TRWAŁOŚCI EKSPLOATACYJNA ZREGENEROWANYCH SZYN I ROZJAZDÓW KOLEJOWYCH

Transkrypt

1 ІV OGÓLNOPOLSKA KONFERENCJA NAUKOWO TECHNICZNA SPAWALNICTWO DRÓG SZYNOWYCH - JAKOŚĆ, NIEZAWODNOŚĆ, BEZPIECZEŃSTWO TRWAŁOŚCI EKSPLOATACYJNA ZREGENEROWANYCH SZYN I ROZJAZDÓW KOLEJOWYCH Jerzy Materna 1 Roman Moszczyński 2 Rafał Radomski 3 STRESZCZENIE: w artykule opisano korzyści ekonomiczno-techniczne wynikające z zastosowania procesów regeneracji materiałów stalowych nawierzchni drogi kolejowej na przykładzie elementów rozjazdów. Ponadto przedstawiono ocenę jakościową wykonywanych regeneracji w ujecie statystycznym na przykładzie szyn. 1. WSTĘP W procesie eksploatacji droga kolejowa ulega zużyciu normalnemu zdeterminowanego przede wszystkim przez przeniesione brutto, oraz przyspieszonego będącego efektem usterek w układzie torowym lub niewłaściwej eksploatacji (zły stan układów biegowych taboru, przekroczone naciski na oś, gwałtowny rozruch, hamowanie, usterki stanu geometrycznego toru, szyn, podkładów, przytwierdzeń etc). Ponadto istnieją w torze takie elementy nawierzchni szynowej które w stosunku do elementów toru na prostym odcinku toru ulegają szybszemu zużyciu. Do tej grupy można zaliczyć elementy rozjazdów krzyżownice, iglice lub szyny w łukach o małych promieniach gdzie zmiana układu torowego powoduje zwiększone oddziaływania dynamiczne taboru na tor przyspieszając zużycie tych elementów. Wszystkie te czynniki powodują nadmierne zużycie elementów stalowych nawierzchni, powstawanie wybuksowań, wgnieceń lub spływów co następnie przyspiesza powstawanie i rozwój usterek w układzie geometrycznym toru skracając w sposób znaczący okres eksploatacji toru w warunkach nominalnych. Likwidacja usterek w nawierzchni stalowej infrastruktury i przywrócenie parametrów eksploatacyjnych linii możliwe jest do wykonania dwoma sposobami, wymiana zużytych elementów lub regeneracja poprzez napawanie. Doświadczenia pokazują że dzięki wdrożeniu regeneracji elementów stalowych nawierzchni uzyskuje się kilkakrotne wydłużenie okresu eksploatacji bez konieczności wymiany jej poszczególnych elementów przyczyniając się do znacznych oszczędności w utrzymaniu drogi kolejowej. 1 mgr inż. Jerzy Materna - dyrektor PKP PLK S.A. Centrum Diagnostyki w Warszawie 2 mgr inż. Roman Moszczyoski naczelnik Działu diagnostyki Centrum Diagnostyki w Warszawie 3 prof. Rafał Radomski Politechnika Gdaoska

