ZGRZEWANIE SZYN NOWYCH ZGRZEWARKAMI TOROWYMI ZGODNIE Z WYMAGANIAMI NORMY PN-EN :2009

Transkrypt

1 ІV OGÓLNOPOLSKA KONFERENCJA NAUKOWO TECHNICZNA SPAWALNICTWO DRÓG SZYNOWYCH - JAKOŚĆ, NIEZAWODNOŚĆ, BEZPIECZEŃSTWO ZGRZEWANIE SZYN NOWYCH ZGRZEWARKAMI TOROWYMI ZGODNIE Z WYMAGANIAMI NORMY PN-EN :2009 Grzegorz Stencel STRESZCZENIE: Referat zawiera wybrane wymagania dotyczące zgrzewania szyn nowych zgrzewarkami torowymi. Porównano wymagania normy z obecnie obowiązującymi na sieci PKP PLK S.A. SŁOWA KLUCZOWE: zgrzewanie szyn, zgrzewarki torowe FLASH BUTT WELDING OF RAILS BY MOBILE WELDING MASCHINES ACCORDING TO REQUIREMENTS OF PN-EN :2009 SUMMARY: Paper contains some of the requirements for the flash butt welding of new rails by mobile welding machines. Requirements of standards and requirements which are in force in the PKP PLK S.A. was compared. KEYWORDS: flash butt welding, mobile welding maschines 1. WSTĘP Zgodnie z obowiązującymi przepisami 1 w czasie robót modernizacyjnych oraz w czasie wymiany nawierzchni i ciągłej wymiany szyn, łączenie szyn długich należy wykonywać metodą zgrzewania zgrzewarkami torowymi. W związku z powyższym w torach modernizowanych odcinków linii kolejowych szyny łączone są praktycznie wyłącznie poprzez zgrzewanie zgrzewarkami torowymi, a złącza spawane wykonuje się tylko w rozjazdach. Fakt wykonywania w modernizowanych torach głównych wyłącznie zgrzein wiąże się z dużą odpowiedzialnością spoczywającą na wykonawcach tych robót. Jakość złączy zapewniona jest przez ciągły nadzór prowadzony przez PKP PLK S.A. oraz poprzez stosowanie zgrzewarek mobilnych nowszych typów (najczęściej dwudrogowych), które zapewniają lepszą jakość wykonania, a także możliwość bardziej precyzyjnej rejestracji procesu zgrzewania. W połowie zeszłego roku została opublikowana norma dotycząca zgrzewania szyn poza zgrzewalnią. Z racji świeżości tego dokumentu (choć pewne jego zapisy są już dłużej znane), a mgr inż., Zakład Dróg Kolejowych i Przewozów CNTK, gstencel@cntk.pl 1 Decyzja Nr 02/2007 Członka Zarządu Dyrektora ds. Techniki PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. z dnia 17 stycznia 2007roku w sprawie ustalenia warunków łączenia szyn długich w torach bezstykowych

