TECHNIKA TRANSPORTU SZYNOWEGO KRYTERIA OCENY TRWAŁOŚCI (PRZYDATNOŚCI) EKSPLOATACYJNEJ SZYN KOLEJOWYCH WSTĘP. Jerzy ZARICZNY, Sławomir GRULKOWSKI

Transkrypt

1 TECHNIKA TRANSPORTU SZYNOWEGO Jerzy ZARICZNY, Sławomir GRULKOWSKI KRYTERIA OCENY TRWAŁOŚCI (PRZYDATNOŚCI) EKSPLOATACYJNEJ SZYN KOLEJOWYCH Streszczenie Ocena stanu technicznego szyn kolejowych ma zasadniczy wpływ na ocenę stanu technicznego nawierzchni kolejowej. W artykule omówiono kryteria oceny trwałości (przydatności) eksploatacyjnej szyn obowiązujące w Polsce. Wskazano kryteria umoŝliwiające ocenę szyn z wadami kontaktowo zmęczeniowymi. Dokonano takiej oceny dla wybranego fragmentu linii kolejowej nr 131 Chorzów Batory Tczew. WSTĘP Zgodnie z ZAŁĄCZNIKIEM NR 14 do [8] obowiązują cztery kryteria oceny trwałości (przydatności) eksploatacyjnej szyn kolejowych: a) dopuszczalna liczba pęknięć szyn na 1 km toru, z podziałem na wszystkie i pierwotne, b) dopuszczalne zuŝycie pionowe szyny wyraŝone w mm, c) dopuszczalne zuŝycie boczne szyny wyraŝone w mm, z uwzględnieniem kąta nachylenia zuŝytej powierzchni bocznej główki szyny, d) graniczne, sumaryczne obciąŝenie szyn wyraŝone w Tg. Dotychczas najwaŝniejszym z nich było kryterium dopuszczalnej liczby pęknięć szyn na 1 km toru. Obecnie ulega ono stopniowo dezaktualizacji. Wynika to z malejącej liczby wykrywanych wad 421 pęknięcie poprzeczne spoiny termitowej [5]. Wada 421 jest nadal najczęstszą przyczyną pęknięć szyn, ale dominuje w szynach wbudowanych przed 1992 rokiem [1]. Jest to skutek zmiany oraz ulepszenia technologii spawania termitowego. Rośnie natomiast liczba wyrywanych wad kontaktowo zmęczeniowych, głównie wady 227 squat, 2223 head checking i 2221 shelling powierzchni tocznej. Największa dynamikę wzrostu wykazuje wada 227 squat. Dotyczy to równieŝ zjawiska pękania szyn [1]. Wady kontaktowo zmęczeniowe powstają do kilku milimetrów pod powierzchnią główki szyny, a rozwijają się na jej powierzchni. W trakcie tego procesu dochodzi do oddzielenia się części materiału, czyli do powstania ubytku na powierzchni tocznej główki szyny o określonej długości i głębokości. Tempo rozwoju wad kontaktowo zmęczeniowych, prowadzące do pękania szyn, jest znacznie wolniejsze niŝ w przypadku wady 421, która powstaje wewnątrz spoiny termitowej. W tym czasie po uszkodzonych szynach porusza się tabor kolejowy, co stwarza przede wszystkim zagroŝenie dla bezpieczeństwa przewoŝonych osób i towarów oraz obniŝa spokojność i komfort jazdy. W związku z tym konieczne jest opracowanie kryteriów oceny trwałości (przydatności) eksploatacyjnej szyn, uwzględniających szybki wzrost liczby 4245

