YÜKSEK HIZLI TREN (YHT) HATLARINDA KUSURLU RAY

2. Uluslar arası Raylı Sistemler Mühendisliği Sempozyumu (ISERSE’13), 9-11 Ekim 2013, Karabük, Türkiye
YÜKSEK HIZLI TREN (YHT) HATLARINDA KUSURLU RAY
İNCELEMESİ
*
a, *
a
a,
a
a
Merve Tuğyanoğlu , Atila Keskin Umut BĠÇER ġenol ERDOĞAN ,
TCDD, Demiryolu AraĢtırma Teknoloji Merkezi ĠĢletme Müdürlüğü, Ankara, Türkiye
[email protected], [email protected], [email protected], [email protected]
Özet
Ray yüzeyinde oluĢan çatlak ve zaman içerisinde oluĢan dinamik kuvvetler sebebiyle ilerlemesi tespit
edilmesi gereken önemli bir parametredir. Hat boyunca oluĢan yük, farklı kapasitedeki araç geçiĢi,
çevresel- dinamik etmenlerin hattın davranıĢına olan etkisi oluĢacak bu tür hasarların tespiti
noktasında büyük önem kazanmaktadır. Bu çalıĢmada yüksek hızlı tren hattında tespit edilen kusurlu
ray üzerinde görsel muayene, manyetik parçacıkla muayene, kimyasal analiz, sertlik, optik mikroskop
ve çekme deneyi gibi çeĢitli analizler yapılmıĢtır.
Yapılan görsel muayene ile kusurlu ray yüzeyinde oluĢan çatlaklar ve izler gözlemlenmiĢ ve buna
müteakiben yapılan manyetik parçacıkla muayenede; mantar ve gövde birleĢim yerinde ray boyunca
süreklilik arz eden çatlaklar doğrulanmıĢ ve boyutlandırması yapılmıĢtır. Kimyasal analiz ile kusurlu ray
malzemesinden çıkarılan numune üzerinden spektrometre ile alınan üç kimyasal analizin ortalama
sonuç değerleri elde edilmiĢtir. Sertlik kontrolü ile raylar üzerinde EN 13674-1 standardına göre sertlik
taramaları yapılmıĢtır. Kusurlu raya ait numuneler dağlamadan önce ve sonra olmak üzere çeĢitli
büyütmelerde optik mikroskop kullanarak incelenmiĢ ve çekme deneyi yapılmıĢtır.
Yapılan analizlere göre; alaĢımsız çelik malzemeden imal edilmiĢ rayda kompleks oksit kalıntıları
tespit edilmiĢtir. Rayın imalatından kaynaklanan cüruf kalıntılarının haddeleme esnasında malzeme
içinde katlandığı ve iĢletme sırasında dinamik yükler altında çatlak oluĢumuna neden olduğu
anlaĢılmıĢtır.
Anahtar kelimeler: Kusur analizi, Tahribatsız muayene
Abstract
Crack which has been on rail surface is an important parameter in terms of propagation cause of
dynamic impact in time. Load on track, different vehicle capacity and impact of the dynamic and
environmental effect on track behavior has a great importance for failure identification. Through this
study, collected from HST line, a failure rail material have been analyzed with respect to visual
inspection, magnetic particle inspection, chemical analyses, hardness testing, optical microscope
investigation, and tensile testing.
This study includes some inspection techniques on a high speed rail and according to this, with visual
examination, some cracks and marks have been observed on rail and after that magnetic particle
inspection has been implemented to rail. According to this, cracks and marks have been approved and
dimensioned on the rail head and web area. In the chemical analyses, a sample which was prepared
from rail failure was investigated and three average values of chemical analyses were acquired by
spectrometer. Hardness scanning was applied to rail failure according to EN 13674-1. In addition to
this, implementations of etching (before and after) of broken rail samples were viewed by optical
microscope in several magnification.
