www.przemysl-polska.com
30
'09
Written on Modified on
British Steel
Optymalizacja kosztów napraw szyn kolejowych
Firma Tata Steel Rail opracowała nową technikę napraw defektów powierzchni tocznej szyny. Dzięki zastosowaniu automatycznych i dokładnie kontrolowanych procesów udało się wyeliminować te aspekty ręcznego spawania łukowego (MMA – Manual Metal Arc), które nie gwarantowały stałej jakości napraw- jest to główna zaleta tej techniki. Opracowany półautomatyczny proces wykorzystuje otwarty łuk spawania elektrodą rdzeniową i wykorzystuje niską wstępną temperaturę podgrzewania w celu aktywnego kontrolowania metalurgicznych przemian w strefie nagrzewanej (Heat Affected Zone - HAZ). Biorąc pod uwagę, że średni koszt naprawy lub wymiany szyny może wynosić kilka tysięcy euro, oraz że prawdopodobieństwo uszkodzeń szyn i kół zwiększa się wraz z natężeniem ruchu na większości linii kolejowych, łatwo dostrzec znaczenie tej nowatorskiej techniki.
Nowa metoda została dokładnie przetestowana i produkuje się obecnie specjalne jednostki do prezentacji m.in. na kolejach we Francji i w Wielkiej Brytanii.
Prowadzenie kół na szynach przez wagony kolejowe stwarza na styku koła i szyny wysokie naprężenia o złożonym modelu matematycznym, co prowadzi do niszczenia powierzchni szyny.
Różnorodność torów, profili kół i typów ruchu może doprowadzić do wielu wad powierzchniowych, które skracają żywotność szyn. Defekty, takie jak obniżenie główki szyny, czy przegrzewanie się kół, mogą wystąpić nawet w najbardziej nowoczesnych i dobrze utrzymanych sieciach kolejowych (statystycznie takie wady wykrywa się rocznie średnio co dwa kilometry). Wyeliminowanie takich wad na krótkim odcinku kolei jest drogie i nie zawsze pożądane. Wprowadza bowiem nowe niedogodności w postaci dwóch spoin aluminotermicznych (reakcji egzotermicznej z wykorzystaniem aluminium jako reduktora), które niwelują korzyści uzyskane z walcowanych na gorąco, długich szyn kolejowych (do 120 metrów).
Alternatywą dla tradycyjnych technik napraw takich usterek jest ręczne spawanie łukowe (MMA). Mimo tego, że technika ta jest używana w wielu gałęziach przemysłu, jest ona silnie uzależniona od kompetencji spawacza. Jest czasochłonna i podatna na wady wewnętrzne, takie jak porowatość, które następnie narastają wraz ze zmęczeniem materiału, a jeśli nie zostały wykryte przez badanie ultradźwiękowe, powodują w rezultacie przerwy w ruchu kolejowym.
Następujące czynniki optymalizują koszty i zapewniają wysoką jakość nowej technologii spawania:
1. Odejście od konwencjonalnego wstępnego podgrzewania do temperatury 350 ° C i zastąpienie go podgrzewaniem do zaledwie 80 ° C. Zalety: szybsza naprawa, zmniejszenie głębokości strefy wpływu ciepła (nagrzewania) i uzyskanie wytrzymałej mikrostruktury.
2. Wykorzystanie standardowej procedury eliminuje subiektywny wpływ operatora i zwiększa powtarzalność.
3. Korzystanie z półautomatycznego zaprogramowanego procesu spawania otwartym łukiem z elektrodą rdzeniową zapewnia kontrolę przepływów cieplnych i przewidywalne czasy operacji.
Uzyskuje się bardzo wysoką jakość spoin naprawionej powierzchni tocznej-
- są one odporne na zmęczenie i na zużycie zgodnie z klasą R260 przy zachowaniu jednolitej twardości i mikrostrukturze na całym obszarze spoiny.
Nowy, opatentowany przez Tata Steel schemat techniki naprawy obejmuje cztery etapy. Najpierw usuwa się uszkodzony fragment za pomocą przenośnej trójosiowej kolejowej frezarki, z zaciskami na bokach szyny. Zapewnia to jednolity stan wyjściowy zidentyfikowanej wady. To istotny postęp w porównaniu do dotychczasowego stosowania ręcznej obróbki wstępnej, co nie gwarantowało uzyskania jednolitej powierzchni dla procesu automatycznego spawania.
