의 효과를 알아보기 위해 동적 해석모델을 개발하여 레일저부응력을 산정하였으며 , 피로시험 결과 도출한 S-N선도에 이를 적용하여 피로수명을 산정하였다. 평가결과 Fig.
- 수행한 시험결과와 비교 . 분석하고자 하였으며, 일본 철도총련에서 사용한 시험레일은 JIS에서 정한 50kg N레일로 하중은 두부에서 하중을 가하는 방법을 사용했다. 한편, JR 동일본에서 제시한 레일용접부의 휨강도시험 기준표는 Table 6과 같다.
- 시험방법은 Fig. 10에서와 같이 교체시기에 도래한 노후레일을 현장에서 채취하여 용접부가 중앙에 위치하도록 길이 L2m로 절단하였으며, 용접부를 중심으로 지점간의 거리를 1.0m로 하여 용접부를 가압하되 레일두부를 상면으로 놓고 정적재하시험을 하였다. 휨강도시험 시 하중은 레일 두부에 재하하였으며 이때 충격하중이 작용하지 않도록(정하중시험을 만족하도록) KS 시험방법을 따랐다.
- 이것은 반복적인 열차하중에 의해 점점 커지게 되고 레일저부응력을 중가시킨다. 이 패임을 제거하기 위해 레일연마를 실시할 것을 제안하였으며 궤도 동적시뮬레이션을 통해 레일저부응력을 추정하고 신규레일용접부의 S-N선도에 이를 적용하여 피로수명을 산정하였다. 해석결과 신규 50kg N 레일에서 7억톤, 60kg N레일에서 10억톤까지 교체주기의 연장이 가능한 것으로 나타났으며, 재하이력이 50kg N 일에서 4억톤미만, 60kg 레일에서 5억톤미만일 경우 레일연마를 통해 설정한 교체기준을 만족하지만 그 이상의 재하이력일 경우 종래의 교체기준을 그대로 적용할 것을 제안하였다.
- 노후레일용접부에 대한 내구성을 비교.평가하고자 누적 통과 톤수에 의한 레일교체기준에 도래한 10개의 50kg/m 용접레일시편테르밋 5개, 가스압접 5개)에 대하여 휨강도시험을 수행하였으며 시편에 대한 기본사항은 Table 5에 나타내었다. 레일휨강도시험을 위해 정격하중 300tonf?l UTM 을 사용하였다.
- 산정하였다. 휨 피로시험을 위한 노후 레일 용접부 시편은 궤간 1, 435mm, 누적통과톤수 3억 8천만톤의 신칸센 레일과 궤간 1, 067mm, 누적통과톤수 5억 4천만 톤의 협궤레일을 발췌하여 피로시험을 수행하였다.
데이터처리
- 또한, 일본 철도총련에서 시행한 용접강도시험 결과를 본연구에서 수행한 시험결과와 비교 . 분석하고자 하였으며, 일본 철도총련에서 사용한 시험레일은 JIS에서 정한 50kg N레일로 하중은 두부에서 하중을 가하는 방법을 사용했다.
이론/모형
- 파괴확률 50%에 대한 노후레일용접부의 S-N선도를 적은 시편 개수에 대한 가중치 확률 해석기법을 통해 Fig. 1과 같이 얻었다. 여기서 용접방법에 따른 파단 반복횟수의 차이는 뚜렷하지 않았으며, 레일용접부의 파괴는 모두 레일 저부에서부터 발생하였다.
- 0m로 하여 용접부를 가압하되 레일두부를 상면으로 놓고 정적재하시험을 하였다. 휨강도시험 시 하중은 레일 두부에 재하하였으며 이때 충격하중이 작용하지 않도록(정하중시험을 만족하도록) KS 시험방법을 따랐다.
