แผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนชนิดใดที่เป็นไปตามข้อกำหนดวิศวกรรมรถไฟ

เกรดแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนหลักสำหรับความแข็งแรงของโครงสร้างทางรถไฟ

ASTM A572, EN S355JR และ IS 2062 E350: มาตรฐานสมรรถนะสำหรับยานพาหนะเดินรางและโครงสร้างพื้นฐานทางราง

แผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนตามมาตรฐาน ASTM A572 Grade 50, EN S355JR และ IS 2062 E350 ได้กลายเป็นวัสดุมาตรฐานสำหรับงานก่อสร้างทางรถไฟทั่วโลก เนื่องจากมีความสมดุลที่เหมาะสมระหว่างความแข็งแรง ความยืดหยุ่น และความสามารถในการเชื่อมอย่างมีประสิทธิภาพ เหล็กกล้าชนิดนี้ทุกชนิดมีข้อกำหนดพื้นฐานของความต้านทานแรงดึงเริ่มต้น (yield strength) ไม่ต่ำกว่า 345-355 เมกะปาสกาล ซึ่งหมายความว่าสามารถทนต่อแรงกระทำต่างๆ ได้ดี เช่น การสั่นสะเทือนของสะพานไปมาหลายล้านครั้ง หรือแรงดึงมหาศาลจากรถไฟที่อาจเกิน 200 กิโลนิวตัน สำหรับรุ่น EN S355JR มีความโดดเด่นโดยเฉพาะในด้านการต้านทานสนิมและความเสียหายจากสภาพอากาศ ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญมากสำหรับชิ้นส่วนที่ติดตั้งภายนอกตามแนวราง เทคโนโลยีการทดสอบแสดงให้เห็นว่า ชิ้นส่วนเหล่านี้สูญเสียความหนาไม่ถึง 0.1 มิลลิเมตรต่อปี แม้อยู่ในสภาพแวดล้อมที่ชื้น ตามรายงานล่าสุดที่ตีพิมพ์โดย Infrastructure Materials Review เมื่อปีที่แล้ว ส่วนสำหรับการรถไฟของอินเดียโดยเฉพาะ มาตรฐาน IS 2062 E350 ได้พิสูจน์แล้วว่ามีคุณค่าเนื่องจากความสามารถในการยืดตัวโดยไม่ขาด รักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างไว้ได้ แม้อุณหภูมิจะเปลี่ยนแปลงอย่างมาก จากคืนที่หนาวจัดทางตอนใต้ ไปจนถึงกลางวันที่ร้อนระอุในพื้นที่ภาคเหนือที่อุณหภูมิสูงถึง 50 องศาเซลเซียส ประมาณ 87% ของตู้บรรทุกสินค้าที่สร้างขึ้นหลังปี 2020 ใช้แผ่นมาตรฐานเหล่านี้ และข้อมูลอุตสาหกรรมระบุว่าวิธีการนี้ช่วยลดปัญหาความเสียหายจากความล้าของโลหะลงประมาณ 42% เมื่อเทียบกับวิธีการเดิมที่ไม่ได้ปฏิบัติตามข้อกำหนดที่เข้มงวด

เหตุใดความต้านทานแรงดึงขั้นต่ำ 350 MPa และความเหนียวต่อการกระแทกแบบชาร์ปีที่ -20°C จึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนที่ใช้ในงานระบบราง

