Сегодня в железнодорожной отрасли, наиболее массово использующей ультразвуковые методы для контроля качества многих ответственных объектов (в первую очередь рельсов), происходят коренные изменения в области неразрушающего контроля. Активно внедряются автоматизированные и полуавтоматизированнные системы неразрушающего контроля: мобильные средства контроля (дефектоскопные тележки, автомотрисы и вагоны-дефектоскопы).

Согласно официальным данным Укрзализныци эксплуатационная длина главных путей составляет сегодня 22,3 тыс. км, а развернутая длина путей - около 30,3 тыс. км. Из них около 9300 км (42% от общей длины) - электрифицированные пути. Железнодорожная отрасль Украины ежегодно обеспечивает перевозки более 300 млн.т разнообразных грузов и около 500 млн. пассажиров. А это около 85,1% грузооборота и 54,5% пассажирооборота транспортной системы Украины.

Приоритетным для железных дорог Украины является внедрение скоростного движения пассажирских поездов, которое предусматривает курсирование дневных поездов между Киевом и большинством областных центров, а также между крупными городами Украины (срок пребывания в дороге 4-7 часов), с применением вагонов повышенной комфортности.

В этих условиях обеспечение безопасности перевозок становится одной из первоочередных задач.

Краткая справка:

1. Донецкая железная дорога - это 2927,6 км эксплуатационной длины путей (13% от общей протяженности железнодорожной сети Украины). На ее долю приходится 47% погрузки и 36% разгрузки всех железных дорог Украины. Предприятия, примыкающие к ней имеют развитую систему подъездных путей (более 7,5 тыс. км), длина которых в 2,6 раза превышает эксплуатационную длину магистрали.

2. Львовская железная дорога - одна из самих старых дорог, являющаяся важным центром в транспортных перевозках между Востоком и Западной Европой. В будущем, Львовская ж/д планирует соорудить скоростной европейский путь (1435мм) протяженностью 84км (на участке Львов - Мостиська - Медика). Новая линия позволит осуществлять движение поездов со скоростями до 160км/ час и соответственно создаст дополнительные удобства для пассажиров и повысит конкурентоспособность железнодорожных перевозок.

3. Одесская железная дорога - 20% грузооборота и более 16% пассажирооборота железных дорог Украины. Благодаря своему положению она обеспечивает транспортно - экономические связи более чем с 70 странами мира. Ее протяженность - около 4200км.

4. Приднепровская железная дорога. Общая протяженность путей составляет более 3250км (из них 58,3% - электрифицированны). По ее территории проходит транспортный коридор по которому перевозятся нефтепродукты.

5. Южная железная дорога обеспечивает связь Донбасса со столицей Украины и с западными областями. Ее пути протянулись более чем на 3000км по территории 6 областей Украины, с населением более 20 млн. человек.

6. Юго-Западная железная дорога. Административный центр - Киев. Общая эксплуатационная длина путей- 4668 км. Развернутая длина путей -6438,1 км. Электрификация - 93,3%.

Рельсы - основной элемент железнодорожного пути, который подвергается значительным нагрузкам. По мере эксплуатации в них появляются различные дефекты, угрожающие безопасности движения поездов. Изломы рельсов - первая причина аварий и крушений в путевом хозяйстве.

Сегодня в железнодорожной отрасли, наиболее массово использующей ультразвуковые методы для контроля качества многих ответственных объектов (в первую очередь рельсов), происходят коренные изменения в области неразрушающего контроля. Активно внедряются автоматизированные и полуавтоматизированнные системы неразрушающего контроля: мобильные средства контроля (дефектоскопные тележки, автомотрисы и вагоны-дефектоскопы).

Рис. 1

На начало 2006 года на железных дорогах Украины эксплуатировалось более 1139 дефектоскопных тележек для проведения сплошного контроля рельсов, при этом только 38% из приведенного выше числа - новые типы дефектоскопов.

Самые передовые из них оснащены регистраторами контроля (как к примеру - дефектоскоп УДС2-73). В наиболее современных дефектоскопах регистрация сигналов контроля производится на дефектограммах, в виде так называемой развертки типа В (Б-Скана).

