أي صفائح الفولاذ الكربوني تفي بمواصفات هندسة السكك الحديدية؟

الدرجات الرئيسية لألواح الفولاذ الكربوني للحفاظ على سلامة الهياكل في السكك الحديدية

ASTM A572، EN S355JR، وIS 2062 E350: معايير الأداء لمعدات النقل المتحركة وهياكل المسارات

أصبحت صفائح الصلب الكربوني وفقًا لمعايير ASTM A572 الدرجة 50، وEN S355JR، وIS 2062 E350 مواد قياسية في أعمال بناء السكك الحديدية حول العالم، لأنها تحقق التوازن المثالي بين القوة والمرونة وسهولة اللحام. وتلتزم هذه الأنواع من الصلب بمتطلبات أساسية تتمثل في حد أدنى لمقاومة الخضوع يتراوح بين 345 و355 ميجا باسكال، ما يعني أنها تتماسك جيدًا عند تعرضها لأحمال مثل اهتزاز الجسور ذهابًا وإيابًا لملايين المرات أو القوى الشدّية الهائلة الناتجة عن القطارات التي قد تتجاوز 200 كيلو نيوتن. وتتميز صفيحة EN S355JR بشكل خاص بمقاومتها للصدأ والتلف الناتج عن العوامل الجوية، وهي خاصية مهمة جدًا للأجزاء المعرضة للهواء الطلق على طول المسارات. وتُظهر الاختبارات أن هذه المكونات تخسر أقل من 0,1 مليمتر من سماكتها سنويًا حتى في الظروف الرطبة، وفقًا لدراسات حديثة نشرتها مجلة Infrastructure Materials Review العام الماضي. وبالنسبة للسكك الحديدية الهندية تحديدًا، أثبتت صفيحة IS 2062 E350 قيمتها بفضل قدرتها على التمدد دون الانكسار، حيث تحافظ على سلامتها الهيكلية رغم التقلبات الحرارية التي تمتد من ليالٍ متجمدة في الجنوب إلى أيام حارقة في المناطق الشمالية حيث تصل درجات الحرارة إلى 50 درجة مئوية. ويُستخدم حوالي 87٪ من عربات الشحن التي بُنيت بعد عام 2020 هذه الصفائح القياسية، وتشير بيانات الصناعة إلى أن هذا الأسلوب يقلل من الأعطال الناتجة عن إجهاد المعادن بنسبة تقارب 42٪ مقارنة بالأساليب القديمة التي لم تلتزم بمواصفات صارمة.

لماذا يُشترط حد أدنى لمقاومة الخضوع عند 350 ميجا باسكال ومتانة صدم شاربي عند -20°م للصلب الكربوني المستخدم في تطبيقات السكك الحديدية

فيما يتعلق بالألواح الفولاذية البنيوية المستخدمة في أنظمة السكك الحديدية، لا مجال للمساومة عندما تصل قوة الخضوع الدنيا إلى حوالي 350 ميجا باسكال، ويجب أن تكون متانة الشق على نمط شاربي V عند درجة حرارة -20 مئوية لا تقل عن 27 جول. هذه المواصفات مهمة لأنها تمنع الفولاذ من التشوه الدائم تحت ظروف الإجهاد الشديد، بما في ذلك أحمال المحاور الثقيلة التي تبلغ 300 طن والتي نراها يوميًا على القضبان. ولا ينبغي لنا أن ننسى تأثيرات الطقس البارد أيضًا. يجب أن يكون الفولاذ قادرًا على تحمل الصدمات المفاجئة دون الانكسار، ولهذا السبب توجد متطلبات مقاومة التأثير دون الصفر. لماذا؟ لأن الكسور الهشة تتسبب في مشكلات في حوالي 78 بالمئة من حوادث السكك الحديدية التي تقع في المناخات الباردة وفقًا لبيانات NTSB من العام الماضي. وعندما تقوم القطارات بالفرملة في حالات الطوارئ، يمكن أن ترتفع القوى عند وصلات المسار إلى ثلاثة أضعاف ما صُممت له. وتبدأ الألواح التي لا تستوفي هذه المواصفات في تكوين شقوق صغيرة تنتشر بسرعة كبيرة، أحيانًا تصل إلى سرعات قريبة من 15 مترًا في الثانية. كما تمثل عمليات اللحام مخاطر أيضًا، لأن المعالجة الحرارية أثناء اللحام يمكن أن تقلل من متانة المادة الأساسية بنسبة تقارب 30%. مما يجعل النتائج الأولية القوية لاختبار شاربي أمرًا بالغ الأهمية للمكونات التي يكون فشلها كارثيًا، مثل هياكل العربات أو آليات الربط. وكل هذه المواصفات تعمل معًا للحفاظ على معدلات استطالة الكسر فوق 18% طوال العديد من سنوات دورات الإجهاد المتكررة، مما يسمح للبنية التحتية للسكك الحديدية بأن تدوم لأكثر من أربعة عقود قبل الحاجة إلى الاستبدال.

