地铁车厢的细微裂痕（hairline crack）

背景

陆交局在2009年向日本川崎重工业公司和中国南车四方机车组成的合资企业（Kawasaki-Sifang）购买22列列车，过后添购多13列，总共35列。第一批运抵的列车从2011年5月底开始投入服务。

中国中车青岛四方机车车辆负责制造这35列地铁车厢，其中有26列出现“细微裂痕”（hairline crack）。这是2013年6月，SMRT对C151A订单的列车作例行检查时所发现的，目前“修复”工作正在进行。部分修复完毕的列车已运回新加坡，并投入地铁运作。

根据SMRT的资料，出现细微裂痕的，是车身底部与转向架的衔接部位，称为摇枕（bolster）。摇枕是衔接车身和转向架的部件，每节车厢两端各有一个。

（出现细微裂痕的是摇枕 bolster，每列车厢有两个。图片来源：Todayonline.com）

“细微裂痕”有多细微呢？陆交局在2016年7月12日的说明会上指出， 95％的裂痕短于30公分（30cm），只有两道介于40至50公分[1]。50公分就是半公尺或半米，比成年人走一步的距离长些。

（这是其中一道14.2cm的裂痕。图片来源：LTA）

所谓“修复”，指的是更换车身（shell）。陆交局在说明会上表示更换车身时将改用日本厂商制造的部件，而不是由中国厂商提供。

这26列被当局定位为“没有安全问题”的车厢分批运回青岛，预计2019年将最后一批修复过的车厢运回新加坡。这则新闻由香港媒体传真社（Factwire）爆料，结果在本地掀起一股浪涛，引发各种舆论争议。

本文并不旨在讨论网上的热门话题如为何由港媒爆料，本地媒体是否后知后觉；政府是否有责任对外公布地铁车厢事宜；整起事件背后是否存在着政治因素等，而是从科技的立场，谈谈“细微裂痕”、质量与安全课题。

品质、可靠性、耐久性、安全性（quality, reliability, durability, safety）

在我过去20多年的专业工程师生涯中，接触过，也处理过许多细微裂痕事件。这些细微裂痕所引起的“并发症”可大可小，有些可以在有生之年中置之不理，有些则可能随时酿成大祸，例如船身裂开、主机灾难性故障（catastrophic failure）、螺旋桨断裂等。简单地说，修与不修的技术考量离不开（1）时间，（2）所承受的力度。

根据报道，地铁车厢受影响的摇枕材料是铝合金，出现裂痕的原因是因为原材料有杂质（impurity）。换言之，如果品质不是因为受了杂质的影响，原设计是可以承受时间与力度的考验，也就是可靠耐用的（reliable and durable）。

值得注意的是，好的品质是指在设定的使用时间与使用方法上都达标。例如一台电脑保家两年，好好使用了两年都没有损坏，那就是好品质了。使用了五年才需要更换，那就是可靠耐用，物超所值了。

在显微镜下，几乎所有的金属都有“裂痕”，放大十倍看不到，就放大百倍、千倍。一般实验室里的分析师在显微镜下看到了裂痕都会很开心地指出这是“生产故障”（manufacturing fault）。

（示范图片：显微镜下杂质出现在原材料，形成“裂痕”。图片来源：azterlan.blogspot.com）

无可否认，不同的生产商都可以制造出强度、硬度、韧性（strength, hardness, toughness）等品质相似的原材料，在强度硬度韧性等品质测试（Quality tests）中完全合格，但是实况应用时，它们无法通过时间的考验，可靠性（reliability）与耐久性（durability）都不过关，使用不到期限就损坏了。在这则修复裂痕的事故上，显然日中合资企业对中国的生产技术所可能存在的瑕疵十分关注，因此改用日货。

原材料的品质测试早已成为大工程的采购规格，可靠性测试则另当别论。由于可靠性测试非常花时间花金钱，一般上很少采用，而是以“试行”与“保家”来取代。我进入专业工程师的领域所负责的第一个项目就是探讨为何绞盘的机件通过品质测试，但是装配在海军的快艇上之后寿命短促，跟商用的情况完全不一样。审核原设计与操作方式后，我作了一些设计改良，并开发了一套量身定做的“实地可靠性测试”（field reliability test）。在新加坡西部某个荒岛的沙滩上，前后暴晒了三个星期，过后进一步修饰了一些运作操守和维修程序才完成使命。这只是个简单的个例。

