道岔螺栓鎖到 250 N·m 也不保證夾得住：英國格雷里格脫軌調查估算每支螺栓最低要 31 kN 預力，這個扭矩在報告取的高摩擦端只算得出 26 kN，而螺帽退約 1/19 圈預力就歸零

第一個失效的是一個螺栓接頭，起點不是螺栓斷裂

先把事故講到扣件出場為止。2007 年 2 月 23 日 20:12，從倫敦開往格拉斯哥的 1S83 次列車以 95 mph（153 km/h）通過坎布里亞郡 Lambrigg 的 2B 道岔，九節車廂全部出軌； 一名乘客死亡，28 名乘客、司機與另一名組員重傷（報告第 9 至 11 段）。

道岔裡有兩支可以左右移動的尖軌（switch rail），由幾支連接桿（stretcher bar）連成一組，一起轉換。2B 道岔有一支鎖定連接桿與三支軌道側連接桿。 軌道側連接桿兩端各有一個托架（bracket），托架用兩支螺栓鎖在尖軌的軌腹上（附錄 D）。報告第 130 段寫明這些軌道側連接桿到尖軌的扣件規格：3/4 吋 Whitworth 螺栓，長 65 mm， 低碳鋼，相當於 BS 3692:2001 的 4.6 級（俗稱 black bolts），螺帽下面一片單圈彈簧墊圈；鎖定連接桿的螺帽則是防鬆螺帽（prevailing torque nut，第 115 段）。

報告認定三個因素同時存在才會出事，缺一不可：第三支軌道側連接桿接到右側尖軌的螺栓接頭失效、道岔的殘留開口設得太大、2 月 18 日那次每週目視巡檢漏掉了這組道岔（第 14 段）。 本頁只談第一個。依報告的時間線，1 月 7 日這個接頭已經失效、扣件完全退出，故障班換上替換的螺帽螺栓（第 136、265 至 267 段）；之後接頭再次失效。依失效順序的分析，接頭失效在先，第三支連接桿本體的疲勞斷裂在後，而這支桿在 2 月 12 日或之前已經斷了； 其餘連接桿隨後接連失效，劣化至少持續了 11 天（第 16、137 至 140、155 段）。

從扣件的角度，最值得注意的是第 131 段。除了第三支連接桿的扣件，其餘受檢的軌道側連接桿扣件都沒有損傷；螺栓與螺牙沒有損傷，表示螺帽是在接頭「先滑」之後才退出來的。 報告寫道，如果是疲勞、過載、剝牙或其他機制，螺栓上會留下看得見的損傷。第三支桿附近找回的螺栓則有損傷，報告認為符合鬆動後在孔裡活動、部分螺栓被尖軌與基本軌夾住的情況（第 128 段）。 所以起點不是螺栓斷裂。螺栓沒斷，接頭卻失效了，要先看報告怎麼定義「失效」。

先滑，再退：報告怎麼定義這個接頭的失效

報告對這類接頭的分析，以滑移（slip）作為失效的判準（第 141 段、附錄 E 第 3 段）：施加在接頭上的載重超過夾緊力，貼合面就會分開或相對移動。 滑移一發生，夾緊力就下降，之後更小的載重也會讓它再滑，最後夾緊力完全消失；夾緊力一旦沒了，普通螺帽在動態條件下就會鬆脫、自己轉出來。

RAIB 在第 141 段說明，它只研究第一個失效機制，也就是滑移，沒有研究要經過多少次載重，螺帽才會變得可以自由轉出來。 2007 年 11 月 26 日的第二份緊急安全建議講得更直接：一旦滑移，振動環境會讓螺帽完全退出，所以接頭在滑移的那一刻就算失效； 要防止滑移，就要讓螺栓預力始終大於施加的載重，並且把夾緊力的各種損失算進去（附錄 P 第二份建議第 11 段）。

這個順序跟本站〈螺絲為什麼會鬆〉講的兩種鬆可以對起來：在這個接頭上，報告的推論是夾緊力先輸給載重，螺帽回轉發生在後面。 於是問題就變成兩個數字：這個接頭需要多少夾緊力，以及規定的鎖法實際交得出多少。