2 także z powodu braku jego polskiej wersji, autor niniejszego artykułu postanowił przedstawić wybrane wymagania dotyczące zgrzewania szyn zgodnie z normą PN-EN : WIADOMOŚCI WSTĘPNE Dokument będący przedmiotem niniejszego artykułu jest drugim z trzech serii EN Kolejnictwo. Tor. Zgrzewanie iskrowe szyn. Zagadnienia, które poruszają normy z tej serii są następujące: Część 1: Zgrzewanie nowych szyn ze stali gatunku R220, R260, R260Mn i R350HT w zgrzewalni; Część 2: Zgrzewanie nowych szyn ze stali gatunku R220, R260, R260Mn i R350HT zgrzewarkami torowymi poza zgrzewalnią; Część 3: Zgrzewanie związane z konstrukcjami krzyżownic 2. Część 1 została opublikowana w lipcu 2007, część 2 w czerwcu 2009, a część 3 znajduje się obecnie w fazie uzgodnień. Norma PN-EN :2009 porusza trzy zagadnienia: procedura dopuszczenia zgrzewarek mobilnych; zatwierdzenie wykonawców robót; wykonywanie zgrzein. W stosunku do normy PN-EN :2007, część 2 różni się przede wszystkim szczególnymi właściwościami maszyn mobilnych: używane są w różnych miejscach dla różnych zleceniodawców, pracują w różnych warunkach atmosferycznych, terenowych itp., używane są w warunkach budowy, gdzie oprócz operatorów maszyny, pracują również robotnicy zatrudnieni przy innych czynnościach (np. związanymi z układką toru bezstykowego), są różnice w wyposażeniu uwarunkowane wymaganą mobilnością. Z uwagi na powyższe warunki wykonywania złącz zgrzewanych (trudniejsze pod względem dotrzymania jakości niż w przypadku zgrzewania w zakładach stacjonarnych), złagodzono wymagania dotyczące m.in. minimalnej siły łamiącej i maksymalnych wysokości wypływki po przycięciu, co zostanie omówione w dalszej części referatu. 3. WYMAGANIA DOTYCZĄCE WYKONYWANIA ZGRZEIN 3.1 Proces zgrzewania Podobnie jak w normie dotyczącej zgrzewania szyn w zgrzewalniach, proces zgrzewania wykonywany przy pomocy zgrzewarek mobilnych powinien być prowadzony urządzeniem automatycznym z zaprogramowanym ciągiem. Parametry procesu zgrzewania powinny być zgodne z parametrami ustalonymi podczas zatwierdzania procesu zgrzewania. Zgrzewarka powinna wyświetlać następujące informacje: program identyfikacji i szczegóły ustawień; prąd zgrzewania; siła lub nacisk spęczania; przemieszczenie szyny (skrócenie); czas zgrzewania. Parametry zgrzewania powinny być kontrolowane i zapisywane. Zapisy powinny być identyfikowalne z konkretną zgrzeiną. Parametry zgrzewania powinny pozwalać na wykonanie 2 Tłumaczenie na język polski przez autora referatu.

3 zgrzein bez ingerencji w program, przy temperaturze -10 C i wyższej. Zmiana parametrów podgrzewania w zależności od temperatury szyny nie jest traktowana jako zmiana programu zgrzewania. 3.2 Uskok w miejscu zgrzeiny Jakiekolwiek uskoki pomiędzy szynami w miejscu zgrzeiny nie powinny przekraczać podanych w tabeli 1. Sprawdzenia należy dokonywać przy użycie sprawdzianu przedstawionego na rysunku 1. Tabela 1. Dopuszczalne uskoki Miejsce uskoku na szynie Dopuszczalna wartość mm Uskok pionowy, na środkowej linii powierzchni tocznej 0,5 Uskok poziomy na wysokości 14 mm poniżej powierzchni tocznej 0,5 Uskok poziomy na obu krawędziach stopki szyny 2,0 Rys. 1. Sprawdzian do pomiaru uskoku w miejscu zgrzeiny Dopuszczalne wartości uskoku w miejscu zgrzeiny są identyczne jak w przypadku zgrzein wykonywanych w zgrzewalni. Różnica polega na sposobie pomiaru. Norma PN-EN :2009 prezentuje sposób pomiaru przy pomocy liniału krawędziowego zgodnie z rysunkiem 2.

4 Rys. 2. Pomiar uskoku sposób przyłożenia liniału (A powierzchnia szyny w miejscu pomiaru, B liniał krawędziowy, C zgrzeina) 3.3 Usuwanie nadmiaru wypływki Obróbka złącza powinna spełniać następujące wymagania: a) nadmiar wypływki powinien być automatycznie przycięty; b) zgrzeina powinna być ściskana podczas usuwania nadmiaru wypływki. Zwolnienie nacisku może odbywać się jednostronnie; c) przycinanie nadmiaru wypływki nie może spowodować jakichkolwiek mechanicznych lub termicznych uszkodzeń powierzchni szyn; d) powierzchnia cięcia powinna być wolna od widocznych wad; e) wykańczanie zgrzeiny po przycięciu wypływki nie może spowodować jakichkolwiek uszkodzeń szyny lub zgrzeiny oraz nie może spowodować zmiany profilu szyny; f) należy zwrócić uwagę na jakość przycięcia na spodzie stopki szyny; g) wypływka powinna być wolna od zadziorów, karbów, szczelin lub uszkodzeń szyn; h) maksymalna grubość obrobionej wypływki powinna być zgodna z tabelą 2 i rysunkiem 2. Tam, gdzie jest różnica w stosunku do nominalnych wymiarów szyny, wypływka po przycięciu powinna być zmierzona w stosunku do szyny wziąwszy pod uwagę najbardziej odstającą powierzchnię. Jeżeli wartości wypływki po przycięciu przekraczają dopuszczalne wartości, powinna być ona miejscowo wykończona do wymaganych wartości bez niszczenia obu sąsiednich szyn. Strefa Tabela 2. Dopuszczalne wypływki po przycięciu Miejsce wypływki po przycięciu na około zgrzeiny Dopuszczalna wartość mm 1 Toczna i boczne powierzchnie główki 2,5 1+ Dolna powierzchnia główki 3,0 2 Powierzchnie szyjki szyny 2,5 3 Dolna, górne i boczne powierzchnie stopki 2,0