2 2. CHARAKTERYSTYKA EKSPLOATACYJNO-REGENERACYJNA ROZJAZDÓW Elementy rozjazdu (krzyżownice i iglice) należą do najszybciej zużywających się elementów nawierzchni kolejowej i z tego względu w drodze udoskonaleń technicznych (konstrukcyjnych, materiałowych, technologicznych) dąży się do zwiększenia ich trwałości eksploatacyjnej. Jednym ze sposobów wydłużania czasu pracy elementów nawierzchni kolejowej (szyn i rozjazdów) jest ich regeneracja metodą napawania lub szlifowania. Regenerację rozjazdów metodą napawania wykonuje się wg następującego ogólnego procesu technologicznego: określenie zakresu regeneracji na podstawie pomiarów geometrycznych i przeprowadzonych badań nieniszczących metodami ultradźwiękowymi UT, oraz metodami wizualnymi VT; przygotowanie powierzchni do napawania przez szlifowanie mające na celu usunięcie spływów, wżerów, miejscowych uszkodzeń itp.; w trakcie szlifowania sprawdzenie metodami penetracyjnymi PT, czy na powierzchni, która ma być napawana nie występują pęknięcia lub inne uszkodzenia; podgrzanie wstępne powierzchni przeznaczonej do napawania do temperatury ok C (w zależności od gatunku stali szynowej) za pomocą palników propanowopowietrznych; napawania elementów odpowiednimi elektrodami lub drutem elektrodowym (spoiwo o własnościach stali szynowej); obróbka powierzchni napawanej metodą szlifowania; kontrola geometryczna napawanych elementów określenie rzeczywistych kształtów, odbiór po regeneracji. Prawidłowe przeprowadzenie procesu regeneracji jest warunkiem zwiększenia trwałości eksploatacyjnej rozjazdów kolejowych, co w następstwie przyczynia się do znacznego obniżenia kosztów eksploatacyjno-utrzymaniowych drogi kolejowej. Dla potwierdzenia tej tezy przeprowadzono pomiary eksploatacyjne wybranych rozjazdów w okresie ponad cztero-letnim w czasie którego przeprowadzono dwukrotne napawanie. Celem badań było: 1. Określenie rzeczywistych kształtów (dotychczasowej wielkości zużycia, wielkości uszkodzenia) bezpośrednio przed procesami regeneracji; 2. Określenie rzeczywistych kształtów bezpośrednio po procesach regeneracji (stwierdzenie zgodności uzyskanego w wyniku napawania lub szlifowania profilu z profilem nominalnym); 3. Określenie wielkości zużycia w różnych okresach eksploatacji; 4. Bezpośrednie obserwacje warstwy napawanej (tzn. stwierdzenie bądź nie: wyszczerbień, wykruszeń, rozwarstwień, pęknięć, spływów, nadmiernych zużyć i innych uszkodzeń). Przebieg badań przedstawiono poniżej na przykładzie jednego rozjazdu 1. Po okresie 32-miesięcznej eksploatacji (od chwili wbudowania), poddano rozjazd pierwszemu procesowi regeneracji, bowiem wg uzyskanych informacji, wykazywał on znaczne zużycia (iglica max. 8 9 mm, dziób krzyżownicy max. 6,5 7,5 mm oraz szyna skrzydłowa lewa max. 5 6 mm). 2. Na rysunku 1 przedstawiono rzeczywiste kształty iglicy bezpośrednio po pierwszym procesie regeneracji oraz zmianę tych kształtów w okresie 33-miesięcznej eksploatacji (max. zużycie 7,5 8,5 mm). Na rysunku 3 przedstawiono natomiast kształty krzyżownicy (dzioba i szyn skrzydłowych) zarejestrowane bezpośrednio przed i po pierwszym procesie regeneracji, oraz zmianę tych kształtów w okresie dalszej 33-miesięcznej eksploatacji (max. zużycie dzioba 5,5

3 mm, max. zużycie szyny skrzydłowej lewej 2,5 mm oraz szyny skrzydłowej prawej 2,0 mm). Uwzględniając zarejestrowane zużycia iglicy i krzyżownicy podjęto decyzję o powtórnej regeneracji. 3. Po kolejnych 30 miesiącach eksploatacji na podstawie przeprowadzonych badań stwierdzono, że w okresie najbliższych trzech-czterech miesięcy zaistnieje konieczność przeprowadzenia trzeciego procesu regeneracji, bowiem max. zużycia iglicy osiągnęły wartość 7,8 7,9 mm (rys. 2), natomiast max. zużycia dzioba wartość 6,0 mm (rys. 2a), a szyny skrzydłowej lewej wartość 2,0 mm (rys. 1b). 4. Na rysunku 4 przedstawiono maksymalne wartości zużyć poszczególnych elementów krzyżownicy zarejestrowane w okresie eksploatacji rozjazdu od chwili wbudowania (w okresie 96 miesięcy, natomiast na rysunku 2 maksymalne wartości zużyć iglicy zarejestrowane w trzech przekrojach iglicy (100 cm, 150 cm i 200 cm). 5. W całym okresie badawczym na powierzchniach zregenerowanych nie stwierdzono żadnych wad zewnętrznych. Stan tych powierzchni oceniono jako dobry. Rys. 1a Rozjazd nr1 kształt iglicy w kolejnych przekrojach Przed II regeneracją Po I regeneracji Rys. 1b Rozjazd nr1 kształt iglicy w kolejnych przekrojach Przed II regeneracją Po II regeneracji 30 m-sc po II regeneracji