성능/효과
- 누적통과톤수에 의한 장대레일교체기준의 산정 근거인 테르밋 용접부의 손상원인을 조사해본 결과, 테르밋 용접부의 경우 “lack of fusion(용접금속과 레일 사이의 융합불량)' 과 ''centerline 아irinkage응고중 레일 움직임에 의해 발생한 균열)”에 의해 주로 발생하였고 다른 원인으로는 “porosity(불순물에 의해 레일내부에 생성된 다수의 큰 기포)”와 "stress concentratioii(테르밋 용접부에서 레일 저부의 응력집중)'' 등에 의해 레일저부 횡방향 균열이 나타났다. 또한, 가스압접의 경우에는 레일저부의 횡방향 균열 손상은 90% 이상이 “trimming ciacks”와 'Tepaif에 의해 형성되었다.
- (2) 국내 - 외 연구결과 레일연마를 통한 레일두부 요철 제거로 레일의 사용수명 연장이 가능한 것으로 분석되었으나, 현재 국내 철도운영기관들에서는 주기적인 레일연마를 실시하고 있음에도 불구하고 누적통과톤수에 의한 레일 교체 주기를 그대로 적용하고 있어 비합리적인 레일 교체가 이루어지고 있는 것으로 분석되었다.
- (3) 궤도유지관리이력조사결과, 레일의 절손 및 손상 원인은 반복적인 피로하중에 의해서만 발생하는 것이 아니고 다양한 원인에 의해서 발생되며, 레일탐상차를 이용한 결함검출과 연마차를 이용한 레일관리 효과가 있음을 확인하였다.
- (4) 교체시기에 도래한 노후레일용접부의 사용성 평가를 위한 레일휨강도시험결과, 노후레일용접부의 경우 일본의 신규 레일 용접부와 비교하여 약 17~18% 저하된 것으로 나타났으나 일본에서 제시하는 레일휨 강도시험기 준치를 만족하였으며, 노후레일용접부의 내구성 및 내하력은 사용성 측면에서 안전한 것으로 분석되었다.
- (5) 따라서 장대레일용접부를 기준으로 산정한 누적 통과 톤수에 의한 레일교체기준 산정은 비합리적인 것으로 판단되며, 레일절손 및 손상을 관리하기 위해서는 손상의 유형을 파악하여 평가등급을 구분하고 유형에 따른 적정유지보수 방법을 선정하여 관리하는 것이 보다 합리적인 것으로 판단된다.
- 1% 에서 평가된 사용수명으로부터 60kg(8억톤)와 50kg N(6억 톤) 레일의 교체주기는 3억톤을 연장할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 레일연마를 통해 실제적으로 1~2억톤의 교체 주기 연장이 가능할 수 있음을 제시하였다. 이 결과 값들은 기존의 연구들에 기초하여 레일연마를 통해 레일 표면요철을 제거할 수 있으며 레일저부에서 발생하는 응력을 감소 시켜 레일교체주기를 연장시킬 수 있음을 입증하였다[7].
- 18%로 나타나 경미한 것으로 조사되었다. 따라서 모재부 및 용접부와 같은 일반레일의 경우 연마에 의한 꾸준한 관리로 손상을 줄일 수 있어 손상발생빈도가 적은 것으로 판단되며, 이음매부 및 분기기와 같이 구조적으로 취약한 개소는 상대적으로 손상수가 높게 나타났다.
- 60kg-8억톤)하였다. 또한, 개정된 누적통과톤수에 따른 레일교체기준은 반드시 레일을 교체해야하는 기준치가 아니고 궤도정비를 위한 참고수치(목표치)로 적용하여 레일을 관리하고 있는 것으로 조사되었다.
