Проблемы эксплуатации и неразрушающего контроля рельсов с приведенным износом

ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения

УДК 681.586.773:624.072.233.5

DOI: 10.26731/1813-9108.2018.1(57).90-94

Г. А. Гостев

Иркутский государственный университет путей сообщения, г. Иркутск, Российская Федерация Дата поступления: 16 февраля 2018 г.

ПРОБЛЕМЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ И НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ РЕЛЬСОВ С ПРИВЕДЕННЫМ ИЗНОСОМ

Аннотация. Определена необходимость неразрушающего контроля рельсов на наличие внутренних дефектов. Указаны направления исследований последних десятилетий с выделением факторов, влияющих на результаты контроля. Приведена статистика выявления остродефектных и дефектных рельсов и рассмотрена наиболее распространенная причина их появления. Указана мера по предупреждению появления дефектов по рассмотренной причине. Приведена статистика изломов рельсов и пропусков дефектов при неразрушающем контроле. Указаны факторы, ставшие причиной пропуска дефектов, и рассмотрены принимаемые меры по борьбе с ними. Определена задача центра расшифровки результатов контроля: предотвратить пропуск дефектов и контролировать работу операторов дефектоскопных тележек в связи с тем, что на дистанциях зачастую искажается истинное положение дел с дефектными рельсами. Отдельного рассмотрения требует техническая невозможность выявления дефекта. Определены виды дефектов, которые не поддаются выявлению, и указано, что существуют контроленепригодные рельсы и «шумящие». В связи с этим указано, что существующие средства неразрушающего контроля нуждаются в улучшении в части совершенствования схем прозвучивания, конструкции искательных систем, пересмотра технологии контроля. Указано, какие работы по модернизации уже ведутся над средствами неразрушающего контроля. Приведен анализ применяемых методов неразрушающего контроля, указан принцип их работы. Указано необходимое условие реализации зеркально-теневого метода ультразвукового контроля - это параллельность поверхности ввода и донной поверхности. Обозначено, что при появлении угла наклона между поверхностью ввода и донной появляется ложная сигнализация о наличии дефекта. Определено, при каком угле наклона поверхности катания к поверхности подошвы рельса будет наблюдаться устойчивый сигнал от донной поверхности.

Ключевые слова: потеря донного сигнала, рельсы с износом, ультразвуковая диагностика пути, неразрушающий контроль рельсов, зеркально-теневой метод.

G. A. Gostev

Irkutsk State Transport University, Irkutsk, the Russian Federation Received: February 16, 2018

Abstract. The article determines the necessity of nondestructive testing of rails for the presence of internal defects. It indicates the research directions of the last decades with the identification offactors influencing the control results. The author presents statistics of detection of highly defective and defective rails and considers the most common reason for their emergence. A measure is specified to prevent the appearance of defects for the reason considered. The paper demonstrates the statistics of the rail breaks and the missing defects in nondestructive testing. It considers the factors that caused the omission of defects are indicated and the measures taken to control them. The task of the center for deciphering the control results is to prevent defects from being omitted and to control the operation of operators of flaw detectors. This is due to the fact that distances often distort the true state of the defective rails. The technical impossibility of detecting a defect requires separate consideration. The author determines types of defects that cannot be detected. It is noted that there are untestable rails and "noisy" ones. In this regard, it is stated that the existing non-destructive testing tools need improvement in terms of developing the sounding schemes, the design of the search systems, and the revision of control technology. The article indicates what kind of modernization works are already being carried out on the means of nondestructive testing. It presents the analysis of applied methods of nondestructive testing is given, together with their operating principle. The necessary condition for the implementation of the mirror-shadow method of ultrasonic testing is the parallelism of the input surface and the bottom surface. It is shown that when an inclination angle appears between the input surface and the bottom surface, a false alarm indicates a defect. The problem is determined at which angle of inclination of the rolling surface to the surface of the sole of the rail a stable signal from the bottom surface will be observed.

