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서론

대량수송수단인 동시에 대표적인 친환경 교통수단인 철도교통은 국가차원의 2050 탄소중립 달성에 중요한 역할을 기대하고 있으며, 2021년 법률 제 118469호 기후위기 대응을 위한 탄소중립· 녹생성장 기본법 제32조 (녹색교통의 활성화)로 법제화되어 기술 고도화 및 녹색교통 전환을 추진 중에 있다(MOE, 2021). 이는 탄소다배출 수송수단인 내연기관 차량 이용자의 대부분이 철도교통수단으로 전환하는 내용과 철도산업의 고도화 및 자동화에 따른 탄소배출량 저감을 포함하고 있다. 이러한 철도교통 이용량의 증가는 철도운행에 의한 유지보수 및 철도용품 사용량 증가를 초래하기 때문에, 철도산업의 유지보수 부문의 탄소저감 및 비용절감을 위한 다양한 연구들이 진행되고 있다.

일반적으로 철도차륜은 마모된 부분을 포함하는 전체 부분을 삭정하는 방식으로 보수하기 때문에, 과도한 삭정으로 인해 철도차륜의 구조적 안정성이 확보되었음에도 계속 사용하지 못하고 폐기된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 철도차륜의 주요마모 부위를 국부적으로 용접복원하여 차륜의 사용수명을 연장하는 보수방식이 제안되고 있다.

1990년대 우크라이나에서는 Paton Electric Welding Institute를 주축으로 철도차륜의 용접보수 기술에 관한 많은 연구를 수행하고 1995년에 실용화되어 현재까지 사용되고 있다(Goo et al., 2018). 영국 TWI(The Welding Institute)는 2017년부터 버밍엄대학교, Luchini RS와 컨소시엄을 구성하여 철도차륜을 용접보수하는 AURORA 프로젝트를 수행하였으며, 이로부터 용접에 의한 안정성 확보 및 결함 최소화를 위하여 서브머지드 아크 용접 기술을 이용하여 철도차륜을 용접보수하는 연구를 진행하고 있다(TWI, 2023).

국내에서는 Goo et al.(2018)이 철도차륜 주요 마모부위인 플랜지부분을 CO₂ 아크용접기법으로 육성용접하여 복원하고, 복원된 철도차륜에 대한 기계적 특성 및 마모특성을 평가하였으며, Coo and Lee(2020)는 서브머지드 아크용접 기법을 이용하여 철도차륜을 용접보수하고 용접에 의한 개질 변화와 기계적 특성을 분석하는 연구를 진행하였다.

본 연구에서는 서브머지드 아크 육성용접 기법으로 철도차륜의 주요 마모부위인 플랜지 부분을 국부적으로 보수하여 삭정 두께를 최소화하고 철도차륜의 사용수명을 연장할 수 있는 Coo and Lee(2020)의 철도차륜 용접보수 기술을 이용하여 철도차륜을 용접보수하고, 이를 활용하여 고도의 안정성을 요구하는 철도산업의 신뢰도 확보를 위한 실제 철도차량 운행시험을 수행하였으며, 운행에 따른 마모특성을 평가하고자 차륜보수 방법별로 운행전후의 차륜 프로파일을 측정하여 분석하였다.

철도차륜 용접보수 기술

철도차륜은 Figure 1과 같이 플랜지(flange), 답면(tread), 윤심(web) 등으로 구성되며, 철도운행시 차륜의 표면에서 선로(rail)와의 접촉에 의한 높은 수직하중, 전단하중, 피로 하중이 작용하기 때문에 ISO 1005(ISO, 2021), EN 13262(EN, 2020) 등의 국제 표준과 KS R 9221(KSI, 2021)의 국내 표준으로 제정하여 신조 차륜의 품질 및 신뢰성을 확보하고 있다.

Figure 1.

Typical structure of a railway wheel (Jin et al., 2017).

철도차륜의 마모는 Figure 2에서와 같이 선로와 차륜의 경계역영에서의 접촉면인 플랜지 부분에서 주로 발생하게 되며, 마모된 철도차륜은 승차감 악화, 소음 발생, 레일 손상, 주행안정성 감소 등의 원인이 된다. 이러한 이유로 국토교통부 철도차량 안전법(KIS, 2023)에서는 마모된 철도차륜은 법제화된 기준에 의하여 유지보수를 시행하며, 답면 마모에 의한 유지보수는 철도차륜의 전체 부분을 일률적으로 삭정하는 삭정 보수방식(turning method)을 이용한다.

