zgrzewanie szyn nowych zgrzewarkami torowymi zgodnie z

ІV OGÓLNOPOLSKA KONFERENCJA
NAUKOWO – TECHNICZNA
„SPAWALNICTWO DRÓG SZYNOWYCH
- JAKOŚĆ, NIEZAWODNOŚĆ,
BEZPIECZEŃSTWO”
ZGRZEWANIE SZYN NOWYCH ZGRZEWARKAMI
TOROWYMI ZGODNIE Z WYMAGANIAMI NORMY PN-EN
14587-2:2009
Grzegorz Stencel
STRESZCZENIE: Referat zawiera wybrane wymagania dotyczące zgrzewania szyn
nowych zgrzewarkami torowymi. Porównano wymagania normy z obecnie
obowiązującymi na sieci PKP PLK S.A.
SŁOWA KLUCZOWE: zgrzewanie szyn, zgrzewarki torowe
FLASH BUTT WELDING OF RAILS BY MOBILE WELDING
MASCHINES ACCORDING TO REQUIREMENTS OF PN-EN
14587-2:2009
SUMMARY: Paper contains some of the requirements for the flash butt welding of
new rails by mobile welding machines. Requirements of standards and requirements
which are in force in the PKP PLK S.A. was compared.
KEYWORDS: flash butt welding, mobile welding maschines
1. WSTĘP
Zgodnie z obowiązującymi przepisami1 „w czasie robót modernizacyjnych oraz w czasie
wymiany nawierzchni i ciągłej wymiany szyn, łączenie szyn długich należy wykonywać metodą
zgrzewania zgrzewarkami torowymi”. W związku z powyższym w torach modernizowanych
odcinków linii kolejowych szyny łączone są praktycznie wyłącznie poprzez zgrzewanie
zgrzewarkami torowymi, a złącza spawane wykonuje się tylko w rozjazdach.
Fakt wykonywania w modernizowanych torach głównych wyłącznie zgrzein wiąże się z
dużą odpowiedzialnością spoczywającą na wykonawcach tych robót. Jakość złączy zapewniona
jest przez ciągły nadzór prowadzony przez PKP PLK S.A. oraz poprzez stosowanie zgrzewarek
mobilnych nowszych typów (najczęściej dwudrogowych), które zapewniają lepszą jakość
wykonania, a także możliwość bardziej precyzyjnej rejestracji procesu zgrzewania.
W połowie zeszłego roku została opublikowana norma dotycząca zgrzewania szyn poza
zgrzewalnią. Z racji „świeżości” tego dokumentu (choć pewne jego zapisy są już dłużej znane), a

mgr inż., Zakład Dróg Kolejowych i Przewozów CNTK, [email protected]
Decyzja Nr 02/2007 Członka Zarządu – Dyrektora ds. Techniki PKP Polskie Linie Kolejowe S.A. z dnia
17 stycznia 2007roku w sprawie ustalenia warunków łączenia szyn długich w torach bezstykowych
1
także z powodu braku jego polskiej wersji, autor niniejszego artykułu postanowił przedstawić
wybrane wymagania dotyczące zgrzewania szyn zgodnie z normą PN-EN 14587-2:2009.
2. WIADOMOŚCI WSTĘPNE
Dokument będący przedmiotem niniejszego artykułu jest drugim z trzech serii EN 14587
Kolejnictwo. Tor. Zgrzewanie iskrowe szyn. Zagadnienia, które poruszają normy z tej serii są
następujące:
 Część 1: Zgrzewanie nowych szyn ze stali gatunku R220, R260, R260Mn i
R350HT w zgrzewalni;
 Część 2: Zgrzewanie nowych szyn ze stali gatunku R220, R260, R260Mn i
R350HT zgrzewarkami torowymi poza zgrzewalnią;
 Część 3: Zgrzewanie związane z konstrukcjami krzyżownic2.
Część 1 została opublikowana w lipcu 2007, część 2 – w czerwcu 2009, a część 3
znajduje się obecnie w fazie uzgodnień.
Norma PN-EN 14587-2:2009 porusza trzy zagadnienia:
 procedura dopuszczenia zgrzewarek mobilnych;
 zatwierdzenie wykonawców robót;
 wykonywanie zgrzein.
W stosunku do normy PN-EN 14587-1:2007, część 2 różni się przede wszystkim
szczególnymi właściwościami maszyn mobilnych:
 używane są w różnych miejscach dla różnych zleceniodawców,
 pracują w różnych warunkach atmosferycznych, terenowych itp.,
 używane są w warunkach budowy, gdzie oprócz operatorów maszyny, pracują
również robotnicy zatrudnieni przy innych czynnościach (np. związanymi z
układką toru bezstykowego),
 są różnice w wyposażeniu uwarunkowane wymaganą „mobilnością”.