4 Rys 2 Zużycie iglic w funkcji czasu eksploatacji Rys. 3 Rozjazd nr1 kształt dzioba i szyn skrzydłowych Przed I regeneracją Po i regeneracji Przed II regeneracją

5 Rys. 4 Rozjazd nr1 Zużycie krzyżownicy w funkcji czasu eksploatacji Na podstawie przeprowadzonych badań i obserwacji w okresie eksploatacji można sformułować następujące spostrzeżenia końcowe: 1) Łączny okres eksploatacji iglicy w wynosił w okresie badań 64 miesiące, a więc o tyle przedłużono trwałość eksploatacyjną tych iglic (rys. 2). 2) Łączny okres eksploatacji krzyżownicy w rozjeździe poddanej dwukrotnemu procesowi regeneracji wyniósł 64 miesiące, a więc o tyle przedłużono trwałość eksploatacyjną tych krzyżownic (rys. 4). 3) W wyniku procesów regeneracyjnych (pierwszego i drugiego) uzyskuje się przekroje poprzeczne (profile) odpowiadające kształtem przekrojom nowych elementów (profilom nominalnym). Dostrzeżone niewielkie różnice dotyczą wymiarów (szerokość, wysokość w stosunku do nominału) i będą występowały, bowiem wynikają z dotychczasowego przebiegu eksploatacji (procesów zgniotu, zużycia, szerokości prowadzenia, kątów nabiegania), bardzo precyzyjnego szlifowania oraz dokładności usytuowania przekrojów itp. Za najistotniejsze dla eksploatacji elementów napawanych należy uznać wzajemne ich położenie wysokościowe (dzioba i szyn skrzydłowych), bowiem decyduje ono o obciążeniach, przeciążeniach, zgniotach i zużyciu. 3. KORZYŚCI EKONOMICZNE WYNIKAJĄCE Z PRZEPROWADZONEJ REGENERACJI SZYN I ROZJAZDÓW Korzyści ekonomiczno-techniczne wynikające z procesów regeneracji można rozpatrywać w aspektach wydłużenia czasu pracy szyn i rozjazdów (tzn. zwiększenia ich trwałości eksploatacyjnej) kompleksowego systemu utrzymania nawierzchni kolejowej (połączenie z naprawami bieżącymi) oraz radykalnego ograniczenia wymiany elementów rozjazdów oraz szyn. Poniżej przedstawiono analizę porównania kosztów prac regeneracyjnych w odniesieniu do wymiany zużytych elementów dla części obszaru sieci kolejowej w ostatnich latach. Regeneracji podlegało 209 szt. krzyżownic pojedynczych, 55 szt. krzyżownic manganowych, 33 szt. krzyżownic podwójnych, 46,2 mb iglic oraz 260 szt. uszkodzeń powierzchni szyn i 317,1 mb zużycia bocznego szyn. Całkowity koszt robót netto wyniósł ,00 zł. W wyniku

