Термины «диагностика» и «дефектоскопия», зачастую используемые как синонимы, на самом деле не являются таковыми: «техническая диагностика» – это область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов [1], а «дефектоскопия» - комплекс физических методов и средств неразрушающего контроля качества материалов, заготовок и изделий с целью обнаружения дефектов их строения. Из данных определений следует, чтодефектоскопия является необходимой, но не единственнойсоставляющей частьюдиагностики.
Соответственно,данные диагностики могут быть использованы не только для определения степени соответствия между фактическим состоянием рельсов и требуемым по нормативной документации [2] (эту задачу решает дефектоскопия), но и для:оптимизации периодичности эксплуатационного неразрушающего контроля; планирования ремонтных работ по шлифованию и замене рельсов в зависимости от их фактического технического состояния, а также мероприятий по повышению надежности рельсов, и в результате- планирования материальных затрат на обслуживание и ремонт рельсов.
Система диагностики рельсов, существующая в ОАО «РЖД», нацелена только на поиск дефектов (дефектоскопию) и не позволяетоценивать комплексное техническое состояние рельсов, в то время какдиагностика рельсов при их эксплуатации должна состоять из следующих обязательных составляющих:
1. Дефектоскопия - комплекс видов неразрушающего контроля (ультразвуковой – основной; магнитный, вихретоковый, оптический – дополнительные), предназначенный для выявления дефектов (трещин, выкрашиваний, дефектов сварки и т.д.).
Классификация дефектов в рельсах [2] делит дефекты на два вида: ДР (значительные и малозначительные дефекты, напрямую не влияющие на безопасность движения поездов) и ОДР (критические дефекты, требующие немедленной замены рельса с данным дефектом).
В настоящее время на сети железных дорог ОАО «РЖД» для неразрушающего контроля рельсов используется около4500 съемных дефектоскопов и 167 единицмобильных средств диагностики (автомотрис, вагонов-дефектоскопов). За 2017 год объем сплошного неразрушающего контроля рельсов в путисоставил около 4 млн. км, выявлено около 40 тысяч ОДР, допущен 131 излом рельса (из них в 18 случаях причиной излома был дефект, подлежащий выявлению средствами НК).
Дефекты ДР, являющиеся, в основном, дефектами поверхности катания головки рельса, обнаруживаются при контроле рельсов съемными дефектоскопами. При этом, операторы дефектоскопов должны вручную выполнять измерение их геометрических размеров, в зависимости от величины которых, в соответствии с [2],определяется максимальная допустимая скорость движения поездов по данному участку.
2. Определение или мониторинг остаточных заводских и эксплуатационных напряжений в металле рельса
Одним из наиболее острых вопросов для бесстыкового пути являетсяего эксплуатацияво время значительныхизменений температуры окружающей среды, и, как следствие, рост продольных напряжений в рельсовых плетях, что при нарушении технологии выполнения путевых работ и содержания пути может привести к выбросу пути, как правило, под поездом, изломам рельсов или стыковых накладок без наличия в них дефектов.
В соответствии с [3] все продольные усилия в рельсовых плетях заранее прогнозируются и определяются расчетами по перепадам температур относительно температуры закрепления плетей. Поэтому для оценки фактических продольных сил (напряжений) в нормально содержащемся пути достаточно измерять фактические температуры рельсов, что не представляет технических трудностей.
Однако, из-за неравномерного закрепления рельсовых плетей, разрыхления балластной призмы при нарушении технологии ремонтных работ, замены ОДР, резких знакопеременных воздействий поездной нагрузки на путь и других причин появляются участки возможных местных продольных деформаций рельсовых плетей и участки без деформаций, служащие как бы неподвижными упорами. Перед этими упорами продольные силы, передающиеся от поездной нагрузки, создают сжимающие напряжения в рельсовых плетях, а за упорами - растягивающие. Величины данных продольных сил, а также длины, местонахождение и степень закрепления «свободных» и «упорных» участков неизвестны и непостоянны. В таких условиях напряженное состояние рельсовых плетей зависит уже нетолькоот температурных изменений, а от некоторой суммы силовых воздействий, прогнозировать которую весьма затруднительно, и, соответственно, нельзя говорить с высокой степенью достоверности о фактическом напряженном состоянии рельсовых плетей бесстыкового пути. Реально работающая полевая аппаратура, позволяющая выполнять если не измерение подобного напряженного состояния, то хотя бы мониторинг его изменения, в ОАО «РЖД» фактически отсутствует.
