Анализ системы неразрушающего контроля сварных стыков рельсов

В журнале «Путь и путевое хозяйство» №11 за 2013 г опубликована статья, подготовленная при участии специалистов ИЦ «Про-безопасность». Ниже приведен сокращенный вариант данной статьи.

С 2014 г. вступают в действие технические регламенты Таможенного союза «О безопасности инфраструктуры железнодорожного транспорта» и «О безопасности высокоскоростного железнодорожного транспорта». Для реализации требований данных документов необходимо разработать серию государственных стандартов, в том числе в области сварки рельсов.

На сети железных дорог ОАО «РЖД» расширяется полигон применения бесстыкового пути — в 2012 г. он составил около 80,3 тыс. км (64,7 % развернутой длины главных путей) с ежегодным увеличением примерно на 2,7 тыс. км. В связи с этим остро встает вопрос качества стыков, изготовленных электроконтактным (ЭК) и алюминотермитным (АЛТ) способом.
Сварку стыков в абсолютном большинстве случаев, выполняют организации-аутсорсеры, имеющие специальный допуск ОАО «РЖД».

Приемочный контроль сварных стыков, базирующийся на визуально-измерительном и ультразвуковом методах неразрушающего контроля, находится в ведении ОАО «РЖД». Его осуществляют дефектоскописты Дорожных центров диагностики и мониторинга инфраструктуры (в условиях рельсо-сварочного поезда РСП) и операторы участков дефектоскопии дистанций пути. Они же выполняют ручной эксплуатационный контроль по всему сечению сварного стыка (за исключением подошвы рельса снизу) в соответствии с периодичностью, установленной в [1]. Для ЭК-стыков она составляет один раз в год в первые два года после укладки, затем раз в два года (на малодеятельных участках — один раз в три года), для АЛТ-стыков — один раз в течение года после укладки, затем один раз в два года.

%201_2[1]Общий объем эксплуатационного контроля в 2012 г. составил около 4,7 млн стыков (более 90 % общего объема — ЭК-стыки) с ежегодным ростом около 3 %. Для выполнения ультразвукового контроля (УЗК) задействуется бригада из четырех человек (оператор, выполняющий УЗК, монтер пути, очищающий сварной стык и наносящий минеральное масло на зону контроля, а также два сигналиста). В соответствии с расчетами, выполненными ФГУП «НИИ мостов и дефектоскопии» в 2009 г., примерная стоимость эксплуатационных затрат на работу одной подобной бригады составляет около 170 тыс. руб. в месяц. Таким образом, при норме проверки 40 ЭК-стыков или 12 АЛТ-стыков в смену и среднем восьмимесячном периоде, при котором возможен ручной контроль, общие ежегодные затраты ОАО «РЖД» на систему эксплуатационного контроля сварных стыков составляют около 1,05 млрд руб.

Ультразвуковой контроль АЛТ-стыков осуществляется с 1997 г., контроль ЭК-стыков впервые в мире был введен в СССР с 1961 г. [2]. В настоящее время технология их проверки регламентируется документами [3—4]. Требования к визуально-измерительному контролю изложены в нормативной документации на сварку рельсов [5—7].

%202[1]%203[1]

Технология контроля сводится к ручному перемещению ультразвуковых датчиков со скоростью не более 100 мм/с с шагом 3—4 мм с двух сторон сварного стыка. Общая протяженность перемещения датчика при эксплуатационном контроле одного ЭК-стыка составляет около 41 м, при контроле АЛТ-стыка — 29 м. Проверка ведется эхо-методом и эхо-зеркальным (для приемочного контроля АЛТ-стыков) с основными параметрами контроля, изложенными в таблице

Основные параметры контроля сварных стыков

Параметр

УЗК ЭК-стыков

УЗК АЛТ стыков

Частота УЗК, МГц

2,5

2,5

Угол ввода, град. (чувствительность, дБ)

50

0, 45, 70

(24)

(20, 18, 16)

Ручной контроль сварных стыков выполняется одно—двухканальными дефектоскопами типа РДМ-33, «Авикон-02Р», УД2-102 Пеленг и др. Эти же типы приборов используются для перепроверки результатов сплошного контроля съемными и мобильными средствами диагностики пути (вторичный контроль).

Ручной контроль сварных стыков выполняется одно—двухканальными дефектоскопами типа РДМ-33, «Авикон-02Р», УД2-102 Пеленг и др. Эти же типы приборов используются для перепроверки результатов сплошного контроля съемными и мобильными средствами диагностики пути (вторичный контроль).