Figure 2.

Photograph of wear at rail gauge wheel flange contact (Lyu et al., 2015).

이러한 삭정 보수방식은 Fig ure 3에서 확인할 수 있듯이, 주요 마모 부위인 플랜지를 포함하는 전체 단면에 대한 삭정이 수행되기 때문에 불필요한 부분에 대한 과도한 삭정이 수반되며, 2~3회 삭정보수 이후에는 운행규정의 최소 직경을 확보하지 못하게 되어 차륜은 폐기된다.

폐기된 철도차륜은 작동성, 경제성 및 안정성 확보를 위하여 0.52% 이상의 높은 탄소를 함유하는 탄소강(steel)의 재질로 구성되어 있어서 재활용을 위한 제련시 화학조성의 불균형을 야기하여 폐기된 이후에 재활용되지 못하고 전량 적치되어 환경적인 문제를 발생시키고 있다.

본 연구에서는 차륜의 삭정두께를 최소화하여 사용수명을 연장하고자, Figure 3에서와 같이 주요 마모부위인 플랜지를 국부적으로 용접하고 삭정하여 삭정두께를 최소화하는 용접보수 방법을 소개하고자 하며, 용접보수 방법의 적용시에는 1.5배 이상의 사용수명을 연장하는 효과가 있을 것으로 예상한다.

Figure 3.

Schematic of repairing method of railway wheel.

용접보수 방법에서는 안정성을 최우선으로 하는 철도산업의 용접기술에 대한 신뢰도 확보를 위하여 친환경적이고 육성용접부의 용접결함을 최소화할 수 있는 서브머지드 아크 육성용접 기법을 적용하였으며, 이는 대기로부터 아크를 보호하고 안정화하기 위해 용제(fusible flux)속에 전극와이어를 송급하여 용접봉과 모재 사이에 아크를 발생시켜 용접하는 기법이다.

또한 용접보수 차륜은 신조차륜 품질과 관련된 국제 표준규격인 EN 13262(EN, 2020)와 국내 표준규격인 KR R 9221(KSI, 2021)에 상응하는 기계적 특성을 확보하여야 하므로, Coo and Lee(2020)에서 연구된 바와 같이 고탄소를 함유하는 철도차륜용 용접재료를 개발하였으며, 개발된 용접봉의 화학적 조성은 Table 1과 같다.

Table 1.

Chemical composition of the welding wire (Coo and Lee, 2020)

용접보수 방법에서는 용접공정에서의 안정성 확보로 결함을 최소화하고 기계적 물성을 확보하기 위하여 철도차륜을 용접전후에 150℃로 열처리하며, 용접보수 이후에는 초음파 탐상검사, 방사선투과 시험, 자분탐상 시험 등의 비파괴시험을 병행하여 용접결함을 재차 확인하였다.

Table 2는 Coo and Lee(2020)에서 수행한 국내외 표준규격에 명시된 신조차륜의 기계적 성질기준과 용접보수된 철도차륜의 기계적 성질시험 결과를 비교한 것이며, 화물열차 용도로 가정하여 비교하였을 때 신조차륜 이상의 기계적 성질을 갖는 것으로 판단되었다.

Table 2.

Properties of the weld zone (Coo and Lee, 2020)

본 연구에서는 신조차륜에 준하는 기계적 성질이 확보된 용접보수 보수방법에 대한 실제 현장에서의 작동 성능과 사용 신뢰도를 확인하기 위하여 실제 철도차량을 이용한 현장시험을 수행하였으며, 주행에 따른 마모량 분석을 통하여 기존의 삭정보수된 방법과의 기계적 성질을 간접적으로 비교하였다.

