Технико-экономическая оценка системы ведения рельсового хозяйства при обеспечении ресурса пути 2,5 млрд т брутто
ЕРМАКОВ В.М., докт. техн, наук, ООО НПП «АпАТэК», управляющий директор, ШУР Е.А., докт. техн, наук, АО «ВНИИЖТ», научный консультант, ЯНОВИЧ О.А., ООО НПП «АпАТэК», заместитель управляющего директора, ЕГОРОВ М.А., канд. техн, наук, Инжиниринговый центр железнодорожного транспорта, эксперт
Поставленная Правительством РФ задача повышения ресурса пути имеет огромное значение. ОАО «РЖД» совместно с представителями отраслевой науки и производителями элементов пути провели работу [1], которая позволила в 2024 г. заложить опытные участки, а с 2025—2026 гг. приступить к массовому внедрению конструкции пути с ресурсом 2,5 млрд т брутто. Первоочередным полигоном являются особо грузонапряженные участки с грузонапряженностью 80 млн т-км груза брутто/км в год и более.
Заданный ресурс можно обеспечить при соответствующих техническом обслуживании пути в целом [2] и системе ведения рельсового хозяйства в частности.
Проблемы рельсового хозяйства:
- количество мест временного восстановления с вырезкой дефекта и установкой рельсовой рубки постоянно растет и уже достигло 320 тыс. мест, или 640 тыс. рельсовых стыков [3, 4];
- доля изъятых рельсов по дефектам поверхности катания увеличивается [5] и в настоящее время составляет 60 % общего объема изымаемых остродефектных (ОДР) или дефектных (ДР) рельсов;
- фактические объемы шлифовки рельсов (около 30 тыс. км прохода) составляют около 25 % норматива (при периодичности 85 млн т груза брутто [6]), а на участках с грузонапряженностью 80 млн т-км груза брутто/км в год и более — не превышают 10—15 % норматива.
Столь малые объемы шлифовки не предупреждают появление поверхностных, а также внутренних контактно-усталостных дефектов в головке рельса; в лучшем случае — уменьшают глубину волнообразного износа рельсов.
Рельсовые стыки обусловливают появление стыковых дефектов, ускоренное дефектообразование в элементах скреплений и шпал, истирание щебня, развитие просадок и, в итоге, дополнительные затраты на текущее содержание пути, а также снижение уровня безопасности движения поездов. Следует отметить, что изломы рельсов именно с дефектом 53 являются основными причинами сходов поездов.
Нужно ставить задачу недопущения эксплуатации пути на участках с грузонапряженностью 80 млн т-км груза брутто/км в год и более с ресурсом 2,5 млрд т груза брутто со стыками после вырезки ОДР или ДР более одного месяца (в условиях положительных температур).
Шлифовка рельсов с установленной [6| периодичностью обеспечивает устранение микротрещин и появление поверхностных дефектов рельсов, уменьшение числа контактно-усталостных дефектов в головке рельса, снижение темпа расстройства геометрии рельсовой колеи благодаря сокращению ударного воздействия колес на рельсы без волнообразного износа [7].
Профильную шлифовку рельсов на сети начали выполнять в 1994 г. [8] рельсошлифовальным поездом (РШП) с активными шлифовальными камнями URR-112/10. В 1998—99 гг. у фирмы Speno закупили шесть РШП и затем организовали с ней их совместное производство в ОАО «Ремпутьмаш».
На рис. 1 приведены объемы профильной шлифовки рельсов на российских дорогах с 1995 г. Следует отметить уменьшение объемов в последние годы относительно максимально достигнутых в 2,5 раза.
На рис. 2 приведены суммарные объемы электро-контактной сварки (ЭКС) и алюмотермитной сварки (АТС) рельсов в пути, которые в основном выполнялись на участках постоянного восстановления вырезанных дефектных мест в рельсовых плетях (за вычетом сварки стыков на стрелочных переводах и вваривания в плети высокопрочных клееболтовых стыков «АпАТэК Р65 МК»),
По 2003 г. выполнялась только ЭКС рельсов машинами ПРСМ. С 2004 г. принято решение по допуску АТС, что позволило резко увеличить суммарные объемы сварки рельсов в пути, в том числе с устранением мест временного восстановления плетей. После передачи в 2008 г. ПРСМ в аренду сторонней организации объемы сварки этими машинами стали снижаться; при этом суммарные объемы до 2014 г. компенсировались ростом объемов АТС.
