DEMİRYOLU RAYLARINDA KALINTI GERİLİMLERİN MANYETİK BARKHAUSEN GÜRÜLTÜSÜ YÖNTEMİ İLE ÖLÇÜLMESİ

December 21, 2017 | Author: Özlem Sarıkaya | Category: N/A
Share Embed Donate


Short Description

1 DEMİRYOLU RAYLARINDA KALINTI GERİLİMLERİN MANYETİK BARKHAUSEN GÜRÜLTÜSÜ YÖNTEMİ İLE ÖL&C...

Description

KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ BİLDİRİLER KİTABI

DEMİRYOLU RAYLARINDA KALINTI GERİLİMLERİN MANYETİK BARKHAUSEN GÜRÜLTÜSÜ YÖNTEMİ İLE ÖLÇÜLMESİ H. İlker YELBAY1, C. Hakan GÜR2 1

ODTÜ Kaynak Teknolojisi ve Tahribatsız Muayene Araştırma Uygulama Merkezi 2 ODTÜ Metalürji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü

ÖZET Ülkemizde son yıllarda demiryolu yatırımları oldukça artmış ve yeni hızlı tren hatlarının yapımına başlanmıştır. Hızlı tren hatlarında kullanılan rayların taban bölgesinde üretimden kaynaklı gerilimlerin ölçülmesi için tahribatlı testler uygulanmaktadır. Fakat raylarda kaynaklı imalat sonrasında veya kullanım sırasında da kalıntı gerilimler oluşmakta ve çekme kalıntı gerilimleri çatlak oluşumuna ve ilerlemesine neden olabilmektedir. Bu nedenle bu gerilimlerin dağılımının ve büyüklüğünün hızlı bir şekilde belirlenebilmesi beklenmedik kırıkların ve dolayısı ile kazaların önlenebilmesinde kritik bir öneme sahiptir. Bu çalışmanın amacı ray üzerindeki kalıntı gerilim dağılımının ölçülmesi için tahribatsız bir yöntem geliştirmektir. Anahtar Kelimeler: tahribatsız muayene, raylarda kalıntı gerilim ölçümü, manyetik barkhausen gürültüsü yöntemi.

ABSRACT High speed train investments and new high speed track manufacturing are increased in our country. Destructive tests are used for measuring the residual stress state on high speed rail foot. On the contrary there are also service induced stresses are introduced to the rails and tensile residual stresses are the main reason for crack initiation and propagation. So measuring the distribution and severity of these stresses in a fast manner is crucial for preventing the unexpected failures and accidents. This study aims to develop a method to measure the stress distribution on rails by nondestructive methods. Keywords: nondestructive testing, residual stress measurement on rails, magnetic barkhausen noise method.

301

KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ BİLDİRİLER KİTABI

1. GİRİŞ Demiryolunda meydana gelen çoğu büyük kazanın, raydan çıkma veya çarpışma gibi, sebepleri incelendiğinde çoğunlukla ray yüzeyinde oluşan küçük hatalı bölgelerin çekme kalıntı gerilimlerin etkisiyle oluşturduğu kırılma, kopma gibi hatalardan kaynaklandığı ortaya çıkmıştır. Dolayısı ile yüksek kalıntı gerilime sahip bölgelerin tespit edilmesi bu tip ray hatalarının oluşmadan tespit edilmesine olanak sağlayacaktır. Raylarda üretimden kaynaklı kalıntı gerilimlerin ölçülmesi EN ISO 13674-1 standardında belirtilmiştir. Fakat bu yöntem, tahribatlı bir yöntem olduğu için ölçüm işlemi hem uzun süre almakta hem de kullanımda olan hatların ölçülmesinde kullanılamamaktadır. O nedenle ray üretimi sonrasında veya rayların birleştirme işleminden sonra ortaya çıkacak kalıntı gerilimlerin hızlı ve güvenilir bir şekilde ölçülmesi için tahribatsız ve hızlı bir ölçüm yöntemi olan Manyetik Barkhausen gürültüsü yönteminin kullanılması önemli bir gelişme olacaktır. 2. KALINTI GERİLİM OLUŞUMU Ray üretimi, sıcak haddeleme ile üretilen kütük halindeki ray çeliğinin belirli şekillerdeki döner kalıplarda sıra ile deformasyonu şeklinde yapılmaktadır. Bu şekillendirme işleminde en son şekillendirmeden sonra ray üzerinde son kalıntı gerilim dağılımı oluşmaktadır. Şekil 1’de gösterildiği gibi üretim sonrasında kalıntı gerilimler taban bölgesinin orta kısmında çekme gerilimleri halinde ortaya çıkmaktadır.