2 wykrywanych wad kontaktowo zmęczeniowych. Zanim to nastąpi moŝna (i naleŝy) korzystać z kryteriów zawartych w [4, 7] oraz w ZAŁĄCZNIKU NR 1 do [7]. 1. KATALOG WAD W SZYNACH Według [4] szyny z wadami, leŝące w torach kolejowych, dzielą się na uszkodzone, pęknięte i złamane. Szyna uszkodzona to taka, która nie jest ani pęknięta, ani złamana, ale ma inne wady. Szyna pęknięta oznacza szynę, która w dowolnym punkcie przekroju poprzecznego lub podłuŝnego ma co najmniej jedną widoczną lub niewidoczną nieciągłość, której rozwój moŝe prowadzić do jej stosunkowo szybkiego złamania. Natomiast szyna złamana to taka, która rozdzieliła się na dwie lub więcej części albo z której oddzieliła się część materiału, powodując ubytek na powierzchni tocznej główki szyny o długości większej niŝ 50 mm i głębokości większej niŝ 10 mm. Z powyŝszych definicji wynika, Ŝe szyna z wadą np. 227 squat, której długość oraz głębokość przekracza odpowiednio 50 mm i 10 mm, jest złamana, a więc naleŝy ją wymienić. Jest to pierwsze kryterium umoŝliwiające ocenę trwałości (przydatności) eksploatacyjnej szyn z wadami kontaktowo zmęczeniowymi. Prowadzone przez autorów obserwacje (badania wizualne) odcinka doświadczalnego [6, 9] wykazują, Ŝe większość wad 227 squat w późniejszej fazie rozwoju osiąga długość 50 mm, ale zanim osiągnie głębokość 10 mm, dochodzi do złamania szyny. Oznacza to, Ŝe kryterium jest nieefektywne. Wartość dopuszczalną głębokości ubytku na powierzchni tocznej główki szyny naleŝałoby zmniejszyć co najmniej do 5 mm. 2. WARUNKI TECHNICZNE REPROFILACJA SZYN W TORACH I ROZJAZDACH CZĘŚĆ 2: WYTYCZNE KWALIFIKACJI Zgodnie z [7] szyny naleŝy reprofilować w trybie reprofilacji początkowej, prewencyjnej lub naprawczej oraz wyjątkowo w trybie reprofilacji regeneracyjnej. Reprofilacja szyn w trybie początkowym powinna być ostatnią robotą torową wykonywaną w ramach napraw, modernizacji lub budowy linii kolejowych. Wyjątek stanowią wymiany szyn obejmujące krótkie fragmenty linii. NaleŜy ją przeprowadzić do 24 miesięcy od momentu oddania linii do eksploatacji, ale zanim szyny przeniosą sumaryczne obciąŝenie 10 Tg. Zaleca się jej wykonywanie przy sumarycznym obciąŝeniu 3 10 Tg. Reprofilacja szyn w trybie prewencyjnym lub naprawczym powinna być jedną z podstawowych robót utrzymania nawierzchni kolejowej, poniewaŝ ma istotny wpływ na trwałość (przydatność) eksploatacyjną wszystkich jej elementów oraz poziom generowanych przez poruszający się tabor drgań i hałasu. Przy kwalifikowaniu szyn do reprofilacji w trybie prewencyjnym lub naprawczym, naleŝy kierować się przede wszystkim potrzebą usunięcia wad kontaktowo zmęczeniowych w początkowej fazie rozwoju. W związku z tym o wyborze właściwego trybu decydowała będzie głębokość tych wad i odpowiadająca jej grubość zdejmowanej warstwy stali z główki szyny. Reprofilacja szyn w trybie regeneracyjnym moŝe być wykonywana jedynie wówczas, gdy głębokość wad kontaktowo zmęczeniowych przyjmuje zróŝnicowane lub trudne w ocenie wartości, a wymiana szyn jest niemoŝliwa. Z uwagi na wysoki koszt robót torowych naleŝy ją stosować w sposób selektywny. Z powyŝszych zaleceń wynika, Ŝe o wyborze trybu reprofilacji szyn decyduje przede wszystkim głębokość wad kontaktowo zmęczeniowych. Dodatkowo w [7] zdefiniowano charakterystyczne parametry wady 2223 head checking i 227 squat. W przypadku wady 2223 head checking jest to widoczna wysokość pęknięcia wymiar H w przekroju poprzecznym główki szyny lub długość cięciwy pęknięcia wymiar C w widoku z góry główki szyny (Rys.1.). JeŜeli wymiar H 5 mm lub C 10 mm, to szyna kwalifikuje się do reprofilacji prewencyjnej lub naprawczej. JeŜeli wymiar H > 5 mm lub C > 10 mm, to szyna kwalifikuje 4246