Это позволяет одновременно отображать зависимость трех параметров: пути (или времени), пройденного ультразвуковым лучом, расстояния, пройденного тележкой, и амплитуды эхо-сигнала, величина которой отображается цветовой градацией. Такое представление информации позволяет видеть на экране весь рельс, а не его отдельное сечение, как в А-Скане. Фактически Б- Скан представляет собой совокупность А-Сканов по пройденному пути. Также Б- Скан позволяет более четко обнаружить сигнал от дефекта на фоне шумов, измерить не только амплитуду и координаты дефекта, но и его условную протяженность.

Однако ситуация со средствами данного типа на дорогах Украины не очень оптимистична (с учетом поставок 2006г, на октябрь 2006г). (Рис. 2)

Рис. 2

Два с половиной года эксплуатации

Впервые представленный в мае 2003года на 4-ой Национальной научно-технической конференции-выставке "Неразрушающий контроль и техническая диагностика" рельсовый дефектоскоп УДС2-73 сегодня демонстрирует отличные результаты по выявлению и мониторингу рельсового пути.

Бесплатное двухнедельное обучение операторов на базе учебного центра НПФ "УЛЬТРАКОН-СЕРВИС", начатое в июне 2004года, помогло сгладить операторам и наладчикам дистанций пути острый недостаток учебных материалов, методических решений и рекомендаций по расшифровке дефектограмм съемных средств дефектоскопии.

На сегодняшний день данные курсы прошло уже более 120 человек (Рис. 3 и 4).

Рис. 3

Рис. 4

Обнаружение дефектов

За 2,5 года эксплуатации можно уверенно говорить об эффективности эксплуатации дефектоскопов УДС2-73. А их на различные железные дороги было поставлено уже 43 штуки. (Рис. 5)

Рис. 5. Анализ использования дефектоскопа УДС2-73 с начала 2006 г. (на 01.09.2006)

На графике (Рис. 6, 7, 8) приведены обобщенные результаты контроля рельсов, предоставленные всеми дорогами с начала 2006года (на 1.09.2006).

Рис. 6

Рис. 7

Рис. 8

Сегодня, уже можно с уверенностью говорить о высокой эффективности обнаружения 53 рисунка, причем как прямым ПЭП 0 град., так и наклонным ПЭП 45 град., несмотря на то, что эти методы используются и в других средствах ультразвукового контроля. Это объясняется, прежде всего, другим представлением результатов контроля - в виде Б-Скана, что позволяет увидеть на экране дефектоскопа сигналы от дефектов даже небольшой протяженности, на слух такие сигналы тяжело отличить на фоне сигналов от конструктивных отражателей (особенно при контроле болтовых стыков). Например, на некоторых дорогах протяженность выявленных дефектов составляет несколько миллиметров (от 4мм и более).

Дефектоскопами УДС2-73 в головке рельса было выявлено более 85 рельсов с дефектами 30-го рисунка (горизонтальные расслоения код 30Г), расположенные как над проекцией шейки, так и за ее пределами. Второй вид дефектов 30- го рисунка (не заходящих в проекцию шейки) при сплошном контроле может быть выявлен только УДС2-73 благодаря усовершенствованной схеме прозвучивания. Обнаруженные дефекты были подтверждены при ручном контроле. К сожалению, лаборатории дорог пока не проводят изучение данного вида дефектов, с проведением натурных изломов.

Очень эффективно проявил себя дефектоскоп по обнаружению наиболее опасных дефектов второй группы - поперечных трещин в головке рельса. В УДС2-73 контроль головки осуществляется по 10 каналам, причем контролируется все сечение головки вдоль и против направления движения не только эхо - методом, но еще и тремя зеркальными. Т.о. развитый дефект будет обнаружен сразу несколькими каналами, что дает возможность оператору судить о степени его опасности. Только за первые восемь месяцев 2006года операторами различных дорог было выявлено более 15 дефектов такого типа.