6 procesów regeneracji odtworzono prawidłowe kształty wszystkich elementów umożliwiając prowadzenie pociągów z prędkościami rozkładowymi i ich pełne bezpieczeństwo. Ceny jednostkowe prac w zależności od podstawowego parametru regeneracji (wielkości zużycia) przedstawiono w tablicy. Zużycie pojedyncza manganowa podwójna Iglice Napawanie boczne Uszkodzenia powierzchni główki zł zł zł zł zł zł 0-5 mm 2 500, , , ,00 790,00 705, mm 3 065, , , ,00 980,00 pow.10mm 3 330, , , , ,00 średnio 2 965, , , ,00 945,00 705,00 szt. szt. szt. mb mb szt. ilości zreg. elem ,2 317,1 260 W celu określenia korzyści ekonomicznych wynikających z regeneracji oceniono koszty wymiany zużytych części szyn i rozjazdów w celu przywrócenia prawidłowych parametrów geometrycznych umożliwiających prowadzenie ruchu kolejowego z prędkością rozkładową. Ocenę kosztów wymiany przeprowadzono na podstawie doświadczeń wynikających ze zrealizowanych prac: 1. Około 50% krzyżownic posiada również zużycie boczne na szynach łączących kierunku zwrotnego, a więc istnieje konieczność ich wymiany i wbudowania 2 wstawek szynowych 2. Regeneracja iglic odbywa się średnio na długości 4,2 mb 3. Półzwrotnice należy wymieniać łącznie z 1 wstawką szynową o długości 6 m w celu likwidacji zużycia bocznego szyny przylegającej do opornicy. 4. Likwidacja średnio 3 uszkodzeń powierzchni tocznej główki wymaga wymiany jednej wstawki szynowej o długości 6 m. Uzyskanie efektów eksploatacyjnych zgodnych z efektami wynikającymi z procesów regeneracyjnych wymagałoby wymiany: 209 krzyżownic pojedynczych w tym 104 krzyżownic z 2 wstawkami, 55 krzyżownic manganowych 33 krzyżownic podwójnych 11 półzwrotnic z wstawką szynową 87 wstawek szynowych. Koszty wymiany w/w elementów przedstawiono w tablicy poniżej pojedyncza pojedyncza z 2 wstawkami manganowa podwójna Półzwrotnica z 1 wstawką Wstawki 6 metrowe 105 szt. 104 szt. 55 szt. 33 szt. 11 szt. 87 szt. Cena jed. Wym. (zł) , , , , , ,00 Wartość (zł) , , , , , ,00 Razem (zł) ,00

7 Oszczędność regeneracji w stosunku do wymiany ,00 zł Wartość regeneracji jako % wartości wymiany 20,7% Koszty wymiany części nawierzchni kolejowej zawierają: Koszty robocizny stawka roboczogodziny 18 zł/r-g, Koszty materiałów szyn, półzwrotnic i krzyżownic, Koszty pracy sprzętu, Koszty wykonania spawów termitowych. Koszty wymiany nie zawierają kosztów zamknięć torów i rozjazdów. Do oszacowania kosztów przyjęto ceny z 2008 roku. Określenie korzyści ekonomicznych uzyskanych z przeprowadzonej regeneracji szyn i rozjazdów możliwe jest również dla całej sieci PKP PLK S.A. Całkowity koszt regeneracji wykonanych w trzyletnim cyklu umowy na sieci PKP PLK SA w latach wyniósł 26 mln zł. Wartość regeneracji stanowi 20,7% wartości wymiany. Wobec powyższego wartość wymiany osiągnęłaby 126 mln zł. Rzeczywiste korzyści ekonomiczne to: 126 mln zł 26 mln zł = 100 mln zł. W wyniku procesu regeneracji, oprócz korzyści ekonomicznych, uzyskuje się dodatkowo korzyści w postaci zwiększenia trwałości eksploatacyjnej regenerowanych elementów, a więc znacznego wydłużenia czasu ich pracy (w ocenianych rozjazdach dwu- i trzykrotne wydłużenie). Prowadzenie procesów regeneracji zamiast wymian elementów eliminuje konieczność zamknięć torów i rozjazdów, a więc nie powoduje zakłóceń w ruchu pociągów. 4. OCENA JAKOŚCIOWA REGENERACJI PROWADZONYCH NA SZYNACH Proces regeneracji szyn przez napawanie obejmuje w swym zakresie eliminację zużycia bocznego szyn wada o numerze katalogowym 2203, wady powierzchni tocznej szyn do których zaliczamy miedzy innymi wybuksowania, wyłuszczenia, wykruszenia, rozwarstwienia. Zużycie boczne szyn występuje przede wszystkim w tokach zewnętrznych łuków. Powstaje w wyniku oddziaływań dynamicznych wywołanych taborem kolejowym i w tym samym łuku przyjmuje charakter sinusoidalny. Zużycie boczne stanowi wadę, jeżeli jego rozwój powoduje: pogorszenie utrzymania toru (poszerzenie szerokości toru), możliwość złamania szyny z powodu zmniejszenia jej przekroju poprzecznego, możliwość wykolejenia zestawu kołowego ze względu na profil szyny. W procesie eksploatacji szyna z taką wadą podlega ze względów bezpieczeństwa obserwacji i pomiarom zużycia, regeneracji przez napawanie, a tym samym wydłużeniu okresu jej eksploatacji, wymianie szyny wykazującej nadmierne zużycie boczne. Kierunek prowadzenia elektrody Przetopić 15mm ( zeszlifować ) Kolejność prowadzenia elektrody I - strefa 2203 (fot. 1) Rys. 5 Kształt strefy napawania na powierzchni tocznej główki szyny (z zużyciem bocznym).

