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Optimización de la detección de los defectos superficiales de fatiga en la vía férrea

El artículo está dedicado a:

• qué defectos superficiales ocurren con mayor frecuencia en los rieles y pueden conducir a su destrucción;
• qué métodos de inspección se utilizan para identificarlos, se presenta un análisis de su efectividad;
• qué equipo de ensayo no destructivo (NDT) permite la detección más confiable de los defectos de rieles descritos.

• Introducción

Para garantizar la explotación segura del tráfico ferroviario, se utilizan métodos de ensayo no destructivo (NDT) para detectar daños en los rieles, especialmente inspección ultrasónica de rieles.

Actualmente, la carga en los rieles se aumenta constantemente debido a un aumento en el tráfico total y al uso de trenes de alta velocidad. Los daños en los rieles se producen cada vez más en la superficie de la banda de rodadura como resultado de la fatiga por contacto rodante – RCF. Tales daños son peligrosos para la operación del ferrocarril, ya que esto conduce al desarrollo de grietas transversales y una posible fractura del riel.

Como parte de la implementación de la compatibilidad de los Sistemas ferroviarios europeos, los administradores de infraestructura ferroviaria deben implementar un plan de servicio para cada línea ferroviaria. Este plan también incluye la inspección ultrasónica de la vía férrea para detectar y evaluar los defectos superficiales de los rieles causados por RCF (fatiga de rodadura).

Hay dos tipos principales de RCF: "Squats" y "Head Checking", en lo sucesivo denominado HC. Además, existen diferencias significativas entre estos defectos superficiales en términos de los mecanismos de su apariencia y crecimiento. Los defectos de tipo «Squat» son un proceso complejo de interacción «Rueda-Carril», y este defecto surge cuando la rueda se micro desliza, lo que conduce a los mecanismos de deformación plástica de la superficie de rodadura de rieles. Este tipo de defectos es similar a un defecto del tipo "Wheelburn", pero tiene sus propias diferencias: 1. El defecto del tipo "Squat" se desarrolla durante varios meses en comparación con el "Wheelburn", que aparece inmediatamente. 2. El defecto del tipo "Squat" no es un defecto de par en comparación con un "Wheel burn" que tiene un par en un riel adyacente.

Los defectos del tipo HC pueden ocurrir en cualquier segmento del camino de rieles e incluso en las juntas soldadas, pero con mayor frecuencia aparecen en curvas con elevación insuficiente del riel exterior. El crecimiento de HC se acelera cuando el agua o los lubricantes llegan al área afectada. El crecimiento de las microgrietas HC puede dividirse en 2 fases: la fase inicial del crecimiento lento, cuando la profundidad de las grietas no supera los 3-5 mm y la longitud – 20 mm, y la fase del crecimiento rápido que conduce a la destrucción del carril (ver Figura 1).

En el clasificador de defectos del camino de rieles UIC712 R los defectos descritos se mencionan de la siguiente manera: "squats" (grietas y cavidades locales en la superficie de rodadura de los rieles): defecto de acuerdo con el código 227 y "head checking" (defectos individuales o grupales en el capuchón activo del riel en forma de pequeñas grietas paralelas) – según el código 2223.

Figura 2 — Defectos del tipo Squat (a y b) y Head Checking (c)

• Métodos y esquemas ultrasónicos para sonar los rieles en ferrocarriles europeos, problemas de detección de defectos del tipo Head Checking (HC)

En los ferrocarriles europeos para la inspección de los rieles puestos en las vías se utilizan tanto los sistemas de inspección de alta velocidad (velocidad de control de 40 km/h y más) como las carretillas manuales/mecanizadas de uno o dos rieles (la velocidad de inspección no supera los 4 km/h). En tales sistemas se utilizan los esquemas de sondeo clásicos, de acuerdo con EN 16729-1:2016 Transporte ferroviario. Infraestructura. Pruebas no destructivas en rieles de una vía férrea. Requisitos de la inspección ultrasónica y principios de evaluación.

Los siguientes transductores se utilizan para la inspección: un transductor combinado separado de 4 MHz 0°, dos transductores combinados de 2 MHz ± 70° y dos transductores combinados de 2 MHz ± 45°. Al escanear, los transductores se instalan en la parte central de la cabeza del riel. Tal esquema de sondeo permite detectar defectos de manera confiable de acuerdo con el código 227 “Squat”, ubicados en el centro de la superficie de rodadura del riel, utilizando transductores de 0° y 70°. En cuanto a los defectos del tipo HC y “Squat”, desplazados hacia el capuchón activo, se detectan sólo en la etapa en que al menos una de las grietas se ha desarrollado tanto que ha alcanzado la sección central del riel, es decir, cuando ya existe el peligro de destrucción del riel a lo largo de tal grieta.