Разработка новых схем прозвучивания

Очень важен вопрос повышения эффективности средств контроля. Как известно, она в первую очередь определяется возможностями средств НК и более всего зависит от схемы прозвучивания. Способность выявлять различного рода дефекты определяет достоверность контроля, а прозвучивание одновременно всего сечения рельсов увеличивает производительность контроля за счет исключения необходимости в повторных проходах.

Все указанные критерии реализованы в ультразвуковом рельсовом дефектоскопе УДС2-73. Имея преимущества съемных дефектоскопов и в то же время обладая возможностями скоростных средств контроля, имея схему прозвучивания, которая состоит из 11 физических каналов на одну рельсовую нить и реализует одновременно 20 информационных каналов с использованием эхо -, зеркального и зеркально-теневого методов контроля, что в три раза больше, чем в эксплуатируемых в настоящее время дефектоскопах.

Для реализации такой сложной схемы контроля разработаны и изготовлены специальные комбинированные преобразователи, не имеющие аналогов, и вся схема реализуется при помощи всего лишь четырех резонаторов на одну рельсовую нить. (Рис. 9 и 10)

Рис. 9. Специализированные комбинированные преобразователи на одну рельсовую нить в УДС2-73. Внешний вид. Базовая схема

Рис. 10. Вид сбоку блока преобразователей закрепленных в лыже

В настоящее время особое внимание уделяется контролю центральной части головки рельса, как наиболее подверженной динамическим нагрузкам.

Для этого внедряются различные методы контроля:

1. Контроль эхо - методом многократно отраженными лучами традиционным ПЭП 58°, развернутым на угол 34°. Этот метод часто используют в скоростных средствах контроля (вагонах - дефектоскопах, автомотрисах).

2. Контроль ПЭП 70°, развернутым вдоль оси. Метод широко используется за рубежом и внедрен на наших дорогах на современных средствах контроля.

3. Контроль зеркальным методом двумя ПЭП 58°. Впервые был разработан и внедрен в России.

Рис. 11

У каждого метода есть свои преимущества и недостатки по выявлению различных типов дефектов. Это зачастую обоснованно их различной ориентацией и природой развития. Различают два основных класса дефектов: с зеркальной поверхностью (характерны для довольно развитых трещин) и с диффузной поверхностью (характерны для дефектов на ранней стадии развития).

1-й и 3-й методы контроля, описанные выше, входят в "Базовую схему УЗК" дефектоскопа УДС2-73. А недавно разработанная "Модернизированная схема УЗК" обеспечивает контроль центральной части головки рельса одновременно всеми тремя методами контроля.

Рис. 12

Базовая схема контроля, реализуемая в дефектоскопе УДС2-73 состоит из:

"Традиционных" методов контроля:

• эхо и зеркально-теневой метод контроля для контроля всего сечения рельсов в проекции шейки (прямым раздельно-совмещенным преобразователем);
• эхо-метод контроля всего сечения в проекции шейки (двумя наклонными преобразователями с углом ввода 45 град.);
• эхо-метод контроля головки рельсов наклонными преобразователями с углом ввода 58 град. развернутыми относительно продольной оси на угол 34 град.

В УДС2-73 используется 4 преобразователя, позволяющих проводить контроль рабочей и нерабочей грани головки рельсов, причем зона контроля позволяет контролировать прямым, однократно и двукратно отраженным лучом, что значительно повышает достоверность;

Новых методов контроля. Сегодня для работников дефектоскопии путевого хозяйства они стали традиционными (по прошествии 2,5 лет эксплуатации УДС2-73).

Это зеркальные методы контроля, которые имеют высокое соотношение С/Ш и позволяют обнаружить развитые поперечные дефекты с зеркальной поверхностью и облегчают контроль так называемых "шумящих" рельсов (с допустимой сеткой микротрещин на поверхности головки). В УДС2-73 реализовано три вида зеркального метода контроля:

• 1-й зеркальный метод предназначен для контроля центральной части головки рельса и позволяет обнаруживать поперечные трещины под пробуксовками и поверхностными горизонтальными расслоениями на расстоянии до 100 мм от преобразователя;
• 2-й зеркальный метод предназначен для контроля боковых граней головки по 4-м каналам;
• 3-й зеркальный метод реализован только в УДС2-73 и не имеет аналогов, он предназначен для обнаружения продольных вертикальных и горизонтальных расслоений в боковых гранях головки не выходящих в проекцию шейки (код 30Г и 30В).

