Применение проката в железнодорожной отрасли

Железная дорога — один из самых металлоёмких секторов экономики. На каждый километр пути уходят тонны специальных прокатных изделий: рельсы, шпальные скрепления, колёсные пары, детали стрелочных переводов, несущие конструкции мостов. Требования к прокату в этой отрасли исключительно высоки: безопасность пассажиров и грузов напрямую зависит от качества металла. Разберём, какие виды проката используются на железной дороге, какими стандартами они регламентируются и в чём специфика их производства и применения.

Рельсы: главный специальный прокат железной дороги

Рельс — длинный стальной профиль, по которому катятся колёса подвижного состава. Он одновременно выполняет несколько функций: несёт нагрузку от колёс поезда, передаёт её на шпалы, служит направляющей для движения колёс и одновременно является одним из проводников рельсовых цепей системы сигнализации.

Рельс работает в крайне тяжёлых условиях: циклические контактные нагрузки от колёс, знакопеременные изгибающие напряжения, ударные воздействия в стыках, износ в кривых, воздействие температурных изменений. Именно поэтому к рельсовой стали предъявляют особые требования по твёрдости, вязкости и однородности структуры.

Типы и размеры рельсов

Железнодорожные рельсы широкой колеи (1520 мм) производятся по ГОСТ Р 51685-2013 и более новой версии ГОСТ Р 51685-2022. Основные типы:

• Р50 — погонная масса 50,2 кг/м. Применяется на малодеятельных линиях, подъездных и станционных путях.
• Р65 — погонная масса 64,9 кг/м. Основной тип рельсов для главных путей железных дорог общего пользования. Стандартная длина — 25 м.
• Р75 — погонная масса 74,4 кг/м. Применяется на тяжелонагруженных магистралях с интенсивным движением тяжеловесных составов.

Буква «Р» в обозначении — рельс, цифра — приблизительная погонная масса в кг/м.

Помимо перечисленных, ранее применялись рельсы типа Р43 (по ГОСТ 7174-75), которые сохраняются на второстепенных и подъездных путях. Для железнодорожных путей промышленных предприятий (внутренние сети заводов, горнодобывающих предприятий, портов) выпускаются рельсы по ГОСТ Р 51045-97 — типов Р18, Р24, Р33, Р38, Р43.

Для путей узкой колеи (600–1067 мм) применяют лёгкие рельсы по ГОСТ 6368-82: типы Р8, Р11, Р18, Р24. Они используются в шахтах, на торфяных разработках, в портах и на лесозаготовительных предприятиях.

Марки стали для рельсов

Рельсовая сталь — высокоуглеродистая сталь с содержанием углерода 0,67–0,82%, марганца 0,75–1,25%, кремния 0,18–0,40%. По ГОСТ Р 51685, рельсы изготавливают из мартеновской или электростальной рельсовой стали.

После производства часть рельсов подвергают объёмной или дифференцированной закалке головки. Закалённые рельсы имеют поверхностную твёрдость от 341 HB и выше — это существенно повышает их сопротивление износу и контактно-усталостным повреждениям. Незакалённые рельсы применяют на прямых участках с небольшими нагрузками, закалённые — в кривых малого радиуса и на тяжелонагруженных линиях.

В производстве высокоскоростных магистралей применяются рельсы со специально нормированными допусками на прямолинейность и шероховатость поверхности катания: неровности рельсового пути при скоростях 200–400 км/ч создают динамические нагрузки, кратно превышающие статические.

Специальные рельсовые профили

Помимо стандартных путевых рельсов, в железнодорожной отрасли применяются специальные прокатные профили:

• Рельсы контррельсовые (РК50, РК65, РК75) — устанавливаются параллельно основному рельсу в кривых малого радиуса и на мостах для предотвращения схода колёс.
• Рельсы рамные (РР65) — элементы стрелочных переводов, по которым колёса переходят с одного пути на другой.
• Рельсы усовиковые (УР65) — детали крестовин стрелочных переводов в местах пересечения путей.
• Трамвайные рельсы (Т62, Т65) — профили с желобом для утопания реборды колеса; укладываются в уровень с дорожным покрытием.

Колёса и колёсные пары

Колёса грузовых вагонов производятся в виде цельнокатаных изделий по ГОСТ 10791-2011. Заготовка нагревается, прессуется и прокатывается в специальных прокатных станах. Готовое колесо имеет обод, диск и ступицу.

Диаметр нового колеса грузового вагона — 957 мм, пассажирского — 950 мм. По мере износа диаметр уменьшается; при достижении браковочных размеров колесо проходит переточку (обточку на колёсотокарном станке), а в конце срока службы — замену.

Материал — специальные вагонные стали марок 1 и 2 по ГОСТ 10791: высокоуглеродистые (C 0,44–0,57%) с нормированными механическими свойствами. После прокатки колёса проходят термическую обработку: прерванную закалку обода с последующим отпуском, что формирует твёрдость обода 255–341 HB при сохранении вязкости диска.

Оси колёсных пар производятся из специальной осевой стали по ГОСТ 4728-2010 методом горячей ковки и последующей механической обработки.