متطلبات الامتثال عبر معايير السكك الحديدية الرئيسية

UIC 864-2 وAREMA الفصل 30: الفحص بالموجات فوق الصوتية، والتسامحات الأبعادية، ومتطلبات قابلية اللحام للصفائح الفولاذية الكربونية

يجب أن تفي صفائح الصلب البنيوية المصنوعة من الفولاذ الكربوني المستخدمة في البنية التحتية للسكك الحديدية بمعايير محددة تختلف حسب المنطقة. في أوروبا، يُشترط الامتثال للمواصفة UIC 864-2، بينما تتبع المشاريع في أمريكا الشمالية إرشادات AREMA الفصل 30. تشترط هذه اللوائح إجراء فحوصات بالموجات فوق الصوتية بشكل دقيق للصفائح ذات المقاطع السميكة. وقد أثبتت عملية الفحص بالموجات فوق الصوتية (UT) فعاليتها في اكتشاف ما يقرب من جميع المشكلات تحت السطحية، حيث تشير الدراسات إلى أنها تكتشف حوالي 99.7٪ من الأعطال وفقًا للمواصفة ASTM E2375-2023. إن الاستقامة تُعد أيضًا عاملًا مهمًا. حيث تضع المواصفة EN 10029:2021 حدودًا صارمة لانحراف الصفائح عن الحالة المستوية، بحيث لا يتجاوز الانحراف 3 مم لكل متر. أما فيما يتعلق بخصائص اللحام، فهناك مواصفة مهمة أخرى. فلا يجوز أن تتجاوز قيم المعادل الكربوني 0.45٪ لمنع التشقق البارد أثناء عمليات اللحام. ويصبح هذا الأمر بالغ الأهمية عند نقاط الإجهاد المنتشرة في نظام السكك الحديدية مثل وصلات القضبان التي تعبرها القطارات بشكل متكرر أو العوارض الجسرية التي تحمل أحمالًا ثقيلة.

BS EN 10025-2 مقابل DIN 17100: متطلبات متباعدة لنسبة الاستطالة تحت الشد وخصائص السماكة (Z) للصفائح الفولاذية الكربونية المستخدمة في هيكل العجلات والإطار السفلي

تختلف المواصفات المادية بشكل كبير بين المعايير الأوروبية:

• BS EN 10025-2 يسمح بنسبة استطالة دنيا تبلغ 22% للفولاذ S355JR، مما يدعم تصنيعًا اقتصاديًا لهياكل العجلات المتوافقة مع المعايير الأساسية للأداء الصادرة عن الاتحاد الدولي للسكك الحديدية (UIC).
• DIN 17100 يتطلب نسبة استطالة دنيا تبلغ 24% زائد شهادة Z25 — التي تضمن انخفاضًا بنسبة 25% في المساحة العرضية خلال اختبار الشد عبر السمك — للمكونات الخاصة بالإطار السفلي.

الفرق يعود أساسًا إلى ما تراه كل منطقة الأهم من حيث السلامة. فالألمان يميلون إلى التركيز على مدى مقاومة المواد للإجهاد المتكرر بمرور الوقت، وهو ما ظهر جليًا في دراسة DB AG الصادرة العام الماضي حول إعياء المواد. من ناحية أخرى، تركز المعايير البريطانية على التأكد من أن المكونات المختلفة يمكنها العمل معًا بشكل سلس عبر الأنظمة. وعندما تكون المشاريع المتعلقة بالبنية التحتية الحرجة على المحك، فإن الشركات المصنعة الرائدة تعتمد معيار DIN Z-property. ويُعد هذا الخيار منطقيًا لأن الاختبارات التي أجرتها TÜV Rheinland أظهرت أن هذه الصفائح الحاصلة على الشهادة تقلل خطر انفصال الطبقات بنسبة تقارب الثلثين مقارنةً بتلك العادية غير الحاصلة على شهادة.

