Основные болезни элементов скреплений пути специалистам «РЖД» хорошо известны — повреждение упругих клемм через просадки и изломы. Последние носят, как правило, коррозионно-усталостный характер, при котором агрессивная среда в виде атмосферных осадков, а также попадающих на путь фрагментов перевозимых грузов способствует развитию на поверхности клемм коррозионных каверн. К появлению усталостных трещин приводят как поверхностные дефекты, так и дефекты самого прутка. Коррозия, проникающая через приповерхностный слой внутрь металла, также способствует снижению релаксационной стойкости клемм, как следствие, снижению усилия прижатия рельса.
Коррозионная усталость характерна также и для путевых шурупов, клеммных и закладных болтов. Воздействие коррозионной среды значительно снижает циклическую долговечность при их работе на изгиб и срез. Излом путевого шурупа приводит к необходимости замены всей шпалы и соответствующим дополнительным затратам на текущее содержание пути. Кроме этого, образование коррозии на резьбовых соединениях скрепления КБ-65 приводит к ослаблению воздействия на двухвитковые шайбы и снижению усилия прижатия рельса.
При всей масштабности проблемы и значительных издержках из-за коррозии доля элементов рельсовых скреплений с покрытием, обеспечивающих существенное снижение коррозийных и механических повреждений, в настоящее время составляет менее 10%, что является крайне низким показателем.
Стратегическое направление научно-технического развития ОАО «РЖД» привело к поискам способа сокращения удельных затрат на обслуживание инфраструктуры на 25—30%, увеличению наработки ее систем на 30—40%, а также повышению межремонтного эксплуатационного ресурса элементов верхнего строения пути до 1,5 млрд т брутто.
«Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО ВНИИЖТ») и ООО «ТЕРМИШИН РУС» провели полномасштабное исследование влияния технологии покрытия с одноименным названием «Термишин» (далее — технология Термишин) на служебные свойства деталей скрепления верхнего строения пути, в том числе в коррозионных средах.
Целью испытаний является поиск недорого и эффективного способа обработки готовых металлоизделий для увеличения его рабочего ресурса и надежности в эксплуатации.
Сама технология Термишин (ТУ 1721-001-33057357-2014, патент № RU 2237745 C1 от 31.10.2003 г.) представляет собой процесс выращивания цинкнасыщенного слоя на поверхности металлоизделия. Цинкнасыщенный слой становится частью металлоизделия и придает ему новые физико-механические свойства прочности и пластичности с функцией высокой коррозионной стойкости.
Предметом пристального изучения стали элементы рельсовых скреплений КБ-65, ЖБР-65 (упругие клеммы, гайки, закладные и клеммные болты), обработанные по технологии Термишин. Для сравнения, аналогичные испытания проходили детали без покрытия. Стендовые и лабораторные исследования проводились после коррозионного воздействия в камере соляного тумана продолжительностью 1000 часов.
Сравнительные натурные и лабораторные испытания включали тест на коррозионную стойкость деталей, обработанных по технологии Термишин и деталей без обработки, статические испытания, испытания на определение прижатия рельса к шпале, на циклическую долговечность и на определение коэффициента закручивания элементов рельсовых скреплений, подверженных воздействию коррозионной среды.
Коррозионная стойкость определялась с помощью камеры солевого тумана, работающей в режиме метода 1 ГОСТ 9.308-85 с ежедневным погружением деталей в 5-процентный раствор хлористого натрия. Продолжительность экспозиции составила 1000 часов (рис.1).
Рис. 1 Внешний вид поверхности клемм с покрытием «Левикор» (слева) и без покрытия (справа) после 1000 часов экспозиции в камере солевого тумана
Детали без покрытия за отчетный период полностью покрылись коррозией: балльная оценка площади коррозионного поражения составила 1 балл или 50—100% поражения поверхности.
На деталях обработанных по технологии Термишин за 1000 часов эксперимента образовался небольшой налет окислов металла, которые исчезли с поверхности изделий после промывки обычной водой. Бальная оценка площади коррозионных повреждений — 8—9 баллов, что составляет от 0,2 до 1% поврежденной поверхности.
Потеря веса после коррозионной обработки элементов скрепления пути без покрытия и с покрытием Термишин:
Перед проведением механической части исследования клеммы прошли испытание на остаточную (водородную) хрупкость по ГОСТ Р 9.316-2006. Клеммы Термишин, подвергнутые коррозионному воздействию, нагрузили статической нагрузкой, равной 115% предела текучести, который соответствует максимальной нагрузке на клеммы 30 кН, при которой возникает остаточная деформация. Клеммы выдерживали под нагрузкой 34,5 кН не менее 100 ч. Внешний вид клемм после испытания на остаточную хрупкость приведен на рис. 2.
Рис. 2 Внешний вид клемм Термишин после испытания на остаточную хрупкость
По итогам испытаний на клеммах Термишин трещин зафиксировано не было, что говорит об отсутствии водородного охрупчивания и положительно характеризует применяемое покрытие. Механические испытания деталей после коррозионного воздействия показали, что твердость, микроструктура и величина обезуглероженного слоя деталей Термишин полностью удовлетворяет установленным требованиям. Испытание на трехкратное статическое нагружение показало, что у клемм Термишин, подверженных коррозионному воздействию, остаточная деформация в 1,4 раза меньше, чем у клемм без покрытия.
Характеристики нагружения клемм при испытании на циклическую долговечность:
По результатам испытаний на усилие монтажного прижатия рельса к шпале, у клемм Термишин, подверженных коррозионному воздействию, среднее значение усилия отрыва на 2 единицы выше, чем у клемм без покрытия.
Испытания на трехточечный изгиб показали, что циклическая долговечность болтов «Термишин» (рис 4), подверженных коррозионному воздействию, более чем в 14 раз выше, чем у болтов без покрытия (рис. 3).
Рис. 3 Внешний вид излома клеммы Термишин циклических испытаний
Рис. 4 Внешний вид излома клеммы без покрытия после циклических испытаний
Технология Термишин придала элементам рельсового скрепления повышенную релаксационную стойкость, продлила циклическую долговечность деталей и снизила коэффициент закручивания гаек и болтов в сравнении с деталями без обработки.
Характеристика циклического нагружения болтов на трехточечный изгиб по методу Локати:
Приведенные исследования доказывают высокую эффективность технологии Термишин, что подтверждают и экономические выкладки ОАО «ВНИИЖТ». Согласно расчету, испытания скреплений группы ЖБР показали улучшение характеристик элементов рельсовых скреплений, обработанных по данной технологии, однозначное продление эксплуатационного ресурса пути и потенциальное снижение затрат на его текущее содержание.
Применение технологии Термишин уже в первый год эксплуатации обеспечит сокращение затрат на 37% от стоимости годового содержания одного километра пути, а начиная со второго года эксплуатации и далее — на 56% ежегодно для эпюры укладки шпал 1872 шт/км. При применении эпюры укладки шпал 2000 шт/км сокращение затрат на содержание одного километра пути увеличится до 40% в первый год эксплуатации и до 58%, начиная со второго года ежегодно.
Таким образом, на примере узла скрепления видно, как применение технологии увеличивает жизненный цикл металлоизделий. При этом небольшое удорожание изделия обеспечит железнодорожному хозяйству внушительную экономию средств не на один год. К процессу внедрения новых технологий подходит старая английская пословица: "Мы не на столько богаты, чтобы покупать дешевые вещи".
"