สำหรับแผ่นเหล็กกล้าโครงสร้างที่ใช้ในระบบรถไฟ ไม่มีข้อผ่อนปรนใดๆ เกี่ยวกับความต้านทานแรงดึงขั้นต่ำที่ประมาณ 350 เมกะปาสกาล และความเหนียวแบบชาร์ปีวีโน้ช (Charpy V-notch toughness) ที่อุณหภูมิ -20 องศาเซลเซียส ซึ่งจำเป็นต้องไม่ต่ำกว่า 27 จูล ข้อกำหนดเหล่านี้มีความสำคัญเพราะช่วยป้องกันไม่ให้เหล็กเกิดการเปลี่ยนรูปถาวรภายใต้สภาวะเครียดสูง เช่น โหลดเพลาหนักถึง 300 ตัน ที่พบได้ทั่วไปบนรางในแต่ละวัน และอย่าลืมถึงผลกระทบจากอากาศหนาวด้วย เหล็กจะต้องทนต่อแรงกระแทกอย่างฉับพลันโดยไม่แตกหัก ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมจึงมีข้อกำหนดเรื่องความต้านทานแรงกระแทกที่อุณหภูมิต่ำกว่าศูนย์องศา ในปีที่แล้วข้อมูลจาก NTSB ระบุว่า ความล้มเหลวจากความเปราะของวัสดุเป็นสาเหตุของปัญหาในอุบัติเหตุทางรางประมาณ 78 เปอร์เซ็นต์ในพื้นที่ที่มีอากาศหนาวเย็น เมื่อรถไฟเบรกฉุกเฉิน แรงที่บริเวณรอยต่อรางอาจพุ่งสูงขึ้นถึงสามเท่าของค่าที่ออกแบบไว้ แผ่นเหล็กที่ไม่ผ่านมาตรฐานเหล่านี้จะเริ่มเกิดรอยร้าวเล็กๆ ที่ขยายตัวอย่างรวดเร็ว บางครั้งอาจเร็วถึง 15 เมตรต่อวินาที กระบวนการเชื่อมก็มีความเสี่ยงเช่นกัน เพราะการให้ความร้อนระหว่างการเชื่อมอาจทำให้ความเหนียวของวัสดุฐานลดลงได้เกือบ 30% ส่งผลให้ผลลัพธ์จากการทดสอบชาร์ปีเริ่มต้นที่แข็งแกร่งมีความสำคัญอย่างยิ่ง โดยเฉพาะในชิ้นส่วนที่หากเกิดความล้มเหลวจะนำไปสู่หายนะ เช่น กรอบโบกี้ (bogie frames) หรือกลไกการต่อขบ ข้อกำหนดทั้งหมดเหล่านี้ทำงานร่วมกันเพื่อรักษาระดับการยืดตัวก่อนการแตกหัก (fracture elongation rates) ให้สูงกว่า 18% ตลอดหลายปีของการรับแรงเครียดซ้ำๆ ทำให้โครงสร้างพื้นฐานทางรางสามารถใช้งานได้นานกว่าสี่ทศวรรษก่อนต้องเปลี่ยนใหม่

ข้อกำหนดความสอดคล้องตามมาตรฐานทางรถไฟหลัก

UIC 864-2 และ AREMA บทที่ 30: การทดสอบด้วยคลื่นอัลตราโซนิก ค่าความคลาดเคลื่อนตามมิติ และข้อกำหนดความสามารถในการเชื่อมสำหรับแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอน

แผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนโครงสร้างที่ใช้ในโครงสร้างพื้นฐานทางรถไฟจะต้องเป็นไปตามมาตรฐานเฉพาะของแต่ละภูมิภาค ในยุโรป จำเป็นต้องปฏิบัติตามมาตรฐาน UIC 864-2 ขณะที่โครงการในอเมริกาเหนือจะปฏิบัติตามแนวทางของ AREMA บทที่ 30 ข้อกำหนดเหล่านี้กำหนดให้ต้องทำการทดสอบด้วยคลื่นอัลตราโซนิกอย่างละเอียดสำหรับแผ่นที่มีความหนาเป็นพิเศษ กระบวนการ UT พิสูจน์แล้วว่ามีประสิทธิภาพในการค้นหาปัญหาใต้ผิวเกือบทั้งหมด โดยงานวิจัยแสดงให้เห็นว่าสามารถตรวจพบปัญหาได้ประมาณ 99.7% ตามมาตรฐาน ASTM E2375-2023 ความเรียบของแผ่นก็มีความสำคัญเช่นกัน มาตรฐาน EN 10029:2021 กำหนดข้อจำกัดอย่างเข้มงวดเกี่ยวกับค่าเบี่ยงเบนจากความเรียบของแผ่น ไม่เกิน 3 มิลลิเมตรต่อระยะ 1 เมตร ส่วนคุณสมบัติการเชื่อมนั้นมีข้อกำหนดที่สำคัญอีกประการหนึ่ง ค่าคาร์บอนเทียบเท่า (Carbon equivalent) จะต้องไม่เกิน 0.45% เพื่อป้องกันการแตกร้าวจากความเย็นระหว่างการเชื่อม ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งบริเวณจุดที่มีแรงเครียดสูงในระบบทางรถไฟ เช่น รอยต่อรางที่มีรถไฟวิ่งผ่านบ่อยๆ หรือคานสะพานที่รองรับน้ำหนักมาก