31 kN 是兩個數字加起來的

第一個數字要從載重來。報告第 142 段寫，調查時沒有這種連接桿組件可用的載重情境或設計分析，所以 RAIB 請 Network Rail 去量。 量了三組道岔，其中兩組在同一條幹線上，配置與交通量跟 2B 類似。在設定正確（殘留開口 1.5 mm、沒有輪緣背面接觸）的狀態下， 第三支連接桿受列車通過造成的軸力，80% 小於 2 kN，20% 在 2 到 4 kN 之間。

第 143 段把 4 kN 的桿力換算到扣件上，假設由兩支扣件平分，每支需要 18.5 kN 的夾緊力，接頭才不會滑。 這一步換算的計算式、幾何與接觸摩擦參數報告沒有列出，本頁不推定；只做一個本站計算：兩支合計 37 kN，約是 4 kN 桿力的 9.25 倍。

第二個數字是嵌入（embedding）。任何表面都不是絕對平滑，兩個零件夾在一起，接觸點會在微觀尺度上永久壓扁，零件彼此靠近，螺栓的伸長量隨之變少，預力就掉了（附錄 E 第 4 至 6 段）。 報告依 VDI 2230 估計，這個接頭的材料組合因表面粗糙度造成的嵌入約 23 µm（第 147 段）。RAIB 也用實際的鋼軌與托架樣本做了五個接頭，鎖到 250 N·m 後模擬車輪通過（試驗用 10.8 級螺栓，避免螺栓本身塑性變形）， 所有塑性變形造成的接頭長度縮短是 50 到 200 µm；這個數字包含平面度不良的影響，報告據此認為 23 µm 是合理的嵌入分析值。

第 148 段：23 µm 的嵌入讓每支扣件損失 12.5 kN 的預力，所以鎖緊時的初始預力至少要 18.5＋12.5＝31 kN。 報告特別註明，其他塑性變形造成的損失沒有算進去，31 kN 是最低需求。

250 N·m 交得出的是 26 到 93 kN

第二個問題的答案在第 149 段。鎖緊扭矩有一部分花在克服螺紋之間、螺帽與被夾零件之間的摩擦，報告取鋼件摩擦係數的典型範圍 0.1 到 0.4（附錄 E 第 2 段）； 同一個扭矩，摩擦越高，預力越低。用 250 N·m 去算，預力落在 26 到 93 kN 之間；這是計算值，不是事故接頭的現場實測。高摩擦端的 26 kN 比需要的 31 kN 少 5 kN（本站計算）。 報告的結論是：即使完全鎖緊，這個接頭的夾緊力與正常使用時、沒有任何輪緣背面接觸時承受的力之間，也無法保證有安全餘裕。

螺紋摩擦什麼時候會高？附錄 E 寫，螺紋狀況一般會隨重複使用與重鎖而變差，潤滑與污染也有影響。第 268 段另外記載，依 RAIB 看過的例子， 即使是新品，放在故障班車上存放，也很可能已經表面生鏽、螺紋沾污。扭矩與摩擦的一般關係，本站〈一個扭力數字，背後假設了一組摩擦條件〉另有說明。

這個接頭還有一個比例上的弱點。嵌入量取決於貼合面的數目與表面狀況，不隨螺栓長度改變（第 146 段）；而報告對這種 3/4 吋 Whitworth 螺栓在 250 N·m 下計算的伸長只有 36 到 129 µm（附錄 E 第 7 段）。 同樣 23 µm 的嵌入，對伸長量短的情況吃掉的比例就大，報告估計可造成預力與夾緊力損失 17% 到 63%（附錄 E 第 8 段）。 用一組假設的數字看：假設同一支螺栓鎖到同一個預力，夾持長度加倍時伸長量也大約加倍，而嵌入的 23 µm 不變，損失的比例大約減半（假設，同直徑、同材料、接觸條件相同的簡化比較，忽略被夾零件剛性的變化；不是 RAIB 的驗證結果）。 第 145 段引用的美國工程指引建議接頭長度與螺栓直徑之比在可行時約 4:1 以上，這個托架接頭是 1.7:1。夾持長度與鬆脫的關係，見〈為什麼比較長的螺絲，有時候接合反而更牢〉。

