Analytische Chemie
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Wirbelstromprüfung an Eisenbahnschienen - Integration der Wirbelstromtechnik in Ultraschallprüfzüge
(2004)
Eisenbahnschienen sind betriebsbedingt hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Es ist notwendig, Schädigungen möglichst frühzeitig zu detektieren und hinsichtlich ihrer Schädigungstiefe zu bewerten, um sie durch gezielte Schienenbearbeitung (Schleifen, Hobeln, Fräsen) rechtzeitig zu beseitigen. Mit der bisher in Schienenprüfzügen eingesetzten Ultraschalltechnik lassen sich die Oberflächenfehler nur schwer detektieren. Eine Bewertung der Schädigungstiefe ist nicht möglich. Die Wirbelstromtechnik stellt als oberflächennahes Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung eine ideale Ergänzung zur volumenhaften Ultraschallprüfung dar. Es wurde ein Wirbelstromprüfsystem entwickelt, das eine Detektion und Tiefenbewertung von Oberflächenfehlern bei einer Prüfgeschwindigkeit von bis zu 100 km/h und einem Messpunktabstand von 1 mm ermöglicht. Das Wirbelstromsystem kann in das vorhandene Ultraschallsystem integriert werden. Dieses beginnt mit der Übernahme der Dateinamen zur Speicherung der Messdaten, dem synchronen Start und Stopp der Messung, Ortssynchronisation über gemeinsamen Wegtakt und externe Kilometrierung bis hin zur gemeinsamen Darstellung der Prüfergebnisse. Die unterschiedlichen Ultraschallsysteme der verschiedenen Prüfzüge erfordern eine flexible Konfigurierbarkeit der Schnittstelle (Digital-IO, LAN). Wegen des enormen Umfanges der Urdaten ist es erforderlich, die Auswertung der Wirbelstromdaten so weit wie möglich zu automatisieren. Als Ergebnis der automatisierten Auswertung erhält der Prüfer Angaben über Lage, Art und Häufigkeit von Fehlern sowie die maximale Schädigungstiefe. Nebenbei ist das Wirbelstromsystem auch in der Lage, Schweißnähte in den Schienen zu detektieren. Da die Schweißnähte auch optisch zu erkennen sind, stellen sie ein wichtiges Merkmal zum Auffinden von Fehlstellen dar.
Die Rissbildung durch Rollkontaktermüdung, der Materialverschleiß oder die Bildung von Einzelfehlern – aufgrund solcher Schädigungsarten wird die Lebensdauer der Schiene signifikant verkürzt. Mit entsprechenden Methoden der ZfP können diese Schäden an Schienen erkannt und bewertet werden. Ein sehr geeignetes Verfahren zur Feststellung von Schädigungen und Unregelmäßigkeiten in der Oberfläche ist die Wirbelstromprüfung. Die zerstörungsfreie Prüfung der Schienenoberfläche durch das Wirbelstromverfahren wurde ursprünglich zur Detektion von Rollkontaktermüdungsrissen entwickelt. Anhand von Ergebnissen aus zahlreichen Prüfeinsätzen in den letzten Jahren wurde außerdem festgestellt, dass unter anderen auch Fehler wie Squats, Belgrospis, Eindrückungen oder Riffel in den Wirbelstromsignalen erkannt werden können. Aufgrund dieser Erfahrungen ist es möglich geworden, den Oberflächenfehlern in der Schiene ein charakteristisches Wirbelstromsignal zuzuordnen. Somit eröffnet sich die Möglichkeit die Wirbelstromprüfung an Schienen nicht ausschließlich zur Detektion von Rollkontaktermüdungsris-sen zu verwenden, sondern auch zur Feststellung von Einzelfehlern oder Materialveränderungen in der Oberfläche. Zusätzlich besteht das Potential durch Ultraschall erfasste Anzeigen, wie z.B. Schweißnähte, Squats etc. mit der Wirbelstromprüfung zu bestätigen und die Aussagesicherheit und Qualität dieser Prüfmethoden noch zu erhöhen.