Keywords: loss of bottom signal, rails with wear, ultrasonic track diagnostics, non-destructive testing of rails, echo reflection-shadow method.

Введение ванием для проведения обследования их техниче-

Рельсы являются основным несущим эле- ского состояния в соответствии с требованиями ментом железнодорожного пути, что служит осно- нормативных документов Минтранса РФ и ОАО

PROBLEMS OF OPERATION AND NON-DESTRUCTIVE TESTING OF RAILS WITH REDUCED WEAR

90

© Г. А. Гостев, 2018

Транспорт

оо ео I

Modern technologies. System analysis. Modeling, 2018, Vol 57, no.1

«РЖД», для которых необходим регулярный мониторинг с оценкой прочности, надежности и остаточного ресурса на протяжении всего жизненного цикла [1].

Основные направления исследований последних десятилетий связаны, в большей степени, с экспериментальными исследованиями несущей способности рельсов в условиях повышения осевых нагрузок и скоростей подвижного состава. Особое внимание уделялось вопросам совершенствования методов и средств неразрушающего контроля рельсов, повышению достоверности результатов контроля способом минимизации или исключения факторов, влияющих на неразруша-ющий контроль, оценке остаточного ресурса рельсов с дефектами. Анализ работ, посвященных данным проблемам, позволил выделить ряд факторов, влияющих на результаты неразрушающего контроля:

- размеры дефекта, глубина залегания, ориентация (угол наклона);

- влияние неровностей контактирующей поверхности рельса;

- смещение искательной системы из-за приведенного износа;

- наличие на поверхности катания рельса частиц, нарушающих акустический контакт (лубри-канты, мусор, наледь);

- изменения профиля поперечного сечения рельса относительно профиля нового рельса [2-5].

Статистика остродефектных и дефектных

рельсов и причины их появления

При обследовании состояния рельсового хозяйства железнодорожных путей ОАО «РЖД» общая выявляемость остродефектных рельсов (ОДР) на сети неуклонно растет: в 2016 году обнаружено 33408 ОДР, что на 27 % больше по отношению к 2012 г.

Увеличилось количество изломов рельсов под поездами - 53 излома за 1-е полугодие 2017 года (в 2016 году за аналогичный период - 30).

Сходы в организованных поездах в текущем году были вызваны следующими причинами: неудовлетворительное содержание пути - 4 схода (40 % от всех случаев); изломы рельсов - 3 (30 %); отступления от норм содержания стрелочных переводов - 2 (20 %); нарушения технологии производства работ - 1 (10 %).

Как уже отмечалось, в текущем году увеличилось число изломов рельсов (больше всего на Забайкальской ДИ - 22 случая). Причинами изломов чаще всего становятся дефекты сварных стыков - 35 % от общего числа случаев, дефекты усталостного характера в головке - 21 %, механиче-

ские повреждения рельса - 17 %, коррозия и дефекты в подошве - 17 %.

Интересен анализ изъятых остродефектных рельсов по видам: 21 (поперечные трещины в головке) - 26,8 %; 30 (продольные трещины в головке) - 21,8 %; 99 (прочие причины, в том числе лишние отверстия) - 10,8 %; 53 (трещины в шейке от болтовых отверстий) - 9,9 %; 26 (трещины и изломы в сварных стыках) - 7,3 %; 55 (механические повреждения шейки) - 4,1 %. Среди дефектных рельсов наиболее массовой причиной изъятия выступает поверхностное выкрашивание головки (40 %) [6].

Для снижения выхода остродефектных и дефектных рельсов необходимо знать механизмы возникновения повреждений рельсов и бороться с причинами их возникновения.

Одним из самых нагруженных элементов железнодорожного пути являются рельсы, так как вес подвижного состава, передаваемый через его колеса, в сравнении со схемой нагружения шпал, балласта и земляного полотна прикладывается точечно (рис. 1). На шпалы, балласт и земляное полотно действует более распределенная нагрузка.