以上是名目設計，也就是貼合面完全平整的情況。第 150 段列了幾個會讓夾緊力再往下掉的實際因素：設計規格沒有管托架貼合面的平面度； 軌底上緣若碰到托架下面會造成局部高承壓（2B 沒有，但設計不保證不會發生）；鋼軌腹部凸起的軋製標記（branding）壓在托架下面，2B 的托架貼合面上就有對應的壓痕。 附錄 P 第二份建議第 13 段對這一點的描述是，標記會造成高承壓，預力的降低「significant, but unpredictable」。

反方向的風險報告也檢查了：低摩擦加上規定扭矩，4.6 級螺栓的應力可能超過彈性限度而永久變形。第 151 段認為這在 2B 不太可能，理由是短扳手很難達到 250 N·m、 原螺栓重鎖過與替換螺栓的存放方式使摩擦不太可能夠低、螺栓強度還得落在規格分布的下緣。綜合起來，第 152 段的判斷是：就名目設計而言， 這種接頭承受不了與 2B 類似配置、交通量的道岔上全部的使用載重；其他配置 RAIB 沒有分析。

螺帽轉回約 19 度，預力就沒了：預力流失為什麼不容易看出來

需求與供給的缺口算出來了，接下來的疑問是：預力掉了，為什麼不容易被發現？（2 月 18 日那次是巡檢漏掉了這組道岔，報告認為若有巡到應能看到劣化，那是另一回事。）報告的答案有兩層。

第一層是轉角。第 164 段與附錄 E 第 10 段寫，250 N·m 產生的預力，來自最多 129 µm 的螺栓伸長；在剛性接頭裡，這個伸長只要螺帽轉 1/19 圈就能得到， 反過來，螺帽退 1/19 圈，全部伸長與預力就沒了。換成角度大約是 19 度（本站計算，360 除以 19）。 而第 164 段把 Network Rail 定義的「鬆」概述為 1/8 到 1/4 圈，也就是 45 到 90 度（本站換算）。報告據此指出，Network Rail 事故後的檢查不一定找得出所有已經失去預力的扣件；附錄 O 各次特別檢查另有各自的操作定義。 日常維護的檢查方法則是用短扳手扳螺帽，「nuts should not move by application of a short spanner」（附錄 I 第 3 段）。

第二層是看不到。第 170 段寫，接頭要先失去全部夾緊力，才會出現間隙；第三支連接桿是受拉的，螺帽要退到讓尖軌回彈，托架與螺帽之間才看得到縫； 托架與鋼軌之間的縫，又受軌頭遮蔽，難以看清。第 176 段補了一句：三個月一次的維護就算重鎖過，也不會留下紀錄，所以不能假設這個接頭以前沒有掉過預力。

事故後的普查顯示，其他道岔也普遍有依檢查方法判定為鬆的扣件，雖然沒有一組劣化到 2B 的程度。Network Rail 依特別檢查通知 SIN 097 檢查了 1437 組道岔，34.7% 至少有一支螺栓用短扳手扳得動（附錄 O 第 5 段）； RAIB 在其他道岔量到類似扣件的扭矩低至 20 N·m（第 153 段）。Preston 671B 道岔在 2007 年 6 月 24 日依程序檢查，找到 10 支鬆的扣件並重鎖；7 月 3、4 日再查，有 19 支扣件在 150 N·m 以下就轉動， 理論上它們重鎖到的是 200 或 250 N·m（第 301 段）；報告說這表示重鎖的控制不佳，或重鎖後扭矩已經流失。