5 Dopuszczalne wartości wypływek dla zgrzein wykonanych w zgrzewalniach, podane w normie PN-EN :2009 są niższe o 0,5 mm, za wyjątkiem wartości dla strefy 1. Rys. 3. Dopuszczalna wysokość wypływki po przycięciu 4. PROCEDURA ZATWIERDZANIA ZGRZEWAREK MOBILNYCH 4.1 Informacje ogólne Procedura zatwierdzania dotyczy każdej maszyny z osobna (nie zatwierdza się ogółu maszyn jednego typu), poprzez badania próbek złączy zgrzewanych. Badania powinny być wykonane na złączach szynowych typu 60E1 lub 60E2 ze stali gatunku R Przygotowanie próbek do badań Końce szyn powinny być przycięte zgodnie z tolerancjami podanymi na rysunku 4. Wypukłości z cechą szyny nie powinny znajdować się w jakimkolwiek obszarze styku elektrycznego. Obszary styku elektrycznego na szynach oraz wyposażeniu maszyny powinny być oczyszczone do metalicznego połysku. Szyny powinny być umieszczone w zgrzewarce centralnie do przylegających elektrod. Rys. 4 Pomiary prostopadłości końców szyn

6 Do przeprowadzenia próby łamania należy przygotować pięć sztuk próbek. Nie dopuszcza się żadnego typu obciążenia próbek złączy w celu poprawy ich geometrii. Liczba próbek przeznaczonych do próby zmęczeniowej zależy od jej typu, określonego przez zamawiającego. Do próby staircase należy przeznaczyć dziesięć sztuk, a do próby past the post trzy. 4.3 Zakres badań zatwierdzających W zakres badań zatwierdzających wchodzą: a) oględziny złącza, b) sprawdzenie obróbki złącza i wielkości wypływki, c) pomiar uskoku w miejscu zgrzeiny, d) badanie magnetyczno-proszkowe lub przy pomocy penetranta, e) próba łamania, f) sprawdzenie makrostruktury, g) sprawdzenie mikrostruktury, h) sprawdzenie twardości, i) próba zmęczeniowa. Na zakończenie badań sporządza się raport, który powinien zawierać następujące wiadomości: dostawcę szyny, numer wytopu i analizę chemiczną szyny, parametry zgrzewania, rezultaty wszystkich badań (a-i) zawierające fotografie przełomów wszystkich zgrzein, na których przeprowadzono próbę łamania, 5. PROCEDURA ZATWIERDZANIA WYKONAWCÓW ZGRZEIN Podstawowym wymaganiem, które musi spełnić wykonawca jest oczywiście stosowanie maszyn i procedur wykonywania złącz zgodnie z wymaganiami, które przedstawiono w poprzednim punkcie niniejszego referatu. Kolejnym stawianym wymaganiem jest stosowanie niezależnie zatwierdzonego systemu zarządzania jakością. Plan zarządzania jakością powinien być zatwierdzony przez zleceniodawcę. System powinien zapewniać pełną możliwość identyfikacji wykonanych zgrzein. Dodaje się przy tym, że certyfikowany system zarządzania jakością zgodny z normą PN-EN ISO 9001 uważa się za system w zupełności spełniający te wymagania. Zleceniodawca rezerwuje sobie prawo do niezapowiedzianego audytu. Wykonawca powinien poprzez odpowiednie szkolenia i oceny podnosić kompetencje swoich operatorów. Zatwierdzenie powinno być przyznane po wykonaniu 30 zgrzein, o ile spełniają one wymagania zdefiniowane w normie. Należy tu zaznaczyć, że zgodnie z obowiązującym w Polsce prawem, zgrzeiny jako złącza szynowe są typem budowli na które wydawane są świadectwa dopuszczenia 3. W związku z tym procedura dopuszczenia wynika z zapisów Rozporządzenia WYKONYWANIE ZGRZEIN ORAZ WYMAGANIA DOTYCZĄCE ODBIORU 3 Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 26 września 2003 roku w sprawie wykazu typów budowli i urządzeń przeznaczonych do prowadzenia ruchu kolejowego oraz typów pojazdów kolejowych, na które wydawane są świadectwa dopuszczenia (Dz. U. Nr 175, poz. 1706). 4 Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 30 kwietnia 2004 roku w sprawie świadectw dopuszczenia do eksploatacji typu budowli i urządzeń przeznaczonych do prowadzenia ruchu kolejowego oraz typu pojazdu kolejowego (Dz. U. Nr 103, poz. 1090).