 

%204[1]

УЗК сварных стыков при их эксплуатации проводят при температуре окружающего воздуха более плюс 5 °С. При этом эффективность такого контроля при необходимых квалификации и практических навыках оператора полностью определяется его сосредоточенностью в процессе работы. Ручной контроль сварных стыков при отрицательных температурах окружающей среды нецелесообразен, так как при этом в силу физиологических особенностей человеческого организма значительно снижается работоспособность оператора и повышается вероятность пропуска дефекта.

 

%205[1]

Действующая технология контроля ЭК-стыков фактически не менялась с начала ее использования, очень трудозатратна и требует от оператора значительных психофизических усилий по соблюдению параметров контроля. Однако на сегодняшний день только данная технология при условии ее соблюдения гарантирует выявление недопустимых дефектов. Попытки автоматизации этого процесса не могут быть признаны успешными из-за их низкой эффективности обнаружения дефектов и сложности механизированных узлов создаваемых приборов.
Помимо ручного эксплуатационного контроля сварных стыков их проверяют до 5 раз в месяц с поверхности катания средствами сплошного контроля (дефектоскопными тележками, дефектоскопными автомотрисами и вагонами-дефектоскопами). Таким образом, сравнительно полноценно сварной стык может быть проверен только в области головки рельса. Большинство дефектов в ЭК-стыках вертикальны (рис. 1) и имеют почти зеркальную поверхность, поэтому наклонные ультразвуковые колебания, попадая на них, не отражаются обратно к поверхности катания. Полная проверка АЛТ-стыков при сплошном контроле также невозможна из-за наличия ложных сигналов от зоны облива, а также из-за того, что болтовые отверстия для предохранительных накладок затрудняют прохождение ультразвуковых колебаний большей части шейки рельса и ее проекции в подошву.
На рис. 2 показано распределение количества опасных дефектов (ОДР), обнаруженных в 2012 г. при сплошном и ручном (локальном) контроле в головке, шейке и подошве сварного стыка (коды по [8] соответственно 26.3, 56.3, 66.3).

На рис. 3 приведен график изломов рельсов в области сварного стыка в зонах по сечению рельса за предыдущие семь лет, показывающий, что вероятность излома в зоне головки меньше из-за эффективного сплошного контроля. Полученные данные позволяют перейти к экспериментупо уже предлагаемому (например, в [9]) ручному контролю сварных стыков только в области шейки и подошвы, что уменьшит трудозатраты примерно на 25 %.
Также можно отметить, что около 10 % изломов произошли без явных дефектов в сечении рельса (дефект 79.3), что, по-видимому, является следствием сверхнормативных растягивающих напряжений в рельсовых плетях.

%206[1]

Примерная доля изломов рельсов в зоне ЭК-стыков на протяжении многих лет составляет 20—30 % от общего количества изломов рельсов. При этом около 25 % изломов в стыках происходят после их сварки в пути машинами ПРСМ.
Изломы АЛТ-стыков практически не фиксируются в официальной статистике ОАО «РЖД» (во многих зарубежных странах они являются основной причиной изломов) из-за наличия на них предохранительных накладок, которые при изломе сварного стыка не дают прерваться рельсовой цепи. Абсолютное большинство дефектов в АЛТ-стыках возникают непосредственно при сварке, а не в условиях их эксплуатации [10]. Таким образом, данные дефекты должны были быть обнаружены уже при приемочном ручном контроле, непосредственно после сварки.
Общие причины изломов сварных стыков подробно описаны в трудах сотрудников ОАО «ВНИИЖТ», например [11—12]. Большинство изломов сварных стыков происходят при отрицательной температуре окружающей среды (рис. 4), в основном при пропущенном тоннаже до 150 млн т груза брутто, т.е. в гарантийный период (рис. 5).
Общая статистика по количеству и типам выявляемых дефектов при приемочном контроле, к сожалению, отсутствует, что не позволяет оценивать уровень соблюдения технологических процессов сварки.

Основными типами дефектов, обнаруженными средствами дефектоскопии, для ЭК-стыков являются вертикально ориентированные трещины и непровары, для АЛТ-стыков — поры и непровары. Наиболее трудны для обнаружения следующие типы дефектов — «холодная сварка» в головке, поджоги на подошве рельса в зоне контакта рельса с токоведущими электродами (зажимными губками) сварочных машин и трещины в шейке рельса, возникшие из-за нарушения технологии зачистки, ориентированные под углом около 20° к горизонтальной оси.
Распределение по известным размерам дефектов, послуживших причиной изломов рельсов, приведено на рис. 6. Основная часть дефектов, послуживших причиной излома, имела размеры, значительно превышающие минимальную выявляемую площадь дефекта Smin = (3?15) мм2.