السكك الحديدية الهندية — الموافقات الخاصة والمتطلبات الفنية

IRS: M-1985 (مراجعة 2023) وشهادة Z35: لماذا يكون المدى اللدن عبر السمك أمرًا لا يمكن التنازل عنه في هياكل الصفائح الفولاذية الكربونية الملحومة

قامت السكك الحديدية الهندية بتطبيق المعيار IRS: M-1985 (النسخة 2023) على جميع صفائح الفولاذ الكربوني الهيكلية المستخدمة في عربات النقل، والذي يتطلب شهادة Z35. وهذا يعني بشكل أساسي أن المادة يجب أن تُظهر انخفاضًا بنسبة لا تقل عن 35٪ في المساحة عند اختبار مقاومة الشد العمودي. لماذا يُعد هذا مهمًا؟ حسنًا، فإن هذا النوع من المطيلية يساعد على منع حدوث ما يُعرف بالتشقق الطبقي في وصلات الإطار السفلي الملحومة. تتعرض هذه الوصلات لظروف قاسية نسبيًا، حيث تواجه صدمات تتراوح بين 7 إلى 10 أضعاف تسارع الجاذبية الأرضية عندما ترتبط القطارات معًا أو تمر عبر مسارات غير مستوية. وعندما لا تستوفي المواد هذه المواصفات، تبدأ تشققات صغيرة في التكون مباشرة عند نقاط اللحام ويمكن أن تنتشر بسرعة تحت الإجهاد المتواصل. يضمن معيار Z35 أن أي معدن سينحني ويتشوه قبل أن ينكسر تمامًا، مما يمنح المفتشين فرصة لاكتشاف المشكلات أثناء الفحوصات الدورية للصيانة. يتم فحص كل دفعة من صفائح الفولاذ الكربوني الحرجة باستخدام فحص بالموجات فوق الصوتية بنسبة 100٪، وأي دفعة لا تستوفِ الشروط يتم رفضها خلال عمليات التدقيق. ما كان يُعتبر ذات يوم مجرد تفصيل تقني آخر أصبح الآن في صلب المناقشات المتعلقة بالسلامة، ويؤثر على جميع الجوانب بدءًا من تصميم العربات ووصولًا إلى عمليات الشراء وضبط الجودة بشكل شامل.

الأسئلة الشائعة

ما هي درجات صفائح الصلب الكربوني الرئيسية المستخدمة في إنشاء السكك الحديدية؟

تشمل الدرجات الرئيسية ASTM A572 Grade 50، وEN S355JR، وIS 2062 E350، والتي تُعرف بتوازنها بين القوة والمرونة والقدرة على اللحام.

لماذا تعتبر قوة الخضوع مهمة للتطبيقات الحديدية؟

تضمن قوة الخضوع التي تبلغ حوالي 350 ميجا باسكال مقاومة المواد للتشوه الدائم تحت الإجهاد الشديد، وهي أمر بالغ الأهمية للمسارات الحديدية والهياكل الأساسية التي تحمل أحمالًا ثقيلة.

ما أهمية صلابة ضربة شاربي للتطبيقات الحديدية؟

يجب أن تكون صلابة ضربة شاربي عند -20°م لا تقل عن 27 جولًا لضمان مقاومة الصلب للصدمات دون الانكسار، وهو ما يُعد أمرًا بالغ الأهمية لمنع الحوادث الحديدية في المناخات الباردة.

ما المواصفات التي يجب أن تتوافق معها صفائح الصلب الكربوني؟

تتطلب مواصفات مثل UIC 864-2 في أوروبا وAREMA Chapter 30 في أمريكا الشمالية إجراء اختبارات الموجات فوق الصوتية وتضمن توافق الصفائح مع التحملات الأبعادية ومتطلبات القابلية للحام.