The analyses results showed that rail which is manufactured from unalloyed steel has some oxygen
inclusions. This inclusion which is arisen form rail manufacturing has been lapped in roll forming and
cracks have been formed with dynamic impact in operation time.
Keywords: Failure analysis, Non destructive inspection
Tuğyanoğlu M., Keskin A.,Bicer U., Erdogan Ş.
1. Giriş
Raydaki kusurların tespit edilmesi, demiryolu endüstrisinin karĢılaĢtığı problemleri çözmesi açısından
önemli noktalardan bir tanesidir. Muayene ve izleme ekipmanlarının kullanılma potansiyeli demiryolu
güvenliğinin artırılması ve ömür maliyetlerini azaltarak demiryolları hatlarının geliĢimine büyük katkı
sağlamaktadır. Maksimum ve optimum güvenilir demiryolu iĢletimi, yeterli ve doğru bakım
ekipmanlarının doğru zamanda ve doğru yerde kullanılmasıyla sağlanabilir.
Modern tahribatsız muayene testleri, incelenen malzemelere zarar vermeden gerekli bilgileri
toplayarak ve bunu bir veri tabanında depolanması ve yararlı bilgilerin kullanılmasıyla sağlıklı karar
alma mekanizması olan yapay zeka uygulamalarına dayanmaktadır. Tahribatsız muayene için gerekli
olan teknoloji halen daha verimli, güvenilir, doğru ve hızlı sistemlerin oluĢması için geliĢme
aĢamasındadır. Ultrasonik uygulamalar ve bunların farklı tipleri, elektromanyetik teknikler, termografi,
manyetik parçacık muayenesi, radyografi ve görsel kamera sistemleri muayene sistemleri açısından
en son teknoloji gruplarını oluĢturmaktadır.
Demiryolu hatlarındaki trafik, yüksek hız, yüksel dingil yükleri gibi etmenler geliĢen demiryollarında hat
üzerindeki kusurların hızlı ilerlemesine sebep olmaktadır. Kırılan aks, ray, tekerlek gibi demiryolu
bileĢenleri kazalara sebebiyet vermekte, yüksek maliyet ve hasarların yanında telafisi güç
olumsuzluklar yaratmaktadır. Demiryolu bileĢenlerindeki malzeme kalitesi, ilgili çeĢitli statik ve dinamik
yükler altındaki malzemelerin ömrünü birincil dereceden etkilemektedir.
ABD yapılan bir araĢtırmada ray kırılmaları ülkeler arasında ve iĢletme Ģartlarına bağlı olarak
farklılıklar göstermektedir. Ġlk on yıl içinde ray kırılma oranı % 11.5, alın kaynağındaki kırılma oranları
genellikle %2-5 iken bazı yük taĢımacılığı yapılan yollarda % 9’a kadar çıkmaktadır[1].
Bu çalıĢmada ray kırığının bulunduğu ray ve cebire numuneleri üzerinde yapılan gözle muayene,
manyetik parçacık muayenesi, ultrasonik muayene, kimyasal kompozisyon analizi, sertlik testi, çekme
testi ve içyapı muayeneleri ile ilgili olarak gerekli görülen hususlar çalıĢmanın ilerleyen bölümlerinde
açıklanmıĢtır. Kusurlu raya ait bilgiler Çizelge 1’de verilmiĢtir.
Çizelge 1. Kusurlu raya ait veriler
1 no.lu ray kırığı
Kusurlu ray yeri
Kusurlu ray km
Kusurlu ray hat geometrisi
Travers tipi
Bağlantı şekli
Rayın cinsi
Rayın menşei
Poz Tarihi
Polatlı-Konya
118+074 km
Aliyman Hat
Beton
HM tipi
60 E1
Lucchini (İtalya)
24.08.2011
2. Ray Numunesi Üzerine Uygulanan Testler
2.1. Gözle Muayene
Kırık ray numunesinin gözle yapılan incelemesinde; ray kusurunun ray mantarında ve tabanında
bulunduğu tespit edilmiĢtir(ġekil-1)
Tuğyanoğlu M., Keskin A.,Bicer U., Erdogan Ş.