Z uwagi na powyższe warunki wykonywania złącz zgrzewanych (trudniejsze pod
względem dotrzymania jakości niż w przypadku zgrzewania w zakładach stacjonarnych),
złagodzono wymagania dotyczące m.in. minimalnej siły łamiącej i maksymalnych wysokości
wypływki po przycięciu, co zostanie omówione w dalszej części referatu.
3. WYMAGANIA DOTYCZĄCE WYKONYWANIA ZGRZEIN
3.1 Proces zgrzewania
Podobnie jak w normie dotyczącej zgrzewania szyn w zgrzewalniach, proces zgrzewania
wykonywany przy pomocy zgrzewarek mobilnych powinien być prowadzony urządzeniem
automatycznym z zaprogramowanym ciągiem. Parametry procesu zgrzewania powinny być
zgodne z parametrami ustalonymi podczas zatwierdzania procesu zgrzewania. Zgrzewarka
powinna wyświetlać następujące informacje:
 program identyfikacji i szczegóły ustawień;
 prąd zgrzewania;
 siła lub nacisk spęczania;
 przemieszczenie szyny (skrócenie);
 czas zgrzewania.
Parametry zgrzewania powinny być kontrolowane i zapisywane. Zapisy powinny być
identyfikowalne z konkretną zgrzeiną. Parametry zgrzewania powinny pozwalać na wykonanie
2
Tłumaczenie na język polski przez autora referatu.
zgrzein bez ingerencji w program, przy temperaturze -10°C i wyższej. Zmiana parametrów
podgrzewania w zależności od temperatury szyny nie jest traktowana jako zmiana programu
zgrzewania.
3.2 Uskok w miejscu zgrzeiny
Jakiekolwiek uskoki pomiędzy szynami w miejscu zgrzeiny nie powinny przekraczać
podanych w tabeli 1. Sprawdzenia należy dokonywać przy użycie sprawdzianu przedstawionego
na rysunku 1.
Tabela 1. Dopuszczalne uskoki
Miejsce uskoku na szynie
Dopuszczalna wartość
mm
Uskok pionowy, na środkowej linii powierzchni tocznej
0,5
Uskok poziomy na wysokości 14 mm poniżej powierzchni tocznej
0,5
Uskok poziomy na obu krawędziach stopki szyny
2,0
Rys. 1. Sprawdzian do pomiaru uskoku w miejscu zgrzeiny
Dopuszczalne wartości uskoku w miejscu zgrzeiny są identyczne jak w przypadku
zgrzein wykonywanych w zgrzewalni. Różnica polega na sposobie pomiaru. Norma PN-EN
14587-2:2009 prezentuje sposób pomiaru przy pomocy liniału krawędziowego zgodnie z
rysunkiem 2.
Rys. 2. Pomiar uskoku – sposób przyłożenia liniału (A – powierzchnia szyny w miejscu
pomiaru, B – liniał krawędziowy, C – zgrzeina)
3.3 Usuwanie nadmiaru wypływki
Obróbka złącza powinna spełniać następujące wymagania:
a) nadmiar wypływki powinien być automatycznie przycięty;
b) zgrzeina powinna być ściskana podczas usuwania nadmiaru wypływki. Zwolnienie
nacisku może odbywać się jednostronnie;
c) przycinanie nadmiaru wypływki nie może spowodować jakichkolwiek mechanicznych
lub termicznych uszkodzeń powierzchni szyn;
d) powierzchnia cięcia powinna być wolna od widocznych wad;
e) wykańczanie zgrzeiny po przycięciu wypływki nie może spowodować jakichkolwiek
uszkodzeń szyny lub zgrzeiny oraz nie może spowodować zmiany profilu szyny;
f) należy zwrócić uwagę na jakość przycięcia na spodzie stopki szyny;
g) wypływka powinna być wolna od zadziorów, karbów, szczelin lub uszkodzeń szyn;
h) maksymalna grubość obrobionej wypływki powinna być zgodna z tabelą 2 i rysunkiem 2.
Tam, gdzie jest różnica w stosunku do nominalnych wymiarów szyny, wypływka po
przycięciu powinna być zmierzona w stosunku do szyny wziąwszy pod uwagę
najbardziej odstającą powierzchnię. Jeżeli wartości wypływki po przycięciu przekraczają
dopuszczalne wartości, powinna być ona miejscowo wykończona do wymaganych
wartości bez niszczenia obu sąsiednich szyn.