3 się do wymiany, a w przypadku braku takiej moŝliwości do reprofilacji regeneracyjnej. Szyny z wadami 2223 head checking w kształcie litery S lub o wymiarze H > 20 mm naleŝy jak najszybciej wymienić. Charakterystycznymi parametrami wady 227 squat są widoczna wysokość oraz długość pęknięcia odpowiednio wymiar D i L w widoku z boku główki szyny (Rys.2.). JeŜeli wymiar D 10 mm i L 50 mm, to szyna kwalifikuje się do reprofilacji prewencyjnej lub naprawczej. JeŜeli wymiar D > 10 mm i L > 50 mm, to szyna kwalifikuje się do wymiany, a w przypadku braku takiej moŝliwości do reprofilacji regeneracyjnej. Szyny z wadami 227 squat o wymiarze D > 25 mm i L > 200 mm naleŝy jak najszybciej wymienić. Jest to drugie kryterium umoŝliwiające ocenę trwałości (przydatności) eksploatacyjnej szyn z wadami kontaktowo zmęczeniowymi. Rys. 1. Charakterystyczne parametry wady 2223 head checking [7] Rys. 2. Charakterystyczne parametry wady 227 squat [7] W ZAŁĄCZNIKU NR 1 do [7] zestawiono głębokości wad kontaktowo zmęczeniowych kwalifikujące szyny do poszczególnych trybów reprofilacji (Tab.1.). Wynika z niego, Ŝe na fragmentach linii o prędkości drogowej km/h naleŝy wymieniać szyny z wadami kontaktowo zmęczeniowymi o głębokości większej niŝ 3 mm. Wyjątkowo przy głębokości 2 3 mm dopuszcza się ich reprofilację regeneracyjną. Natomiast na fragmentach linii o 4247