ġekil 1. Ray Taban ve Mantar kısmında oluĢan çatlak görüntüsü
2.2. Manyetik Parçacıkla Muayene
Kusurlu raya yapılan manyetik parçacıkla muayenede; mantar ve gövde birleĢim yerinde ray boyunca
süreklilik arz eden çatlaklar; mantarda 33 mm uzunluğunda çatlak, tabanda 112 mm (ġekil-2), 125 mm
(ġekil-2) ve 150 mm (ġekil-3) uzunluklarında süreksizlikler, mantarda 300 mm (ġekil-3) boyunca
devam eden kılcal çatlaklar tespit edilmiĢtir.
Rayın kusurlu bölgesinden 15 mm’lik kesitler alınarak tekrar manyetik parçacıkla muayene yapılmıĢtır.
Cüruf inklüzyonlarından kaynaklanan dallantılı çatlak ilerlemesi tespit edilmiĢtir(ġekil-4).
ġekil.2 Ray tabanında çatlak(112 ve 125 mm)
ġekil.3 Ray tabanın ve mantarda çatlak grubu(150 ve 300 mm)
Tuğyanoğlu M., Keskin A.,Bicer U., Erdogan Ş.
ġekil.4 Ray tabanında çatlak(6.9 mm, 3.3. mm 3 mm ve 2 mm)
2.3. Kimyasal Analiz
Ray malzemelerinden çıkarılan numune üzerinde optik emisyonlu spektrometre ile alınan üç analizin
ortalaması Çizelge 2’de verildiği gibidir. Ray numunesinin EN13674-1 Çizelge 5a’ya göre R260’a
eĢdeğer olduğu anlaĢılmıĢtır.
Çizelge 2. Numunelerden alınan üç kimyasal analiz değerinin ortalaması
2.4. Çekme Deneyi
Rayın ana malzemesinden EN 13674-1’e göre çekme numunesi hazırlanmıĢ olup ġekil 5’de Ģematik
olarak gösterilmiĢ ve Çizelge 3’te çekme deneyi sonuçları verilmiĢtir.
ġekil 5 Ray kesitinden çıkarılan çekme numunesinin Ģematik gösterimi
Tuğyanoğlu M., Keskin A.,Bicer U., Erdogan Ş.
Çizelge 3 Çekme deneyi sonuçları
Ray Numunesi
Çekme Dayanımı (N/mm2)
908
% Uzama
10,78
Kusurlu raya ait alınan numunenin çekme deneyi sonuçlarının EN13674-1 Çizelge 5a’ya göre
R260’a eĢdeğer olduğu anlaĢılmıĢtır.
2.5. Sertlik Kontrolü
Ray kesitlerinden hazırlanan numuneler üzerinden sertlik taramaları yapılmıĢ ve bu sertlik
deneylerinde elde edilen sonuçlar aĢağıda verilmiĢtir.
EN 13674-1’e göre ray profil kesitinden alınan sertlik değerleri ise ġekil 6’da Ģematik olarak gösterilmiĢ
ve Çizelge 4’te belirtilen noktalardan alınan sertlik değerleri verilmiĢtir.
Ray numunesinde belirtilen noktalarda üç sertlik deneyi yapılarak ortalamaları alınmıĢtır. Deney
ölçümleri Rockwell sertliği ile yapılmıĢ ve ASTM E 140 kullanılarak HB olarak çevrilmiĢtir.
ġekil 6 Ray profil kesitinden alınan sertlik değerlerinin Ģematik gösterimi
Çizelge 4 Ray profil kesitinden alınan sertlik değerleri
Noktalar
A
B
C
D
E
F
G
H
I
HB
264
253
264
258
264
258
258
247
258
Ray profil kesitinden alınan sertlik değerleri EN 13674-1’e göre incelenmiĢ ve sınırın (260HB) altında
kaldığı tespit edilmiĢtir.
