레일

레일(Rail) 또는 궤조(軌條)는 철도 등의 궤도를 구성하는 요소 중 하나로, 하중 지지 등을 담당하는 철강재를 말한다.

개요

레일, 한자로 옮겨 적을 경우 궤조는 침목, 도상 등과 함께 궤도를 구성하는 요소품으로, 철로 만들어진 형강 제품을 말한다. 과거 다양한 형태와 재질의 레일이 사용되었으나, 통상적으로는 T자 단면의 길다란 강철제 제품을 나란히 2개를 설치해 사용하는 것이 통례이다. 이 레일 2개 간의 간격 기준을 궤간이라고 하며 철도에 있어 중요한 규격의 하나이다.

레일은 철도 차량으로부터의 하중을 직접 지지하는 기능을 하여 차륜과 접점에 집중되는 하중을 침목과 도상을 거쳐 노반으로 분산하는 기능을 한다. 또한, 레일은 차륜이 구를 수 있도록 일정한 주행면을 제공하면서 동시에 차륜의 플런지와 상호작용하여 탈선이 일어나지 않도록 유도하는 기능을 한다. 동시에 궤도 회로 등의 동작을 매개하는 역할도 수행한다.

철강 제품으로서는 철도용의 것을 특히 철도 레일이라고 구분하여 다른 통상의 형강류와 구분하기도 한다. 실제로 건축이나 생산시설 등에서는 판상의 철강이나, 또는 각종 형강을 철도 레일과 비슷하게 하중지지와 차륜, 베어링의 안내용도로 사용하기도 하기에 특히 이렇게 구분하기도 한다. 철도 레일은 상당히 고급 자재로, 높은 하중을 부담할 수 있으며 내마모성이나 내후성이 특히 높은 재료기도 하다. 매우 오래전부터 사용되어 온데다, 소요처가 충분히 많기 때문에, 열간 압연 등을 통해 대량 제작되는 재료의 하나기도 하다.

여담이지만, 나이 많은 직원이나 과거 자료에서는 일본어 표기를 그대로 따서 '레루'라고 말하거나 표기하는 경우가 종종 있다.

역사

레일은 마차철도 등에서 쓰이던 목제 레일이나 석제 포장의 마모와 손상이 심해지자, 이를 보강하기 위해서 철판을 덧대 쓰기 시작한데서 시초하였다. 그러나 철판을 덧대 쓰는 경우 하중이 집중되면서 판재의 변형이 생겨 레일이 깨지거나, 양 끝이 튀어나오거나 하는 등의 한계가 있었기 때문에 아예 통짜로 된 철제 레일을 쓰려는 시도가 생겨나게 되었다. 그러나 주철 정도로 만들어진 레일은 충분한 하중을 감당하기엔 불충분했으며, 어복형 레일 등의 형상이 도입되기도 했지만 그리 신뢰성이 높지 못했다.

이후 재질의 발전으로 연철의 압연이 가능해지면서, 주철로 만든 레일을 대신해서 우두형 레일 등의 형태가 시도되었다. 이 즈음에 부터는 마차철도가 아닌 증기기관차의 운전이 이루어지면서 중량 역시 높아지기 시작했으며, 주철제 보다는 나았지만 연철제 레일도 충분한 것은 아니었다. 이 시기에 지금의 표준형에 가까운 T형 레일(Flanged T rail)이 도입되기 시작하였다.

이후 1857년에 영국에서 강철제 레일이 사용되었으며, 이는 충분한 강도를 가질 수 있게 되어 점차적으로 연철제 레일을 대체해 나가게 되었다. 강철 압연 레일은 이후 전세계적으로 보급, 사용되기 시작하였다. 특히나, 이 즈음에는 철도는 해당 국가 철강 산업의 주요 소비처로서 각국의 공업화에 중요한 역할을 담당하였으며, 레일의 자급 노력이 각국 공업화의 중요한 시도가 되었다.