Şekil 1. Şekillendirme işlemi sonrasında ray içindeki kalıntı gerilim dağılımı [4]

Üretimden sonra soğumaya bırakılan raylar bu kalıntı gerilim dağılımları nedeni ile çarpılmakta daha sonra ise çeşitli düzelticiler vasıtası ile tekrar düzeltilip son şeklini almaktadır. Bu düzeltme işlemi sırasında da ray içinde kalıntı gerilimler oluşmaktadır. Bu kalıntı gerilimlerin çok yüksek olması rayın kullanım ömrü açısından oldukça tehlikeli 302

KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ BİLDİRİLER KİTABI

olduğundan bu gerilimler EN ISO 13674-1 standardında belirtilen yöntemlerle ölçülüp maksimum değeri geçip geçmediği kontrol edilmektedir. Standartta maksimum değer 250 MPa olarak verilmiştir.

Şekil 2. Doğrultma işlemi öncesinde soğuyan rayların kalıntı gerilimler nedeni ile çarpılması

Malzeme üzerine uygulanan plastik deformasyonlar ve eşit olmayan soğuma gradyanlarından dolayı raylar üzerinde son uygulanan düzeltme işlemlerinden sonra kalıntı gerilimler oluşmaktadır. Son gerilim dağılımı ve düzeltme aşamalarında oluşan gerinimler Şekil 3’te belirtilmiştir.

Şekil 3. Şekillendirme ve doğrultma işlemleri sonrasında gerilim dağılımı [5]

3. KALINTI GERİLİMLERİNİN ÖLÇÜLMESİ Raylarda kalıntı gerilimlerin ölçülebilmesi için EN 13674-1 standardında bir yöntem tanımlanmıştır. Bu yöntemde 1 metrelik ray uzunluğundan 20 mm’lik bir kesit kesilip bu bölgeden salınan gerinimler, gerinim ölçerlerle ölçülerek ray tabanındaki kalıntı gerilim değerleri hesaplanmaktadır. Bu yöntem oldukça doğru sonuçlarla uygulanabilmektedir. Fakat yöntem tahribatlı bir yöntem olduğu için ölçüm uzun bir zaman almakta, maliyeti artmakta ve test için kullanılan ray kullanılamaz duruma gelmektedir. Ayrıca bu yöntem kullanımda olan raylar için kullanılabilir bir yöntem değildir. 303

KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ BİLDİRİLER KİTABI

Kalıntı gerilimlerin tahribatsız olarak ölçülmesi hem maliyet hem hız hem de tekrar kullanılabilirlik açısından oldukça avantajlıdır. Bu nedenle tahribatsız bir yöntem olan Manyetik Barkhausen gürültüsü yöntemi bu çalışmada potansiyel kalıntı gerilim belirleme metodu olarak kullanılmıştır. 3.1. Manyetik Barkhasuen Gürültüsü Yöntemi 1919 yılında Prof. Barkhausen tarafından bulunan bu özellik manyetik alana maruz kalan ferromanyetik malzemelerde oluşan bir etkidir. Malzeme mıknatıslanırken domen bölgelerinin hareketleri sonucunda mıknatıslanma küçük değişimler halinde artar, bu küçük artışlar sırasında Barkhausen gürültüsü olarak adlandırılan sinyaller oluşur. Bu sinyaller malzemenin içyapısına göre ve uygulanan yüklere göre değişiklik gösterdiğinden iç yapı veya gerilim ölçümlerinde kullanılmaktadır.

Şekil 4. Manyetik Barkhausen Gürültüsü yöntemi ölçüm sistemi

4. TEST PROSEDÜRÜ Test için Kardemir tarafından üretilen 6 adet UIC 60 ray öncelikle EN ISO 13674-1 standardında belirtilen tahribatlı yöntem ile test edilmiştir. Daha sonra yine aynı ray serisinden seçilen bir ray üzerinde manyetik Barkhausen gürültüsü yöntemi ile testler gerçekleştirilmiştir. Öncelikle tahribatlı yapılan testlerde 1 metre uzunluğundaki rayların orta taban bölgesine gerinim ölçerler yapıştırılmıştır. Daha sonra ise gerinim ölçerlerin 10 mm sağ ve sol kısımlarından ray kesilerek salınan gerinim değerleri ölçülmüştür. Bu gerinim değerleri standartta verilen 2,07x105 MPa değeri ile çarpılarak kalıntı gerilim değerleri hesaplanmıştır.