2.6. Optik Mikroskop Kontrolü
Raya ve cebireye ait numunelerin, dağlanmadan TS 3868 ISO 4967 Metot A göre 100X büyütmede
incelemeleri yapılmıĢ ve optik mikroskop resimleri çekilmiĢtir. Metot A’ya göre yapılan inceleme
neticeleri Çizelge 5’dedir.
Tuğyanoğlu M., Keskin A.,Bicer U., Erdogan Ş.
Çizelge 5-Ray ve cebire numunelerine ait kalıntı miktarları.
Numune
Ray
Numunesi
Cebire
Numunesi
Ġnce
Kalın
Ġnce
Kalın
A
Sülfür
1.0
-1.0
--
B
Alümina
-----
C
Silika
1.5
-0.5
--
D
Diğer oksitler
1.5
-1.5
--
ġekil 7 de ray numunesinin dağlanmadan önce 100 büyütmede yapılan incelemesinde görülen sülfür
ve oksit kalıntıları, boĢluk ve mikro çatlaklar yer almaktadır. Mantarda oluĢan çatlak baĢlangıcından
75μm uzaklıkta, 19 μm geniĢliğinde ve 103 μm uzunluğunda oksit kalıntısı tespit edilmiĢtir.
ġekil 7. Ray numunesinin optik mikroskoptan alınan görüntüleri
Mantarın yan yüzeyinden baĢlayıp içeri doğru dallanan 10,5 μm 45 μm ve 5 μm uzunluklarında oksit
kalıntısı tespit edilmiĢtir (ġekil 8).
ġekil 8. Ray numunesinin optik mikroskoptan alınan görüntüleri
Rayın tabanının altında 3,9 mm uzunluğunda çatlak ve çatlak boyunca uzanan kompleks oksit
kalıntıları tespit edilmiĢtir (ġekil 9).
Tuğyanoğlu M., Keskin A.,Bicer U., Erdogan Ş.
ġekil 9. Ray numunesinin optik mikroskoptan alınan görüntüleri
Numune dağlandıktan sonra ray ve cebire numunesi 50X, 100X, 200X ve 400X’de incelenmiĢ ve ana
yapısının tamamen perlitik olduğu tespit edilmiĢtir (ġekil 10).
ġekil 10. Dağlandıktan sonraki yapı
3. Tartışma ve Sonuç
Demiryolu iĢletmeciliğinde raylar üzerine yapılan periyodik yüklemeler, ray üzerinde yorulmaya
sebebiyet vermekte ve farklı ray hatalarının oluĢmasına neden olmaktadır. Bunlar kabuk Ģekilli hatalar,
böbrek Ģekilli yanal enine hatalar, yuvarlanma yüzeyindeki çatlaklar, yüzeyde kavlama, çökmeler,
ondülasyon ve apleti sonucu oluĢan hatalar olarak kategorize edilebilir [2].
Ray yüzeyinde oluĢan hatalar gözle muayene sonucu tespit edilebilir. Ancak rayın iç kısmında oluĢan
hataların tespit edilmesi için özel ekipmanlara ihtiyaç duyulmaktadır. Bunlar demiryolu sektöründe
genellikle ultrasonik hata dedektörleri ve manyetik parçacık ile muayene ekipmanlarıdır. Rayda oluĢan
hatalar ilk evrelerinde göreceli olarak, sonraki evrelere göre daha yavaĢ ilerlemektedir. Ancak ilerleyen
hatalar hızla çatlak oluĢumuna sebebiyet vermekte ve sonrasında rayda kırılma seklinde
sonuçlanmaktadır. Hata ilerleme süreleriyle ilgili pek çok saha ve laboratuar çalıĢması bulunmaktadır
[3]. Demiryolu malzemeleri üzerinde uygulanan kırılma mekaniği çalıĢmalarında ve sonlu elemanlar
yöntemi uygulanarak yapılan çalıĢmalarda, ısıl gerilmelerin ve kalıntı gerilimlerin kırılmada önemli bir
faktör olduğu ifade edilmiĢtir. Kritik çatlak büyüklüğü ve ömürde ortam sıcaklığına bağlı eksenel
daralmalar da birincil dereceden önemli bir faktördür [4].