3. Определение состояния металла на поверхности катания головки рельса
В процессе эксплуатации рельсов на их поверхности катания (в основном, ввыкружкерабочейгранинаружныхрельсоввкривых участках пути) начинается износ и формирование слоя с повышенной твердостью,в которомвозникаютконтактно-усталостные микротрещины, которые,если не была проведена превентивная шлифовка, могут привести к образованию опасных поперечных дефектов[4]. Количествотакихмикротрещинбудетвозрастать помереувеличениясилытягилокомотивов, апричинойпоявлениямикротрещинявляютсявысокиекасательныенапряжениянарабочихповерхностяхголовкирельса, которыеповторяютсямногократноиповеличинепревышаютпределтекучестистали. Многократныепластическиедеформацииприводятквозникновениютрещин, глубинакоторыхпостепенновозрастает в процессе эксплуатации. Вслучае, еслисредство НК своевременнонеобнаружитданный дефект, произойдетпоперечныйизломрельса.
В настоящее время назначение шлифования рельсов в соответствии с [5] зависит только от пропущенного тоннажа, что приводит к значительным временным и производительным затратам, затраты на задержку поездов и другие сопутствующие расходы.Для формирования экономически обоснованной программы шлифовки рельсов на конкретном участке требуется получение достоверной информации о наличии и размерах контактно-усталостных трещин на поверхности головки рельсов и оценки их геометрических параметров.
Такие трещины могут быть обнаружены вихретоковым видом НК по [6], однако для его примененияв ОАО «РЖД» отсутствует нормативная документация, регламентирующая меры, которые следует применять по результатам данного вида НК.
4. Мониторинг развития дефектов и определение остаточного ресурса дефектного рельса
Безопасность движения поездов и сохранение работоспособности рельсов при наличии в них трещин, которые при этом не могут привести к внезапному разрушению рельсов под колесами поезда, обеспечивается гарантированным обнаружением подобных трещин в рельсах при их размерах меньше критического.
В настоящее времясредства сплошного НК при наличии акустического контакта должны [например, 7-8]гарантированно обнаруживатьдефекты следующих размеров:поперечные трещины в головке рельса диаметром от 12 мм (~4 % от площади головки); коppозионно-усталостные трещины в подошве рельса(расположенные в зоне проекции шейки)высотой более 10 мм; трещины, развивающиеся от болтовых отверстий, – более 5 мм. При этом, скорость роста дефектов и их критические размеры определены лишь для дефектов в головкерельса:скорость роста ~1-2% площади головки на каждый млн.тонн пропущенного тоннажа при критическом размере -30% от площади головки[9].
Прогнозирование роста дефектов в шейке и подошве крайне затруднено из-за большого количества влияющих факторов (особенности технологии изготовления рельсов, состояние экипажной части подвижного состава, эксплуатационные характеристики железной дороги, температура рельсов, расстояние от дефекта до торца и сварного стыка, общее состояние верхнего строения пути и др.). Данные факторы, по мнению авторов, снижают необходимость в измерении размероввнутренних дефектов в рельсах с высокой точностью (в отличие, например, от атомной энергетики).
Выводы:
1. Диагностика рельсов при их эксплуатации должна включать следующиенеобходимыепроцедуры: дефектоскопию, определение или мониторинг остаточных заводских и эксплуатационных напряжений в металле рельса, определение состояния поверхности катания головки рельса, мониторинг развития дефектов и определение остаточного ресурса дефектного рельса.
2. Для развития системы диагностики рельсов необходимо:
-
повышение вероятности обнаружения дефектов на ранних докритических стадиях развития;
-
разработка методики оценки показателей эффективности обнаружения дефектов в виде вероятностных характеристик;
-
разработка практически реализуемыхтехнологий вихретокового контроля и оценки напряженного состояния рельсов, а также нормативной документации, регламентирующей их применение;
-
определение диагностических критериев, основанных наисследованныхзакономерностяхроста и развития наиболее распространенных и опасных усталостных трещин при конкретных условиях эксплуатации.