В результате в месте контакта колесо - рельс сосредотачиваются значительные силы, которые провоцируют усталость поверхностного слоя металла и появление микротрещин, пластические деформации и повышенный износ в кривых участках пути. Так как рельс под колесами подвижного состава упруго изгибается, то окончание каждой микротрещины становится концентратором напряжений, что в свою очередь, влечет за собой развитие этих мелких поверхностных дефектов, которые с течением времени и в результате многократно прилагаемой нагрузки могут перерастать в дефекты 1, 2, 3 и 4-й группы, согласно нормативно-технической документации [7]. Для предупреждения появлений дефектов контактно-усталостного характера необходимо назначать профилактическую шлифовку головки рельса и своевременно снимать поврежденный поверхностный слой металла. В рельсах могут возникать дефекты и по другим причинам, причем некоторые из дефектов не поддаются выявлению с помощью средств неразрушающего контроля.

Причины пропуска дефектов и меры

по их предотвращению.

В 2016-2017 годах участилось количество изломов рельсов, при этом особую опасность представляют случаи не обнаружения дефектов работниками службы диагностики. В 2016 году пропущено 12 дефектов, каждый случай был подробно разобран, и в результате установлено, что

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ /ШШЯ

Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 1 (57) 2018

о

о

о

шии 4

4

4 ШПВ^

4 4

4

^ [шш

4

4

4

жм

4

^ Г4

4

Рис. 1. Схема нагружения железнодорожного пути

дефектоскопное оборудование не всегда может выявить дефект. Случаи пропуска дефекта в пути объясняются следующими факторами:

1) технической невозможностью выявления дефекта;

2) низким профессионализмом;

3) недостаточной принципиальностью причастных сотрудников;

4) человеческим фактором [6].

Последние 3 фактора - это кадровые вопросы и проблемы контроля, которые решаются на местах и с помощью центров расшифровки.

Основная задача центров расшифровки результатов контроля - выявление остродефектных рельсов, не обнаруженных операторами дефекто-скопных тележек. При выявлении такого рельса выдается ограничение скорости движения до 15 км/ч, и рельс назначается на замену без проведения вторичного контроля. Группой разбора проводится анализ предыдущих проходов на предмет возможности обнаружения дефекта, и в дистанцию направляется телеграмма с результатами разбора и требованием отстранить оператора от проверки пути [6].

В дистанциях пути зачастую искажается истинное положение дел с дефектными рельсами. Поэтому центры расшифровки дефектограмм берут на себя выявление дефектных рельсов, переход которых в остродефектные имеет высокую вероятность. При обнаружении дефектного рельса, требующего изъятия из пути в первоочередном порядке, он должен быть заменен в течение 14 суток с последующим контролем.

Внимания и детального рассмотрения требует 1-й фактор. В связи с этим одной из наиболее острых проблем на сегодняшний день стали технические пропуски средствами дефектоскопии дефектов следующих видов:

- трещины в шейке рельса, имеющие плоскостной характер, зеркально отражающую поверхность и определенный угол наклона - 56.3;

- трещины в первом болтовом отверстии, расположенные вниз к торцу - 53.1;

- усталостные трещины в головке рамного рельса, находящиеся в зоне острожки - 21.2;

- смятие головки в сварных стыках - 46;

- трещины в перьях подошвы рельса также не поддаются выявлению.

Кроме того, существуют контроленепригод-ные рельсы и «шумящие» рельсы, дефекты в которых не могут быть определены или определяются с низким коэффициентом выявляемости.

Поэтому существующие средства неразру-шающего контроля требуют улучшения в части:

1) совершенствования схем прозвучивания;

2) конструкции искательных систем;

3) пересмотра отдельных моментов технологии контроля;

4) обеспечения необходимых условий для гарантированного выявления дефектов различной ориентации и ликвидации «мертвых зон» при контроле.