Резкий рост объемов АТС в 2018—2019 гг. позволил снизить темпы увеличения мест временного восстановления плетей [3], однако последующее снижение объемов сварки привело к увеличению темпа их прироста.
Следует иметь в виду, что надежность ЭКС выше, чем АТС, поэтому необходимо восстанавливать объемы сварки машиной ПРСМ до уровня 2008 г.
Современная технология ЭКС машиной ПРСМ с последующей местной локальной термической обработкой сварных швов имеет существенный недостаток: она не обеспечивает получение равной твердости по длине рельса в зоне сварного стыка, особенно подвергнутого последующей локальной термической обработке. Из-за значительного тепловложения при сварке и термообработке образуются широкие зоны термического влияния с пониженной твердостью и измененной микроструктурой с глобулярными карбидами.
При эксплуатации в этих зонах вследствие повышенного износа и смятия образуются местные локальные неровности, и количество рельсов с дефектами 46 и 47 стремительно растет. Если в начале 2000-х гг. их доля составляла около 2 %, то в 2012 г. она увеличилась до 4 %, а в 2023 г. достигла 17 %. Необходимо совершенствовать технологию ЭКС рельсов как в стационаре, так и с применением ПРСМ, исключив последующую термическую обработку сварных стыков.
Для уменьшения количества стыков эффективна их наплавка в зонах дефектов вместо вырезки [9], объемы которой с 2021 по 2023 г. выросли с 0,8 до 7,1 тыс. восстановленных дефектов. Необходимо организовать мониторинг с оценкой надежности рельсов, отремонтированных по данной технологии.
Таким образом, целесообразно оценить эффективность увеличения объемов шлифовки рельсов, сварки стыков и наплавки в зонах определенных дефектов на участках с грузонапряженностью 80 млн т-км груза брутто/км в год и более для обеспечения их ресурса 2,5 млрд т брутто.
Определим, насколько можно уменьшить количество дефектных рельсов благодаря увеличению объемов ремонта рельсов в пути.
Объемы изъятия ОДР и ДР зависят от грузонапряженности и составляют в среднем по сети около 0,035 шт/км на 1 млрд т-км, или 1,37 шт/км, при среднесетевой грузонапряженности 39 млн т-км груза брутто/км в год. При этом чем больше грузонапряженность на участке, тем больше выход рельсов в течение года.
При средней грузонапряженности на особо грузонапряженных участках 80 млн т-км груза брутто/км в год и более, равной 124 млн т-км груза брутто/км в год, ежегодный выход рельсов в ДР и ОДР будет в 3,16 раза больше среднесетевого и составит 4,32 шт/км в год при средней наработке тоннажа на этих участках около 550 млн т груза брутто. Очевидно, что при такой интенсивности выхода рельсов обеспечить их ресурс 1,4 млрд т груза брутто и ресурс пути 2,5 млн т груза брутто невозможно.
Периодичность шлифовки рельсов в соответствии с [6] составляет 85 млн т груза брутто по два прохода. Ежегодный объем шлифовки при установленной периодичности [6] для особо грузонапряженных участков, протяженность которых составляет около 17 тыс. км, составит: 17000 : 851242 = 49600 км прохода.
Примем, что при таком объеме шлифовки рельсов на участках с грузонапряженностью 80 млн т-км груза брутто/км в год и более будет уменьшено количество:
- ДР (табл. 1) с дефектами (в соответствии с [10]) 10, 11, 12, 19 — на 80 %; их ежегодное количество составит 3854 шт. (от 19270 шт. при отсутствии шлифовки); 14 — на 30 %; 16, 17 — на 80 % и т. д.;
- ОДР с дефектами 20, 21, 22, 30, 31 — на 60 %.
- При сварке всех стыков, в том числе недопущении эксплуатации мест временного восстановления более одного месяца (кроме зимнего периода), будет уменьшено количество:
- ДР с дефектами 13, 18 — на 90 %; 43 - на 90 %;
- ОДР с дефектами 33, 38, 53, 73 — на 90 %.