7 Zleceniodawca powinien przedstawić wykonawcy przynajmniej następujące informacje: profil szyny, gatunek stali, klasa profilu i prostości wg EN , kryteria prostoliniowości, zasady identyfikacji zgrzein, częstotliwość i rodzaj sporządzanych protokołów, częstotliwość wykonywania prób łamania wykonanych złączy. Z uwagi na asymetrię, wszystkie szyny powinny być zgrzewane z wypukłymi znakami cechowania po tej samej stronie. Zgrzeiny należy oznaczać w taki sposób, aby możliwa była ich identyfikacja i znana była data ich wykonania. Wszystkie wykonane zgrzeiny należy sprawdzić poprzez wykonanie szczegółowych oględzin. Zgrzeiny, w których przekroczone są wartości dopuszczalne dotyczące uskoku, należy wyciąć z toru w odległości minimum 100 mm od zgrzeiny. Końcowa obróbka złącza poprzez szlifowanie powinna się odbywać w torze z szyną przytwierdzoną przynajmniej do trzech podkładów po obu stronach zgrzeiny. Jeśli jest wymagana korekta prostoliniowości zgrzeiny, może być ona wykonana w temperaturze nie wyższej niż 200 C. Prostoliniowość zgrzeiny mierzona jest po ostatecznej obróbce, zarówno w płaszczyźnie pionowej, jak i poziomej na bazie 1 m. Prostoliniowość mierzona w płaszczyźnie poziomej dotyczy wyłącznie powierzchni tocznej. Odchyłki prostoliniowości mierzone w temperaturze otoczenia powinny być zgodne z podanymi w tabeli 3. Tabela 3. Tolerancje dla prostoliniowości i płaskości zgrzein Strefa Klasa 1 Klasa 2 Klasa 3 Klasa 4 Klasa 5 Poziomo na powierzchni tocznej + 0,3 + 0,1 + 0, ,3-0,2 + 0,3-0,15 + 0,2-0,1 Długość powierzchni szlifowania max. 400 mm z obu stron max. 600 mm Poziomo na powierzchni bocznej + 0,3 0 ± 0,4 ± 0,5 ± 0,5 ± 0,5 Długość powierzchni szlifowania max.400 mm z obu stron max.300 mm Płaskość 0,15 0,20 0,20 a 0,15 a 0,10 a UWAGA 1: Przy tolerancji prostoliniowości w poziomie, tolerancja dodatnia ma wpływ na poszerzenie toru. UWAGA 2: Zleceniodawca może wybrać jedną lub dwie z powyższych klas, w tym odmienne dla prostoliniowości poziomej, pionowej i płaskości. a sprawdzenia dokonuje się wyłącznie przy zgrzeinach z nierównością w kształcie ^ Odchyłki przedstawione w normie PN-EN :2007 podzielono na trzy klasy, a ich wartości są nieco bardziej restrykcyjne. W tabelach poniżej podano wymagania dotyczące prostoliniowości, wg których oceniane są zgrzeiny na sieci PKP PLK S.A. Klasyfikacja zgrzeiny Tabela 4. Dopuszczalne nierówności zgrzeiny w płaszczyźnie pionowej Przeznaczenie szyny / Odchyłki wymiaru f [mm] Tory główne Tory pozostałe v > 160 km/h v 160 km/h wklęsłość wypukłość wklęsłość wypukłość wklęsłość wypukłość poprawna f = 0,0 f 0,3 *) f 0,1 f 0,3 *) f 0,5 f 0,5 do naprawy 0,0< f 0,2 0,3< f 0,5 0,1< f 0,3 0,3< f 0,5 0,5< f 0,8 0,5< f 1,0 do wycięcia f > 0,2 f > 0,5 f > 0,3 f > 0,5 f > 0,8 f > 1,0

