Analizy

Szyna S49

Struktura i własności szyny kolejowej S49 po kilkuletnim okresie ekspozycji na wolnym powietrzu.

Pytanie, które stawiają sobie zarządcy dróg kolejowych, w tym przypadku bocznicy, brzmi: Czy można zamiast nowych szyn zastosować szyny, które były wcześniej użytkowane? Szczególnie jeśli istnieje możliwość kupna szyn, które były już raz położne na szlaku, ale w związku z tym, że ruch na szlaku został wstrzymany, praktycznie nie noszą śladów zużycia. Użycie takich szyn jest uzasadnione przede wszystkim ze względów ekonomicznych [3]. Jeśli uwzględnić przepisy i zalecenia zawarte w załączniku 2 [4], to okazuje się, że jeśli na bocznicy przewozi się rocznie 200 000 ton węgla, wskaźnik Tg=0,2 a nowe szyny zaleca się wykorzystywać do budowy torów o natężeniu przewozów Tg=16÷25 na rok.

W obszarze wydatków budowa 1 km toru przy zastosowaniu nowych szyn to wydatek około 450 tys. zł [3]. Oczywiście kilkuletnia ekspozycja szyn na wolnym powietrzu spowodowała, że pokryły się one warstwą rdzy. Dlatego też, przed podjęciem decyzji o zakupie takich szyn, należy sprawdzić, czy spełniają one warunki techniczne wykonywania i odbioru szyn kolejowych, zgodne z wymogami Biura Dróg Kolejowych PKP PLK [4].

Ponadto należy zwrócić uwagę, że Procedura Objęcia Certyfikatem Bezpieczeństwa Bocznicy Kolejowej wiąże się z wykonaniem opisu infrastruktury bocznic oraz określeniem wymagań, jakie powinny one spełniać, uwzględniając m.in. standardy konstrukcyjne nawierzchni torów i charakterystyki techniczne szyn; niezbędne jest również opracowanie wymagań odnośnie do zachowania właściwego stanu technicznego bocznicy (m.in. dopuszczalne wartości zużycia szyn) [5]. Przedstawioną w artykule analizę opracowano w oparciu o wyniki badań mikrostruktury, wykonane na mikroskopie świetlnym, wykorzystując technikę badania w polu jasnym na mikroskopie Leica z dedykowanym oprogramowaniem przetwarzania obrazu w zakresie powiększeń 50x-200x, a także pomiaru twardości szyny kolejowej S49 (rys. 1.) wykonanej ze stali szynowej R260, dostarczonej przez firmę Koltravel.

Skład chemiczny stali badanej szyny wg normy kolejowej [PN-EN 14811+A1:2009] podano w tabeli 1. Pomiar twardości wykonano na twardościomierzu Zwick zgodnie z zaleceniami [4] (rys. 2) zawartymi w normie EN ISO 10003-1 [6]. Powierzchnię próbek przed pomiarem odpowiednio przygotowano, wyrównując poprzez wyszlifowanie na papierze ściernym o gradacji 200- 1200 na mokro na szlifierko-polerce mechanicznej. Materiał do badań pobrano z przekroju poprzecznego szyny zgodnie z wymogami zaleceń Warunków Technicznych Wykonywania i Odbioru Szyn Kolejowych [4] (rys. 3). Pobrany materiał zainkludowano na gorąco w polimerze termoplastycznym a po wyszlifowaniu oraz wypolerowaniu przy użyciu dedykowanego programu na szlifierko-polerce mechanicznej z zastosowaniem ścierniwa o gradacji 1-6 μm oraz lubrikantu.

Po procesie polerowania próbki trawiono roztworem 5% Nitalu1 w temperaturze pokojowej w czasie 40 s. WYNIKI BADAŃ Zgodnie z wymogami zawartymi w Warunkach Technicznych Wykonywania i Odbioru Szyn Kolejowych [4] twardość na linii środkowej powierzchni tocznej główki szyny (w punkcie RS) powinna zawierać się w przedziale 260-300 HBS. Wyniki pomiaru wykazały, że twardość badanej szyny spełnia konieczne warunki zastosowania szyny do budowy torów (rys. 4, tabela 2). Warto także nadmienić, że odchylenie standardowe wartości uzyskanych pomiarów w wymaganych miejscach zawiera się w przedziale 2,0÷6,7, co stanowi 0,6÷2,2% wartości średniej. Świadczy to o tym, że różnica pomiędzy kolejnymi wynikami pomiarów znajduje się poniżej błędu statystycznego, oznacza to, że badana szyna na całym przekroju poprzecznym charakteryzuje się równomiernymi wartościami mierzonej twardości.

