В процессе эксплуатации ж.-д. пути в рельсах под воздействием подвижного состава, природных и других факторов образуются дефекты и повреждения, угрожающие безопасности движения поездов. Выявление дефектов в рельсах обычно производится средствами дефектоскопии с использованием методов неразрушающего контроля. Дефектоскопия рельсов включает оценку их качества в процессе изготовления, в эксплуатационных условиях, а также на рельсосварочных предприятиях, производящих сварку новых и ремонт старогодных рельсов, и направлена на своевременное обнаружение гл. обр. внутренних скрытых дефектов. Учет выхода рельсов в дефектные и анализ результатов дефектоскопического исследования позволяет определить распределение дефектов по видам, выявить причины их образования в зависимости от эксплуатационных условий и качества металла; разрабатывать мероприятия по повышению прочностных характеристик и качест-
ва изготовления рельсов, продлению сроков службы и повышению общей надежности пути, по совершенствованию методов и средств рельсовой дефектоскопии.
Виды дефектов, причины их появления и способы выявления, указания по эксплуатации представлены в Каталоге дефектов рельсов. В таблице приведена классификация дефектов с их кодовым обозначением и схематическим изображением. Все дефекты рельсов кодированы трехзначным числом; при этом первая цифра указывает вид дефекта и место его появления по элементам сечения рельса (головка, шейка, подошва), вторая цифра определяет разновидность дефекта с учетом основной причины его зарождения и развития, третья цифра указывает на место расположения дефекта по длине рельса.
Из общего числа 38 классифицированных видов дефектов наибольшее количество приходится на головку рельсов (дефекты 10.1-2; 11.1-2,…47.1, 49) в виде выкрашиваний и отслоений металла на поверхности катания, поперечных трещин и изломов, продольных трещин с расслоением головки, смятия и неравномерного износа. Дефекты, номера которых начинаются с цифры «5» (50.1-2, 52.1 -2,.. .59) относятся к шейке рельсов в виде расслоений, трещин и коррозии. Шестая группа объединяет дефекты и повреждения подошвы рельсов в виде трещин, выколов и коррозии. Дефекты седьмой группы – в основном поперечные изломы рельсов по всему сечению, дефекты 85 и 86 определяются остаточным изгибом рельсов. Прочие дефекты относятся к девятой группе и обозначаются 99.1-3.
Буквы «В» и «Г» после номера дефекта (например, 30.В или 30.Г) индексируют соответственно вертикальное или горизонтальное расслоение головки рельсов.
При расположении дефекта в любом месте по всей длине рельса его код обозначается двумя цифрами (например, 14; 25; 44); при расположении в стыке (на расстоянии до 75 см от торца рельса) после номера дефекта ставится единица (например, 10.1; 11.1; 17.1; 21.1); вне стыка – двойка (10.2; 11.2; 17.2;
20.2 и т.д.); в сварном стыке (на расстоянии до 10 см в обе стороны от сварного шва) – тройка (56.3; 66.3; 99.3)
Наибольший выход рельсов в дефектные, а соответственно их одиночное изъятие и замена происходят из-за недостаточной контактно-усталостной прочности металла (дефекты 11, 21), чрезмерного бокового износа головки в кривых (дефект 44), коррозии подошвы рельсов (дефект 69); выкрашиваний и поперечных трещин в головке вследствие боксования или юза, а также прохода колес с большими ползунами или выбоинами (дефекты 14, 17, 24). Выход рельсов в дефектные зависит также от времени года: зимой-весной он в 2-3 раза выше, чем летом, что обусловлено повышением хрупкости металла рельсов с понижением температуры. Максимальный выход по дефектам на ж. д. Европейской части России приходится на март, на дорогах Востока и Сибири – на апрель. Эти месяцы характеризуются высокими суточными колебаниями температуры рельсов (ночью минус 10-20 °С, днем на солнце плюс 10-15 °С), оттаиванием балласта и возрастающими расстройствами пути.
На отечественных ж. д. получили распространение следующие методы дефектоскопии рельсов.Визуально-акустический метод – простейший способ, позволяющий выявлять некоторые дефекты рельсов с использованием зеркала, щупа, лупы, молоточка. Дефектные рельсы обнаруживают визуально по темным продольным полосам на поверхности катания, ржавым или синим полосам на переходах от шейки рельса к головке и подошве, местным уширениям головки и выщербинам на ней. Зеркало используют для осмотра нижних граней головки и подошвы рельсов, молоточек – для обстукивания рельса и выявления трещины в нем по изменению частоты звука.
Магнитный метод основан на образовании в зоне дефекта резко выраженной неоднородности поля, наведенного в металле извне (рис. 3.79). В силу различной магнитной проницаемости неповрежденных и дефектных участков в зоне дефекта (трещины, инородных включений и т.п.) имеет место интенсивное искажение магнитных силовых линий.
Токовихревой (индукционный) метод основан на улавливании изменений вихревых токов в области дефекта, являющегося препятствием для этих токов (рис. 3.80).
