کدام صفحات فولاد کربنی مشخصات مهندسی راه‌آهن را برآورده می‌کنند؟

رده‌های کلیدی صفحات فولاد کربنی برای سلامت سازه‌ای راه‌آهن

ASTM A572، EN S355JR و IS 2062 E350: معیارهای عملکرد برای وسایل نقلیه ریلی و زیرساخت ریلی

صفحه‌های فولاد کربنی مطابق با استانداردهای ASTM A572 درجه 50، EN S355JR و IS 2062 E350 به مواد استاندارد برای ساخت راه‌آهن در سراسر جهان تبدیل شده‌اند، زیرا تعادل مناسبی بین استحکام، انعطاف‌پذیری و قابلیت جوشکاری فراهم می‌کنند. این فولادها همگی حداقل نیاز به مقاومت تسلیم در محدوده 345 تا 355 مگاپاسکال دارند که نشان‌دهنده عملکرد خوب آنها در برابر عواملی مانند ارتعاشات مداوم پل‌ها در طول میلیون‌ها چرخه یا نیروهای کششی بسیار زیاد ناشی از قطارها (که می‌تواند از 200 کیلونیوتن فراتر رود) است. نوع EN S355JR به‌ویژه در مقاومت در برابر زنگ‌زدگی و آسیب ناشی از شرایط جوی برجسته است؛ ویژگی‌ای که برای قطعاتی که در فضای باز در کنار خطوط راه‌آهن قرار دارند بسیار مهم می‌باشد. آزمایش‌ها نشان می‌دهند که این قطعات حتی در شرایط مرطوب، کمتر از 0.1 میلی‌متر ضخامت خود را در سال از دست می‌دهند، مطابق مطالعات منتشر شده توسط Infrastructure Materials Review در سال گذشته. به‌طور خاص برای راه‌آهن هند، درجه IS 2062 E350 ارزشمند بوده است، زیرا توانایی کشیده شدن بدون شکستن داشته و در عین حال در برابر نوسانات دمایی — از شب‌های یخبندان در جنوب تا روزهای داغ واقع در مناطق شمالی که دما تا 50 درجه سانتی‌گراد بالا می‌رود — سلامت ساختاری خود را حفظ می‌کند. حدود 87 درصد از واگن‌های باری ساخته‌شده پس از سال 2020 از این صفحات استاندارد استفاده می‌کنند و داده‌های صنعتی نشان می‌دهد که این روش در مقایسه با روش‌های قدیمی‌تر که مشخصات دقیقی را رعایت نمی‌کردند، خرابی‌های ناشی از خستگی فلز را تقریباً 42 درصد کاهش داده است.

چرا مقاومت حداقلی تسلیم ۳۵۰ مگاپاسکال و چقرمگی ضربه‌ای شارپی در دمای -۲۰°C برای ورق فولاد کربنی در کاربردهای ریلی الزامی است

برای صفحات فولاد کربنی سازه‌ای که در سیستم‌های ریلی استفاده می‌شوند، هیچ مجالی برای تردید در خصوص حداقل استحکام تسلیم حدود 350 مگاپاسکال و چقرمگی شکست شارپی V-شکل در دمای 20- درجه سانتی‌گراد که باید حداقل 27 ژول باشد، وجود ندارد. این مشخصات اهمیت دارند زیرا از تغییر شکل دائمی فولاد تحت شرایط تنش شدید جلوگیری می‌کنند، از جمله بارهای محوری سنگین 300 تنی که روزانه در ریل‌ها مشاهده می‌شوند. همچنین نباید تأثیرات آب و هوای سرد را فراموش کرد. فولاد باید بتواند در برابر ضربه‌های ناگهانی بدون شکست مقاومت کند؛ به همین دلیل است که الزام مقاومت در برابر ضربه زیر صفر وجود دارد. چرا؟ زیرا طبق داده‌های NTSB از سال گذشته، شکست‌های شکننده در حدود 78 درصد از حوادث ریلی در مناطق سردسیر رخ می‌دهند. هنگامی که قطارها ترمز اضطراری می‌کنند، نیروهای وارد بر اتصالات ریل می‌توانند به سه برابر مقدار طراحی‌شده برسند. صفحاتی که این استانداردها را رعایت نمی‌کنند، شروع به ایجاد ترک‌های ریز می‌کنند که بسیار سریع گسترش می‌یابند و گاهی به سرعتی نزدیک به 15 متر بر ثانیه می‌رسند. فرآیندهای جوشکاری نیز خطراتی دارند، زیرا عملیات حرارتی در حین جوشکاری می‌تواند چقرمگی ماده پایه را تا حدود 30 درصد کاهش دهد. این موضوع باعث می‌شود نتایج اولیه قوی آزمون شارپی برای قطعاتی که خرابی آن‌ها فاجعه‌بار است، مانند قاب‌های بوگی یا مکانیسم‌های اتصال، حیاتی باشد. تمام این مشخصات با هم کار می‌کنند تا نرخ کشیدگی شکست را در طول سال‌های متمادی چرخه‌های تنش تکراری بالاتر از 18 درصد نگه دارند و اجازه دهند زیرساخت‌های ریلی بیش از چهل سال عمر کنند قبل از اینکه نیاز به تعویض پیدا کنند.