8 *) UWAGA. Zalecany optymalny stan powykonawczy: wypukłość 0,1 0,3 mm Tabela 5. Dopuszczalne nierówności zgrzeiny w płaszczyźnie poziomej Przeznaczenie szyny /Odchyłki wymiaru f [mm] Klasyfikacja Tory główne Tory pozostałe zgrzeiny wypukłość wklęsłość wypukłość wklęsłość poprawna f = 0,0 f 0,3 f 0,5 f 0,5 do naprawy 0,0 < f 0,3 0,3 < f 0,6 0,5 < f 0,8 0,5 < f 0,8 do wycięcia f > 0,3 f > 0,6 f > 0,8 f > 0,8 Jak widać wymogi polskich przepisów wpisują się w zalecenia zawarte w normie. Przewagą polskich wymagań jest ich stopniowanie jakości zgrzein: poprawna, do naprawy, do wycięcia. Zgrzeiny do badań odbiorczych należy wykonywać lub wybierać spośród wykonanych co najmniej raz w tygodniu, gdy maszyna jest w cyklu roboczym, bez względu na liczbę wykonywanych zgrzein. Z uwagi na wykonywanie zgrzein w warunkach terenowych, przy dostosowywaniu się do różnych wymagań, próba łamania może przynieść mylące rezultaty. Stąd, jak już wspomniano na początku, obniżono wymagania dotyczące siły łamiącej dla zgrzein badanych na bieżąco (tabela 6). Tabela 6. Minimalne wymagane parametry mierzone przy próbie łamania Profil szyny Parametry obowiązujące przy zatwierdzaniu (R260) min. strzałka ugięcia [mm] min. siła łamiąca [kn] Parametry obowiązujące przy badaniach odbiorczych (R260) min. strzałka ugięcia [mm] min. siła łamiąca [kn] 60E1, 60E E PODSUMOWANIE Wymagania dotyczące zgrzein wykonywanych przy pomocy zgrzewarek torowych, zawarte w normie PN-EN :2009 nie stanowią innego kierunku myślenia w stosunku do wymagań obecnie stosowanych na sieci PKP PLK S.A. Zawierają one jednak pewne nowe wymagania, przede wszystkim próby zmęczeniowe złączy, które dotychczas w procesie zatwierdzania nie były wykonywane. Certyfikacja na zgodność z omawianą w referacie normą wymaga od wykonawcy przeprowadzenia badań zgrzein w większym zakresie, a także nakłada dodatkowe wymagania związane z wprowadzaniem bardziej uporządkowanego (albo wręcz certyfikowanego) systemu zarządzania jakością oraz przeprowadzanie również na bieżąco stosunkowo kosztownych badań. W końcowym bilansie certyfikacja taka zmusiłaby wykonawcę do podwyższenia kosztów usługi. Prowadzone na sieci PKP PLK S.A. badania eksploatacyjne zgrzein wykonanych zgrzewarkami torowymi, które w ostatnim czasie zostały zakupione przez wykonawców robót, potwierdzają dobrą jakość wykonania zgrzein. Świadczy to zarówno o wysokiej jakości prowadzenia robót, jak również potwierdza słuszność wymogów obecnie prowadzonego procesu zatwierdzania.

9 8. LITERATURA [1] PN-EN :2007 Kolejnictwo. Tor. Zgrzewanie iskrowe szyn. Część 1: Zgrzewanie nowych szyn ze stali gatunku R220, R260, R260Mn i R350HT w zgrzewalni; [2] PN-EN :2009 Kolejnictwo. Tor. Zgrzewanie iskrowe szyn. Część 2: Zgrzewanie nowych szyn ze stali gatunku R220, R260, R260Mn i R350HT zgrzewarkami torowymi poza zgrzewalnią; [3] Warunki Techniczne Wykonania i Odbioru Zgrzein w szynach kolejowych nowych łączonych zgrzewarkami stacjonarnymi. Wymagania i badania nr ILK3d-518/1/08. PKP PLK S.A. Warszawa 2008.