AZ ÜZEMFENNTARTÁS ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEI 1.06 5.21
Vasúti sínek hibái Tárgyszavak: anyagfáradás; vasúti sín; sínhibák; hibaelemzés; vizsgálat; felületi hiba.
Az acélsínek a hagyományos vasúti hálózat legfontosabb elemei. Funkciójuk a kerék pereme segítségével a jármű irányítása és terhelésének átadása az ágyazatra. A sínek nehéz körülmények között működnek, komplex és változó erőhatásoknak vannak kitéve. A kerék és a sín érintkezése kopást eredményez, a környezeti viszonyok korróziót okoznak; az építés és a karbantartás során a sínek mechanikai és termikus terhelésnek vannak kitéve. A sínek anyagának alkalmasnak kell lennie gépi megmunkálásra és hegesztésre. A ciklikus terhelés következtében a sínek fémanyagában fáradási jelenségek lépnek fel, ami repedéshez, töréshez vezethet. A sínek mögött nincs tartalék, ezért a hibák azonnali beavatkozást, javítást követelnek, enélkül katasztrófa következhet be.
Anyagfáradással kapcsolatos hibák Anyagfáradással kapcsolatos hibák három fázisban alakulnak ki: Először repedések képződnek, amelyek nagysága fokozatosan növekszik, végül a sín eltörik. A sínek állapotát ezért rendszeresen ellenőrizni kell és ezt az ellenőrzést fokozni kell, ahogy a terhelési ciklusok száma halmozódik. Ez jelentős gazdasági megterhelést jelent az üzemeltetőnek. Mivel ez világprobléma, a sínhibák menedzselése (rail defect management) nemzetközi tanulmány tárgyát képezte. A sínhibák három nagy csoportba sorolhatók: • Gyártási hibák, amelyek klasszikus esete az ovális folt, amely általában egy hidrogénzárványból kiinduló repedést okoz a sínfejben. • Helytelen kezelés, beépítés vagy használat miatt bekövetkező hibák, pl. beégés, amelyet a csúszó vagy kipörgő kerekek okoznak. • Az acélanyag kifáradása miatt fellépő hibák, amelyhez a vágányzat és a járművek konstrukciója is hozzájárul. A gyártási hibák terén az acélgyártás és sínhengerlési technológia: fejlődése lényeges javulást eredményezett. Ugyancsak csökkent a helytelen kezelés és használat miatt bekövetkezett hiba gyakorisága. Az utóbbi húsz év
ben a harmadik csoportba tartozó sínhibák voltak a leggyakoribbak. Ezeket a hibákat elsősorban az anyag tulajdonságainak javításával és a pálya módosításával vagy a járművek konstrukciójának változtatásával lehet csökkenteni. A gördülő érintkezés miatti fáradással kell a jövőben leginkább foglalkozni, mivel a vonatok egyre nagyobb sebessége, a forgalom sűrűsödése, a tengelysúly és a vonóerő növekedése folytán ez a probléma egyre súlyosabbá válik.
Nemzetközi tapasztalatok Az egyes országok vasútvonalain különböző okokból kicserélt sínek aránya különböző. Japánban pl. az 1990-es években a vasúti sínek 60%-át cserélték ki a gördülő érintkezés okozta fáradási hibák miatt; Nagy-Britanniában és Angliában ez az arány csak mintegy 25% volt. Ezzel a problémával Japánban először a Tokaido–Shinkansen vonalon találkoztak, de hasonló helyzet volt a British Railways nyugati parti vonalán, amelyet az 1960-as években korszerűsítettek és villamosítottak. Az egyes országokban különféle törvényes előírások szabályozzák a vasúti vágányok ellenőrzését, meghatározzák a vizsgálatok gyakoriságát: nemzetközi szinten az UIC katalógust állított össze a lehetséges sínhibákról, osztályozza azokat és ajánlásokat ad hibák felderítésére szolgáló módszerekre.