彈簧墊圈、防鬆螺帽、再鎖一次：三種常見補救在報告裡各自怎麼了

回到開頭那三個反應。報告對它們各有一段，不過量的是 2B 道岔不同的接頭：彈簧墊圈對應軌道側連接桿，防鬆螺帽對應鎖定連接桿。

彈簧墊圈。RAIB 對同類的單圈彈簧墊圈做了荷重與變形試驗，把它壓平只要 0.65 kN，與前面最低約 31 kN 的初始預力需求相比，它對防止螺帽退出貢獻很小； 報告也引用 1980 年代汽車業的研究，指出單圈彈簧墊圈作為防鬆手段無效（第 165 段）。

防鬆螺帽。鎖定連接桿用的是防鬆螺帽。RAIB 拆解右側那個還完整的鎖定桿接頭時量了扭矩：接頭一旦鬆開，這些螺帽的阻力只跟普通螺帽差不多， 原本設計成偏位、用來增加轉動阻力的螺牙已經變形，不再提供額外阻力（第 118 段）。第 166 段補充，重複使用防鬆螺帽也會降低它在夾緊力被克服之後的防退效果。 規格表上的防鬆扭矩代表什麼，見〈規格表上的防鬆扭矩是一個上限〉。

再鎖一次。事故當時，Network Rail 沒有任何關於螺紋扣件重複使用的標準或程序，證詞顯示現場有重複使用；一般而言，重複使用會使螺紋摩擦上升，同樣的扭矩交出的夾緊力可能逐次變少（第 166 段）。 鎖法本身也鬆動過：2006 年 4 月以前，維護規範 SMS PF01 要求需要鎖緊時用校正過的扭力扳手，托架到軌腹的螺帽鎖到 250 N·m；那次改版之後不再強制， 理由是扭力扳手不是每位維護人員都拿得到，而且沿線步行要帶的工具已經太多（附錄 I 第 4、5 段）。 1 月 7 日的故障班用車上庫存的螺帽螺栓，依證詞是以 15 或 18 吋的活動扳手鎖緊，現場沒有扭力扳手，當時也沒有要求（第 267 段）；那些替換件可能是新品，也可能是二手的（第 268 段）。

報告分兩個時間點列了好幾種情境。對 2006 年 12 月 17 日的維護（第 276 段）：可能用短扳手沒鎖到、鎖到了但摩擦太高，也可能根本沒檢查。對 1 月 7 日換上的扣件（第 281 段）：可能摩擦太高或活動扳手預力不足，也可能一開始夠，之後被載重、嵌入、鋼軌標記上的塑性變形，或舊變形加上元件錯位滑移吃掉。哪一種發生了，沒有證據可以判定。 第 282 段的總結是，1 月 7 日換上的螺栓是照當時的指引裝的，接頭仍然失效；所有情境的共同底層，是這個接頭的設計只要情況稍有改變就可能失效。

報告怎麼評這個設計，以及之後改了什麼

這個設計不是新東西。第 30 段寫，2B 的構造是一種廣泛使用超過 35 年的標準設計，Network Rail 在報告當時估計號誌路線上約有 13,500 組； 這種非調整式連接桿在更早的道岔型式中引入，已經超過 50 年。第 291 段說首次使用的時間無法確定，可能在二戰前夕開始使用，1940 年代成為英國鐵路的標準設計。 RAIB 的判斷是，2B 及類似配置道岔的這種托架與尖軌接頭，可能承受超過其設計能力的力，所以整個道岔系統對定期巡檢與維護有相當的依賴；殘留開口設錯時，依賴更深。

這也呼應了第 406 段的觀察：在 Network Rail 的各個層級，鎖連接桿的螺栓被當成一件一向由維護人員在做的例行工作。 報告的建議 1 要求修改非調整式連接桿組件與它的接頭，使它能承受正常營運載重與合理可預見的故障，有安全餘裕，並且不過度依賴人的介入（without excessive reliance on human intervention）； 載重情境要涵蓋道岔配置、交通與線形，以及製造與安裝的變異。建議 7 要求維護指引寫清楚首次安裝怎麼鎖、之後怎麼檢查， 以及考慮到達成預力所需的螺帽轉角，扣件鬆到什麼程度才算鬆。