Tabela 2. Dopuszczalne wypływki po przycięciu
Strefa
Miejsce wypływki po przycięciu na około zgrzeiny
Dopuszczalna wartość
mm
1
Toczna i boczne powierzchnie główki
2,5
1+
Dolna powierzchnia główki
3,0
2
Powierzchnie szyjki szyny
2,5
3
Dolna, górne i boczne powierzchnie stopki
2,0
Dopuszczalne wartości wypływek dla zgrzein wykonanych w zgrzewalniach, podane w
normie PN-EN 14587-1:2009 są niższe o 0,5 mm, za wyjątkiem wartości dla strefy 1.
Rys. 3. Dopuszczalna wysokość wypływki po przycięciu
4. PROCEDURA ZATWIERDZANIA ZGRZEWAREK MOBILNYCH
4.1 Informacje ogólne
Procedura zatwierdzania dotyczy każdej maszyny z osobna (nie zatwierdza się ogółu
maszyn jednego typu), poprzez badania próbek złączy zgrzewanych. Badania powinny być
wykonane na złączach szynowych typu 60E1 lub 60E2 ze stali gatunku R260.
4.2 Przygotowanie próbek do badań
Końce szyn powinny być przycięte zgodnie z tolerancjami podanymi na rysunku 4.
Wypukłości z cechą szyny nie powinny znajdować się w jakimkolwiek obszarze styku
elektrycznego. Obszary styku elektrycznego na szynach oraz wyposażeniu maszyny powinny
być oczyszczone do metalicznego połysku. Szyny powinny być umieszczone w zgrzewarce
centralnie do przylegających elektrod.
Rys. 4 Pomiary prostopadłości końców szyn
Do przeprowadzenia próby łamania należy przygotować pięć sztuk próbek. Nie
dopuszcza się żadnego typu obciążenia próbek złączy w celu poprawy ich geometrii. Liczba
próbek przeznaczonych do próby zmęczeniowej zależy od jej typu, określonego przez
zamawiającego. Do próby „staircase” należy przeznaczyć dziesięć sztuk, a do próby „past the
post” – trzy.
4.3 Zakres badań zatwierdzających
W zakres badań zatwierdzających wchodzą:
a) oględziny złącza,
b) sprawdzenie obróbki złącza i wielkości wypływki,
c) pomiar uskoku w miejscu zgrzeiny,
d) badanie magnetyczno-proszkowe lub przy pomocy penetranta,
e) próba łamania,
f) sprawdzenie makrostruktury,
g) sprawdzenie mikrostruktury,
h) sprawdzenie twardości,
i) próba zmęczeniowa.
Na zakończenie badań sporządza się raport, który powinien zawierać następujące
wiadomości:
 dostawcę szyny,
 numer wytopu i analizę chemiczną szyny,
 parametry zgrzewania,
 rezultaty wszystkich badań (a-i) zawierające fotografie przełomów wszystkich
zgrzein, na których przeprowadzono próbę łamania,
5. PROCEDURA ZATWIERDZANIA WYKONAWCÓW ZGRZEIN
Podstawowym wymaganiem, które musi spełnić wykonawca jest oczywiście stosowanie
maszyn i procedur wykonywania złącz zgodnie z wymaganiami, które przedstawiono w
poprzednim punkcie niniejszego referatu.
Kolejnym stawianym wymaganiem jest stosowanie niezależnie zatwierdzonego systemu
zarządzania jakością. Plan zarządzania jakością powinien być zatwierdzony przez
zleceniodawcę. System powinien zapewniać pełną możliwość identyfikacji wykonanych zgrzein.
Dodaje się przy tym, że certyfikowany system zarządzania jakością zgodny z normą PN-EN ISO
9001 uważa się za system w zupełności spełniający te wymagania. Zleceniodawca rezerwuje
sobie prawo do niezapowiedzianego audytu. Wykonawca powinien poprzez odpowiednie
szkolenia i oceny podnosić kompetencje swoich operatorów.
Zatwierdzenie powinno być przyznane po wykonaniu 30 zgrzein, o ile spełniają one
wymagania zdefiniowane w normie. Należy tu zaznaczyć, że zgodnie z obowiązującym w Polsce
prawem, zgrzeiny jako złącza szynowe są typem budowli na które wydawane są świadectwa
dopuszczenia3. W związku z tym procedura dopuszczenia wynika z zapisów Rozporządzenia4.