Vizsgálati eljárások Az ismétlődő terhelés okozta fáradási repedések növekedése számos tényezőtől függ, többek közt a sín anyagától, keresztmetszetétől, gyártási módjától, a vonatok sebességétől, a forgalom sűrűségétől, a környezeti feltételektől stb. Ha a repedés növekszik, könnyebb felfedezni azt, de fokozódik a síntörés veszélye is. A sínek vizsgálatát olyan gyakorisággal kell végezni, ami a síntörések számát gazdaságilag is elfogadható szintre korlátozza. Vizuális megfigyelést és ultrahangos vizsgálatot világszerte alkalmaznak a sínhibák észlelésére és mértékének meghatározására. Ezeken kívül használnak kóboráramos eljárást a felszíni és a felszínhez közeli hibák kimutatására, valamint röntgenfelvételt a mélyebben levő hibák felfedezésére (különösen a hegesztések helyén). Ezeket az eljárásokat állandóan tökéletesítik, hogy megbízhatóbban, pontosabban és hatékonyabban mutassák ki a sínhibákat, de fejlesztés alatt van több új eljárás is, pl. lézeres, ultrahang, kis frekvenciájú kóboráram, irányított ultrahanghullámok stb. A vizsgálatok gyakorisága a beépítés óta eltelt idő, a forgalmi terhelés és a vonatok sebességétől függ. Az beépítés óta eltelt időtől függő vizsgálati gyakoriság olyan vonalakon fogadható el, ahol egyenletes forgalmi terhelés és változatlan külső körülmények vannak. Az ilyen rendszer könnyen kezelhető, de nem veszi figyelembe a többi tényezőt, amely a repedések terjedésére
hatással van. Ezért elterjedt olyan eljárás, amely a halmozott terhelés szerint határozza meg a vizsgálatok gyakoriságát. Helyes a vonatok kisiklásának következményeit is figyelembe venni a vizsgálati rendszer kialakításánál: pl. a vonatok sebességét, a szállítmányok veszélyességét (olajtermékek, radioaktív anyagok), amelyek nagy veszélyt jelentenek a környezetre. Szokásos gyakorlat a vizsgálatok időközeinek megállapításánál a vonalszakasz korábbi vizsgálati eredményeinek és előfordult hibáinak (pl. a talált hibák, síntörések száma) figyelembevétele. Ennek a módszernek gyengesége, hogy nem biztosít gyors reagálást a kezdődő hibákra.
Gazdaságossági megfontolások A síntörésekkel kapcsolatos költség a következő tételekből tevődik öszsze: • Vizsgálati költség (beleértve a vizuális, kézi és járműves ultrahangos vizsgálatot. A vizsgálat gyakorisága évi hatszor–kilencévenként egyszer határok között változik. • Vonatok késése. Ilyen költség akkor merül fel, ha a késésért a vasút a vonatokat üzemeltető szervezetnek köteles kötbért fizetni. • Javítási költségek (pl. síncsere, hegesztés). • Megelőző karbantartás (pl. sínköszörülés). • Kisiklás. • Üzleti bizalom elvesztése. Egyes tételeket (pl. vizsgálati költségek) viszonylag pontosan ki lehet számítani, másokat azonban nem. A nagy sebességű vonatok ritkán siklanak ki, de ha ez mégis megtörténik, ennek költségei lesznek a legnagyobbak. A sínhibákra, vonatok kisiklására vonatkozó statisztikai adatok bizonytalanok. Nagyságrendileg úgy becsülhető, hogy évente 0,1 hibás vagy törött sín fordul elő vágánykilométerenként, ezen belül 10–20 eset közül egy esetben van szó síntörésről. A költségekre vonatkozó becslés 750–1700 EUR/km.év, de ez a szám nem tartalmazza a karbantartási költségeket és a kisiklással kapcsolatos összegeket. Az Európai Unió területén kb. fél millió km összes hosszúságú vasúti vágány fekszik; feltételezve az évenkénti vizsgálatot, a sínhibákkal kapcsolatos költségek összesen 375–850 millió EUR-ra becsülhetők. Egy másik becslés szerint a gördülő érintkezés okozta anyagfáradás az Európai Unió vasútjain évi 300 millió EUR kiadással jár. A járművel végzett ultrahangos vizsgálat manuális ellenőrzéssel évi 70 millió EUR-ba kerül az Európai Unió területén.