한국에서의 역사

한국에서는 경인철도 부설 시에 미국 일리노이즈 스틸 사의 30kg 레일을 수입하여 적용한 이래로, 일제강점기 중반까지 레일은 전량 미국 등지로부터의 수입에 의존하였다. 일본에서는 1901년 야하타 제철소에서 최초의 레일을 생산했지만 생산량이 한정되어 있어서 1926년에 국산 대체가 완료될 때까지는 수입에 의존하였는데, 당시 식민지 상태의 조선에서도 점차 미국산 레일에서 일본산 레일로 대체가 점차 진행되었다.

해방 이후에는 다시 미국 등지로부터 수입 레일을 사용하게 되었다. 이후 광산용 등에 쓰이는 15kg의 경레일을 1968년에 인천중공업(현재의 현대제철 인천공장)에서 일본의 기술제휴로 처음 국산화하였다. 그러나 이것은 일반 철도용으로 쓸 수 있는 것은 아니었기 때문에 여전히 수입품이 국내에 사용되었다.

그러나 수입품 레일은 가격 조건에 중심을 두고 사다 보니 그 중에서 품질에 문제가 있는 경우가 많아 이후 잦은 사고의 원인이 되었다. 또한 외화 절감을 이유로 수입품 대체를 정책적으로 추진하던 경향도 있어, 1980년에 철도용의 50kg, 60kg 대형레일이 강원산업에 의해 국산화되었으며, 이후에는 국내에서 쓰이는 레일은 점차 국산품으로 대체되었다.

형상

60KR레일의 단면 표준도

현재 사용중인 레일은 이른바 T자 평저형의 단면이 표준으로 사용되고 있으나, 과거에는 다양한 형태의 레일 형태가 연구되고 사용된 바 있다. 현재의 단면은 규격 표준마다 조금씩 다르게 정의되긴 하지만 전체적인 형상은 치수의 차이나 곡면의 처리 정도의 차이만 있을 분 대동소이한 수준이다.

통상적으로 쓰이는 일반 레일은 바닥 부분(레일 저부)을 넓게 펴서 접지면을 확보함과 동시에 침목과의 체결구와 접할 수 있도록 만들어지고, 차륜이 닿는 부분(레일 두부)은 두껍고 일정한 곡면을 가지도록 처리된다. 그리고 이 바닥과 레일 사이의 얇게 처리된 부분(레일 복부)은 가해지는 하중을 바닥에 전달하는 기능을 하면서 이음매를 설치하기 위해 구멍을 내는 등의 레일을 취급하기 위한 가공 및 처리를 받아내는 기능을 하도록 말들어진다.

표기류

레일은 제조 과정에서 레일의 복부 옆부분에는 정보를 기록하는 마킹이 새겨진다. 타각하는 경우에는 각인이라고 하며, 압연공정에서 글자를 양각으로 나오게 하는 것을 롤링 마크 내지 롤 마크라고 한다. 이를 통해 레일의 규격, 제조공정(LD전로 사용 또는 전기로 사용)또는 이나 제조시점, 제조사 및 제조공장 등을 기록해 둔다.

예를 들어 50N LD ⓢ 1973 IIIIII이라 기재된 레일 각인은 각각 "50N 레일", "LD전로 공법", "신일본제철 제조", "1973년", "6월(세로획수로 표기, 숫자로 기록하기도 함)"이라 기재된 것이다. 표기법은 국가나 제조사에 따라 달라지기도 하지만 보통은 이 형식을 사용한다.

형상

20세기 초두까지 레일의 형상은 다양한 시도를 겪으면서 확립된 것이다. 여담이지만, 한국에서는 홈파인(구형) 레일이나 평저 레일 이외에는 쓰인 역사가 없다시피 하지만, 일제 강점기 부터 쓰인 교재류에 이 5종류의 단면도가 널리 보급되어졌기 때문에 그 인지도가 높은 편이다.