Mit der Wirbelstromprüfung ist die Bestimmung der Tiefe offener Risse in Metallen prinzipiell möglich und wird auch in unterschiedlichen Anwendungen durchgeführt. Hierbei haben die jeweiligen praktischen Prüfbedingungen jedoch erheblichen Einfluss auf die Qualität der Prüfaussage. Es werden einige grundlegende Effekte erläutert, die bei der Risstiefenbestimmung mit Wirbelstrom zu beachten sind. Ein spezieller Labormessplatz wird unter dem Aspekt möglicher Fehlbewertungen vorgestellt und Schlussfolgerungen für die praktische Anwendung werden gezogen. Anhand praktischer Beispiele aus der Schienenprüfung mit Wirbelstrom werden die Auswirkungen verschiedener Fehlereffekte bei der Risstiefenbestimmung gezeigt.
Die zerstörungsfreie Oberflächenprüfung an verlegten Eisenbahnschienen mit Wirbelstrom hat in den letzten Jahren durch ständige Weiterentwicklung und Verifizierung enorm an Bedeutung gewonnen. Es wurde u.a. angestrebt zuverlässige Planungsgrößen für den Einsatz von Instandhaltungsmaßnahmen zu erhalten, durch deren gezielten Einsatz Risswachstum unterbunden werden kann. Die Ursache für das Wachstum von Rissen in der Schiene liegt in der Materialermüdung des Werkstoffes infolge der Betriebsbelastungen im RadSchiene-Kontakt. Nach einer gewissen Beanspruchungsdauer kommt es an den Kontaktflächen der Fahrkante zu einer Kaltverfestigung des Schienenstahls. Durch fortschreitende Verfestigung des kontaktbeanspruchten Oberflächenbereichs der gehärteten Schicht wird der Werkstoff spröde und es bilden sich feine Risse aus. Die Risse wachsen anfangs unter einem flachen Winkel in das Schieneninnere hinein, neigen dann aber ab einem gewissen Stadium dazu in das Innere des Schienenkopfes abzukippen, was im Extremfall zu einem Schienenbruch führen kann. Diese Rollkontaktermüdungsrisse, auch genannt Head Checks, entstehen bevorzugt in der Fahrkante von bogenäußeren Schienen. Die Anwendung der Wirbelstromprüfung an der Schiene wurde bisher zur Ermittlung der Schädigungstiefe dieser Rollkontaktermüdungsrisse eingesetzt. Das Wirbelstromverfahren besitzt die Eigenschaft, sehr empfindlich auf alle Veränderungen der Materialeigenschaften an der Oberfläche zu reagieren. Daher wurde festgestellt, dass sich neben der Detektion von Rissen auch Fehler wie Eindrückungen oder Schlupfwellen, bis hin zu Materialveränderungen durch Schweißen oder Aufhärtungen in der Schienenoberfläche bestimmen lassen. Die Wirbelstromprüfung besitzt daher das Potenzial, mögliche Orte der Entstehung von Ermüdungsrissen in einem extrem frühzeitigen Stadium nachzuweisen. Ziel ist es, die rissgefährdeten Zonen schon im Zustand der Kaltverfestigung zu identifizieren. Dadurch können sich neue Aspekte für die präventive Schieneninstandhaltung ergeben.
Mechanische Belastung wie z. B. der Rollkontakt zwischen den Rollen und Lagerringen eines Wälzlagers oder der Rad-Schiene-Kontakt bei der Eisenbahn führen bei ferritischen Stählen zu einer Aufhärtung der Oberfläche. Die mit der Aufhärtung verbundene Versprödung begünstigt die Entstehung von Ermüdungsrissen. Zur Risstiefenbestimmung mit dem Wirbelstromprüfverfahren werden in der Regel Kalibrierkörper mit künstlichen Testfehlern aus dem Grundwerkstoff des Prüfteils verwendet. Die betriebsbedingte Aufhärtung der Prüfteiloberfläche bleibt bei der Kalibrierung unberücksichtigt.