Po drugie, naprawiany fragment i jego otoczenie są podgrzewane tradycyjnym palnikiem. Dla klasy 260 szyn optymalna temperatura jest pomiędzy 60 a 80 ° C. Wybór tej temperatury zależy od kontroli mikrostruktury w strefie nagrzewania (HAZ) – chodzi o uzyskanie równomiernej struktury perlitycznej bez martenzytów.
Temperatura ta jest odpowiednia dla większości stali o wysokiej zawartości węgla stosowanych do produkcji szyn kolejowych, ale może wymagać modyfikacji w razie stosowania do stali, które mają inne cechy, takie jak np. niska zawartość węgla
Trzeci etap przebiega przy użyciu półautomatycznej maszyny do spawania wykorzystującej otwarty łuk ( spełnia ona normę TN3-0, stosowaną przez Koleje Brytyjskie)
Położenie górnej warstwy ma kluczowe znaczenie, by zapobiec utworzeniu nowej strefy nagrzewania (HAZ). Większość spoiny z górnej warstwy jest stopniowo usuwana poprzez szlifowanie profilu.
Czwarty i ostatni etap polega na przywróceniu poprzecznego i wzdłużnego profilu szyny poprzez szlifowanie przy użyciu szlifierek konwencjonalnych.
Dokonano porównawczej oceny techniki MMA i nowej metody spawania poprzez analizę historii termicznej obu procesów przy wykorzystaniu termopar.
Na tej podstawie można wysnuć kilka wniosków dotyczących metalurgicznej natury procesów:
-Pomimo zastosowania wstępnego podgrzewania do temperatury tylko 80 ° C, temperatura w strefie nagrzewania HAZ po każdym spawaniu pozostaje powyżej 200 ° C, zapobiegając transformacji mikrostruktury do postaci martenzytycznej (dla martenzytu początkowa temperatura wynosi 160 ° C dla szyn klasy 260).
-Szybkości chłodzenia w procesie są niemal identyczne jak w konwencjonalnym procesie MMA dla wszystkich etapów, z wyjątkiem pierwszego. Przebiega on w tempie szybszym o 5,2 ° C / s ( wystarcza to, aby zapobiec powstawaniu martenzytu)
- Spoina pozostaje wolna od pęknięć, co wynika z mikrostruktury w pełni perlitycznej, wolnej od martenzytu i bainitu.
-Twardość wskazuje, że odporność na zużycie spoiny będzie porównywalna z szynami klasy R260 i zapewni dobry profil wzdłużny.
-Spoinę poddano zginaniu na zmęczenie pod obciążeniem potrójnym w stosunku do oczekiwanego obciążenia użytkowego. Próbka przeszła pomyślnie przez pięć milionów cykli, a następnie z powodzeniem przetrwała kolejne 4,3 milionów cykli pod obciążeniem ośmiokrotnie większym niż oczekiwane obciążenie użytkowe.
Prowadzenie kół na szynach przez wagony kolejowe stwarza na styku koła i szyny wysokie naprężenia o złożonym modelu matematycznym, co prowadzi do niszczenia powierzchni szyny.
Różnorodność torów, profili kół i typów ruchu może doprowadzić do wielu wad powierzchniowych, które skracają żywotność szyn. Defekty, takie jak obniżenie główki szyny, czy przegrzewanie się kół, mogą wystąpić nawet w najbardziej nowoczesnych i dobrze utrzymanych sieciach kolejowych (statystycznie takie wady wykrywa się rocznie średnio co dwa kilometry). Wyeliminowanie takich wad na krótkim odcinku kolei jest drogie i nie zawsze pożądane. Wprowadza bowiem nowe niedogodności w postaci dwóch spoin aluminotermicznych (reakcji egzotermicznej z wykorzystaniem aluminium jako reduktora), które niwelują korzyści uzyskane z walcowanych na gorąco, długich szyn kolejowych (do 120 metrów).
Alternatywą dla tradycyjnych technik napraw takich usterek jest ręczne spawanie łukowe (MMA). Mimo tego, że technika ta jest używana w wielu gałęziach przemysłu, jest ona silnie uzależniona od kompetencji spawacza. Jest czasochłonna i podatna na wady wewnętrzne, takie jak porowatość, które następnie narastają wraz ze zmęczeniem materiału, a jeśli nie zostały wykryte przez badanie ultradźwiękowe, powodują w rezultacie przerwy w ruchu kolejowym.