1. 교형 레일(Bridge rail)

   뒤집힌 U자형 모양의 레일로, 생산의 편의성이 높아 초기에 싸게 대량생산하는 용도로 만들어진 레일이다. 브루넬의 Great Western Railway가 이 레일형상을 써서 건설되었다. 현재에는 철도에서 사용되지 않는다.

2. 쌍두 레일(Double-headed rail)

   레일을 뒤집어 설치할 수 있도록 윗면과 아랫면을 동일한 형태로 만든 레일이다. 원래 의도는 한쪽 면이 열차 운행으로 마모되면, 뒤집어 설치하여 레일을 더 경제적으로 활용할 수 있을거라 기대해서 만들어졌으나, 실제로는 레일 상면의 편마모 등으로 인해서 효과를 거두지는 못했다.

3. 우두 레일(Bullhead rail)

   우두 레일은 쌍두레일에서 발전되어 나온 형상으로, 19세기 중반부터 20세기 초두까지 영국에서 표준으로 쓰인 레일 형상이다. 그러나 뒤집어 사용하는 것은 윗면과 아랫면이 비대칭이어서 불가능했으며, 이미 당시 쓰이던 평저형 레일에 비해서도 그리 경제적이지도 효율적이지도 않았다. 일본 철도에서는 극히 초창기에 영국에서 수입되어 사용되었다.

4. 평저 레일(Flat bottomed rail)

   평저 레일은 현재 지배적인 레일 형상으로, 1830년대에 등장한 레일 형상이다. 흔히 T형 레일(flanged T rail)이라고 불리기도 한다. 한국에서도 사실상 이 형태의 레일이 초창기부터 사용되어 지금까지 계속 이어지고 있다.

5. 구형 레일(grooved rail)

   구형 레일 또는 홈파인 레일이라 불리는 형태는 주로 노면전차나, 일부 건널목등지에 사용된다. 도로면을 공용하도록 부설되는 궤도의 경우 차륜의 플런지가 통과할 수 있는 홈을 놔두고 포장하거나, 보판을 설치하는 식으로 부설이 되는데, 이 홈 부분의 깊이나 폭이 커질 수밖에 없어서 자전거나 보행자에게 사고의 위험을 만들기도 하며, 부설 자체가 상당히 번거로운 단점이 있다. 구형 레일을 쓰면 이런 문제를 완화할 수 있다. 그러나, 형상이 특수한데다, 부설방식 또한 일반 레일과는 달라지며, 또한 차륜 형상도 달라져야 하는 등의 제약이 있어, 일반 철도에서는 널리 쓰이지는 않는다.

규격

레일의 규격은 국가마다 다양하게 구분된다. 대부분 레일규격의 정의는 레일의 1m당의 중량(kg) 또는 1야드 당의 중량(lbs)으로 정의한다. 이외에 레일의 열처리 규격이나 형상, 등에 따라서도 구분이 이루어진다.

통상적으로 레일의 중량이 무거워질수록 단면적이 커지고, 또한 운행중의 하중이나 충격의 영향을 덜 받기 때문에 이른바 레일 중량화를 실시하여 보선 소요를 줄이기도 한다. 반면에 레일 중량이 무거워지는 만큼 다루기가 어렵고, 최초 설치에 그만큼 노력이 들어가기 때문에 반드시 유리한 것은 아니다. 중화물이 많이 다니는 곳일수록 중량 레일을 선호하고, 광산궤도처럼 선형이 나쁘고 인력 의존도가 큰 곳일수록 경량 레일을 채용하는 편이다.

한국의 표준 규격

현재 한국철도표준규격에서 정의한 레일의 표준 규격은 다음과 같다. 이중 50N, 60은 일본에서 사용되고 있는 규격이기도 하다.

• 50kg N 보통 레일(50N)
• 60kg 보통 레일(60)
• 60kg K 보통 레일 (60K)
• 60kg KR 보통 레일 (60KR)
• 60E1 레일 (60E1) : 과거의 60UIC 레일로, 고속철도 등에 사용되었다.