8 Pozostałe wady powierzchni tocznej szyn których usuniecie może być zrealizowane poprzez regeneracje wymagają zastosowania przed procesem regeneracji określenia głębokości zalegania poprzez pomiary profilu i badania ultradźwiękowe, natomiast w trakcie procesu prowadzenia badań metodami penetracyjnymi w celu stwierdzenia że w materiale rodzimym szyny nie występują pęknięcia. Obszar do napawania Rys. 6 Wady powierzchni szyny oraz kształt strefy napawania na powierzchni tocznej Poniżej przedstawiono dwie podstawowe wady szyn których przyczyną jest nieprawidłowo przeprowadzona regeneracja. Pierwsza to wada o nr. katalogowym 472 Rozwarstwienie z wykruszeniem rozwarstwienie rozwarstwienie wykruszanie Rys. 7 Rozwarstwienie z wykruszeniem, rozmieszczenie wykrytych wad metodą ultradźwiękową i wizualną wada o nr. katalogowym 472 oddzielenie lub łuszczenie materiału napawanego Poziome złuszczenia materiału napawanego mogą stać się ogniskiem pęknięć poprzecznych, które mogą prowadzić do złamania szyny. Pęknięcie poprzeczne przeważnie rozwija się od wady wiązania metalu napawanego i metalu rodzimego szyny lub od innych wad spawalniczych (porowatość, wtrącenia, pęknięcie od skurczu termicznego, pęknięcie od wgłębień nadtopionego metalu itd.).

9 Druga to wada o nr. katalogowym 471 ` Brak przetopu z pęknięciem rozwijających się w głąb główki szyny Brak przetopu Rys. 8 Rozmieszczenie wad w szynie po wykonaniu napoiny,niewłaściwie wykonana regeneracja, brak przetopu oraz nie do końca usunięta warstwa z wadą. Wada o nr. katalogowym 471 pęknięcie poprzeczne główki szyny To poprzeczne pęknięcie o charakterze zmęczeniowym umiejscowione w napawanym odcinku szyny rozpoczyna się od ogniska przeważnie znajdującego się w materiale napoiny. Ogniskiem tym może być wtrącenie, miejscowa nieciągłość spowodowana niestabilnym napawaniem lub łuskami wynikającymi z niewłaściwego suszenia elektrod przed napawaniem. Pęknięcie może się także rozwijać od krateru powstałego na granicy materiału przetopionego lub od pęknięcia spowodowanego skurczem stygnącego metalu. Rozwijając się pęknięcie ostatecznie prowadzi do złamania szyny. Przełom charakteryzuje się gładkim, jasnym obszarem powstałym w materiale spoiwa. Na podstawie analizy wystepowania wad w napoinach można stwierdzić że główną przyczyną powstawania defektów w napoinach jest brak własciwego spojenia napoiny oraz materiału rodzimego które w konsekwencji prowadzi do rozwarstwienia i wkruszeń. Wady te stanowią około 95% wszystkich wad stwierdzonych w napoinach. Pozostałe wady to pękniecia poprzeczne których przyczyną jest niedostateczne zdjęcie materiału rodzimego mające na celu usuniecie wady powierzchniowej.