Расчетное годовое изъятие без шлифовки, сварки стыков составляет 46013 ДР и 11770 ОДР (всего 57783); выполнение шлифовки и сварки стыков позволит сократить количество ДР до 15672 (в 2,94 раза), ОДР — до 7310 (в 1,61 раза) и составит 22982 (в 2,51 раза меньше).
Часть ДР и все ОДР вырезают из рельсовых плетей с установкой рельсовых рубок и последующей сваркой стыков; при этом часть ДР может быть отремонтирована наплавкой [8]. По экспертным оценкам к таковым отнесены следующие дефекты: 13, 18 — 50 %; 14 — 90 % и т. д. (см. табл. 1).
Таким образом, из требующих замены 15672 ДР восстановлению наплавкой подлежат 2889 дефектов. В итоге, при выполнении указанных объемов работ по шлифовке, сварке и наплавке, количество ОДР и ДР, требующих вырезки на участках с грузонапряженностью 80 млн т-км груза брутто/км в год и более, уменьшится до 20093, или в 2,88 раз, по сравнению с 57783 рельсами при сохранении сегодняшних объемов по указанным выше работам.
Определим затраты хозяйств ОАО «РЖД» на устранение дефектов рельсов. Примем, что все ДР ремонтируются или заменяются в плановом порядке в технологические «окна» и не влияют на график движения поездов; все ОДР заменяются в экстренном порядке и влияют на график движения поездов из-за выдаваемых ограничений скорости на период подготовительных работ и предоставления внеплановых «окон» на период замены.
По данным КАСАНТ, средняя продолжительность отказа, вызванного ОДР, составляет 1,93 ч.
Затраты на замену рельса. В соответствии с [11] среднесетевая стоимость замены рельса составляет 30,4 тыс. руб.
Эта расценка используется для определения стоимости только замены рельса. Для бесстыкового пути дополнительно требуется сваривать места временного восстановления. Стоимость АТС одного стыка составляет 35,0 тыс. руб., дефек-тоскопирования после сварки — 3,9 тыс. руб.; итого на два стыка — 77,8 тыс. руб. Оплата работ бригадира пути, двух монтеров пути и двух сигналистов в течение 1/2 рабочей смены составляет 13,1 тыс. руб.
Итого на замену одного ДР или ОДР требуется 121,3 тыс. руб.; без затрат на сварку — 43,5 тыс. руб.
Наплавка рельсов в зонах дефектов. В четырехчасовое «окно» наплавкой устраняют два дефекта. При этом затраты составят:
наплавка одного места подрядной организацией — 27,0 тыс. руб.;
оплата работ бригадира пути, двух монтеров пути и двух сигналистов в течение 1/2 рабочей смены — 12,2 тыс. руб.
Итого на один дефект затрачивается 27,0 + 6,1 = = 33,3 тыс. руб.
Затраты на шлифовку рельсов. Стоимость 1 км прохода РШП составляет 30,3 тыс. руб. Для шлифования всего полигона с грузонапряженностью 80 млн т-км груза брутто/км в год и более затраты составят: 30,349600 ® 1,50 млрд руб.
Затраты на АТС стыков. Темпы прироста количества мест временного восстановления [3,4] существенно снижены в 2019 г., когда на сети были выполнены наибольшие объемы АТС — 100 тыс. стыков. Затем при снижении объемов АТС прирост мест временного восстановления резко увеличился.
В последние годы объемы сварки по сети составляют около 50 тыс. стыков в год. Примем, что фактически на участках с грузонапряженностью 80 млн т-км груза брутто/км в год и более из 50 тыс. АТС стыков по сети приходится около 24 тыс. стыков.
При выполнении шлифовки, своевременной сварки и наплавки на полигоне с грузонапряженностью 80 млн т-км груза брутто/км в год и более требуется вырезка 20779 ДР и ОДР и сварка 41558 стыков, что превышает сегодняшние объемы сварки на этих участках.
Дополнительные затраты на текущее содержание рельсовых стыков. Они появляются вследствие невыполнения сварки после вырезки ОДР или ДР и обусловлены возникновением стыковых дефектов в рельсах, ускоренным дефектообразованием в элементах скреплений и шпал, истиранием щебня, развитием просадок и т. д. Эти затраты на один стык для грузонапряженности 124 млн т-км брутто/км в год составляют 11,9 тыс. руб. в год.