이외에 분기기 용의 가공 레일로 70kg레일이 사용되나, 이것은 표준 규격에 담겨진 것은 아니다.

열처리 여부

한국철도 표준규격에서는 열처리 되지 않은 보통 레일 외에 열처리된 레일도 표준으로 적용한다. 열처리된 레일은 내마모성이 높기 때문에 곡선부나 이음매 구간 등에 사용하게 된다. 열처리레일은 경화층의 경도에 따라 HH340, HH370등으로 분류하며, 보통레일 분류 기호 뒤에 이를 덧붙여서 구분한다.

국내 규격에는 없지만, 레일의 양 끝 절단부를 경화시킨 단부 열처리 레일이 있다. 이들 레일은 대개 재래식의 이음매가 있는 레일에 사용되어, 이음매 유격 부분의 내마모성을 확보하기 위해서 사용된다. 이는 EH(End Hardened)라 구분하여, 역시 레일 분류 기호 뒤에 덧붙여 구분한다.

구식 규격 레일

과거에 사용되었던 규격이거나, 협궤용으로 도입된 레일의 규격들로, 새로 제작되지는 않지만, 지방 등지의 측선이나, 피난선에 부설된 채로 그대로 남겨진 경우가 있는 레일들이다.

• 50PS : 펜실바니아 철도의 표준 규격으로 미국으로부터 도입된 규격으로, 일본에서도 사용되었다.
• 50ARA : 미국 규격 레일.
• 37kg(75lb/yd) 레일 : 경부선에 채용되었던 레일 규격으로, 일제 강점기에는 이 레일이 표준이었고, 50N 레일이 중량 레일로 취급되었다.
• 30kg(60lb/yd) 레일 : 경인선에 최초로 도입된 레일. 이후에는 광산궤도 등지에도 사용되기도 하였다.

이하는 경(輕)레일이라 불리는 협궤, 광산궤도용의 레일이다. 과거에는 국내에서 생산이 이루어지기도 했었다.

• 22kg(45lb/yd) 레일
• 15kg(30lb/yd) 레일
• 9kg(20lb/yd) 레일

길이

레일은 그 부설시의 길이에 따라서 구분이 이루어지기도 한다.

정척 레일

정척 레일은 30kg 이상 레일에 대해서 1개당 25m 길이로 제작된 레일을 의미한다. 이것은 일제강점기 당시에 제조공장의 설비여건이나, 운반용 화차의 규격을 감안해서 일본의 규격을 원용해 결정한 것이다. 통상적으로 이보다 짧은 경우 단척 레일, 이보다 긴 경우 장척 레일이라고 한다.

정척 레일은 현재도 레일 취급의 기준이 되고 있으며, 현재 국내 제철소에서 생산되는 레일들도 정척 레일을 기준으로 생산이 된다.

해외에서는 이보다 짧은 15m 정도의 길이를 표준 제조 규격으로 두기도 하는데, 대부분 화차 적재의 편의성 때문에 그렇게 설정하고 있다. 한편으로 이보다 긴 레일을 생산해 공급하기도 하는데, 일본에서는 150m 규격을, 인도에서는 130m 규격으로 생산해 공급하기도 한다.

장척 레일

장척 레일은 25m보다 길고 200m보다 짧은 레일을 의미하며, 공장에서 제조시에 길게 만들거나, 아예 용접을 통해서 정척레일을 이어붙여서 만들기도 한다. 장척화를 할 경우 이음매를 줄일 수 있기 때문에 소음이나 승차감 면에서 유리하고, 또한 유지보수도 그만큼 경감된다. 하지만 장척 레일의 경우 온도 변화에 따른 레일 길이 변화에 대해서도 관리가 필요하며, 화차 등의 사정상 운반이 어렵거나 제한되기도 하고, 또한 선형이 나쁜 경우엔 부설의 장점이 없는 경우도 있다.