Następujące czynniki optymalizują koszty i zapewniają wysoką jakość nowej technologii spawania:
1. Odejście od konwencjonalnego wstępnego podgrzewania do temperatury 350 ° C i zastąpienie go podgrzewaniem do zaledwie 80 ° C. Zalety: szybsza naprawa, zmniejszenie głębokości strefy wpływu ciepła (nagrzewania) i uzyskanie wytrzymałej mikrostruktury.
2. Wykorzystanie standardowej procedury eliminuje subiektywny wpływ operatora i zwiększa powtarzalność.
3. Korzystanie z półautomatycznego zaprogramowanego procesu spawania otwartym łukiem z elektrodą rdzeniową zapewnia kontrolę przepływów cieplnych i przewidywalne czasy operacji.
Uzyskuje się bardzo wysoką jakość spoin naprawionej powierzchni tocznej-
- są one odporne na zmęczenie i na zużycie zgodnie z klasą R260 przy zachowaniu jednolitej twardości i mikrostrukturze na całym obszarze spoiny.
Nowy, opatentowany przez Tata Steel schemat techniki naprawy obejmuje cztery etapy. Najpierw usuwa się uszkodzony fragment za pomocą przenośnej trójosiowej kolejowej frezarki, z zaciskami na bokach szyny. Zapewnia to jednolity stan wyjściowy zidentyfikowanej wady. To istotny postęp w porównaniu do dotychczasowego stosowania ręcznej obróbki wstępnej, co nie gwarantowało uzyskania jednolitej powierzchni dla procesu automatycznego spawania.
Po drugie, naprawiany fragment i jego otoczenie są podgrzewane tradycyjnym palnikiem. Dla klasy 260 szyn optymalna temperatura jest pomiędzy 60 a 80 ° C. Wybór tej temperatury zależy od kontroli mikrostruktury w strefie nagrzewania (HAZ) – chodzi o uzyskanie równomiernej struktury perlitycznej bez martenzytów.
Temperatura ta jest odpowiednia dla większości stali o wysokiej zawartości węgla stosowanych do produkcji szyn kolejowych, ale może wymagać modyfikacji w razie stosowania do stali, które mają inne cechy, takie jak np. niska zawartość węgla
Trzeci etap przebiega przy użyciu półautomatycznej maszyny do spawania wykorzystującej otwarty łuk ( spełnia ona normę TN3-0, stosowaną przez Koleje Brytyjskie)
Położenie górnej warstwy ma kluczowe znaczenie, by zapobiec utworzeniu nowej strefy nagrzewania (HAZ). Większość spoiny z górnej warstwy jest stopniowo usuwana poprzez szlifowanie profilu.
Czwarty i ostatni etap polega na przywróceniu poprzecznego i wzdłużnego profilu szyny poprzez szlifowanie przy użyciu szlifierek konwencjonalnych.
Dokonano porównawczej oceny techniki MMA i nowej metody spawania poprzez analizę historii termicznej obu procesów przy wykorzystaniu termopar.
Na tej podstawie można wysnuć kilka wniosków dotyczących metalurgicznej natury procesów:
-Pomimo zastosowania wstępnego podgrzewania do temperatury tylko 80 ° C, temperatura w strefie nagrzewania HAZ po każdym spawaniu pozostaje powyżej 200 ° C, zapobiegając transformacji mikrostruktury do postaci martenzytycznej (dla martenzytu początkowa temperatura wynosi 160 ° C dla szyn klasy 260).
-Szybkości chłodzenia w procesie są niemal identyczne jak w konwencjonalnym procesie MMA dla wszystkich etapów, z wyjątkiem pierwszego. Przebiega on w tempie szybszym o 5,2 ° C / s ( wystarcza to, aby zapobiec powstawaniu martenzytu)
- Spoina pozostaje wolna od pęknięć, co wynika z mikrostruktury w pełni perlitycznej, wolnej od martenzytu i bainitu.
-Twardość wskazuje, że odporność na zużycie spoiny będzie porównywalna z szynami klasy R260 i zapewni dobry profil wzdłużny.
-Spoinę poddano zginaniu na zmęczenie pod obciążeniem potrójnym w stosunku do oczekiwanego obciążenia użytkowego. Próbka przeszła pomyślnie przez pięć milionów cykli, a następnie z powodzeniem przetrwała kolejne 4,3 milionów cykli pod obciążeniem ośmiokrotnie większym niż oczekiwane obciążenie użytkowe.