الزامات انطباق در استانداردهای اصلی راهآهن

UIC 864-2 و AREMA فصل 30: آزمون اولتراسونیک، مجازهای ابعادی و الزامات قابلیت جوشکاری برای ورق فولاد کربنی

صفحات فولاد کربنی سازه‌ای که در زیرساخت‌های ریلی استفاده می‌شوند، باید استانداردهای خاصی را در مناطق مختلف رعایت کنند. در اروپا، رعایت استاندارد UIC 864-2 الزامی است، در حالی که پروژه‌های شمال آمریکا از دستورالعمل‌های AREMA فصل 30 پیروی می‌کنند. این مقررات، آزمون فراصوتی دقیق برای صفحات ضخیم‌مقطع را الزامی می‌کنند. فرآیند UT در شناسایی تقریباً تمامی مشکلات زیرسطحی مؤثر بوده است و مطالعات نشان می‌دهند که این روش طبق استاندارد ASTM E2375-2023 حدود 99.7٪ مشکلات را شناسایی می‌کند. تخت‌بودن صفحات نیز مهم است. استاندارد EN 10029:2021 محدودیت‌های سفتی در میزان انحراف صفحات از حالت تخت تعیین می‌کند که بیش از 3 میلی‌متر در هر متر نباشد. در مورد خواص جوشکاری نیز مشخصه دیگری وجود دارد. مقادیر معادل کربن نباید از 0.45٪ تجاوز کند تا از ترک‌خوردگی سرد در حین عملیات جوشکاری جلوگیری شود. این موضوع به‌ویژه در نقاط تنش‌زا در سراسر سیستم راه‌آهن، مانند اتصالات ریل که قطارها به‌طور مکرر از روی آن عبور می‌کنند یا تیرهای پل که بارهای سنگین را تحمل می‌کنند، بسیار حیاتی است.

مقایسه BS EN 10025-2 با DIN 17100: الزامات متفاوت درصد ازدیاد طول کششی و خواص ضخامتی (Z) برای صفحه‌های فولاد کربنی دستگاه راهرو و شاسی

مشخصات مواد به‌طور معناداری بین استانداردهای اروپایی متفاوت هستند:

• BS EN 10025-2 حداقل ۲۲٪ ازدیاد طول کششی را برای S355JR مجاز می‌داند و تولید مقرون‌به‌صرفه مونتاژهای دستگاه راهرو را مطابق با پایه‌های عملکردی UIC پشتیبانی می‌کند.
• DIN 17100 نیازمند حداقل ۲۴٪ ازدیاد طول است علاوه بر گواهی‌نامه Z25 — که تضمین می‌کند کاهش سطح در آزمون کششی ضخامتی به ۲۵٪ می‌رسد — برای قطعات شاسی

تفاوت اساساً به این بستگی دارد که هر منطقه چه چیزی را مهم‌ترین عامل ایمنی می‌داند. آلمانی‌ها تمایل دارند بر این تمرکز کنند که مواد در برابر تنش‌های مکرر در طول زمان چگونه مقاومت می‌کنند، موضوعی که به وضوح در تحقیق سال گذشته DB AG درباره خستگی مصالح نشان داده شده است. از سوی دیگر، استانداردهای بریتانیایی کاملاً حول این موضوع هستند که اطمینان حاصل شود مؤلفه‌های مختلف به‌صورت یکپارچه در سیستم‌های متفاوت کار می‌کنند. زمانی که در پروژه‌های زیرساختی حیاتی واقعاً مهم باشد، تولیدکنندگان برتر به سمت استاندارد DIN Z-property می‌روند. این انتخاب منطقی است، چرا که آزمایش‌های انجام‌شده توسط TÜV Rheinland نشان می‌دهد این صفحات مورد تأیید، خطر جدا شدن لایه‌ها را در مقایسه با صفحات معمولی که از فرآیند گواهی‌سازی عبور نکرده‌اند، تقریباً دو سوم کاهش می‌دهند.