통상적으로 장척 레일은 용접 플랜트에서 정척 레일을 용접해서 제조된 후, 운반을 위해 특별히 제조된 화차나 트롤리를 통해 현장으로 운반되어 부설되는 형태로 활용된다. 실제 고속철도 부설시에는 오송의 궤도기지에서 제조하여 현장에서 다시 용접 부설하기도 하였다.

장대 레일

장대 레일은 200m보다 긴 레일로, 온도 변화에 관계없이 부동 구간이 항상 있을 정도로 긴 레일을 의미한다. 장대레일을 부설할 경우 장척 레일보다도 이음매를 극단적으로 줄일 수 있어 승차감이나 소음면에서 유리하고, 유지보수 면에서도 장점을 가진다.

반면, 장대 레일을 부설할 경우 고온에서 레일이 팽창하다 못해 휘어지는(선로 장출 내지는 좌굴) 현상이 생기거나, 추운 날씨에 레일이 급작스레 끊어지는 현상이 벌어지기도 하며, 따라서 이를 막기 위해서 충분히 강력한 도상과, PC침목등을 사용한 고정이 필수적이며, 또한 신축이음매를 적용하여 이런 변형을 해소해 줘야하고, 레일에 걸리는 응력을 해소하기 위해 재설정이라 불리는 보선 작업이 이루어져야 한다. 또한, 이런 제약이 있기 때문에, 통상적으로 반경 300m에 미달하는 곡선구간에서는 레일 자체의 탄성으로 관리의 어려움이 생겨 장대레일이 부적합하다. 이런 경우에는 정척 레일에 의한 부설을 실시한다.

통상 장대 레일은 75m~150m 정도의 장척레일을 궤도 공장에서 제조하여 현장에 운반해 부설한 다음, 이를 재차 현장 용접해서 부설한다. 흔히 이때 테르밋 용접을 쓰거나, 가스 압접 내지 플래시 버트 용접 등을 사용한다.

제조

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  압연

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  장대레일을 운반하는 모습

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  테르밋 용접으로 장대레일을 접합하는 모습

레일의 제조는 압연에 의해서 실시한다. 통상적으로 요구되는 물성에 맞는 성분비를 갖춘 강괴(steel ingot)를 압연기에 넣어 여러 개의 롤러로 눌러 형태를 만든 다음 이를 가공하여 레일로 제작하는게 통례이다. 그러나 근래에는 연속주조를 통해 그대로 압연하여 제조하는 공법이 시용되기도 한다.

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소규모 부설이나 분기기 같이 복잡한 형상일 경우에는 공장에서 침목에 선조립하여 출고하기도 한다. 이 경우에는 장대레일 부설이 어려우므로 보통 정척레일이나 그보다 짧은 레일이 부설된다.

재활용

레일의 수명은 통과톤수나 사용환경에 따라 다르지만 대개 수십년 정도를 쓰는데 무리가 없으며, 종종 열차가 거의 다니지 않는 곳에서는 녹이나 부식으로 소모되지 않는 이상에는 50년 이상 사용되기도 한다. 그렇기에, 철거된 레일은 고철로 처리되는 경우보다는 다시 다른 측선 등지에 재활용되는 경우가 많으며, 이런 용도로 쓰기 어려운 레일은 아예 가설용 지주나 건축물의 부재로 사용되기도 한다.

근래에는 거의 찾아보기 어려워졌지만, 역 구내의 승강장 지붕을 지탱하는 철제 지주나, 과선교의 교각 등지에 이런 폐 레일을 재활용한 경우가 종종 있었으며, 레일을 용접해서 화단의 난간이나 광장 등지의 출입통제용 배리어를 만드는 경우도 많이 있었다. 그러나 근래에는 폐자재 사용에 대한 규제가 늘어나고, 중량 레일 사용이 늘어나면서 이런 식으로 활용하기가 어려워진 점, 또한 미관이나 안전 면에서 그리 바람직하지 않은 편이라 여겨 새로 만들어지는 경우는 거의 없다.