Модернизированная схема контроля

Модернизированная схема контроля состоит из традиционных методов базовой схемы контроля и дополнительных 2 преобразователей с углом ввода 700 (для одной рельсовой нити), развернутых по ходу и против хода тележки. Они дополняют схему прозвучивания, что в свою очередь повышает качество и достоверность контроля средней части рельса. Таким образом, центр рельса (где могут развиваться одни из самых опасных дефектов второй группы) озвучивается тремя методами: ПЭП 700 и 450, в комбинации с первым зеркальным методом контроля. (Рис. 13)

Рис. 13. Внешний вид блока преобразователей с ПЭП 70°

Схема прозвучивания ПЭП 700 обеспечивает уверенное выявление поперечных трещин с диффузной отражающей поверхностью, ориентированных под углом от 00 до 300 к вертикальной оси (см. рис.14).

Рис. 14. Дополнительно прозвучиваемая ПЭП 700 центральная зона рельса (выделена красным цветом)

Прозвучивание "1-м зеркальным методом" позволяет контролировать центральную часть головки рельса и уверено выявлять поперечные трещины на ранней стадии развития (глубиной менее 8 мм), образующие двугранный угол с плоскостью поверхности катания (см. рис.15).

Рис. 15. Контроль центральной части головки рельса с помощью 1 -го зеркального метода (зона контроля выделена красным цветом)

Особенно эффективен данный метод для обнаружения поперечных трещин под горизонтальным расслоением (на расстоянии до 100мм от преобразователя).

Т.о. модернизированная схема прозвучивания центральной части головки рельса ("1-м зеркальным методом" и эхо- методом), обеспечивает более полный контроль по сравнению с использованием только одной из схем.

Рис. 16. Модернизированная схема прозвучивания - физических каналов и одновременная реализация 22 информационных каналов

Сегодня, УДС2-73 - единственный дефектоскоп на территории СНГ, который может реализовать обе описанные выше схемы контроля рельсов.

Выявляемость дефектов на примере одной из дистанций пути

(наиболее интересные задокументированные случаи)

Эти данные по выявлению дефектов дефектоскопом УДС2-73 были любезно предоставлены нам Верховцевской дистанцией пути (Приднепровская ж/д. Начальник ПЛД - Симуренко Вера Николаевна).

Рис. 17. Курманенко Геннадий. Верховцевская дистанция пути ПЧ-10

Кстати, именно на этой дороге находится максимальное количество дефектоскопов с регистраторами (11 штук, из них 10- это УДС2-73).Ниже представлены Б-Сканы выявленных ими дефектов различных кодов.

Для начала рассмотрим столь опасный дефект рельса в виде продольных трещин, в местах перехода головки в шейку (что может привести к выколу части головки рельса). Его вид при расшифровке в условиях ПЧ на ПК, в виде Б - Скана и А - Скана (при ручном контроле). Тут же ниже приведена и фотография данного вырезанного рельса, после его излома под прессом на РСП. (Рис. 18)

Рис. 18. Остродефектное место в шейке рельса по коду 52.1 (В - scan). Программа расшифровки данных. Вид экрана ПК

Ниже представлен этот же дефект, записанный оператором в реальном времени при проведении контроля. (Рис. 19 и 20)

Рис. 19. Режим отображения информации на экране дефектоскопа в виде В - scan 4, и соответствующее ему изображение А - scanа

Рис. 20. Остродефектное место в шейке рельса по коду 52.1 (фотография)

Примечание: Тип отображения В-скан 4- это представление информации на экране дефектоскопа по четырем каналам, объединяющим "наезжающие" и "отъезжающие" каналы по левой и правой рельсовой нити

Столь опасные трещины в шейке от болтовых или других отверстий в рельсах 53 кода также были выявлены с помощью акустической схемы УДС2-73 (в последующем задокументированы). (Рис. 21 и 22)

Рис. 21. Остродефектное место в стыке рельса по коду 53.1 (В - scan) Программа расшифровки данных. Вид экрана ПК

Рис. 22. Остродефектное место в стыке рельса по коду 53.1 (фотография)

Код 55- трещины в шейке рельса от маркировочных знаков, ударов по шейке и других механических повреждений и выколы из-за них.