Ġç yüzeyde baĢlayan ray çatlakları geçmiĢ yıllarda demiryollarında ray kırıklarının sebepleri arasında
en önde gelen istatistikî verilerdi. Rayın iç kısmında oluĢan böbrek Ģekilli kusurunda bu kategoriye
girdiği kırıklar genellikle imalat hatalarından kaynaklanmaktadır. Ġmalat sonrasında var olan bu kusur
iĢletme Ģartları altında zaman içerisinde böbrek Ģeklinde ilerlemekte ve çatlağın merkezi olarak
konumlanmaktadır [5].
Yukarıda yapılan çalıĢmalar sonucunda, bu incelemede;


Yapılan gözle muayenede ray üzerinde çatlaklar ve izler gözlemlenmiĢtir.
Manyetik parçacıkla muayene yapılarak süreksizliklerin rayın içine doğru dallanarak
Tuğyanoğlu M., Keskin A.,Bicer U., Erdogan Ş.





ilerlediği tespit edilmiĢtir.
Yapılan sertlik deneyinde çıkan değerlerin sınırın (260HB) altında kaldığı tespit edilmiĢtir.
Optik mikroskobik inceleme sonucu sülfür, silika, oksit kalıntılarına ve perlitik yapıya ve
çatlaklara rastlanmıĢtır.
Yapılan optik mikroskobik incelemede bulunan kompleks oksit kalıntıları TS 3868 ISO
4967 standardında belirtilen en fazla kalıntı kalınlıklarının üzerinde kaldığı tespit edilmiĢtir.
Netice olarak, alaĢımsız çelik malzemeden imal edilmiĢ rayda kompleks oksit kalıntıları tespit
edilmiĢtir. Rayın imalatından kaynaklanan cüruf kalıntılarının haddeleme esnasında malzeme içinde
katlandığı ve iĢletme sırasında dinamik yükler altında çatlak oluĢumuna sebebiyet verdiği anlaĢılmıĢtır.
Buna göre, özellikle yüksek hızlarda iĢletmeciliğin yapıldığı demiryollarında ray, tekerlek, aks, travers
gibi temel bileĢenlerin imalat sonrası ve iĢletmeye alınmadan önce yapılması gereken kontrollerin
titizlikle takip edilmesi ve ülkemiz iĢletme Ģartlarında yorulma ömürlerinin tespitine yönelik detaylı
laboratuar çalıĢmalarının yapılması gerekmektedir.
Kaynaklar
[1] Sawley, K. and Reiff, R. (2000). 'An assessment of Railtrack’s methods for managing broken and
defective rails' USA: Transportation Technology Center, Inc.
[2] Lichtberger, B., The track system and its maintenance, RTR Special, 2007
[3] Jeong, D.Y., Correlations Between Rail Defect Growth Data and Engineering Analyses, Part I:
Laboratory Tests, UIC/WEC Joint Research Project On Rail Defect Management - U.S.
Department of Transportation Research and Special Programs Administration Volpe National
Transportation Systems Center Cambridge, Massachusetts, 2003
[4] Zerbst, U., Madler, K. and Hintze, H., Fracture mechanics in railway applications––an overview,
Engineering Fracture Mechanics, vol. 72, 163–194, 2005
[5] Zerbst, U., Lunden, R., Edel, K. and Smith, R. A., Introduction to the damage tolerance behaviour
of railway rails – a review, Engineering Fracture Mechanics vol. 76, 2563–2601, 2009