304

KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ BİLDİRİLER KİTABI

Şekil 5. Tahribatlı kalıntı gerilim ölçüm yöntemi uygulaması

Daha sonra aynı seriden üretilen raylarda manyetik barkhausen gürültüsü yöntemi ile ölçümler alınmıştır. Bu ölçümlerde “Rollscan - μscan 500-2” cihazı ve S1–138–13-01 ölçüm probu kullanılmıştır. Ölçümler ray tabanında üç farklı bölgeden alınmıştır. Bu bölgeler Şekil 6’da gösterilmiştir.

Şekil 6. Manyetik Barkhausen Gürültüsü yöntemi ile ray tabanında ölçülen bölgeler

Bu ölçüm sonucunda elde edilen ölçüm sonuçlarının gerilim değerlerine çevrilebilmesi için bir kalibrasyon eğrisi hazırlanmıştır. Kalibrasyon eğrisinin hazırlanmasında ray mantarından bir çekme numunesi hazırlanmış ve belirli basma ve çekme değerlerinde Barkhausen gürültüsü değerleri aynı zamanda ölçülmüş ve kalibrasyon eğrisi oluşturulmuştur. Basma ve çekme değerleri çekme numunesi üzerine yapıştırılmış gerinim ölçer sayesinde belirlenmiştir.

305

KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ BİLDİRİLER KİTABI

Şekil 7. Kalibrasyon eğrisi hazırlama prosedürü ve kalibrasyon eğrisi

5. TEST SONUÇLARI Tahribatlı yapılan testlerde toplamda 6 adet numunede ray tabanında kalıntı gerilim ölçümleri alınmış ve tablo 1’deki sonuçlar elde edilmiştir. Tablo 1. Tahribatlı test yapılan raylardaki kalıntı gerilim sonuçları

Örnek Numarası

Gerinim Değeri, µm

Kalıntı Gerilim, MPa

1

763,8

158

2

721,4

149

3

646,2

134

4

762,9

158

5

824,3

171

6

734,9

152

Daha sonra 3 numaralı örnek numunede manyetik Barkhausen gürültüsü yöntemi uygulanmış ve tablo 2’deki sonuçlar elde edilmiştir. Tablo 2. Manyetik Barkhausen Gürültüsü yöntemi ile test yapılan raydaki kalıntı gerilim sonuçları

140

BN Kalıntı Gerilim, MPa 100

Tahribatlı test metodu 134

2

90

10

-

3

100

20

-

Ölçüm Noktası

BN Değeri

1

6. SONUÇ 306

KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ BİLDİRİLER KİTABI

Elde edilen sonuçlar karşılaştırıldığında tahribatsız bir yöntem olan manyetik Barkhausen gürültüsü yönteminin raylardaki kalıntı gerilim ölçümlerinde kullanılabileceği ortaya çıkmıştır. Bu yöntemin rayların kalıntı gerilim ölçümlerinde verimli bir şekilde kullanılabilmesi için özel prob ve cihazların geliştirilmesi yöntemin standart bir uygulama olarak uygulanmasına olanak sağlayacaktır. 7. KAYNAKÇA [1] Armindo Guerrero, Javier Belzunce, Covadonga Betegón, Julio Jorge, and Francisco J. Vigil1, Hot Rolling Process Simulation: Application to UIC60 Rail Rolling, Recent Patents on Mechanical Engineering 2010, 3, 65-71. [2] George E. Totten, Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel. [3] EN 13674-1: Railway applications -Track - Rail - Part 1: Vignole railway rails 46 kg/m and above. [4] S. L. Srimani, J Basu, An investigation for control of residual stress in rollerstraightened rails, The Journal of Strain Analysis for Engineering Design 2003 38: 261. [5] Shunichi Takahashi, Toshihiko Sasaki, Yasuto Kondoh, Yukio Hirose, Residual Stress Evaluation Of Railway Rails, JCPDS-International Centre for Diffraction Data 2009.

307

KAYNAK KONGRESİ IX. ULUSAL KONGRE VE SERGİSİ BİLDİRİLER KİTABI

308

View more...

Comments

Copyright � 2017 SILO Inc.