Обоснование причин и разработка способа ранней диагностики возможного излома рельса в зоне алюмотермитных стыков

Содержание

3

Путевые работы

УДК 625.143

ОБОСНОВАНИЕ ПРИЧИН И РАЗРАБОТКА СПОСОБА РАННЕЙ ДИАГНОСТИКИ ВОЗМОЖНОГО ИЗЛОМА РЕЛЬСА В ЗОНЕ АЛЮМОТЕРМИТНЫХ СТЫКОВ

Л.С. Блажко, Е.В. Ермолаев

Аннотация

Согласно приложению № 2 «Концепции реформирования путевого комплекса», утвержденной Постановлением Коллегии МПС РФ № 3 от 14.03.2001, бесстыковой путь является конструкцией, позволяющей провести структурные изменения в путевом хозяйстве. Для удлинения плетей бесстыкового пути на железных дорогах Российской Федерации применяют разные способы сварки. Все сварные рельсовые стыки проверяют непосредственно после сварки с применением разных методов неразрушающего контроля. Чаще всего дефекты появляются в швах, выполненных дуговой и термитной сваркой, то есть оплавлением. Ранняя диагностика возможного излома рельса в зоне алюмотермитных стыков позволит повысить надежность выявления зарождающихся дефектов и уменьшить число разрушений сварных рельсовых стыков.

Ключевые слова: алюмотермитная сварка, диагностика, излом, структуры металла, средства дефектоскопии, неразрушающий контроль.

Введение

В настоящее время для сварки рельсов в стационарных и путевых условиях на железных дорогах мира применяют пять основных способов, наиболее распространенным среди которых в России остается электроконтактная сварка оплавлением с использованием сварочных машин, разработанных Институтом электросварки им. Патона. Этот способ обеспечивает достаточное качество сварного соединения, но требует специальных сварочных машин, большого количества обслуживающего персонала, выделения путевой бригады рабочих, предоставления «окон» для транспортировки машин и производства работ. Эти технологические трудности при электроконтактной сварке становятся особенно очевидными на скоростных участках на стрелочных переводах, где необходимо точное соблюдение технологий для получения требуемых физико-технических характеристик металла в зоне сварного шва.

Из всех используемых способов вварки стрелочных переводов в рельсовые плети наиболее пригодным является алюмотермитный способ. Он отличается большой гибкостью применения и позволяет в большинстве случаев проводить сварку в короткие технологические «окна». При

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

Содержание

3

ликвидации рельсовых стыков не только внутри стрелочного перевода, но и на примыкающих участках бесстыкового пути алюмотермитная сварка просто незаменима. Полигонные испытания сварных соединений, осуществленных по технологии алюмотермита, доказали это вполне убедительно.

1 Целесообразность использования алюмотермитного способа сварки

1.1 Область использования

Алюмотермитная сварка зарекомендовала себя на железнодорожном транспорте зарубежных стран достаточно давно. Данный способ используется для восстановления целостности рельсовых цепей, вварки стрелочных переводов в плети бесстыкового пути, ликвидации дефектов производственного и технологического характера в рельсах, что технически и экономически выгодно.

В связи с массовым внедрением на российских железных дорогах стрелочных переводов на железобетонных брусьях крайне актуальными становятся вопросы содержания стыков в пределах стрелочных переводов из-за повышенной по сравнению с деревянными брусьями жесткости подрельсового основания. Нормативная база, существующая на данный момент, позволяет производить работы по вварке стрелочных переводов алюмотермитным способом. Однако при работах по удлинению плетей бесстыкового пути до длины блок-участка и перегона, а также при укладке бесстыкового пути на станциях и искусственных сооружениях потребуется пересмотреть технические нормы и требования на производство работ, а в ряде случаев - разработать их заново.

1.2 Полигонные испытания

В течение нескольких лет на экспериментальном кольце ВНИИЖТа проходили полигонные испытания стыков, сваренных алюмотермитным способом. В данном эксперименте принимали участие представители зарубежных фирм «Снага» (Чехия), «Электро-Термит» (Германия), «Рельтех» (Великобритания). Полученные в результате проведенных опытов данные [1] позволяют говорить о высоких физико-технических показателях готовой продукции. Данные полигонных испытаний представлены в таблице.

Исследования показали, что внедрение технологии алюмотермитной сварки в пределах стрелочного перевода позволяет сократить эксплуатационные затраты до 35% и продлить сроки службы сварного шва в 1,5 раза (относительно стрелочного перевода).

Временные затраты около 45...50 минут (как правило, работа выполняется без закрытия перегона), проведение работ бригадой из трех человек, относительно невысокий вес оборудования и мобильность бригады сварщиков, а также апробированные и соответствующие

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

Содержание

3

действующим ТУ технологии позволяют утверждать: проблема

бесстыкового пути в части стрелочных переводов имеет решение.

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

Содержание________________________________________________________________3

ТАБЛИЦА. Физико-технические показатели алюмотермитного стыка

Показатель Величина

фактическая нормативная

Максимальный износ в шве при пропуске 625 млн. т брутто 0,3 мм -

Твердость (HB) при 10-15 тыс. т пропущенного тоннажа Сопоставима с твердостью основного рельса (разница 2-4%) -

Статический изгиб (растяжения в подошве) Разрушающая нагрузка 160-165т 150 т

Стрела прогиба 24-26 мм 20 мм

2 Обоснование причин необходимости разработки способа ранней диагностики возможного излома рельса в зоне алюмотермитных стыков 2.1 Обоснование причин

Информация, полученная из научно-технических публикаций, позволяет утверждать, что излом стыков алюмотермитной сварки в зоне термического влияния сварного шва, как правило, происходит без видимых на то причин. Существует предположение, что в момент производства сварочных работ алюмотермитным способом под воздействием высоких температур происходят изменения в структуре металла, которые зачастую ведут к образованию микропор. В технике литья, в том числе и при термитной сварке, усадка компенсируется из прибыли, которая должна быть правильно расположена и рассчитана. Только в этом случае образуется свободная от микропор структура.