BS EN 10025-2 เทียบกับ DIN 17100: ข้อกำหนดด้านความยืดตัวภายใต้แรงดึงและการรับแรงในแนวหนา (Z) ที่แตกต่างกันสำหรับแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนที่ใช้ทำโครงรถโดยสารและโครงฐานล่าง

ข้อกำหนดวัสดุแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญระหว่างมาตรฐานยุโรป:

• BS EN 10025-2 อนุญาตให้มีค่าความยืดตัวภายใต้แรงดึงขั้นต่ำที่ 22% สำหรับ S355JR ซึ่งสนับสนุนการผลิตชิ้นส่วนโครงรถโดยสารได้อย่างมีประสิทธิภาพทางต้นทุน โดยสอดคล้องกับเกณฑ์สมรรถนะอ้างอิงตาม UIC
• DIN 17100 ต้องการค่าความยืดตัวขั้นต่ำ 24% บวก ใบรับรอง Z25 — เพื่อให้มั่นใจว่าพื้นที่หน้าตัดลดลงไม่น้อยกว่า 25% ในการทดสอบแรงดึงในแนวหนา (through-thickness) สำหรับชิ้นส่วนโครงฐานล่าง

ความแตกต่างนี้พื้นฐานแล้วขึ้นอยู่กับว่าแต่ละภูมิภาคให้ความสำคัญกับด้านความปลอดภัยในแง่มุมใดมากที่สุด โดยชาวเยอรมันมักให้ความสำคัญกับวัสดุจะทนต่อแรงเครียดซ้ำๆ เป็นเวลานานได้อย่างไร ซึ่งเห็นได้อย่างชัดเจนจากการวิจัยของ DB AG เมื่อปีที่แล้วเกี่ยวกับการล้าของวัสดุ ในขณะที่มาตรฐานของอังกฤษเน้นไปที่การรับรองว่าชิ้นส่วนต่างๆ จะสามารถทำงานร่วมกันได้อย่างราบรื่นในระบบที่หลากหลาย เมื่อพิจารณาถึงโครงการโครงสร้างพื้นฐานที่มีความสำคัญเป็นพิเศษ ผู้ผลิตชั้นนำมักเลือกใช้มาตรฐาน DIN Z-property การเลือกนี้มีเหตุผลเพราะการทดสอบโดย TÜV Rheinland แสดงให้เห็นว่าแผ่นที่ได้รับการรับรองนี้ลดความเสี่ยงของการแยกชั้นออกจากกันลงได้เกือบสองในสาม เมื่อเทียบกับแผ่นทั่วไปที่ไม่ได้ผ่านการรับรอง

การรถไฟแห่งอินเดีย—การอนุมัติเฉพาะและการกำหนดทางเทคนิค

IRS: M-1985 (แก้ไข 2023) และการรับรอง Z35: เหตุใดความสามารถในการหย่อนตัวตามแนวหนา (through-thickness ductility) จึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับโครงใต้ตัวถังเหล็กกล้าคาร์บอนแบบเชื่อม