4 prędkości drogowej powyŝej 120 km/h naleŝy wymieniać szyny z wadami kontaktowo zmęczeniowymi o głębokości większej niŝ 2 mm. Jest to trzecie kryterium umoŝliwiające ocenę trwałości (przydatności) eksploatacyjnej szyn z wadami kontaktowo zmęczeniowymi. Tab.1. Kryterium kwalifikujące szyny do poszczególnych trybów reprofilacji Kryterium trzecie [7] Rodzaj trybu reprofilacji szyn Głębokość wad kontaktowo zmęczeniowych 80 km/h V d 120 km/h V d > 120 km/h Tryb reprofilacji prewencyjnej Do 1 mm Do 1 mm Tryb reprofilacji naprawczej Do 2 mm Do 2 mm Tryb reprofilacji regeneracyjnej Do 3 mm WYNIKI OBSERWACJI (BADAŃ WIZUALNYCH) ODCINKA DOŚWIADCZALNEGO [2, 3, 4] Obserwacje (badania wizualne) odcinka doświadczalnego o długości 31,5 km są prowadzone przez autorów od października 2010 roku. Jest on zlokalizowany w torze nr 1 i 2 w km 452, ,400 linii kolejowej nr 131 Chorzów Batory Tczew. Jego początek stanowi granica między Zakładem Linii Kolejowych PKP PLK S.A. w Bydgoszczy i Gdyni, a koniec znajduje się na stacji kolejowej Subkowy [6, 9]. Analizę wyników przeprowadzono dla toru nr 2 na szlaku Smętowo Morzeszczyn (km 458, ,948). W km 463,404 połoŝony jest przystanek osobowy Majewo. Tor nr 2 ma klasę techniczną 0, a na analizowanym szlaku pociągi pasaŝerskie (równieŝ autobusy szynowe) oraz towarowe mogą poruszać się po nim z prędkością maksymalną odpowiednio 120 km/h i 100 km/h. Tab.2. zawiera paszportyzację toru nr 2. Szyny są surowe. Zostały wyprodukowane przez Hutę Katowice (K). Tab.2. Paszportyzacja toru nr 2 [9] Szyny Km Km końca Rok początku Typ produkcji , ,850 S60 reprofilowane Rok wbudowania 1998 reprofilowane Typ Podkłady Rok produkcji Rok wbudowania Dębowe , ,300 S INBK , ,948 S Dębowe W trakcie ostatniej serii obserwacji (badań wizualnych) odcinka doświadczalnego wykonanej w lipcu 2012 roku, w torze nr 2 na szlaku Smętowo Morzeszczyn zarejestrowano 126 wad w szynach (Rys.3.), co daje średnio 18 wad/km, czyli 9 wad/tok szynowy/km. Dzielą się one na siedem typów: a) 2221 shelling powierzchni tocznej, b) 2223 head checking, c) 224 miejscowe wgniecenie powierzchni tocznej, d) 2251 pojedyncze wybuksowanie, e) 227 squat, f) 411 pęknięcie poprzeczne zgrzeiny, g) 421 pękniecie poprzeczne spoiny termitowej. Najliczniej występują wady 227 squat 61 sztuk (48,4% wszystkich wad). Szczególną uwagę naleŝy zwrócić równieŝ na wady 224 (18 sztuk; 14,3% wszystkich wad), które w późniejszej fazie rozwoju mogą się przekształcić w wady 227 squat. Łącznie stanowią one 62,7% wszystkich wad. Natomiast sumaryczny udział wad 411 i 421 nie przekracza 4,0%. Dla porównania w ostatnich badaniach defektoskopowych wykonanych w sierpniu 2012 roku, zarejestrowano 87 wad w szynach. Jest to zaledwie 69,0% wad wykazanych w ramach obserwacji (badań wizualnych). Są one rozmieszczone nierównomiernie zarówno na długości analizowanego szlaku (Rys.4.), jak i w obydwu tokach szynowych (Rys.5.). Najwięcej z nich 4248

5 występuje w km 458, ,000; 461, ,000 oraz 465, , z 30 (76,7%) wad zarejestrowanych w km 458, ,000, znajduje się w odległości do 500 m przed semaforem wjazdowym na stację Smętowo, a więc w strefie częstych rozruchów i hamowań taboru. Stąd teŝ 10 z nich (43,5%) to wady Analogicznie 30 z 31 (96,8%) wad zarejestrowanych w km 465, ,948, znajduje się w odległości do 400 m przed semaforem wjazdowym na stację Morzeszczyn (patrząc w kierunku niewłaściwym), a więc w strefie częstych rozruchów taboru. W tym przypadku na odcinku o długości 25 m (km 465, ,605) występuje aŝ 19 wad 227 squat i 5 wad 224. Natomiast w km 461, ,408 zlokalizowana jest krzywa przejściowa, na której znajduje się 6 wad 2251 i 2 wady 2221 shelling powierzchni tocznej. Bezpośrednio przed nią (patrząc w kierunku właściwym), na fragmencie łuku o długości 35 m znajduje się kolejnych 7 wad Łącznie stanowią one 57,7% (15 z 26) wad zarejestrowanych w km 461, ,000. Koniec łuku i następująca po nim krzywa przejściowa to strefa częstego zwiększania i zmniejszania prędkości taboru. Na Rys.6. i 7. oraz 8. i 9. zaprezentowano, z podziałem na prawy i lewy tok szynowy, odpowiednio zestawienie ilościowe i procentowe zarejestrowanych wad w szynach oraz ich rozmieszczenie na długości analizowanego szlaku. W prawym toku szynowym występuje ich prawie dwa razy więcej niŝ w lewym. W lewym toku szynowym w km 464, ,000 nie ma ani jednej. Rys. 3. Zestawienie ilościowe i procentowe zarejestrowanych wad w szynach Rys. 4. Rozmieszczenie wad w szynach na długości analizowanego szlaku 4249