6. WYKONYWANIE ZGRZEIN ORAZ WYMAGANIA DOTYCZĄCE ODBIORU
3
Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 26 września 2003 roku w sprawie wykazu typów budowli i
urządzeń przeznaczonych do prowadzenia ruchu kolejowego oraz typów pojazdów kolejowych, na które wydawane
są świadectwa dopuszczenia (Dz. U. Nr 175, poz. 1706).
4
Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 30 kwietnia 2004 roku w sprawie świadectw dopuszczenia do
eksploatacji typu budowli i urządzeń przeznaczonych do prowadzenia ruchu kolejowego oraz typu pojazdu
kolejowego (Dz. U. Nr 103, poz. 1090).
Zleceniodawca powinien przedstawić wykonawcy przynajmniej następujące informacje:
profil szyny, gatunek stali, klasa profilu i prostości wg EN 13674-1, kryteria prostoliniowości,
zasady identyfikacji zgrzein, częstotliwość i rodzaj sporządzanych protokołów, częstotliwość
wykonywania prób łamania wykonanych złączy.
Z uwagi na asymetrię, wszystkie szyny powinny być zgrzewane z wypukłymi znakami
cechowania po tej samej stronie. Zgrzeiny należy oznaczać w taki sposób, aby możliwa była ich
identyfikacja i znana była data ich wykonania. Wszystkie wykonane zgrzeiny należy sprawdzić
poprzez wykonanie szczegółowych oględzin.
Zgrzeiny, w których przekroczone są wartości dopuszczalne dotyczące uskoku, należy
wyciąć z toru w odległości minimum 100 mm od zgrzeiny.
Końcowa obróbka złącza poprzez szlifowanie powinna się odbywać w torze z szyną
przytwierdzoną przynajmniej do trzech podkładów po obu stronach zgrzeiny. Jeśli jest
wymagana korekta prostoliniowości zgrzeiny, może być ona wykonana w temperaturze nie
wyższej niż 200°C. Prostoliniowość zgrzeiny mierzona jest po ostatecznej obróbce, zarówno w
płaszczyźnie pionowej, jak i poziomej na bazie 1 m. Prostoliniowość mierzona w płaszczyźnie
poziomej dotyczy wyłącznie powierzchni tocznej. Odchyłki prostoliniowości mierzone w
temperaturze otoczenia powinny być zgodne z podanymi w tabeli 3.
Tabela 3. Tolerancje dla prostoliniowości i płaskości zgrzein
Strefa
Klasa 1
Klasa 2
Klasa 3
Klasa 4
Klasa 5
+ 0,3
+ 0,1
+ 0,4
0
+ 0,3
- 0,2
+ 0,3
- 0,15
+ 0,2
- 0,1
Poziomo na powierzchni tocznej
Długość powierzchni szlifowania
max. 400 mm z obu stron
+ 0,3
0
Poziomo na powierzchni bocznej
Długość powierzchni szlifowania
± 0,4
max. 600 mm
± 0,5
max.400 mm z obu stron
Płaskość
0,15
0,20
± 0,5
± 0,5
max.300 mm
0,20 a
0,15 a
0,10 a
UWAGA 1: Przy tolerancji prostoliniowości w poziomie, tolerancja dodatnia ma wpływ na poszerzenie toru.
UWAGA 2: Zleceniodawca może wybrać jedną lub dwie z powyższych klas, w tym odmienne dla prostoliniowości
poziomej, pionowej i płaskości.
a
sprawdzenia dokonuje się wyłącznie przy zgrzeinach z nierównością w kształcie ^
Odchyłki przedstawione w normie PN-EN 14587-1:2007 podzielono na trzy klasy, a ich
wartości są nieco bardziej restrykcyjne. W tabelach poniżej podano wymagania dotyczące
prostoliniowości, wg których oceniane są zgrzeiny na sieci PKP PLK S.A.