В настоящий момент нет достоверных данных о возможном месте расположения структурных изменений металла в виде микропор, происходящих в температурном диапазоне между 1200 и 1400°С, то есть в интервале кристаллизации.

Как следует из опыта эксплуатации стыков алюмотермитной сварки на железных дорогах Латвии и Литвы, из восьми изломов два приходится на зоны термического влияния, а не на зону шва. Это косвенно подверждает, что причиной излома в зоне термического влияния сварного шва являются:

хрупкие изломы в сварных стыках в главном пути без видимых дефектов (в зоне термического влияния);

более низкая прочность и пластичность сварных стыков;

влияние внешних и внутренних факторов на изменения, происходящие в сварном шве после ввода его в эксплуатацию.

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

3

Содержание____________________________________________

2.2 Ранняя диагностика возможного излома рельса в зоне алюмотермитных стыков

При эксплуатации сварных стыков контроль за их состоянием осуществляется визуально [2] и дефектоскопными средствами с периодичностью, предусмотренной для осмотров стрелочных переводов.

Если при электроконтакном способе прочностные характеристики стыков, сваренных за одну смену, практически идентичны, то при алюмотермитном способе структура металла стыков по прочностным характеристикам может существенно различаться. В связи с этим общепринятый способ оценки прочностных характеристик стыков электроконтактной сварки по результатам излома контрольных образцов будет мало приемлемым для оценки прочности стыка при алюмотермитной сварке.

В настоящее время для выявления внутренних дефектов в стыках используются методы ультразвуковой дефектоскопии [3]. Однако методы неразрушающего контроля для выявления зон с нестабильностью прочностных характеристик в сварных стыках алюмотермитной сварки отсутствуют. Известны методики оценки прочностных характеристик металла конкретных марок с использованием акустических и магнитных методов неразрушающего контроля. Разработка способа ранней диагностики позволит оценивать выносливость стыков алюмотермитной сварки, а также прогнозировать процессы образования дефектов.

Способ ранней диагностики предполагает:

использование типового (специализированного) дефектоскопа для прогнозирования процессов образования дефектов;

сравнение уровней шумов структуры металла на различных частотах готового стыка с эталонными значениями предварительно проверенных ультразвуком стыков, прошедших испытания на излом.

3 Заключение

На японских железных дорогах для контроля алюмотермитных стыков используется метод двухщупового зондирования [3]. Данный метод основан на ультразвуке и выполняется методом наклонного луча с использованием щупов-преобразователей, установленных под углом 45 градусов к поверхности рельса с двух сторон. В результате его использования были сделаны следующие выводы:

большинство дефектов швов, выполненных алюмотермитной сваркой, - поперечные дефекты, вызванные неоднородностями в сварном шве в зоне подошвы рельса;

метод двухщупового зондирования эффективен для выявления опасных неоднородностей в рельсовых стыках, таких как неполное проплавление и усадочные трещины;

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2

Содержание

3

после внедрения способа в качестве средства контроля непосредственно после сварки число разрушений сварных швов уменьшилось.

Однако использование данного способа не позволяет с точностью, требуемой для обеспечения безопасности и безаварийности железнодорожного транспорта, говорить о нем, как о единственно возможном решении вопроса определения целостности рельсов и рельсовых плетей, сваренных алюмотермитным способом. Применительно к системе неразрушающего контроля рельсов России это приведет к увеличению количества контрольных проходов без существенных изменений в качественной составляющей.

Неразрушающий контроль рельсовых стыков, изготовленных алюмотермитной сваркой, для условий России требует разработки методики оценки вероятности появления дефектов в зоне алюмотермитных стыков, позволяющей определять наиболее вероятные причины, приводящие к нарушению целостности рельсовой цепи при конкретных эксплуатационных условиях работы конструкции пути (скорость, осевая нагрузка, грузонапряженность, годовая температурная амплитуда, режим ведения поезда и другие).

Библиографический список

1. Коненков В.И. Алюмотермитная сварка // Евразия. Вести. - 2003. - № 9. - С. 22.

2. Косарев Л.Н., Газизова Г.Г. Усовершенствование систем неразрушающего контроля // Евразия. Вести. - 2003. - № 9. - С. 16-17.

3. Харрис У.Дж., Захаров С.М., Ландгрен Дж., Турне Х. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса. - М.: Интекст, 2002. - 408 с.

УДК 621.873/.875

КЛАСТЕРНЫЙ АНАЛИЗ СОСТЯНИЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ПУТЕВЫХ И СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Я.С. Ватулин

Аннотация

Рассматриваются вопросы повышения производительности и безопасности эксплуатации свободностоящих грузоподъемных средств путем использования алгоритма кластеризации состояний объекта в системе управления бортового процессора.

Ключевые слова: сенсорные средства диагностики, кластеризация образов состояний объекта, интеллектуальные системы управления.

Введение

Известия Петербургского университета путей сообщения

2005/2