6 Rys. 5. Rozmieszczenie wad w szynach w obydwu tokach szynowych Rys. 6. Zestawienie ilościowe i procentowe zarejestrowanych wad w szynach prawy tok szynowy Rys. 7. Zestawienie ilościowe i procentowe zarejestrowanych wad w szynach lewy tok szynowy 4250

7 Rys. 8. Rozmieszczenie wad w szynach na długości analizowanego szlaku prawy tok szynowy Rys. 9. Rozmieszczenie wad w szynach na długości analizowanego szlaku lewy tok szynowy 4. OCENA TRWAŁOŚCI (PRZYDATNOŚCI) EKSPLOATACYJNEJ SZYN Z WADAMI KONTAKTOWO ZMĘCZENIOWYMI Od momentu wbudowania szyn w 1981 roku do roku przeniosły one sumaryczne obciąŝenie 515 Tg. W tym okresie pękały w ilości 7,29 szt./km toru oraz 3,65 szt./km toru odpowiednio liczba wszystkich i pierwotnych pęknięć szyn. Zgodnie z ZAŁĄCZNIKIEM NR 14 do [8] szyny surowe w torze nr 2 na szlaku Smętowo Morzeszczyn ułoŝone na podkładach INBK 7 przeniosły graniczne, sumaryczne obciąŝenie 500 Tg, a więc naleŝy je wymienić. Jednocześnie te, które zostały ułoŝone na podkładach dębowych, mogą jeszcze przenieść sumaryczne obciąŝenie 85 Tg. Przekroczona została natomiast dopuszczalna liczba wszystkich oraz pierwotnych pęknięć szyn na 1 km toru o klasie technicznej 0 odpowiednio 6 sztuk i 2 sztuki. PowyŜsze kryteria nie uwzględniają aktualnej fazy rozwoju 80 wad kontaktowo zmęczeniowych (63,5% wszystkich wad), zarejestrowanych w ramach obserwacji (badań wizualnych). W przypadkach, w których ocena trwałości (przydatności) eksploatacyjnej szyn jest niejednoznaczna, moŝe to mieć decydujące znaczenie. Analizę ograniczono do wady 227 squat. Przyjęto kryterium kwalifikujące szyny do poszczególnych trybów reprofilacji zawarte w ZAŁĄCZNIKU NR 1 do [7], uzupełnione o dopuszczalną długość ubytku (widoczną długość pęknięcia) na powierzchni tocznej główki szyny zdefiniowaną w [4, 7]. Na jego podstawie w torze nr 2 na szlaku Smętowo Morzeszczyn o prędkości drogowej 120 km/h naleŝy wymienić 7 szyn z wadami 227 squat (Rys.10.), co daje średnio 1 szynę/km. W związku z tym liczba wszystkich oraz pierwotnych pęknięć szyn wzrasta odpowiednio do 8,29 szt./km toru i 4,65 szt./km toru. Dopuszczalna liczba pierwotnych pęknięć szyn na 1 km toru została 4251

8 przekroczona aŝ o 232,5%. Dodatkowo 2 wady 227 squat o głębokości 2,8 mm i 3 mm tylko teoretycznie umoŝliwiają kwalifikację szyn do reprofilacji regeneracyjnej. Obydwie szyny naleŝałoby wymienić. Natomiast w km 465,590 doszło do złamania szyny. Wada 227 squat osiągnęła głębokość 6 mm, ale jej długość nie przekroczyła 5 mm. Zgodnie z przyjętym kryterium kwalifikacja tej szyny do wymiany nie byłaby całkowicie jednoznaczna, a w zaistniałej sytuacji nie ma alternatywy. Na Rys.11. i 12. zaprezentowano zestawienie ilościowe oraz procentowe wad 227 squat odpowiednio pod względem głębokości i długości. Na Fot.1., 2. i 3. przedstawiono wady 227 squat kwalifikujące szyny do wymiany. Rys. 10. Zestawienie ilościowe i procentowe wad 227 squat pod względem Kryterium trzeciego Rys. 11. Zestawienie ilościowe i procentowe wad 227 squat pod względem głębokości Rys. 12. Zestawienie ilościowe i procentowe wad 227 squat pod względem długości 4252