- 본연구에서 수행한 노후레일용접부의 휨강도시험결과 최대 파괴하중은 신규레일에 비해 약 17~18% 저하되었으나 시험기준을 만족하였으며, 가스압접의 경우가 테르밋 용접부의 평균 파괴강도보다 약 19% 높게 나타나 가스압접이 테르밋 용접보다 내구성이 우수한 것으로 분석되었다. 또한, 교체 시기에 도달한 레일임에도 불구하고 탄성영역 및 소성 영역에 도달하는 하중과 변위의 최대치가 높은 수준을 유지하고 있는 것으로 분석되어 선로정비규정에 제시된 누적 통과 톤수에 의한 레일교체기준에 도래한 노후레일용접부는 사용성 즉면에서 충분한 내구성 (durability), 내하력 (load carrying capacity)을 확보하고 있는 것으로 분석되었다.
- 레일장대화에 따라 2003년도와 2006년도에 용접수가 증가하였으며, 2001년 이후 레일손상수의 감소는 Fig. 8에서와 같이 레일연마량의 증가에 따른 레일두부의 요철 제거로 레일 수명연장 효과에 의한 것으로 판단된다. 또한, 주기적인 궤도 유지관리로 적정 수준의 궤도상태를 유지하였기 때문이라 판단된다.
- 본 연구에서 수행한 노후레일용접부와 국내 기존 연구 결과 분석된 신규레일용접부의 시험결과가 일본의 시험결과와 차이가 있는 이유는 국내 레일강과 일본 레일강의 재료적 차이 및 용접 품질의 차이에서 기인한 것으로 판단된다. 본연구에서 수행한 노후레일용접부의 휨강도시험결과 최대 파괴하중은 신규레일에 비해 약 17~18% 저하되었으나 시험기준을 만족하였으며, 가스압접의 경우가 테르밋 용접부의 평균 파괴강도보다 약 19% 높게 나타나 가스압접이 테르밋 용접보다 내구성이 우수한 것으로 분석되었다.
- 본연구에서 수행한 노후레일용접부의 휨강도시험결과 최대 파괴하중은 신규레일에 비해 약 17~18% 저하되었으나 시험기준을 만족하였으며, 가스압접의 경우가 테르밋 용접부의 평균 파괴강도보다 약 19% 높게 나타나 가스압접이 테르밋 용접보다 내구성이 우수한 것으로 분석되었다. 또한, 교체 시기에 도달한 레일임에도 불구하고 탄성영역 및 소성 영역에 도달하는 하중과 변위의 최대치가 높은 수준을 유지하고 있는 것으로 분석되어 선로정비규정에 제시된 누적 통과 톤수에 의한 레일교체기준에 도래한 노후레일용접부는 사용성 즉면에서 충분한 내구성 (durability), 내하력 (load carrying capacity)을 확보하고 있는 것으로 분석되었다.
- 손상부위별 현황을 조사해본 결과 Fig. 9와 같이 접착절연이음매, 일반이음매, 분기기, 신호본드용접부, 모재부, 용접부의 순으로 전체 손상부위별 현황 중 용접부가 차지하는 비율은 5.18%로 나타나 경미한 것으로 조사되었다. 따라서 모재부 및 용접부와 같은 일반레일의 경우 연마에 의한 꾸준한 관리로 손상을 줄일 수 있어 손상발생빈도가 적은 것으로 판단되며, 이음매부 및 분기기와 같이 구조적으로 취약한 개소는 상대적으로 손상수가 높게 나타났다.
- 5는 각 용접방법별 손상유형에 따른 손상수이다. 손상유형 및 손상수는 용접방법에 따라 다르게 나타나며, 테르밋 용접부(TW)와 가스압접부(GPW)에서는 레일 저부에서 시작된 횡방향 균열의 비율이 가장 높았다. 후레쉬 버트 용접부(FBW}의 손상수 절반은 레일복부에서 시작된 종 방향균열이 대부분이며, 테르밋 용접부의 레일두부에서의 횡 방향 균열과 엔크로즈드 아크 용접부(EAW)의 레일 복부에서의 종방향 균열은 1건도 발생하지 않은 것으로 나타났다.
