Wasserstoffversprödungsprüfung von Schienenschrauben und Betriebssicherheit von hochfesten Schrauben
Warum sind hochfeste Gleisschrauben anfälliger für Wasserstoffversprödungsbrüche als gewöhnliche Schrauben?
Je höher der Festigkeitsgrad hochfester Schrauben ist, desto höher ist ihre Matrixhärte und Zugfestigkeit, desto geringer ist die Zähigkeit des Materials und desto stärker ist die Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoffatomen. Hochfeste Bolzen der Güteklasse 8.8 und höher werden einer Abschreck- und Anlassbehandlung unterzogen, wodurch sich im Inneren eine dichte martensitische Struktur bildet, in der sich Wasserstoffatome mit hoher Wahrscheinlichkeit an den Korngrenzen ansammeln. Wenn die Wasserstoffatomkonzentration den kritischen Wert erreicht, kommt es zu einer „wasserstoffinduzierten Rissbildung“, die zu einem plötzlichen Sprödbruch ohne offensichtliche plastische Verformung führt. Gewöhnliche Schrauben (z. B. Güteklasse 4.8) haben eine Ferrit-{8}}Perlit-Matrixstruktur mit guter Zähigkeit, in der sich Wasserstoffatome nicht leicht ansammeln und das Risiko einer Wasserstoffversprödung äußerst gering ist.
Was sind die Kernmethoden zur Wasserstoffversprödungserkennung von Gleisschrauben und welche Anwendungsszenarien gibt es?
Zu den gängigen Nachweismethoden gehören der Zugversuch unter konstanter Belastung, der verzögerte Bruchversuch und die Ultraschallprüfung, jeweils mit unterschiedlichen Anwendungsszenarien. Der Zugversuch unter konstanter Belastung ist die in der chinesischen Norm festgelegte Schlichtungsmethode und eignet sich für Chargenprüfungen im Werk. Es wird eine Last von 75 % der Streckgrenze aufgebracht und kein Bruch innerhalb von 200 Stunden gilt als qualifiziert. Der verzögerte Bruchtest eignet sich für die Forschungs- und Entwicklungsphase und testet die Wasserstoffversprödungsempfindlichkeit von Schrauben durch Simulation extremer Belastungsumgebungen. Die Ultraschallprüfung ist eine schnelle Vor-Ort-Überprüfungsmethode, die sich zur Erkennung installierter Schrauben eignet. Es findet schnell versteckte Gefahrenbolzen, indem es die reflektierten Wellen wasserstoffinduzierter Risse identifiziert und so Demontageverluste vermeidet.
Welchen entscheidenden Einfluss hat der Oberflächenbehandlungsprozess auf das Wasserstoffversprödungsrisiko von Gleisschrauben?
Unterschiedliche Oberflächenbehandlungsprozesse weisen erhebliche Unterschiede im Risiko einer Wasserstoffversprödung auf, und der Kern liegt darin, ob Wasserstoffatome eingeführt werden. Beim Galvanisieren (z. B. Elektro-galvanisieren) entsteht eine große Anzahl von Wasserstoffatomen, wobei das Risiko einer Wasserstoffversprödung extrem hoch ist. Herkömmliche Galvanisierungsverfahren sind für hochfeste Schrauben strengstens untersagt. Die Menge der infiltrierten Wasserstoffatome beim Feuerverzinken ist gering, aber hohe Temperaturen führen zu einer Diffusion von Wasserstoffatomen, die mit einer Dehydrierungsbehandlung kombiniert werden muss. Zinklamellen- (Dacromet) und Zinkdiffusionsbeschichtungsverfahren sind wasserstofffreie Verfahren, bei denen fast keine Wasserstoffatome eingeführt werden, und sie sind die bevorzugten Oberflächenbehandlungsmethoden für hochfeste Gleisschrauben. Darüber hinaus kann auch eine unsachgemäße Steuerung des Beizprozesses eine Hauptquelle für Wasserstoffatome sein. Daher ist es notwendig, die Beizformel zu optimieren und einen Dehydrierungsprozess hinzuzufügen.
Was sind die typischen Merkmale eines Wasserstoffversprödungsbruchs von Gleisschrauben und wie kann man ihn vom Ermüdungsbruch unterscheiden?
Das typische Merkmal eines Wasserstoffversprödungsbruchs ist „Sprödbruch ohne plastische Verformung“ mit einer flachen, hellgrauen kristallinen Bruchoberfläche und ohne offensichtliche Ermüdungsstreifen. Der Ort des Bruchs tritt meist an der Gewindewurzel oder im Schaftspannungskonzentrationsbereich der Schraube auf, und es gibt keine Vorläufer wie Lockerung oder Verformung vor dem Bruch, bei dem es sich um einen plötzlichen Bruch handelt. Die Ermüdungsbruchfläche ist in Ermüdungsquelle, Ausbreitungszone und Momentanbruchzone unterteilt. Die Ausbreitungszone weist deutliche Ermüdungsstreifen auf und es treten leichte plastische Verformungs- oder Lockerungserscheinungen auf, bevor der Bolzen bricht. Durch die Analyse der Bruchmorphologie können die beiden Bruchformen schnell unterschieden werden, was eine Grundlage für die Unfallanalyse darstellt.
Welche Notfall- und Präventionsmaßnahmen sollten ergriffen werden, nachdem vor Ort gebrochene Schrauben mit Verdacht auf Wasserstoffversprödung festgestellt wurden?
Als Notfallmaßnahmen ist es erforderlich, den Leitungsabschnitt sofort zu sperren, eine umfassende Untersuchung des Bruchs von Bolzen derselben Charge durchzuführen, alle intakten Bolzen derselben Charge zu ersetzen und eine weitere Verwendung strikt zu untersagen. Im Hinblick auf Präventions- und Kontrollmaßnahmen ist es notwendig, den Oberflächenbehandlungsprozess und den Wasserstoffversprödungstestbericht der Schraubencharge zu verfolgen; Bei Prozessverstößen oder fehlenden Tests sollte der Lieferant in die Blacklist aufgenommen werden. Bei der späteren Beschaffung sollten hochfeste Schrauben bevorzugt werden, die mit wasserstofffreien Verfahren wie Dacromet und Zinkdiffusionsbeschichtung behandelt wurden, und Lieferanten sollten verpflichtet werden, Testberichte von Drittanbietern zur Wasserstoffversprödung vorzulegen. Gleichzeitig sollte vor Ort ein Inspektionssystem für die Bolzenlagerung eingerichtet werden, um versteckte Gefahren der Wasserstoffversprödung von der Quelle zu beseitigen.