事故後的改動之後，另有一組後續檢查結果。Network Rail 對 115 組反向配置（contraflexure，分岐方向與曲線方向相反）、線路速度 80 mph 以上的道岔全部更換連接桿並改了扣件：連接桿到尖軌的螺栓升到 8.8 級，彈簧墊圈改成在螺帽與螺栓頭下各放一對鋸齒鎖緊墊圈， 改用另一種金屬式防鬆螺帽，規定 250 N·m，只用乾淨、無損的螺栓；初次安裝 4 到 6 週後用扭力扳手重鎖到 250 N·m，並裝上螺帽轉動指示器（附錄 O 第 13、14 段）。 初次安裝 2 到 5 個月後，在其中 16 組、322 支螺栓上，把 250 N·m 施加在螺帽上（螺栓固定）檢查，有 12% 被判為「鬆」，定義是螺帽與螺栓之間出現任何轉動（附錄 O 第 15 段）。 這個定義是在 250 N·m 下轉得動，不等於預力歸零，報告也沒有據此換算預力。

規範也改了：2007 年 12 月起，只有首次安裝時用扭力扳手鎖到 250 N·m，之後用短扳手檢查鬆緊；做了任何矯正，例如鎖螺帽，都要回報（第 675 段）。 2008 年 6 月，Network Rail 委託做接頭受軸向拉力時扣件在振動下的性能試驗，評估不同的螺帽鎖定方法（第 677 段）。報告撰寫時，Network Rail 另有一份修訂的連接桿組件與扣件設計提案（第 679 段）， 內容報告沒有描述。

從扣件這一側帶得走的四件事

以下是本站的讀法，不是報告寫給扣件使用者的建議。報告的建議是寫給 Network Rail 等單位的。

1. 先有載重，扭矩值才有比較的對象。31 kN 是先把實測的 4 kN 桿力換算成每支扣件需要的 18.5 kN 夾緊力，再加上 12.5 kN 嵌入損失得來的；這類連接桿用了五十年以上，調查時卻沒有可用的載重情境或設計分析。沒有那一步，250 N·m 只是一個鎖法，說不出夠不夠。預力控制精度的一般討論，見〈你的鎖緊方法把預力控制得多差〉。
2. 把嵌入量跟螺栓伸長量放在一起看。在材料與接觸條件相同時，嵌入量不隨螺栓變長而增加，夾持長度短、伸長量小的接頭，被吃掉的比例就大。這個接頭長徑比 1.7:1，計算伸長 36 到 129 µm，粗糙度嵌入估算約 23 µm。
3. 「鬆」的檢查門檻，要對上預力需要的轉角。在報告分析的這個接頭上，預力歸零只要約 1/19 圈，第 164 段概述的判鬆轉角卻是 1/8 到 1/4 圈；沒有轉到判鬆門檻，不代表預力還夠。
4. 彈簧墊圈與防鬆螺帽不會把夾緊力補回來。在 2B 道岔的不同接頭上，報告試驗的同類彈簧墊圈壓平只要 0.65 kN，鎖定桿接頭的防鬆螺帽在鬆開後阻力與普通螺帽相近。這些結果沒有顯示受測的防退元件能補足接頭需要的夾緊力；接頭滑不滑，還是要靠足夠的有效預力。

這頁不能說的

RAIB 的報告不判定責任或過失，本頁也不評價任何個人或單位。2B 接頭的預力是在哪一次、因為哪一種情境不足或流失，報告列了多種可能而沒有判定，本頁也不判定。 4 kN 換算到每支 18.5 kN 用的幾何與摩擦係數報告沒有列出；螺帽要經過多少次載重才變得可以自由退出，RAIB 沒有研究（第 141、143 段）。 事故後 12% 的「鬆」是在 250 N·m 下出現任何轉動，不能換算成預力流失的比例。2007 年 11 月的第二份緊急安全建議寫托架接頭「specified 200 Nm」， 最終報告（第 147 段註 8、第 262 段、附錄 I）寫托架到軌腹是 250 N·m、200 N·m 是連接桿到托架與絕緣接頭的值，本頁照最終報告。 角度換算（約 19 度、45 到 90 度）、5 kN 的差額與 37 kN 合計是本站計算；夾持長度加倍的例子是假設。本頁讀的是報告 v5（2011 年 7 月），版次表註明各版修改不影響結論與建議。 事故的救援、車輛耐撞與傷亡細節不在本篇範圍。