- 13은 테르밋 용접부와 가스압접부 시편에 대한 시험결과이며, 이를 일본에서 제시한 기준치 및 신규 레일 용접 부에 대한 평균치와 비교하였다. 시험결과 테르밋과 가스압접은 각각 1개의 시편만이 기준을 만족하지 못하였고, 4개의 시편은 모두 기준치를 만족하였다. 기준치를 만족하지 못한 1개의 시편은 용접 시 발생할 수 있는 결함에 의한 것으로 판단된다.
- 실제로 레일 교체기준에 도래하여 레일이 절손된 경우는 1건이였으며, 나머지 레일절손은 기준치 이상 또는 이하에서 절손된 것으로 나타났다. 여기서 레일절손은 주기적인 레일탐상 및 순회 점검에 의해 검출되었으며, 레일탐상차 투입이후 손상부 검출이 증가하였고 레일연마차 투입이후 손상수가 점차 감소하는 것으로 분석되었다. 또한, 누적통과톤수에 따른 레일 절손의 상관관계는 뚜렷하게 나타나지 않았다.
- 따라서 레일연마를 통해 실제적으로 1~2억톤의 교체 주기 연장이 가능할 수 있음을 제시하였다. 이 결과 값들은 기존의 연구들에 기초하여 레일연마를 통해 레일 표면요철을 제거할 수 있으며 레일저부에서 발생하는 응력을 감소 시켜 레일교체주기를 연장시킬 수 있음을 입증하였다[7].
- 6은 연도별 시공한 용접수와 발생한 손상수를 보여준다. 전체 용접수 중 가스압접이 약 80%, 테르밋 용접이 약 19%를 차지하고 있었으며, 손상수는 테르밋 용접이 약 61%, 가스압접이 약 39%를 차지하고 있는 것으로 조사되었다. 이는 앞에서 조사된 일본의 레일손상빈도와 비슷한 양상을 보이며, 테르밋 용접은 적은 시공수에도 불구하고 손상 수가 높은 것으로 나타났다.
- 평가결과 Fig. 2와 같이 신칸센에서 60kg 레일 (6억톤)의 교체주기는 누적통과톤수 1억톤당 0.1mm 레일연마로 3억톤을 연장할 수 있으며, 협궤에서는 파괴확률 0.1% 에서 평가된 사용수명으로부터 60kg(8억톤)와 50kg N(6억 톤) 레일의 교체주기는 3억톤을 연장할 수 있는 것으로 나타났다. 따라서 레일연마를 통해 실제적으로 1~2억톤의 교체 주기 연장이 가능할 수 있음을 제시하였다.
- 이 패임을 제거하기 위해 레일연마를 실시할 것을 제안하였으며 궤도 동적시뮬레이션을 통해 레일저부응력을 추정하고 신규레일용접부의 S-N선도에 이를 적용하여 피로수명을 산정하였다. 해석결과 신규 50kg N 레일에서 7억톤, 60kg N레일에서 10억톤까지 교체주기의 연장이 가능한 것으로 나타났으며, 재하이력이 50kg N 일에서 4억톤미만, 60kg 레일에서 5억톤미만일 경우 레일연마를 통해 설정한 교체기준을 만족하지만 그 이상의 재하이력일 경우 종래의 교체기준을 그대로 적용할 것을 제안하였다.
- 손상유형 및 손상수는 용접방법에 따라 다르게 나타나며, 테르밋 용접부(TW)와 가스압접부(GPW)에서는 레일 저부에서 시작된 횡방향 균열의 비율이 가장 높았다. 후레쉬 버트 용접부(FBW}의 손상수 절반은 레일복부에서 시작된 종 방향균열이 대부분이며, 테르밋 용접부의 레일두부에서의 횡 방향 균열과 엔크로즈드 아크 용접부(EAW)의 레일 복부에서의 종방향 균열은 1건도 발생하지 않은 것으로 나타났다.
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