Испытания вагона-дефектоскопа с измененной схемой прозвучивания для обнаружения дефектов 53.1, 56.3 уже ведутся на Октябрьской железной дороге, моделируются перспективные схемы выявления трещин в полках подошвы рельса [6].

Для съемных средств неразрушающего контроля разработана измененная схема прозвучива-ния для проверки рельсов с приведенным износом и соответствующая инструкция. В данной схеме есть как преимущества, так и недостатки, существенно влияющие на результаты контроля.

Анализ методов контроля рельсов

с износом

Наибольшее распространение и применение на сети дорог ОАО «РЖД» получили два способа неразрушающего контроля - ультразвуковой и магнитный, которые дополняют друг друга. Магнитный способ выявляет поверхностные дефекты, а ультразвуковой, в зависимости от метода его реализации, - как поверхностные, так и по сечению рельса, исключая перья подошвы рельса при сплошном контроле. Одной из самых значительных проблем дефектоскопии является ложная сигнализация о наличии дефекта. Ложные сигналы возни-

Транспорт

оо ео I

Modern technologies. System analysis. Modeling, 2018, Vol 57, no.1

кают от зарождающихся микротрещин и конструктивных отражателей рельса. На съемных средствах неразрушающего контроля основное применение получили два метода ультразвукового контроля это эхо-метод и зеркально-теневой методы.

Первый метод основан на излучении в контролируемое изделие коротких ультразвуковых импульсов упругих колебаний и регистрации интенсивности (амплитуды) и времени прихода эхо-сигналов, отраженных от дефектов или конструктивных отражателей в объекте контроля, а второй метод основан на посылке зондирующего импульса в объект контроля и анализе уменьшения амплитуды ультразвуковых колебаний вследствие наличия несплошности или конструктивных отражателей на их пути.

Боковой и вертикальный износ рельса в сочетании образуют приведенный износ (рис. 2), при этом поверхность катания рельса перестает быть параллельной плоскости подошвы рельса (донная поверхность). Параллельность поверхностей ввода (поверхность катания) и донной поверхности является обязательным условием реализации зеркально-теневого метода ультразвукового контроля рельсов [8-15].

44.0

Рис. 2. Боковой износ головки рельса сверх допускаемых норм

Но в этом случае такие рельсы требуют более частых проверок, тщательного наблюдения и больше времени на визуальный, инструментальный, магнитный и ультразвуковой контроль на наличие дефектов, угрожающих безопасности движения. Отдельного рассмотрения требует ультразвуковой контроль рельсов с износом. Так как применяется контактный способ ввода ультразвуковой энергии, то рабочая поверхность пьезоэлектрического преобразователя прилегает к поверхности катания. Соответственно при неравномерном износе рельса будет меняться угол ввода ультразвуковых лучей, контролирующих рельс на наличие внутренних дефектов. Так, например, при ультразвуковом контроле рельсов с кодом дефекта 44 (рис. 2) согласно инструкции «Дефекты рельсов. Классификация, каталог и параметры дефектных и остродефектных рельсов» [7], можно наблюдать уклон поверхности катания относительно подошвы рельса в результате износа и соответственно, можно сделать вывод, что акустическая ось диаграммы направленности прямого преобразователя будет отклоняться от оси рельса. Необходимо отметить, что параллельность поверхности ввода ультразвукового луча и «донной» поверхности - это обязательное условие при зеркально-теневом методе ультразвукового контроля при его реализации прямым преобразователем. Возникает необходимость определения влияния наклона поверхности катания на величину донного сигнала. Этот метод получил широкое распространение на сети железных дорог ОАО «РЖД» на съемных средствах ультразвукового контроля.