В ультразвуковом методе используется снижение акустической проницаемости металла в зоне трещин, раковин, инородных включений и расслоений. В зависимости от способа обнаружения дефекта в ультразвуковой дефектоскопии различают эхо-метод, зеркально-теневой, теневой и дельта-метод. На практике в основном применяются первые три метода, выявляющие соответственно 93%, 5% и ок. 2% всех дефектов. Эхо-метод основан на излучении в контролируемое изделие коротких зондирующих ультразвуковых импульсов и регистрации эхо-сигнала, отраженного от дефекта (рис. 3.81). В зеркально-теневом методе (рис. 3.82) дефект обнаруживается по существенному местному уменьшению интенсивности (амплитуды) и полному исчезновению отраженной от противоположной поверхности изделия ультразвуковой волны. При теневом методе дефекты определяют по местному уменьшению амплитуды ультразвуковой волны, прошедшей сквозь металл. Дельта-метод ультразвукового контроля (пока не применялся для дефектоскопии рельсов) основан на явлении дифракции ультразвука на неоднородностях, наиболее интенсивно возникающей на краях дефектов.
Магнитный и индукционный методы позволяют выявить поперечные трещины в головке рельса под поверхностью катания на глубине 2-6 мм и менее и площадью 25-35% от сечения головки; ультразвуковые методы -различно ориентированные дефекты практически по всему сечению рельса на ранней стадии их развития.
Наиболее распространенными дефектоскопами являются: двухниточные для сплошного контроля рельсов; магнитный МРД-66; ультразвуковые – Рельс-5, Поиск-2, Поиск-10Э; однониточные – Рельс-4, УРДО-3; для контроля сварных соединений – Рельс-6, УД2-12. Реже используются дефектоскопы ранних лет выпуска: УЗД-НИИМ-6М; УРД-63, ДУК-ббП(М), УД11-ПЧ. Кроме того, введены в эксплуатацию: многоканальный двухниточный дефектоскоп нового поколения АВИКОН-01; дефектоскопы-индикаторы для контроля отдельных сечений рельсов -УДС-41Ц, ИУП1-Р-53, УДС-69; однониточные дефектоскопы ПОИСК-11, РДМ-1; дефектоскоп для контроля отдельных сечений и сварных стыков рельсов РДМ-3. Разработаны к внедрению: микропроцессорный дефектоскоп для контроля сварных соединений АВИКОН-02, двухниточный – РДМ-2; автомотрисы АМД-01 и АМД-03 с аппаратурой типа ПОИСК-20 и с регистратором САРОС; ультразвуковые вагоны-дефектоскопы с аппаратурой ПОИСК-6 и ПОИСК-6Э; совмещенные вагоны-дефектоскопы на базе ультразвуковых и магнитных методов контроля с дефектоскопическим комплексом АВИКОН-03.
Дефектоскопия рельсов представляет собой трехуровневую систему, предусматривающую последовательное проведение следующих операций: первичный сплошной контроль двухниточными съемными дефектоскопами и приборами дефектоскопных автомотрис; вторичный сплошной контроль вагонами-дефектоскопами; локальный контроль переносными дефектоскопами сварных стыков, стрелочных переводов, выборочный контроль измерительными средствами автомотрис и вагонов-дефектоскопов. Дефектоскопия рельсов на рельсо-сварочных поездах включает проведение входного контроля, а также пооперационного и приемочного контролей после обработки рельсов и сварных стыков. Средства первичного контроля используются в пределах дистанции пути, вторичного контроля – в пределах железной дороги.
Для эксплуатации дефектоскопных средств на дистанциях пути организуются участки дефектоскопии. Участок должен быть оборудован контрольным тупиком с эталонными дефектами в рельсах для проверки работоспособности дефектоскопов и обучения операторов дефектоскопных тележек. На дистанции пути выделяется также помещение для хранения, технического обслуживания и экипировки дефектоскопной автомотрисы, которая должна быть укомплектована однониточным съемным дефектоскопом и дефектоскопом для контроля сварных стыков. Работа средств рельсовой дефектоскопии дистанции пути осуществляется согласно графику, ежемесячно разрабатываемому руководителем участка дефектоскопии и утверждаемому начальником дистанции. Вагоны-дефектоскопы работают по графику, утвержденному начальником службы пути. График работы вагонов-дефектоскопов составляется ежемесячно специалистом службы пути по дефектоскопии на основании схемы периодичности проверки ж. д. вагонами-дефектоскопами.
Периодичность контроля рельсов средствами дефектоскопии определяется соответствующими нормами с учетом классов пути и среднего выхода рельсов по количеству остродефектных, выявленных в течении месяца на участке пути длиной 10 км. Минимальная периодичность проверки рельсов съемными дефектоскопами составляет от 2 до 5 раз в месяц, автомотрисами – 2-4 раза в месяц, вагонами-дефектоскопами – от 1 раза в месяц до 2 раз в квартал. Потребность в дефектоскопных средствах определяется с учетом необходимой периодичности, а также норм контроля рельсов и элементов стрелочных переводов. Действующие нормы проверки составляют: для ультразвуковых дефектоскопов сплошного контроля рельсов до 140 км/мес, однониточных – до 280 стрелочных переводов/мес, ультразвуковых для контроля сварных стыков – до 800 стыков/мес, для автомотрис – до 900 км/мес, для вагонов-дефектоскопов (магнитных) – 4000 км/мес, ультразвуковых – 2000 км/мес.