Sínhibák menedzselése A vizsgálatok célja hibák felfedezése, mielőtt a sín eltörik. A hiba felfedezése után teendő intézkedések a hiba nagyságától függenek, így lehet a hibahely rendszeres megfigyelése, de lehet a sín haladéktalan vagy egy-két napon belüli kicserélése. Azonnali síncserére az európai személyszállító vasutakon viszonylag ritkán van szükség, de a nagy terhelésű vonalakon gyakrabban előfordul. Amikor a hiba felfedezése után a sín a vágányzatban maradhat, meg kell tervezni, hogy mikor kell ismételt ellenőrzést végezni és mikor kerülhet sor a javításra vagy cserére a forgalom minimális megzavarásával. A hibákról számítógépes nyilvántartást vezetnek, amely segít az intézkedések megtervezésében. Az adatokat egy központi rendszerbe is átviszik, ahol statisztikai elemzéseket készítenek. A sínhibák menedzselésének két lényeges célja van: • A síntörések és sínhibák előfordulásának korlátozása. • A sínhibák okainak kiküszöbölése. A menedzsmentnek 10-20 évvel ezelőttig a fő figyelme az első témára összpontosult. A sínhibák nagy része gyártási problémákból eredt. A tökéletesített gyártástechnológia döntő mértékben lecsökkentette a hidrogéntartalmat és a kemény, törékeny zárványok (pl. aluminátok és szilikátok) jelenlétét a sínfelülethez közeli zónában, amelyek repedések kiindulási pontjai lehettek. Mivel egyre inkább hegesztéssel kapcsolják össze a síneket és elmaradnak a csavarkötések, a csavarlyukak nem szolgálnak repedések kiindulópontjául. Rájöttek azonban arra, hogy a sín felületén a gördülő érintkezés következtében fáradási jelenségek lépnek fel. Ezek a „squat”-nak nevezett hibahelyek általában nincsenek metallurgiai, mechanikai vagy termikus hibával kapcsolatban. Egyszerűen arról van szó, hogy az acél nem felel meg az üzemi körülményeknek. A jelenség az elterjedt síntípusnál megfigyelhető. A probléma megoldása csak a sín és kerék érintkezési viszonyainak módosításától vagy más anyagok alkalmazásától várható. A felületi fáradási jelenségek speciális problémát jelentenek a vizsgálatoknál. A csaknem az egész keresztmetszeten átmenő repedés a síntörés oka, de ilyen repedések kialakulását az ultrahangos vizsgálattal nem lehet észlelni, mivel a squatok árnyékolják azt (1. ábra). A probléma megoldása megkísérelhető a sín felületének leköszörülésével, hogy eltávolítsák a kifáradt anyagot vagy olyan sínkeresztmetszet kialakításával, amelynél az érintkezési feszültség kisebb. A felületi igénybevétel az ívekben csökkenthető olajozással, de az olajozásnak káros hatása is lehet: a kenőanyag hidraulikus terhelést jelent a repedésekben és gyorsítja a repedések növekedését. Squatok megjelenése a sín felületén figyelmeztető jel: a sín közeledik természetes élettartama végéhez. Egy ideig még lehet a problémát kezelni, de hosszabb ideig nem lehet a szállítási rendszert az élettartam határán üzemel
tetni. Ezért a második megoldás: az okok kiküszöbölésére kell a figyelmet összpontosítani. Mintegy 30 éve foglalkoznak a gördülő érintkezés során fellépő anyagfáradással, de végleges megoldást ennek csökkentésére még nem találtak. Vannak azonban jelzések, hogy a sínanyag módosításával vagy a sínfej és a kerék profiljának szabályozásával lehet megoldást találni.
az ultrahang nem hatol át ezen a repedésen
így nem észleli a mélyebben levő repedést
1. ábra A felületi hiba (squat) árnyékolja az ultrahang elől a mélyebben fekvő repedést (Dr. Garai Tamás) Cannon, D. F.: Rail defect management. A world issue. = Rail International, Schienen der Welt, 2002. jún. p. 11–19. Zentarra, M.: Prozessoptimierung und Integration von Standardsoftware senken Instandhaltungsaufwand bei Bahninfrastruktur-Unternehmen um knapp 30 Prozent. = Verkehr und Technik, 55. k. 12. sz. 2002. p. 540–543.