Badania metalograficzne mikroskopowe dostarczonych szyn wytworzonych z gatunku stali R260 wykonano zgodnie z normą [7], a próbki pobrano według zaleceń zawartych w Warunkach Technicznych Wykonywania i Odbioru Szyn Kolejowych [4]. W wyniku wykonanych badań uwidoczniono w strukturze na przekroju poprzecznym przy powierzchni tocznej główki szyny strukturę perlityczną z wydzieleniami ferrytu (kolor biały) w postaci zamkniętej siatki ferrytu (rys. 6a). Stwierdzono, że siatka ferrytu występuje w paśmie na głębokości do ok. 0,5 mm od powierzchni tocznej główki szyny, a wraz z oddalaniem się od powierzchni tocznej główki siatka wydzieleń ferrytu nie zamyka już wszystkich ziaren (rys. 6b), by w końcu zaniknąć całkowicie (rys. 7).

W pozostałym obszarze mikrostruktury nie stwierdzono obecności wydzieleń ferrytu (rys. 7a). W strukturze badanej szyny nie stwierdzono struktury martenzytu, bainitu lub cementytu (rys. 7b), co jest zgodne z wymogami stawianymi w Warunkach Technicznych Wykonywania i Odbioru Szyn Kolejowych [4]. Na rys. 5 przedstawiono miejsca, z których pobrano próbki do badań na mikroskopie. WNIOSKI Na podstawie wykonanych badań stwierdzono, że dostarczone do badań szyny spełniają warunki zastosowania do budowy torów na bocznicach kolejowych. W wyniku badań mikrostruktury stwierdzono w badanym materiale szyny występowanie jednolitej nieprzerwanej siatki ferrytu na głębokości do 0,5 mm od powierzchni tocznej główki szyny, co wskazuje na prawidłowo przeprowadzoną obróbkę cieplną oraz brak widocznego oddziaływania leżakowania szyny w warunkach naturalnych.

Również wykonane badania twardości wskazują na brak oddziaływania długotrwałego leżakowania szyny na twardość, wynoszącą od 298 do 305 HBS. Na uwagę zwraca również fakt relatywnie niskiej wartości zmierzonego odchylenia standardowego, potwierdzający homogeniczność badanej mikrostruktury odnośnie własności mechanicznych. Na podstawie wykonanych analiz stwierdzić można, iż badane szyny kolejowe, niezależnie od czasu produkcji/ wieku, są w pełni przydatne do montażu na bocznicy, przy zachowaniu parametrów wymiarowych. Nadmienić można również fakt, że ich cena, niezależnie od faktu ich wcześniejszego montowania, może być niższa od ceny rynkowej nowego wyrobu o ok. 5 – 10 %.

J. Konieczny, K. Labisz Politechnika Śląska
Wydział Transportu Katedra Transportu Kolejowego

LITERATURA

[1] Instrukcja o prowadzeniu ruchu pociągów Ir-1 (R-1)
[2] Instrukcja o technice pracy manewrowe Ir-9 (R34)
[3] W. Bardziński, Czy kupować nowe szyny czy staro użyteczne? Część 1.; TOMAX – Kompleksowe Usługi Bocznic Kolejowych http://tormax.com.pl/czy-kupowac-noweszyny- czy-staro-uzyteczne-czesc-1/
[4] Warunki Techniczne Wykonywania i Odbioru Szyn Kolejowych, PKP PLK Biuro Dróg Kolejowych WTWiO-ILK3- 5181-2/2004E.P.
[5] Urząd Transportu Kolejowego, Objęcie certyfikatem bezpieczeństwa bocznic kolejowych, http://utk.gov.pl/pl/aktualnosci/ 6151,Objecie-certyfikatem-bezpieczenstwa- bocznic-kolejowych.html
[6] EN ISO 10003-1 – Materiały metalowe – Pomiar twardości metodą Brinella
[7] PN-EN ISO 17639:2013-12 – Badania niszczące spawanych złączy metali – Badania makroskopowe i mikroskopowe złączy spawanych 1 2 Rys. 6. Mikrostruktura na przekroju poprzecznym szyny przy powierzchni główki szyny z obszaru 1 na rys. 4 Rys. 5. Przekrój poprzeczny główki badanej szyny S49, miejsca pobrania materiału do zgładów Rys. 7.