Потери, вызванные задержкой и остановкой грузовых, пассажирских и пригородных поездов. Эти потери С, руб., определяются по формуле
С = NjS0CTi + Nit3iSnp, (1)
где Nj — количество задержанных поездов каждой категории, шт.; S0CTi — себестоимость остановки одного поезда соответствующей категории, руб. [10]; t3i — время задержки поездов, ч; Snp — себестоимость простоя одного поезда каждой категории, руб. [10].
Для формирования зависимости количества задержанных поездов и времени их задержки от грузонапряженности участка использованы данные системы КАСАНТ в части отказов 1-й и 2-й категории по ОДР и изломам.
Анализ долей задержанных поездов различных категорий из-за отказов 1—2-й категорий по ОДР и изломам на сети показал, что доля задержанных пассажирских поездов составляет 6,1 %, пригородных — 2,1 %, грузовых — 91,8 %.
На рис. 3 приведена зависимость количества задержанных поездов от грузонапряженности при действии ограничения скорости в течение 1 ч. Например, на участке с грузонапряженностью 105 млн т-км груза брутто/км в год при действии ограничения скорости в течение 1 ч будут задержаны восемь поездов, а за 3,5 ч — 28 поездов, в том числе: пассажирских — 6,1 %, или два поезда; пригородных — 2,1 %, или один поезд; грузовых — 91,8 %, или 25 поездов.
Количество поездов для грузонапряженности 124 млн т-км груза бруто/км в год, задержанных за 1,93 ч, рассчитанное по формуле у = 1,6275е°’0156х, составляет: грузовых — 21, пассажирских — 2, пригородных — 1; всего — 24 поезда.
Затраты, вызванные задержкой и остановкой грузовых, пассажирских и пригородных поездов на 1,93 ч действия предупреждения 15 км/ч по смене одного ОДР, составили 66,7 тыс. руб.
Дополнительные затраты энергии на разгон поездов после ограничения скорости в местах действия предупреждений. Для определения дополнительных затрат выполнены тяговые расчеты с грузовыми поездами массой 6000 т и пассажирскими массой 1000 т на участках переменного (ВЛ80 и ЧС4) и постоянного (ВЛ10у и ЧС7) тока с различными уклонами продольного профиля.
Максимальная скорость грузовых поездов принята равной 75 км/ч, пассажирских — 120 км/ч. Затраты энергии определены на 10-километровых участках на площадке и спусках и подъемах 3, 6, 9 и 12 %о без ограничения скорости (базовый вариант) и с ограничениями скорости до 15, 25, 40 и 60 км/ч.
В табл. 2 представлены дополнительные затраты электроэнергии на разгон поездов после проследования участка ограничения скорости 15 км/ч по сравнению с расходом электроэнергии при ведении поезда по этому же участку без ограничения скорости с усреднением для переменного и постоянного тока.
Затраты, связанные с дополнительным расходом электроэнергии, указанных выше 24 поездов при стоимости 1 кВт ч 4,65 руб. и продолжительности ограничения скорости 1,93 ч составили 387,5 тыс. руб.
Затраты в хозяйстве пути и эксплуатационной работе от появления ДР и ОДР на участках с грузонапряженностью 80 млн т-км груза брутто/км в год и более при двух вариантах ведения хозяйства приведены в табл. 3, при составлении которой принято во внимание следующее:
- ОДР и ДР при существующей системе частично заменяют с последующей сваркой (12 тыс. рельсов, или 24 тыс. стыков, определенных выше); остающиеся от 57783 (см. табл. 1) 45783 замененных рельса эксплуатируются со стыковыми сборными стыками. Используя новую систему, нужно будет заменить в год 20093 рельса со сваркой 40186 стыков;
- объемы наплавки ДР при существующей системе на участках с грузонапряженностью 80 млн т-км груза брутто/км в год и более практически нулевые. При новой системе они составят 2889 мест;
- при существующей системе 45783 рельса не будут сварены, что вызовет дополнительные затраты на текущее содержание 91566 рельсовых стыков;
- затраты из-за задержек поездов и затраты энергии на разгон после снижения скоростей при выдаче предупреждений на замену ОДР определяются количеством ОДР при двух вариантах системы ведения хозяйства (см. табл. 1).