Конструктивный металлопрокат для железной дороги

Помимо специализированного рельсового проката, железная дорога потребляет большие объёмы стандартного конструктивного металлопроката — того же, что используется в строительстве и машиностроении. Он идёт на возведение мостовых пролётных строений, изготовление шпал и крепёжных элементов верхнего строения пути. Требования к такому прокату в железнодорожной отрасли, тем не менее, значительно строже обычных строительных норм: применяются только низколегированные марки стали с нормированной ударной вязкостью при отрицательных температурах, а каждая партия металла сопровождается обязательным входным контролем.

Балки и швеллеры для мостов

Железнодорожные мосты несут значительно большие нагрузки, чем автодорожные — масса товарного поезда достигает 5000–7000 т. Пролётные строения металлических мостов изготавливаются из листового проката (ГОСТ 19903) и широкополочных двутавров (ГОСТ 26020) из низколегированных сталей 09Г2С, 10ХСНД, 15ХСНД.

Несущие фермы железнодорожных мостов — клёпаные или сварные конструкции из листов и уголков. Современные мосты возводят с использованием сварных балочных конструкций, сборных пролётных строений и преднапряжённого железобетона.

Металлические шпалы

Металлические шпалы — стальные прокатные профили корытообразного сечения — применяются вместо деревянных в сложных условиях: на горных участках (опасность пожаров), в регионах с недостатком древесины, при укладке временных путей. Производятся из листового проката или специальных профилей.

Крепёжные изделия и скрепления

Рельсошпальные скрепления — болты, клеммы, подкладки, костыли — изготавливаются из различных марок стали. Болты рельсовые (ГОСТ 11530-93) — из стали с нормированной ударной вязкостью при −60 °C, что важно для эксплуатации в Сибири и на Крайнем Севере. Упругие клеммы типа КБ65 производятся из пружинной стали методом горячей штамповки и термообработки.

Требования к качеству рельсового проката

В железнодорожной отрасли требования к качеству металла принципиально строже, чем в строительстве. Это обусловлено соображениями безопасности: излом рельса или колеса при движении поезда может привести к катастрофическим последствиям.

Металлургическая чистота. Рельсовая сталь должна содержать минимальное количество неметаллических включений (сульфидов, оксидов, нитридов). Их наличие в критических зонах концентрации напряжений провоцирует усталостное разрушение. Поэтому рельсы производят из электростали с внепечной обработкой (вакуумирование, продувка аргоном) — это радикально снижает загрязнённость.

Геометрическая точность. Отклонения от прямолинейности рельса нормируются строже, чем для любого другого вида проката. Рельс Р65 длиной 25 м не должен иметь стрелы прогиба более 0,5–1 мм в вертикальной плоскости.

Контроль качества. Каждый рельс в соответствии с ГОСТ Р 51685 проходит:

• визуальный осмотр поверхности;
• ультразвуковой контроль по всей длине (выявление внутренних дефектов);
• проверку геометрии;
• испытания на твёрдость и механические свойства.

Для поставок на скоростные и высокоскоростные линии требуется 100% ультразвуковой контроль каждого рельса.

Маркировка. На шейке каждого рельса выкатывается или выбивается маркировка: завод-изготовитель, год выпуска, тип, номер плавки. Это обеспечивает прослеживаемость металла на протяжении всего срока службы.

Металлопрокат для тягового хозяйства и контактной сети

Подвеска контактного провода — сложная инженерная система, включающая несущий трос, контактный провод, консоли и фиксаторы. Несущий трос изготавливается из стальных канатов (ГОСТ 3081-80), контактный провод — из твёрдотянутой бронзы или биметаллической меди. Опоры контактной сети — стальные трубы или решётчатые конструкции из уголков и труб.

Металлопрокат для инфраструктуры станций и депо

Здания вокзалов, пассажирских платформ, локомотивных депо строятся из стандартного строительного металлопроката: двутавры ГОСТ 8239 или ГОСТ 26020 для каркасов, профлист для кровли, арматура А500С для фундаментов. Грузоподъёмное оборудование депо (мостовые краны) — это тоже подкрановые балки из двутавра и рельсы крановые.

Крановые рельсы для мостовых и козловых кранов производятся по ГОСТ 4121-96: типы КР50, КР70, КР80, КР100, КР120, КР140. По форме они напоминают железнодорожный рельс, но имеют более широкую и высокую головку для восприятия нагрузки от колёс крана.

Стандарты качества: особая строгость требований

Железнодорожные изделия относятся к продукции, требующей обязательного подтверждения соответствия техническому регламенту Таможенного союза ТР ТС 003/2011 «О безопасности инфраструктуры железнодорожного транспорта». Это означает, что рельсы, колёса, оси и другие ответственные элементы должны пройти сертификацию в аккредитованных органах до выхода на рынок. Никакая замена материала или отступление от ГОСТа без согласования с регулятором недопустимы.

Закупки для нужд железных дорог ведутся только у производителей, имеющих сертификаты соответствия и прошедших аудит системы менеджмента качества. Именно поэтому рельсы производят только крупнейшие металлургические комбинаты, обладающие необходимой технологической базой для обеспечения столь жёстких требований.