对大工程来说，因忽略了可靠性测试所发生的故障（failure）往往会引起不可想象的后果。最公开，现在还可上网观看视频的就是1986年挑战者号太空梭爆炸事件。挑战者号在肯尼迪太空中心升空，承载着7名太空人探索宇宙的梦想，可是在升空73秒后变成一团大火球，解体坠毁，现场观礼的人士、电视机前的观众都无法面对此突如其来的厄运，欢乐的现场陡然间变成死城。原来问题出现在火箭推进器的一个O形环（o-ring）。

在工程学上，这是一个活生生的实例，时刻提醒我们在“符合招标规格，最廉宜的投标者得”的商业模式下，这些太空人成为牺牲品。规格是人写的，但往往因为金钱的考量或知识的局限，无法将最完整的规格写出来。以太空梭事件为例，O形环本身的品质不是问题，而是整体设计有瑕疵，O形环承受了不该承受的热度，所以不能耐久。前事不忘，后事之师，“安全”是用前人的血肉换回来的。

金属疲劳

根据“列车是在运行了27个月后，摇枕才开始出现裂痕，.…在裂痕的部分做记号，察看裂痕有没有扩大。虽然一些裂痕确实有扩大，但经过检测，承载量没有因此而危及公众安全”[2]，可以推测摇枕所承受的是“循环应力”（cyclical stress）。在循环应力下，金属会出现疲劳的症状（material fatigue），裂痕随着时间越陷越深，最后突然完全断裂，因过度疲劳而“死亡”。

（新传媒7月12日的相关报道。图片来源：新传媒网站）

“循环应力”是指所影响的部分处于“拉力与推力”（compression, tension）相互交替的状态。例如夹纸张的回形针，只需要几个反复推拉的动作，就可以轻而易举的将它折断了。

每种金属应付疲劳的能耐都不一样，就跟人一样，有些人比较耐劳，有些人比较容易崩溃。相比之下，钢铁的耐劳能力很强，细微裂痕蔓延的过程是可以预估的。铝质则不一样，在“循环应力”下，耐劳能力孱弱多了，因此很容易“过度疲劳”。杂质出现在铝合金，就像多了一道裂痕一样，很快就玩完了。

安全不安全？

当交通部长许文远在民间压力下对外宣布这些有细微裂痕的地铁车厢没有涉及安全问题，这当然是根据地铁工程师的专业评估。目前受影响的摇枕有裂痕，但还没有进入过度疲劳的状态，安全系数还是3倍以上[3]。但是若不作出相应的补救措施，就可能会进入关键性（safety critical）的阶段，后果严重。否则亦没有必要劳师动众，将26列车厢运回原厂。

在此环节上，我觉得SMRT的工程团队做得很好，他们密切注意裂痕的进展，在适当时机安排这些列车回厂。有他们顶着安全的压力，我觉得很安全。

许文远先生以向外公布裂痕问题会引来公众恐慌来自圆其说，此“安全论” 叫人深感莫名。或许是部长有难言之隐，只说了一半却隐瞒另一半，所以才会叫老百姓不知所云。

我倒觉得更可怕的是对新加坡防务的威胁性。为什么香港传真社能够在新加坡裕廊海港的上空展现新科技，使用无人的遥控飞机（UAV）拍摄录像，如入无人之境？香港传真社没有恐袭的威胁，但是恐怖分子是否已经做了类似的活动？这是不是恐袭的前奏？还有多少类似的“机密”是我们所不知道的？

[1] 联合早报2016年7月13日

[2] 新传媒 2016年7月12日，

http://www.channel8news.sg/news8/singapore/20160712-sg-defect-train/2951326.html，Accessed on 19 July 2016

[3] Straits Times, Jul 13, 2016, 

http://www.straitstimes.com/singapore/transport/new-mrt-trains-from-china-firm-to-have-key-part-made-in-japan， Accessed on 19 July 2016

相关链接

新加坡地铁