Ниже представлено изображение этого же дефекта по разным каналам при просмотре результатов контроля с помощью программы расшифровки данных на ПК. (Рис. 23)

Рис. 23a. Остродефектное место в шейке рельса по коду 55.1 (В - scan). Программа расшифровки данных. Вид экрана ПК

Рис. 23b. Остродефектное место в шейке рельса по коду 55.1 (В - scan). Канал 1 (тип сигнала - Эхо), РС ПЭП 0° Программа расшифровки данных. Вид экрана ПК

Рис. 23c. Остродефектное место в шейке рельса по коду 55.1 (В - scan). Канал 11 (тип сигнала - Эхо), ПЭП 45°/ 45° Программа расшифровки данных. Вид экрана ПК

Код 24 - поперечные трещины в головке и изломы из-за них, вследствие пробуксовок, юза, прохода колес с ползунами или выбоинами.

На рисунке 24 представлен вид экрана (Б-Скан), с четко выявляемыми дефектами данного кода. Они великолепно видны как наезжающими, так и отъезжающими каналами дефектоскопа.

Рис. 24. Остродефектное место в головке рельса по коду 24.2 (В - scan)

Для более четкого отображения сигнала и измерения его захода в головку (условных размеров) был проведен дополнительный ручной контроль ПЭП 68° (рис. 25) и определены условные размеры данного дефекта (протяженность - 71,9мм, а высота- 29,1мм).

Рис. 25. Изображение А - scan для дефекта 24.2, ПЭП 68°

Регистрация контроля. Повторная расшифровка данных контроля

Как известно, условия работы операторов дефектоскопной тележки по санитарно - гигиеническим нормам относятся к вредному (тяжелому) труду второй степени. Это вызвано большими физическими нагрузками, т.к. за смену необходимо преодолеть до 10 км пути, при этом количество съемов и установок тележки с пути (на путь) составляет от 10 до 50 раз, в зависимости от интенсивности движения поездов. Учитывая это обстоятельство, надежность обнаружения дефектов системой "оператор - дефектоскоп" резко ухудшается, особенно в конце рабочей смены.

Все эти факторы приводят к необходимости электронного документирования процесса проведения контроля и его результатов, к введению так называемых "регистраторов пути". С их применением уменьшается вероятность выдачи операторами неверных данных о дефектах рельсов. К примеру:

• исключаются случаи, когда дефекты кода 53.1 маркируются как дефекты 17 кода (поскольку за наличие 53.1 - бригадир пути несет ответственность).
• часто из - за нехватки человеческих и моторесурсов - нет возможности своевременно заменить ОДР. Поэтому их также маркируют 17 рисунком и меняют в течении нескольких дней (особенно это актуально перед выходными или праздниками).

Такие случаи, к сожалению, часто присутствовали при проведении авторского надзора за эксплуатацией УДС2-73. Однако необходимо помнить, что применение регистраторов не должно быть оружием против дефектоскопистов, средством для их наказания за пропущенные дефекты и т.п. Как было сказано выше, тяжелые условия работы операторов, воздействие различных неблагоприятных факторов, приводят к снижению внимания и, как следствие, к возможному пропуску дефектов. Поэтому электронное документирование должно рассматриваться только как средство увеличения достоверности контроля, как один из путей помощи операторам в их нелегкой работе.

Достоинства применения регистрации и повторной расшифровки данных оценили и на Шевченковской дистанции пути (Одесская дорога).

Проведение контроля рельсов дефектоскопом УДС2-73 на данной дистанции началось в феврале 2005года (после прохождения операторами практической подготовки на базе НПФ "Ультракон - Сервис"). В то время цех дефектоскопии не был обеспечен ПК, и повторная расшифровка данных контроля проводилась в домашних условиях. Сложные участки пути записывались на флэш - карту и переносились на домашний компьютер.