راه‌آهن هند — مجوزهای خاص و دستورالعمل‌های فنی

IRS: M-1985 (نسخهٔ 2023) و گواهی Z35: چرا شکل‌پذیری در راستای ضخامت برای صفحات فولاد کربنی جوش‌کاری‌شده غیرقابل مذاکره است

راه‌آهن هند استاندارد IRS: M-1985 (نسخه 2023) را برای تمامی صفحات فولاد کربنی سازه‌ای مورد استفاده در واگن‌های ریلی اعمال کرده است، که گواهی Z35 را الزامی می‌کند. این به این معناست که ماده باید در آزمون مقاومت کششی در راستای ضخامت، حداقل ۳۵٪ کاهش سطح مقطع نشان دهد. چرا این موضوع مهم است؟ خب، این نوع شکل‌پذیری باعث جلوگیری از پدیده‌ای به نام ترک لایه‌ای در اتصالات جوشی زیرساخت می‌شود. این اتصالات در شرایط سختی قرار دارند و تحت ضربه‌هایی در محدوده ۷ تا ۱۰ G قرار می‌گیرند، هنگامی که قطارها به هم متصل می‌شوند یا از روی مسیرهای ناهموار عبور می‌کنند. هنگامی که مواد این استانداردها را رعایت نکنند، ترک‌های ریزی درست در نقاط جوش شروع به تشکیل می‌شوند و می‌توانند تحت تنش مداوم به سرعت گسترش یابند. استاندارد Z35 تضمین می‌کند که هر فلزی قبل از شکست کامل، خم شده و تغییر شکل دهد، تا بازرسان فرصت مشاهده مشکلات را در بازرسی‌های دوره‌ای نگهداری داشته باشند. هر دسته از صفحات حیاتی فولاد کربنی با آزمون فراصوتی ۱۰۰٪ بررسی می‌شود و هر چیزی که از این آزمون رد شود در حین ممیزی‌ها حذف می‌شود. آنچه قبلاً تنها یک جزئیات فنی تلقی می‌شد، امروزه در مرکز توجه بحث‌های ایمنی قرار دارد و بر همه چیز از نحوه طراحی گرفته تا خرید و کنترل کیفیت در سراسر صنعت تأثیر می‌گذارد.

سوالات متداول

چه درجات مهمی از ورق‌های فولاد کربنی در ساخت راه‌آهن استفاده می‌شوند؟

درجه‌های اصلی شامل ASTM A572 درجه 50، EN S355JR و IS 2062 E350 هستند که به دلیل تعادل خود در مقاومت، انعطاف‌پذیری و جوش‌پذیری شناخته شده‌اند.

چرا مقاومت تسلیم در کاربردهای راه‌آهن حیاتی است؟

مقاومت تسلیم حدود 350 مگاپاسکال تضمین می‌کند که مواد در برابر تغییر شکل دائمی تحت تنش شدید مقاومت کنند، که برای ریل‌های راه‌آهن و زیرساخت‌های تحت بار سنگین ضروری است.

اهمیت چقرمگی ضربه شارپی در کاربردهای ریلی چیست؟

چقرمگی ضربه شارپی در دمای -20°C باید حداقل 27 ژول باشد تا اطمینان حاصل شود فولاد در برابر ضربه بدون شکست مقاومت می‌کند، که برای جلوگیری از حوادث ریلی در مناطق سردسیر حیاتی است.

ورق‌های فولاد کربنی باید با چه استانداردهایی مطابقت داشته باشند؟

استانداردهایی مانند UIC 864-2 در اروپا و AREMA فصل 30 در آمریکای شمالی، تست اولتراسونیک را الزامی کرده و تضمین می‌کنند که ورق‌ها ضمن رعایت مجازات ابعادی، قابلیت جوش‌پذیری لازم را دارند.