Заключение

Рассмотренная статистика остродефектных и дефектных рельсов показывает необходимость применения и развития средств неразрушающего контроля рельсов в путевом хозяйстве. Анализ причин пропуска дефектов и методов контроля рельсов с износом выявил технические недостатки средств неразрушающего контроля. Определена необходимость выявления зависимости амплитуды донного сигнала от угла наклона поверхности катания к подошве рельса вследствие его износа.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Транспортная стратегия РФ на период до 2030 года : утв. распоряжением Правительства РФ от 22.11.2008 № 1734-р (в ред. от 11.06.2014. № 1032-р [Электронный ресурс] // Режим доступа: http://rosavtodor.ru/storage/b/2014/03/23/strategia.pdf. (Дата обращения 17.01.2018).

2. Дефектоскопия рельсов / Гурвич А. К., Б.Л. Довнар и др. М. : Транспорт, 1978. 440 с.

3. Марков А. А. Шпагин Д.А Ультразвуковая дефектоскопия рельсов. СПб. : Образование-Культура, 1999. 230 с.

4. Дымкин Г.Я., Цомук С.Р. Физические основы ультразвуковой дефектоскопии. СПб. : Изд-во ПГУПС, 1997. 102 с.

5. Гурвич А. К. Неразрушающий контроль рельсов при их эксплуатации и ремонте. М. : Транспорт, 1983. 318 с.

6. Яновский А.С. На сетевой школе в Ростове-на-Дону // Путь и путевое хозяйство. 2017. № 8. С. 2-7.

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Современные технологии. Системный анализ. Моделирование № 1 (57) 2018

7. Инструкция «Дефекты рельсов. Классификация, каталог и параметры дефектных и остродефектных рельсов» : утв. распоряжением ОАО «РЖД» от 23 октября 2014 г. № 2499р. М., 2014.

8. Ермолов И.Н., Ермолов М.И. Ультразвуковой контроль М. : НПО ЦНИИТМАШ, 1993. 201 с. Гурвич А. К. Справочные диаграммы направленности искателей ультразвуковых дефектоскопов. Киев : Техника, 1980.

9.

101 с. 10 11 12

Кретов Е.Ф. Ультразвуковая дефектоскопия в энергомашиностроении. СПб. : Радиоавионика, 1995. 327 с. Гурвич А.К. Зеркально-теневой метод ультразвуковой дефектоскопии. М. : Машиностроение, 1970. 34 с. Технологическая инструкция по сплошному неразрушающему контролю рельсов с износом : утв. ОАО «РЖД», от 25 дек. 2014 г., № 3133р. М., 2014.

13. Голямина И.П. Ультразвук. М. : Совет. энцикл, 1979. 140 с.

14. Основы физики и техники ультразвука / Агранат Б.А. и др. М. : Высшая школа, 1987. 352 с.

15. Алешин Н.П., Лупачев В.Г. Ультразвуковая дефектоскопия. Минск : Высшая школа, 1987. 271 с.

REFERENCES

1. Transportnaya strategiya RF na period do 2030 goda : utv. rasporyazheniem Pravitel'stva RF ot 22.11.2008 No. 1734-r (Edition dated Jun 11, 2014. No. 1032-r [Rules of technical operation of railways of the Russian Federation: approved by the Order of the Ministry of Transport of the Russian Federation of December 21, 2010 No. 286 (as amended on December 25, 2015)]. [Electronic resource]. Access mode: http://rosavtodor.ru/storage/b72014/03/23/strategia.pdf. (Access date 17.01.2018).

2. Gurvich A. K., Dovnar B.L. et al. Defektoskopiya rel'sov [Defectoscopy of rails]. Moscow : Transport Publ., 1978, 440 p.

3. Markov A. A. Shpagin D.A Ul'trazvukovaya defektoskopiya rel'sov [Ultrasonic flaw detection of rails]. St.Petersburg : Obrazovanie-Kul'tura Publ., 1999, 230 p.