실제 철도차량 운행시험

본 연구에서는 삭정보수와 용접보수된 철도차륜을 실제 철도차량에 탑재하여 운행시 철도차륜의 주행성능 및 마모 특성을 분석하기 위하여 2022년 9월 19일부터 4일동안 충청북도 청주시 오송읍에 위치한 한국철도기술연구원 철도 종합시험선로에서 실제 철도차량 운행시험을 수행하였으며, 실제 철도차량 운행시험의 주행일수와 거리는 실제의 운행에 의한 마모를 구현하기에 상대적으로 짧은 수준이기 때문에 극한의 주행조건을 조성하여 시험의 효과를 극대화하고자 하였다.

Figure 4는 한국철도기술연구원 철도종합시험선로의 배치도로 시험선로의 TS-02에서 TS-04까지의 10 km 구간을 시험구간으로 활용하였으며, 곡선구간 선로조건을 제외하고는 최고 운행속도인 80 km/h로 정속 주행하였다. 운행시험에서 기관차가 전면을 향하면 최고속도로 운행하게 되지만, TS-04에서 TS-02로 복귀할 때는 역방향으로 주행하게 되어 30~40 km/h의 저속으로 운행을 수행하였다.

Figure 4.

Plan of KRRI’s comprehensive railway test track in Osong (KR, 2014).

시험차량은 탱크형태의 화물열차 1량에 액상의 규산소다(sodium silicates) 39.45 ton을 충전하여 최대 화물적재량을 조성하여 기관차와 연결하였으며(Figure 5), 화물차량에는 Figure 6과 같이 용접보수된 철도차륜 4개와 삭정보수된 철도차륜 4개를 탑재하였다.

Figure 5.

Rail vehicle used in real rail vehicle driving test.

Figure 6.

Schematic view of the instrumentation location in rail vehicle.

시험차량의 주행거리를 측정하기 위하여 출발 전후의 영상촬영을 통해 주행시간과 왕복횟수를 측정하였으며, 철도 운행에 따른 마모특성을 분석하기 위하여 Greenwood Engineering 社의 고해상도 차륜 프로파일 측정장치인 MiniProf BT Wheel을 이용하여 운행 전후의 철도차륜에 대한 전체 프로파일을 측정하였다.

결과 및 고찰

실제 철도차량 운행시험은 2022년 9월 19일 11시 05분에 TS-02에서 시험을 시작하여 35번의 왕복운행을 수행하였으며, 시험차량은 총 700 km를 주행한 것으로 분석되었다(Table 3).

Table 3.

Results of real rail vehicle driving test

철도운행에 따른 마모특성의 분석은 Figure 7과 같이 레일과 직접적으로 접촉하여 마모가 주로 발생하는 철도차륜 플랜지부의 두께를 분석지표로 설정하였으며, 전동차 위치, 선로의 상태 등에 따라 마모특성이 편차를 나타낼 수 있으므로 동일한 방향에 위치하는 철도차륜을 대상으로 분석을 수행하였다.

Figure 7.

Example of wheel profiles at WR-1.

Figure 8은 삭정보수된 철도차륜과 용접보수된 철도차륜의 실제 차량운행시험 전후에 측정한 프로파일을 측정한 결과로 시험차량에 탑재된 모든 철도차륜의 프로파일에서 운행에 의한 마모가 플랜지 부분에 집중된 현상을 확인할 수 있으며, 상대적으로 작은 수준이긴 하지만 운행시험 이후에 철도차륜 플랜지부의 두께가 감소하는 것으로 분석되었다.

Figure 8.

Flange root for wheel profiles.

Table 4는 전체 주행거리 700 km를 운행하기 전과 후의 마모특성을 비교한 결과이며, 실제 철도차량 운행시험에 의한 철도차륜의 마모량은 0.03~1.13 mm 범위를 나타내었다. 이는 여객용 철도차량 운행시험에서 약 20,000 miles (32,187 km)의 운행에 의해 1 mm 수준의 마모가 발생된 Muhamedsalih et al.(2018)의 시험 결과에 비해 약 2% 수준의 운행거리인 700 km의 짧은 주행에도 유사한 마모량의 수준을 나타내고 있는 것으로 확인되며, 철도차량 운행초기에 플랜지 부분의 마모량이 급격히 발생하는 것으로 연구된 Muhamedsalih et al.(2018)의 연구결과와 본 연구에서 수행한 실제 철도차량 운행시험의 경우 화물적재에 의한 극한조건의 차량에 의한 영향인 것으로 판단된다.