10 3500, , , , , ,00 500, Razem O, W, 4.raz O W 0, Rys. 9 Występowanie wad w zależności od przeniesionego rocznego obciążenia Najwiecej defektów rejestrowanych jest po przeniesieniu 10Tg co zwiazane jest z procesem uwidacznia się wady (możliwości rejestracyjne przyrządów pomiarowych). Rozwój defektu od wartości minimalnej do wartości krytycznej został zilustrowany na rys 10. KRYTYCZNY ROZMIAR ROZMIAR WADY (mm) F PRÓG REGENERACJI PRÓG REJESTROWALNOSCI P R P-F czas od wykrycia wady do momentu krytycznego (MGT) Rys. 10 Rozwój wad w zależności od przeniesionego obciążenia W zależności od użytej techniki badań każda wada będzie posiada minimalny próg wykrywalności (P). Od tego momentu możemy obserwować rozwój wady aż do momentu osiągnięcia rozmiaru krytycznego (F). Czas lub przeniesione obciążenie pomiędzy tymi dwoma punktami określa propagację rozmiaru wady i określa przedział bezpiecznej eksploatacji. Natomiast zakres pomiędzy punktami P - R określa czas na podjęcie decyzji i przeprowadzeniu regeneracji, a tym samym wydłużeniu eksploatacji szyny. Regeneracja powinna być przeprowadzona najpóźniej w okresie przed przeniesieniem 10-20Tg od momentu wykrycia wady. Przeprowadzanie regeneracji w późniejszym terminie skutkuje zwiększonym ryzykiem wykonania wadliwej napoiny- zbyt duży rozwój wady w głąb materiału rodzimego.

11 Razem 472 Razem 471 O 471 W 472 O 472 W Rys. 11 Wystepowanie wad w napoinach w zależnosci od przeniesionego całkowitego obciążenia W zależności od przeniesionego całkowitego obciążenia najwięcej defektów rejestrowanych jest w zakresie Tg RAZEM Rys. 12 Występowanie wad w napoinach na przestrzeni ostatnich lat Zdecydowana różnica w występowaniu wad w napoinach przed i po roku 2005 wynika przede wszystkim z ilości prac regeneracyjnych wykonanych na szynach w poszczególnych latach. Szczegółowa analiza defektów stwierdzonych w napoinach w latach w stosunku do zakresu prac regeneracyjnych przeprowadzonych w danym roku wykazuje średnio 20% usterkowość. W kolejnych latach wyglądało to następująco: Rok % wadliwych napoin w tym16,6% do obserwacji i 1,5% do wymiany Rok % wadliwych napoin w tym 18% do obserwacji i 7,2% do wymiany Rok % wadliwych napoin w tym 16% do obserwacji i 1% do wymiany Powyższe dane wskazują ze oprócz pozytywnego aspektu wydłużenia czasu eksploatacji szyn konieczne staje się zwiększenie nadzoru nad jakością wykonywanych robót regeneracyjnych na szynach tak aby osiągnąć w pełni zadawalający efekt.

12 5. PODSUMOWANIE Prace regeneracyjne umożliwiają osiągniecie korzyści ekonomiczno-technicznych wynikających z procesów regeneracji w aspekcie wydłużenia czasu pracy szyn i rozjazdów kompleksowego systemu utrzymania nawierzchni kolejowej (połączenie z naprawami bieżącymi) oraz radykalnego ograniczenia wymiany elementów rozjazdów oraz szyn. 1. Wartość regeneracji stanowi 21 % wartości wymiany. 2. Środki wydatkowane na prace regeneracyjne zwracają się wielokrotnie - korzyści ekonomiczne uzyskane z przeprowadzonej w trzyletnim cyklu umowy regeneracji szyn i rozjazdów dla całej sieci PKP PLK S.A. w latach wyniosły 100 mln zł. 3. Zwiększenie trwałości eksploatacyjnej regenerowanych elementów, a więc znacznego wydłużenia czasu ich pracy (w ocenianych rozjazdach dwu- i trzykrotne wydłużenie). 4. Prowadzenie procesów regeneracji zamiast wymian elementów eliminuje konieczność zamknięć torów i rozjazdów, a więc nie powoduje zakłóceń w ruchu pociągów. Dodatkowym nie w pełni dostrzeganym istotnym aspektem prowadzonych prac regeneracyjnych jest wpływ defektów stalowej nawierzchni szynowej na pozostałe elementy drogi kolejowej powodując przyspieszoną degradacje nie tylko samej szyny czy rozjazdu ale i przytwierdzenia, podkładów i całego podtorza.