9 Fot. 1. Wada 227 squat w km 461,210 w lewym toku szynowym o głębokości 4,2 mm Fot. 2. Wada 227 squat w km 461,990 w lewym toku szynowym o głębokości 4,6 mm 4253

10 Fot. 3. Wada 227 squat w km 460,910 w lewym toku szynowym o głębokości 6 mm PODSUMOWANIE Rosnąca liczba wykrywanych wad kontaktowo zmęczeniowych stawia przed diagnostami nowe wyzwania. Przede wszystkim konieczne jest opracowanie nowych kryteriów oceny trwałości (przydatności) eksploatacyjnej szyn. NaleŜy odejść od uśredniania liczby pęknięć szyn na 1 km toru. Wady w szynach powinny być analizowane w poszczególnych kilometrach linii i tokach szynowych. Bez tego nie będzie moŝliwe zidentyfikowanie i skwantyfikowanie czynników wpływających na ich powstawanie i rozwój. Ta wiedza jest niezbędna to formułowania prawidłowych zaleceń utrzymaniowych. Pod warunkiem Ŝe celem jest usunięcie przyczyn zjawiska, a nie ciągłe usuwanie jego skutków. Natomiast Ŝadne kryteria nie mogą zwolnić diagnostów z korzystania z własnego doświadczenia, wiedzy eksperckiej i zdrowego rozsądku. Złamanie szyny w km 465,590 jest tego najlepszym przykładem. CRITERIA OF THE ASSESSMENT OF SERVICE LIFE OF RAILS Abstract Rail assessment has an impact on the overall assessment of track structure. In this article, current criteria of the assessment of service life of rails are discussed. The criteria enabling assessment of the rails with rolling contact fatigue (RCF) defects has been presented. Exemplary assessment has been performed for the line #131 Chorzow Batory Tczew. 4254

11 BIBLIOGRAFIA 1. Bałuch H., Bałuch J.: Prognozowanie pęknięć szyn. Problemy Kolejnictwa 2010, z Heyder R.: The New UIC Catalogue of Rail Defects. Der Eisenbahningenieur 2002, No Instrukcja badań defektoskopowych szyn, spoin i zgrzein w torach kolejowych Id 10 (D 16). PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Warszawa Katalog wad w szynach. PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Warszawa Radomski R.: Trwałość eksploatacyjna szyn na wybranych odcinkach toru nr 1 i 2 linii Katowice Tczew. Technika Transportu Szynowego 2009, nr Radomski R., Zariczny J.: Wpływ wymiany szyn na dalszy proces eksploatacji nawierzchni. Zeszyty Naukowo Techniczne SITK RP Oddział w Krakowie 2010, nr 95 (z. 154). 7. Warunki techniczne Reprofilacja szyn w torach i rozjazdach Część 2: Wytyczne kwalifikacji. PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Warszawa Warunki techniczne utrzymania nawierzchni na liniach kolejowych Id 1 (D 1). PKP Polskie Linie Kolejowe S.A., Warszawa Zariczny J.: Wpływ warunków techniczno eksploatacyjnych na występowanie i rozwój wad w szynach kolejowych. Przegląd Komunikacyjny 2011, nr Autorzy: mgr inŝ. Jerzy ZARICZNY Politechnika Gdańska dr inŝ. Sławomir GRULKOWSKI Politechnika Gdańska 4255