Проанализировав табл. 3, можно сделать следующие выводы:
- 1) при новой системе ведения хозяйства растут затраты на шлифовку, наплавку рельсов и сварку стыков;
- 2) эти дополнительные затраты компенсируются существенным уменьшением ОДР и ДР, подлежащих вырезке, и исключением дополнительных расходов на содержание зон сборных стыков, потому что они должны быть сварены в течение месяца после вырезки;
- 3) в целом затраты по путевому комплексу по анализируемому набору работ при новой системе 4036 млн руб. в год на полигоне около 17 тыс. км с грузонапряженностью 80 млн т-км груза брутто/км в год и более меньше, чем при существующей системе (5371 млн руб.);
- 4) при учете потерь в хозяйстве движения и тяги затраты по новой системе 7357 млн руб. на 3360 млн руб. меньше, чем при существующей системе (10717 млн руб.).
Период внедрения предлагаемой новой системы ведения рельсового хозяйства с обеспечением ресурса 2,5 млрд т брутто составит примерно 10 лет — время проведения ремонтов на всем полигоне с грузонапряженностью 80 млн т-км груза брутто/км в год и более. За этот период необходимо увеличить объемы шлифовки РШП, включая внедрение. РШП со скоростным шлифованием, что снизит потребность в «окнах», а также ЭКС машиной ПРСМ, АТС и наплавки, включая предоставление необходимого количества «окон».
Прогнозирование и планирование ресурсов для ведения рельсового хозяйства необходимо организовать на основе предиктивных методов [2, 12, 13].
Важно соблюдать периодичность шлифовки, срочной сварки стыков с первых лет эксплуатации участков, отремонтированных под ресурс 2,5 млрд т брутто.
[топ]Список источников
1. Дорожная карта по разработке конструкции и технологий содержания железнодорожного пути, обеспечивающих наработку 2,5 млрд тонн брутто пропущенного тоннажа, утвержденная Распоряжением ОАО «РЖД» от 04.02.2021 № 212/р.
2. Концепция системы технического обслуживания пути. ЦДИ-2527 от 28.04.2023.
3. Романенко В.А., Мацкевич М.В., Востриков Д.В. Сокращение мест временного восстановления плетей // Путь и путевое хозяйство. 2024. № 6. С. 6—7.
4. Малявин Д.А., Клементьев К.В. Проблема роста мест временного восстановления рельсовых плетей // Путь и путевое хозяйство. 2024. № 8. С. 18—21.
5. Бурков Д.Н., Ваганова О.Н. Актуальные проблемы рельсового хозяйства // Путь и путевое хозяйство. 2022. № 8. С. 2—7.
6. Технические указания по шлифованию рельсов: утв. Распоряжением ОАО «РЖД» от 22.02.2011 № 388р.
7. Шур Е.А. Повреждения рельсов. М.: Интекст, 2012. 192 с.
8. Тридцать лет современным технологиям шлифования // Путь и путевое хозяйство. 2015. № 5. С. 2—6.
9. ТУ 0921-335-01124323-2016. Рельсы железнодорожные типа Р65, отремонтированные алюминотермитной наплан-кой по технологии THR фирмы ELEKTRO-TERMTF GMBH. Технические условия: утв. 16.06.2017.
10. Дефекты рельсов. Классификация, каталог и параметры дефектных и остродефектных рельсов: утв. Распоряжением ОАО «РЖД» 23.10.2014 № 2499/р (в ред. от 07.10.2022).
11. Об утверждении расходных ставок, оценочных уровней затрат на отмену, срыв, передержку «окон» и экономической оценки устранения отказов технических средств: Распоряжение ОАО «РЖД» от 05.03.2022 № 550/р.
12. Ермаков В.М., Штайгер М.Г., Янович О.А. Электронный паспорт рельса // Путь и путевое хозяйство. 2016. № 4. С. 13-17.
13. Ведение рельсового хозяйства на основе предиктивных методов / В.М. Ермаков, С.А. Васильева, О.А. Янович, М.А. Егоров // Путь и путевое хозяйство. 2022. № 12. С. 2—6.