Выводы и рекомендации

1. Существующая технология ручного приемочного и эксплуатационного контроля сварных стыков является трудозатратной, однако ее соблюдение гарантирует выявление недопустимых дефектов. Основной причиной пропусков дефектов в сварных стыках рельсов является несоблюдение операторами предусмотренных параметров контроля (чувствительности, пределов перемещения ультразвукового датчика и шага сканирования).
2. Для повышения эффективности системы неразрушающего контроля сварных стыков, а также с целью актуализации нормативной базы необходимо подготовить проект ГОСТ, закрепляющий на государственном уровне технологию проверки стыков и нацеливающий разработчиков средств дефектоскопии на автоматизацию и механизацию процессов контроля.
3. В целях оптимизации затрат возможно уменьшение периодичности контроля сварных стыков через несколько лет после их эксплуатации, в особенности на малодеятельных участках пути.
Для повышения эффективности системы контроля также необходимо:
реализовать электронный паспорт сварного стыка при его изготовлении в условиях РСП, включающий в себя в том числе нередактируемые параметры процесса сварки стыка, результаты контроля его прямолинейности и ультразвуковой дефектоскопии;
нормативно установить месячную норму контроля АЛТ-стыков, необходимую для корректного расчета числа операторов;
ежегодно перед началом сезона проверки сварных стыков проводить повышение квалификации операторов, выполняющих ручной контроль сварных стыков;
оснастить контрольные посты РСП и участки дефектоскопии образцами сварных стыков с реальными и искусственными дефектами в разных зонах сварного стыка.

Список литературы

1. Положения о системе неразрушающего контроля рельсов и эксплуатации средств рельсовой дефектоскопии в путевом хозяйстве железных дорог ОАО «РЖД» / Утв. Распоряжением ОАО «РЖД» № 2714 от 27.12.12.
2. Кузьмина Л.И. НК рельсов при их восстановлении и сварке // В мире неразрушающего контроля, 2004. № 2 (24).
3. СТО РЖД 1.11.003-2009. Метод ультразвукового контроля сварных стыков рельсов.
4. ТИ 07.96-2011. Технологическая инструкция по ультразвуковому контролю стыков алюминотермитной сварки рельсов в пути.
5. СТО РЖД 1.08.002-2009. Рельсы железнодорожные, сваренные электроконтактным способом. Технические условия.
6. ЦПТ-80/350-2003. Рельсы железнодорожные старогодные. Технические условия на ремонт, сварку и использование старогодных рельсов.
7. ТУ 0921-127-01124323—2005 с Изменениями № 1 и № 2. Сварка рельсов методом промежуточного литья.
8. Нормативно-техническая документация. Классификация дефектов рельсов НТД/ЦП-1-93.
9. Марков А.А., Кузнецова Е.А. // Путь и путевое хозяйство, 2011. № 5.
10. Рукавчук Ю.П., Рождественский С.А., Этинген И.З. Анализ дефектности стыков алюминотермитной сварки рельсов // Путь и путевое хозяйство, 2011. № 4.
11. Шур Е.А. Повреждения рельсов. М.: Интекст, 2012. 192 с.
12. Классификатор дефектов сварных стыков рельсов 1.20.002-2008

Рис. 1. Примеры дефектов стыков, сваренных электроконтактным способом
Рис. 2. Количество опасных дефектов в области сварного стыка, выявленных в 2012 г. при сплошном контроле с поверхности катания и при ручном контроле
Рис. 3. Причины изломов рельсов в области сварных стыков за 2005—2012 гг.
Рис. 4. Распределение количества изломов рельсов в области сварных стыков по месяцам за 2005—2012 гг.
Рис. 5. Распределение количества изломов рельсов в области сварных стыков по пропущенному тоннажу за 2005—2012 гг.
Рис. 6. Распределение по площади дефектов, послуживших причиной изломов рельсов в области сварных стыков за 2005—2012 гг.

 

По любым вопросам Вы можете проконсультироваться
с нашими менеджерами по телефону


+7 (812) 309 3931

Задать вопрос

Контакты

Санкт-Петербург, ул. Заставская, д. 23А, оф. 206 БЦ "Авиатор"
Телефон: +7 (812) 309 3931
E-mail: probez@bk.ru