這一篇不屬於六步中的任何一步。它橫跨各步，或者發生在組裝之後。導致它的那些決定是在哪裡做的，見指定一顆螺絲，那篇寫的是順序，以及為什麼順序做反了是重工。

常見問題

格雷里格脫軌跟螺栓有什麼關係？

英國鐵路事故調查處（RAIB）認定，2B 道岔劣化的第一個失效，是第三支軌道側連接桿托架接到右側尖軌的螺栓接頭：夾緊力小於正常交通造成的力，接頭先滑，螺帽再退出。這是三個缺一不可的因果因素之一，另外兩個是殘留開口設得太大，以及 2 月 18 日漏掉的每週巡檢。

螺栓鎖到規定扭矩，為什麼還會鬆脫？

以這個接頭為例，針對與 2B 類似配置、無輪緣背面接觸時的分析載重，RAIB 估算每支螺栓至少要 31 kN 初始預力（承受 4 kN 桿力所需的 18.5 kN，加上 23 µm 嵌入造成的 12.5 kN 損失）。假設鎖到 250 N·m，依螺紋摩擦（0.1 到 0.4）算出的預力是 26 到 93 kN，高摩擦端達不到需求，所以報告說即使完全鎖緊也無法保證安全餘裕。這是計算，不是證實現場鎖到了 250 N·m。扭矩只是鎖法，夠不夠要看載重與摩擦。

加彈簧墊圈或換防鬆螺帽可以解決嗎？

報告在 2B 道岔上的結果顯示幫助很小，但兩者量的是不同接頭，也不能推廣成所有防鬆螺帽的性能。報告試驗的同類單圈彈簧墊圈壓平只要 0.65 kN，相對於約 31 kN 的初始預力需求，對防退貢獻很小；右側鎖定連接桿接頭的防鬆螺帽在接頭鬆開後，阻力只與普通螺帽相近，螺牙已經變形。報告的建議方向是修改接頭設計，使它有安全餘裕而不過度依賴人的介入。

螺帽沒有轉到判鬆的角度，就代表預力還夠嗎？

不一定。報告分析的這個接頭，3/4 吋螺栓在 250 N·m 下計算伸長最多 129 µm，螺帽退約 1/19 圈預力就歸零；第 164 段把 Network Rail 判定「鬆」的轉角概述為 1/8 到 1/4 圈，並指出事故後依此做的檢查，不一定找得出所有已經失去預力的扣件。報告的建議 7 要求依達成預力所需的螺帽轉角來定義何謂鬆。

參考資料

• Rail Accident Investigation Branch（2008，v5 2011）Rail Accident Report 20/2008: Derailment at Grayrigg, 23 February 2007
• GOV.UK —— Derailment at Grayrigg（RAIB 報告登錄頁）
• 螺絲為什麼會鬆：兩件不同的事共用一個詞
• 一個扭力數字，背後假設了一組摩擦條件
• 為什麼比較長的螺絲，有時候接合反而更牢
• 規格表上的防鬆扭矩是一個上限，不是拿來相加的數字

本頁依 RAIB 報告 20/2008 的 v5 全文，段落編號照報告。計算與試驗數字來自第 142 至 153、164 至 166 段與附錄 E；維護規範與現場處理來自第 262 至 268、675 段與附錄 I；事故後普查與扣件改動來自附錄 O 與第 677、679 段。角度換算、差額與合計是本站計算，夾持長度加倍的例子是假設。「從扣件這一側帶得走的四件事」是本站的讀法，不是報告的建議。