Из доклада на семинаре в г.Джанкое оператора данной дистанции - Романенко Виталия (рис. 26)

Рис. 26. Оператор Шевченковской дистанции пути Романенко В.М. в учебном центре "Ультракон - Сервис"

"Анализируя полученную информацию (проводя повторную расшифровку данных контроля) я делал выводы о правильности настройки прибора, находил места расположения дефектов, их координаты и размеры, наблюдал за развитием дефектов. Благодаря этому был выявлен один ОДР."

С февраля 2006 года на данной дистанции пути ведется расшифровка записей Б-Сканов по результатом контроля рельсов (после получения в конце 2005года цехом дефектоскопии ПК и нового программного обеспечения для УДС2-73, с программой расшифровки данных).

С этого времени было проверено 778 км пути, по результатам расшифровки было отправлено на повторную проверку- 151 подозрительное место.

После повторной проверки было признано (Рис. 27):

• Дефектными рельсами - 18шт.
• Остродефектными рельсами - 16шт. (при этом был обнаружен один редко и сложно выявляемый дефект - код 21.1)

Рис. 27

После внедрения программы по расшифровке данных на ПК операторы этой дистанции сделали вывод, что количество таких подозрительных мест постоянно уменьшается (см. график представленный ниже).

Рис. 28. Результаты введения программы по расшифровке данных на ПК

Уменьшение количества дефектных рельсов осуществляется за счет немедленной замены остродефектных, а информация о дефектных (но еще не остродефектных) рельсах позволяет заранее планировать их замену.

Но как известно - для повторной расшифровки необходим как минимум один компьютер в ПЧ.

На данный момент самыми обеспеченными в материальном плане (по наличию ПК) являются Донецкая и Приднепровская ж/д, которые приобрели компьютеры на все ПЧ.

К сожалению, на Львовской дороге, где столь велико количество выявленных дефектных рельсов (см. диаграммы приведенные выше) - на 11.09.2006 не приобретено ни одного ПК.

Рис. 29. Результаты введения программы по расшифровке данных на ПК

Заключение

По нашему мнению дальнейшим направлением развития рельсовой дефектоскопии является:

1. Более широкое внедрение ультразвуковых рельсовых дефектоскопов с регистрацией результатов контроля;

2. Совершенствование программ повторной расшифровки результатов контроля на ПК, которые позволяют:

• существенно уменьшить влияние человеческого фактора и соответственно увеличить достоверность проведения контроля
• проводить мониторинг состояния рельсового пути, т.е. наблюдать за развитием дефектов и выдавать прогноз по их дальнейшему развитию
• более рационально планировать проведение повторного контроля дефектных участков и периодичность контроля.

3. Совершенствование схем прозвучивания рельсов, с целью обеспечения более достоверного выявления дефектов на ранней стадии развития.

Таким образом, дальнейшее внедрение дефектоскопов с регистраторами и функцией повторной расшифровки на дорогах "Укрзализныци" обеспечит требуемую безопасность движения поездов и снизит затраты на содержание пути.

Авторы с благодарностью воспримут все пожелания и замечания по вопросам освещенным в данной статье.

Список используемой литературы

1. "Опыт эксплуатации рельсового дефектоскопа УДС2-73" Козак А. А., Мищенко В. П.; Журнал "Неразрушающий контроль"

2. "Рельсовый дефектоскоп УДС2-73" Козак А.А., Никоненко А. А., Шевченко А.А., Шиманский Л.А., Антонщук В.К., Луценко Г.Г.; Журнал "Неразрушающий контроль"

3. "Расшифровка дефектограмм УЗ контроля рельсов" 2006г. Марков А.А., Козьяков А.Б., Кузнецова Е.А.

4. Официальный сайт Укрзализныци http://uz.gov.ua/

5. Руководство по эксплуатации УДС2-73

Луценко Г. Г.
к.т.н., специалист 3-го уровня по УЗК
НПФ "Ультракон-Сервис"

Рябец Т. А.
специалист 2-го уровня по УЗК
НПФ "Промпрылад"

Мищенко В. П.
НПФ "Промпрылад"