4. Dymkin G.Ya., Tsomuk S.R. Fizicheskie osnovy ul'trazvukovoi defektoskopii [Physical basis of ultrasonic flaw detection]. St.Peterburg : PSTU Publ., 1997, 102 p.

5. Gurvich A. K. Nerazrushayushchii kontrol' rel'sov pri ikh ekspluatatsii i remonte [Non-destructive testing of rails during their operation and repair]. Moscow : Transport Publ., 1983, 318 p.

6. Yanovskii A.S. Na setevoi shkole v Rostove-na-Donu [In the network school in Rostov-on-Don]. Put' i putevoe khozyaistvo [Railway Track and Facilities], 2017, No. 8, pp. 2-7.

7. Instruktsiya «Defekty rel'sov. Klassifikatsiya, katalog i parametry defektnykh i ostrodefektnykh rel'sov» : utv. rasporyazheniem OAO RzhD ot 23.10.2014, No. 2499r [The instruction "Defects of rails. Classification, catalog and parameters of defective and highly defective rails ": approved by the order of OAO Russian Railways dated October 23, 2014 No. 2499r]. Moscow, 2014.

8. Ermolov I.N., Ermolov M.I. Ul'trazvukovoi kontrol' [Ultrasonic control]. Moscow : Scientific-production association TsNIITmash Publ., 1993, 201 p.

9. Gurvich A. K. Spravochnye diagrammy napravlennosti iskatelei ul'trazvukovykh defektoskopov [Reference directional diagrams of searchers for ultrasonic flaw detectors]. Kiev : Tekhnika Publ., 1980, 101 p.

10. Kretov E.F. Ul'trazvukovaya defektoskopiya v energomashinostroenii [Ultrasonic flaw detection in power engineering]. St.Petersburg : Radioavionika Publ., 1995, 327 p.

11. Gurvich A.K. Zerkal'no-tenevoi metod ul'trazvukovoi defektoskopii [Mirror-shadow method of ultrasonic flaw detection]. Moscow : Mashinostroenie Publ., 1970, 34 p.

12. Tekhnologicheskaya instruktsiya po sploshnomu nerazrushayushchemu kontrolyu rel'sov s iznosom : utv. OAO «RZhD» ot 25.12.2014, No. 3133r [Technological instruction for continuous non-destructive testing of rails with wear: approved by OAO Russian Railways, dated December 25, 2014, No. 3133r]. Moscow, 2014.

13. Golyamina I.P. Ul'trazvuk [Ultrasound]. Moscow : Soviet. Encyclopaed. Publ., 1979, 140 p.

14. Agranat B.A. et al. Osnovy fiziki i tekhniki ul'trazvuka [Fundamentals of ultrasound physics and engineering]. Moscow : Vysshaya shkola Publ, 1987, 352 p.

15. Aleshin N.P., Lupachev V.G. Ul'trazvukovaya defektoskopiya [Ultrasonic flaw detection]. Minsk : Vysshaya shkola Publ., 1987, 271 p.

Информация об авторах

Гостев Георгий Андреевич - аспирант, Красноярский институт железнодорожного транспорта, Иркутский государственный университет путей сообщения, г. Иркутск, e-mail: gostev_ga@krsk.irgups.ru

Для цитирования

Гостев Г. А. Проблемы эксплуатации и неразрушающего контроля рельсов с приведенным износом / Г. А. Гостев // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2018. - Т. 57, № 1. - С. 90-94. - DOI: 10.26731/1813-9108.2018.1(57).90-94.

Authors

Gostev Georgii Andreevich - Ph.D. student, Krasnoyarsk Institute of Railway Transport, Irkutsk State Transport University, Irkutsk, e-mail: gostev_ga@krsk.irgups.ru

For citation

Gostev G. A. Problems of operation and non-destructive testing of rails with reduced wear. Modern technologies. System analysis. Modeling, 2018, Vol. 57, No. 1, pp. 90-94. DOI: 10.26731 / 18139108.2018.1 (57). 90-94.