การรถไฟอินเดียมีการกำหนดมาตรฐาน IRS: M-1985 (เวอร์ชันปี 2023) สำหรับแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนโครงสร้างทั้งหมดที่ใช้ในขบวนรถราง ซึ่งต้องการใบรับรอง Z35 มาตรฐานนี้หมายความว่า วัสดุจะต้องแสดงค่าการหดตัวของพื้นที่อย่างน้อย 35% เมื่อทำการทดสอบความต้านทานแรงดึงในแนวผ่านความหนา ทำไมเรื่องนี้ถึงสำคัญ? เพราะความสามารถในการยืดหยุ่นแบบนี้ช่วยป้องกันปรากฏการณ์ที่เรียกว่า การแตกร้าวแบบเป็นชั้น (lamellar tearing) ซึ่งอาจเกิดขึ้นที่รอยเชื่อมโครงใต้ตัวรถ โดยรอยเชื่อมเหล่านี้ต้องเผชิญกับสภาวะที่รุนแรง เช่น แรงกระแทกที่มีค่าระหว่าง 7 ถึง 10 G เมื่อขบวนรถไฟจอดต่อกันหรือวิ่งผ่านทางแยกหรือรางที่ไม่เรียบ เมื่อวัสดุไม่ได้มาตรฐาน รอยแตกเล็กๆ จะเริ่มเกิดขึ้นที่จุดเชื่อมและสามารถขยายตัวอย่างรวดเร็วภายใต้แรงเครียดที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่อง มาตรฐาน Z35 ทำให้มั่นใจได้ว่าวัสดุโลหะจะโค้งงอและเปลี่ยนรูปร่างก่อนที่จะขาดทันที ซึ่งช่วยให้เจ้าหน้าที่ตรวจสอบสามารถพบปัญหาได้ในช่วงการบำรุงรักษาตามปกติ แผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนที่สำคัญทุกล็อตจะต้องผ่านการตรวจสอบด้วยคลื่นอัลตราโซนิกแบบ 100% และหากไม่ผ่านเกณฑ์ก็จะถูกคัดทิ้งออกในการตรวจสอบภายใน สิ่งที่เคยถือเป็นเพียงรายละเอียดทางเทคนิคเล็กๆ น้อยๆ ตอนนี้กลายเป็นประเด็นหลักในการอภิปรายด้านความปลอดภัย ซึ่งมีผลต่อทุกอย่างตั้งแต่การออกแบบ การจัดซื้อ ไปจนถึงระบบควบคุมคุณภาพโดยรวม

คำถามที่พบบ่อย

เกรดแผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนสำคัญที่ใช้ในการก่อสร้างทางรถไฟมีอะไรบ้าง

เกรดหลัก ได้แก่ ASTM A572 Grade 50, EN S355JR และ IS 2062 E350 ซึ่งเป็นที่รู้จักจากความสมดุลระหว่างความแข็งแรง ความยืดหยุ่น และความสามารถในการเชื่อม

ทำไมความต้านทานการคราก (yield strength) จึงสำคัญสำหรับการใช้งานในระบบรถไฟ

ความต้านทานการครากประมาณ 350 MPa ทำให้วัสดุสามารถต้านทานการเปลี่ยนรูปถาวรภายใต้แรงเครียดสูง ซึ่งมีความสำคัญต่อรางรถไฟและโครงสร้างพื้นฐานที่ต้องรับน้ำหนักมาก

ความเหนียวต่อแรงกระแทกแบบชาร์ปี (Charpy impact toughness) มีความสำคัญอย่างไรต่อการใช้งานในระบบรถไฟ

ความเหนียวต่อแรงกระแทกแบบชาร์ปีที่ -20°C จะต้องไม่ต่ำกว่า 27 จูล เพื่อให้มั่นใจว่าเหล็กสามารถทนต่อแรงกระแทกได้โดยไม่แตกหัก ซึ่งมีความสำคัญต่อการป้องกันอุบัติเหตุบนรางในสภาพอากาศหนาวเย็น

แผ่นเหล็กกล้าคาร์บอนจะต้องเป็นไปตามมาตรฐานใดบ้าง

มาตรฐานต่างๆ เช่น UIC 864-2 ในยุโรป และ AREMA Chapter 30 ในอเมริกาเหนือ กำหนดให้ต้องผ่านการทดสอบด้วยคลื่นอัลตราโซนิก และต้องมั่นใจว่าแผ่นเหล็กเป็นไปตามค่าความคลาดเคลื่อนของขนาด และข้อกำหนดด้านความสามารถในการเชื่อม