Die lokale Aufhärtung der Oberfläche führt zu einem ortsabhängigen Offset des Wirbelstromsignals in Richtung der Rissanzeigen und somit zu einer Überbewertung der Risstiefe. Bei einzelnen Rissen lässt sich der Effekt kompensieren, in dem das Wirbelstromgerät neben jedem Riss abgeglichen bzw. die Differenz zwischen dem Offset und der Rissanzeige berechnet wird. In der Realität liegen die Ermüdungsrisse jedoch oft so dicht nebeneinander, dass auf Grund der Überlagerung benachbarter Rissanzeigen weder ein Abgleich zwischen den Rissen noch eine Bestimmung des Offsets möglich ist.
Finite-Elemente-Berechnungen ermöglichen es, die in der Realität stets kombiniert auftretenden Wirbelstromsignale der Ermüdungsrisse und der Oberflächenaufhärtung getrennt zu simulieren, um Erkenntnisse für eine Verbesserung der Risstiefenbestimmung zu erlangen.
Die zerstörungsfreie Oberflächenprüfung an verlegten Eisenbahnschienen mit Wirbelstrom hat in den letzten Jahren durch ständige Weiterentwicklung und Verifizierung enorm an Bedeutung gewonnen. Es wurde u.a. angestrebt zuverlässige Planungsgrößen für den Einsatz von Instandhaltungsmaßnahmen zu erhalten, durch deren gezielten Einsatz Risswachstum unterbunden werden kann. Die Ursache für das Wachstum von Rissen in der Schiene liegt in der Materialermüdung des Werkstoffes infolge der Betriebsbelastungen im Rad-Schiene-Kontakt. Nach einer gewissen Beanspruchungsdauer kommt es an den Kontaktflächen der Fahrkante zu einer Kaltverfestigung des Schienenstahls. Durch fortschreitende Verfestigung des kontaktbeanspruchten Oberflächenbereichs der gehärteten Schicht wird der Werkstoff spröde und es bilden sich feine Risse aus. Die Risse wachsen anfangs unter einem flachen Winkel in das Schieneninnere hinein, neigen dann aber ab einem gewissen Stadium dazu in das Innere des Schienenkopfes abzukippen, was im Extremfall zu einem Schienenbruch führen kann. Diese Rollkontaktermüdungsrisse, auch genannt Head Checks, entstehen bevorzugt in der Fahrkante von bogenäußeren Schienen. Die Anwendung der Wirbelstromprüfung an der Schiene wurde bisher zur Ermittlung der Schädigungstiefe dieser Rollkontaktermüdungsrisse eingesetzt. Das Wirbelstromverfahren besitzt die Eigenschaft, sehr empfindlich auf alle Veränderungen der Materialeigenschaften an der Oberfläche zu reagieren. Daher wurde festgestellt, dass sich neben der Detektion von Rissen auch Fehler wie Eindrückungen oder Schlupfwellen, bis hin zu Materialveränderungen durch Schweißen oder Aufhärtungen in der Schienenoberfläche bestimmen lassen. Die Wirbelstromprüfung besitzt daher das Potenzial, mögliche Orte der Entstehung von Ermüdungsrissen in einem extrem frühzeitigen Stadium nachzuweisen. Ziel ist es, die rissgefährdeten Zonen schon im Zustand der Kaltverfestigung zu identifizieren. Dadurch können sich neue Aspekte für die präventive Schieneninstandhaltung ergeben.