• Esquemas de sondeo especializados para la detección de HC

Ahora nos detendremos en más detalles sobre las cuestiones de la identificación de los segmentos de rieles dañados por los defectos de acuerdo con el código 2223 (HC). Estos defectos representan un peligro bastante grave, ya que pueden desarrollarse en grietas transversales, que a su vez puede provocar una rotura en el riel. El método óptimo para detectar los defectos del riel HC debe asegurar la detección del daño del riel en sus primeros estadios y proporcionar los datos confiables sobre la longitud medida, la profundidad y la posición espacial de las grietas en la cabeza del riel. Tal método único de ensayo no destructivo del camino de rieles todavía no existe. En la práctica, se combinan varios métodos de detección para aumentar la probabilidad de detección temprana de un defecto.

A día de hoy, para la detección de HC, se recomienda la inspección visual, los sistemas ópticos que usan fotocámaras y videocámaras, la inspección ultrasónica con la aplicación de las sondas especializadas, así como la inspección de corrientes parásitas (EC).

La inspección visual se acompaña de fotografías e imágenes de video y tiene una alta intensidad en el uso de la mano de obra, así como está sujeta a una influencia significativa del factor subjetivo, lo que lleva a la omisión de los HC individuales o grupos de HC que ocupan segmentos cortos.

Para resolver este problema, es decir, la detección de defectos de HC, nuestra empresa utilizó un transductor especializado con un ángulo de entrada de 58° y un ángulo de rotación de ± 34° con respecto al eje longitudinal del riel. Dicho transductor está integrado en los sistemas de búsqueda del detector de fallas de un solo riel UDS2-77 y del detector de fallas de doble riel UDS2-73 , y permite controlar las caras laterales de la cabeza del riel. Basado en la configuración de la cabeza del riel, este esquema de sondeo también puede controlar el radio superior de la cabeza del riel (zona RCF, ver Figura 5).

Como se puede ver en la Figura 6, la onda acústica se refleja desde el plano del fillete de riel y sondea la zona RCF, donde se encuentran principalmente los defectos de HC, que en en los primeros estadios de desarrollo (<1 mm) para la onda acústica están cerca del reflector angular. De tal manera, el transductor de 58° × 34° detecta con confianza HC, y de acuerdo con los datos del B-escaneo (ver Figura 7), también se puede analizar y evaluar la longitud de la sección del riel dañada por HC.

Figura 7 — Presentación de los defectos de tipo «head checking» en el B-escaneo

Después de la operación a largo plazo del transductor descrito anteriormente, así como, basándose en la tecnología de realización de la inspección con los detectores de fallas portátiles, teniendo en cuenta la dirección del desarrollo de los defectos de HC (los defectos están dirigidos contra el movimiento de los trenes), el transductor 58° × 34° fue actualizado, es decir, fue elaborada la construcción del cuerpo de la sonda, en el que se colocan 4 placas piezoeléctricas, dirigidas a las caras laterales de la cabeza del riel a lo largo y contra la dirección de movimiento de la carretilla (ver Figura 8).

Figura 8 — Esquema completo de sondeo con el transductor con el ángulo de entrada 580 y el ángulo de rotación de ± 340 con respecto al eje longitudinal

Cabe señalar que utilizando un transductor ultrasónico 58° y un ángulo de rotación de ± 34° con respecto al eje longitudinal, sólo es posible detectar una sección del riel con la presencia de "head checking". La medición de los parámetros de estas grietas, tales como la profundidad de la grieta, la longitud es posible utilizando el método de inspección de corrientes Eddy, es decir, utilizando el detector de fallas de corrientes Eddy de un solo riel ETS-77.

• Conclusión

Como se puede ver en el análisis anterior, los esquemas de sondeo estándar de acuerdo con EN 16729-1: 2016 no son efectivos para detectar Head Checking y las grietas en la zona RCF en las primeras etapas de su desarrollo. La detección confiable de HC y de las grietas en la zona RCF es proporcionada por los esquemas de sondeo especializados implementados en las carretillas para la inspección de las vía ferroviaria UDS2-77 (for one rail line)  (de un solo riel) UDS2-73 (riel doble). La medición de la profundidad y longitud de las grietas es posible mediante el método de corrientes Eddy utilizando el detector de fallas de corrientes Eddy ETS-77.