Tabela 4. Dopuszczalne nierówności zgrzeiny w płaszczyźnie pionowej
Klasyfikacja
zgrzeiny
Przeznaczenie szyny / Odchyłki wymiaru  f [mm]
Tory główne
Tory pozostałe
v > 160 km/h
v  160 km/h
wklęsłość
wypukłość
wklęsłość
wypukłość
wklęsłość
wypukłość
f = 0,0
 f  0,3*)
 f  0,1
 f  0,3*)
f  0,5
f  0,5
do naprawy
0,0<f  0,2
0,3<f 0,5
0,1<f  0,3
0,3<f 0,5
0,5<f 0,8
0,5<f 1,0
do wycięcia
f > 0,2
f > 0,5
f > 0,3
f > 0,5
f > 0,8
f > 1,0
poprawna
*)
UWAGA. Zalecany optymalny stan powykonawczy: wypukłość 0,1÷ 0,3 mm
Tabela 5. Dopuszczalne nierówności zgrzeiny w płaszczyźnie poziomej
Klasyfikacja
zgrzeiny
Przeznaczenie szyny /Odchyłki wymiaru f [mm]
Tory główne
Tory pozostałe
wypukłość
wklęsłość
wypukłość
wklęsłość
 0,3
 f = 0,0
f
do naprawy
0,0 <  f  0,3
0,3 < f
do wycięcia
 f > 0,3
poprawna
 0,6
 f > 0,6
f
 0,5
0,5 <  f
 0,8
 f > 0,8
f
 0,5
0,5 <  f
 0,8
 f > 0,8
Jak widać wymogi polskich przepisów wpisują się w zalecenia zawarte w normie.
Przewagą polskich wymagań jest ich stopniowanie jakości zgrzein: „poprawna”, „do naprawy”,
„do wycięcia”.
Zgrzeiny do badań odbiorczych należy wykonywać lub wybierać spośród wykonanych co
najmniej raz w tygodniu, gdy maszyna jest w cyklu roboczym, bez względu na liczbę
wykonywanych zgrzein. Z uwagi na wykonywanie zgrzein w warunkach terenowych, przy
dostosowywaniu się do różnych wymagań, próba łamania może przynieść mylące rezultaty.
Stąd, jak już wspomniano na początku, obniżono wymagania dotyczące siły łamiącej dla zgrzein
badanych „na bieżąco” (tabela 6).
Tabela 6. Minimalne wymagane parametry mierzone przy próbie łamania
Parametry obowiązujące
przy zatwierdzaniu (R260)
Parametry obowiązujące przy
badaniach odbiorczych (R260)
Profil szyny
min. strzałka
ugięcia [mm]
min. siła
łamiąca [kN]
min. strzałka
ugięcia [mm]
min. siła
łamiąca [kN]
60E1, 60E2
20
1600
20
1520
49E1
30
1050
30
995
7. PODSUMOWANIE
Wymagania dotyczące zgrzein wykonywanych przy pomocy zgrzewarek torowych,
zawarte w normie PN-EN 14587-2:2009 nie stanowią „innego kierunku myślenia” w stosunku
do wymagań obecnie stosowanych na sieci PKP PLK S.A. Zawierają one jednak pewne nowe
wymagania, przede wszystkim próby zmęczeniowe złączy, które dotychczas w procesie
zatwierdzania nie były wykonywane.
Certyfikacja na zgodność z omawianą w referacie normą wymaga od wykonawcy
przeprowadzenia badań zgrzein w większym zakresie, a także nakłada dodatkowe wymagania
związane z wprowadzaniem bardziej uporządkowanego (albo wręcz certyfikowanego) systemu
zarządzania jakością oraz przeprowadzanie również na bieżąco stosunkowo kosztownych badań.
W końcowym bilansie certyfikacja taka zmusiłaby wykonawcę do podwyższenia kosztów usługi.
Prowadzone na sieci PKP PLK S.A. badania eksploatacyjne zgrzein wykonanych
zgrzewarkami torowymi, które w ostatnim czasie zostały zakupione przez wykonawców robót,
potwierdzają dobrą jakość wykonania zgrzein. Świadczy to zarówno o wysokiej jakości
prowadzenia robót, jak również potwierdza słuszność wymogów obecnie prowadzonego procesu
zatwierdzania.
8. LITERATURA
[1] PN-EN 14587-1:2007 Kolejnictwo. Tor. Zgrzewanie iskrowe szyn. Część 1: Zgrzewanie
nowych szyn ze stali gatunku R220, R260, R260Mn i R350HT w zgrzewalni;
[2] PN-EN 14587-2:2009 Kolejnictwo. Tor. Zgrzewanie iskrowe szyn. Część 2: Zgrzewanie
nowych szyn ze stali gatunku R220, R260, R260Mn i R350HT zgrzewarkami torowymi
poza zgrzewalnią;
[3] Warunki Techniczne Wykonania i Odbioru Zgrzein w szynach kolejowych nowych
łączonych zgrzewarkami stacjonarnymi. Wymagania i badania nr ILK3d-518/1/08. PKP
PLK S.A. Warszawa 2008.