Table 4.

Results of wheel profile measurements

운행시험에서 전동차를 기준으로 좌측에 위치하는 철도차륜의 마모량은 평균 0.71 mm로 우측에 위치하는 철도차륜의 마모량보다 약 1.6배가 많은 것으로 분석되었으며, 이는 시험선로의 곡선구간이 좌측으로 회전하게 조성되어 있어 최고속도로 운행시에 좌측의 철도차륜에 상대적으로 하중이 집중되어 나타난 결과인 것으로 판단된다.

또한 비교적 마모가 많이 발생한 좌측의 철도차륜을 대상으로 보수방식에 따른 마모량을 비교하였으며, 용접보수 철도차륜의 평균 마모량은 0.43 mm로 삭정보수 철도차륜의 평균 마모량인 0.99 mm보다 0.57 mm의 작은 수준을 나타냈다. 이는 삭정보수 방법에 비해 용접보수 방법이 상대적으로 높은 마모성능을 갖는 것을 의미하며, 용접보수 방법으로 보수된 철도차륜이 신조차륜에 준하는 기계적 성질을 갖기 때문에 도출된 결과인 것으로 사료된다.

그러나 본 연구에서의 실제 차량운행 시험은 시험기간 및 환경의 제약으로 인해 철도차륜의 마모성능을 평가하기에 상대적으로 짧은 주행거리로 수행되었기 때문에, 마모성능에 대한 절대적인 평가보다는 용접보수 방식의 철도차륜이 삭정보수 방식의 철도차륜과 유사한 마모성능을 나타내는 것으로 평가되어야 한다.

이상의 결과들로부터 용접기술을 이용한 철도차륜의 보수방법은 실내시험과 실제 철도차량 운행시험으로부터 삭정에 의한 보수방법, 즉 신조차륜의 국내외 품질기준에 부합하는 성능을 나타내는 것으로 분석되었으나, 한 번의 사고가 대형사고로 이어질 수 있어 안전을 최우선시하는 철도산업에서는 용접열에 의한 재질 변화와 용접과정에서 발생할 수 있는 용접결함에 대한 우려로 인하여 용접보수 기술의 적용을 지양하고 있다.

결론

본 연구에서는 서브머지드 아크 육성용접 기법으로 철도차륜의 주요 마모부위인 플랜지 부분을 국부적으로 보수하여 철도차륜의 사용수명을 연장할 수 있는 철도차륜 용접보수 기술을 소개하고, 용접보수 기술로 복원된 철도차륜의 실제 차량운행에 따른 마모특성을 평가하기 위하여 실제 도차량 운행시험을 수행하였다.

서브머지드 아크 육성용접 기법으로 복원된 철도차륜은 신조차륜의 품질과 관련된 국내외 표준 규격내 실내시험에 의한 기계적 성질의 기준을 만족하는 것으로 보고되고 있으며, 추가로 실제 현장에서의 작동 성능과 사용 신뢰도를 확인하기 위하여 실제 철도차량을 이용한 현장시험을 수행하여 39.45 ton의 최대 적재량 조건에서 700 km의 운행을 안정적으로 수행하였다.

또한 용접보수 철도차륜과 삭정보수 철도차륜의 프로파일을 측정하여 운행에 따른 마모특성을 분석하였으며, 두 가지 보수방법의 평균 마모량은 0.57 mm의 차이를 나타내어 용접보수 방법이 삭정보수 방법에 준하는 마모성능을 확보한 것으로 판단된다.

이상의 결과들로부터 서브머지드 아크 육성용접 기법을 이용한 철도차륜의 용접보수 방법은 기존의 보수방법인 삭정보수 방법과 유사한 기계적 성질과 마모특성을 나타내기 때문에, 철도차륜 유지보수에 용접보수 방법이 적용 가능한 것으로 판단된다.

향후에는 작업자의 숙련도와 같은 주관적인 요인의 영향이 많은 용접기술의 객관성 확보를 위한 용접공정 자동화와 다중센서를 활용한 용접결함 실시간 판별기술에 관한 연구가 수행되어 용접결함에 대한 완벽한 관리가 이루어 진다면 국내 철도산업의 우려를 해결할 수 있을 것으로 판단된다.

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