Mechanische Belastung wie z. B. der Rollkontakt zwischen den Rollen und Lagerringen eines Wälzlagers oder der Rad-Schiene-Kontakt bei der Eisenbahn führen bei ferritischen Stählen zu einer Aufhärtung der Oberfläche. Die mit der Aufhärtung verbundene Versprödung begünstigt die Entstehung von Ermüdungsrissen. Zur Risstiefenbestimmung mit dem Wirbelstromprüfverfahren werden in der Regel Kalibrierkörper mit künstlichen Testfehlern aus dem Grundwerkstoff des Prüfteils verwendet. Die betriebsbedingte Aufhärtung der Prüfteiloberfläche bleibt bei der Kalibrierung unberücksichtigt. Die lokale Aufhärtung der Oberfläche führt zu einem ortsabhängigen Offset des Wirbelstromsignals in Richtung der Rissanzeigen und somit zu einer Überbewertung der Risstiefe. Bei einzelnen Rissen lässt sich der Effekt kompensieren, in dem das Wirbelstromgerät neben jedem Riss abgeglichen bzw. die Differenz zwischen dem Offset und der Rissanzeige berechnet wird. In der Realität liegen die Ermüdungsrisse jedoch oft so dicht nebeneinander, dass auf Grund der Überlagerung benachbarter Rissanzeigen weder ein Abgleich zwischen den Rissen noch eine Bestimmung des Offsets möglich ist. Finite-Elemente-Berechnungen ermöglichen es, die in der Realität stets kombiniert auftretenden Wirbelstromsignale der Ermüdungsrisse und der Oberflächenaufhärtung getrennt zu simulieren, um Erkenntnisse für eine Verbesserung der Risstiefenbestimmung zu erlangen.
Die steigenden Anforderungen im Schienenverkehr haben u. a. wachsende Betriebsbeanspruchungen für das Führungselement Schiene zur Folge. Auf Strecken mit hohen Belastungen wird dadurch die Entstehung von Rollkontaktermüdungsrissen, den sog. Head Checks, begünstigt. Für die Quantifizierung von Schäden im Hinblick auf eine optimierte Instandhaltung, setzt die DB AG daher seit einigen Jahren die Wirbelstromprüfung an Schienen ein. Es wurde ein Wirbelstromprüfsystem speziell für die Detektion und Bewertung von Head Checks auf der Schienenstahlsorte R260 entwickelt. Um den Instandhaltungsaufwand möglichst gering zu halten, unterliegen Eisenbahnschienen einer ständigen technologischen Weiterentwicklung durch die Hersteller. Durch Verbesserung der Schienenstahlsorten soll ein größerer Widerstand gegen die Bildung von Rollkontaktermüdungsrissen erreicht werden. Anhand von Streckenversuchen der DB AG in den letzten Jahren konnte festgestellt werden, dass tatsächlich eine Verminderung der Risswachstumsgeschwindigkeit erzielt wurde. Dafür zeigten sich im Vergleich zur Stahlsorte R260 abweichende Rissgeometrien, geringere Abstände zwischen den Ermüdungsrissen und somit eine größere Dichte des Rissfeldes. Die daraus resultierenden Folgen für die Ergebnisse der Wirbelstromprüfung werden hier erläutert. Praktische Prüferfahrungen an Schienenstahlsorten mit höherer Festigkeit werden vorgestellt.
PLR Prüftechnik Linke & Rühe Magdeburg und die BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Berlin haben in Zusammenarbeit mit anderen Partnern im Laufe der letzten Jahre verschiedene Wirbelstromsysteme zur Prüfung verlegter Schienen auf rissartige Fehler des Typs Head Checks entwickelt. Die Entwicklung dieser Systeme erfolgte mit dem Ziel, ein Hilfsmittel für die Planung von Schieneninstandhaltungsmaßnahmen zu schaffen. Die Systeme haben sich im praktischen Prüfeinsatz bewährt. Hierzu wurde regelmäßig auf den vorhergehenden Tagungen berichtet.
Bei der Schieneninstandhaltung kommen unterschiedliche Typen von Schienenbearbeitungsmaschinen zum Einsatz, z. B. Schienenfräs- und Schleifzüge. Seit einiger Zeit wird von Seiten der Schienennetzbetreiber vermehrt ein Qualitätsnachweis nach erfolgter Schienenbearbeitung gefordert. Hierzu wurde ein Wirbelstromprüfsystem entwickelt, dass speziell an die Erfordernisse der Qualitätsüberwachung in Schienenbearbeitungsmaschinen angepasst ist. Das Prüfsystem wird vorgestellt und über erste Erfahrungen aus dem praktischen Einsatz wird berichtet.