Mystiske revner i jernbaneskinner – danske forskere har fundet årsagen
For godt 20 år siden gik Banedanmark over til på særligt udsatte steder at anvende skinner af en hårdere type stål, såkaldt hovedhærdet stål. Det skete i kurver, hvor sliddet er stort, og det dermed var ønskeligt at forlænge skinnernes levetid.
Men omkring 2010 opdagede Banedanmark ligesom mange andre europæiske jernbaneoperatører, at der opstod ualmindeligt mange fejl på de hovedhærdede skinner.
- Det undrede os, da det hårde stål jo netop skulle sikre en større slidstyrke. Selvom de hovedhærdede skinner kun udgør 6 pct. af det samlede antal skinner i Danmark, tegnede de sig alligevel for op mod 15-20 pct. af vores vedligeholdelsesudgifter. Vi holdt derfor op med at bruge den type skinner efter et par år og gik i stedet tilbage til en ældre skinnetype, der er fremstillet af knap så hårdt stål, siger Carsten Jørn Rasmussen, der er teknisk systemansvarlig for skinnerne i Banedanmark.
Problemet var det samme i andre europæiske lande, der alle oplevede de samme fejl og dermed uforholdsmæssigt store udgifter til vedligeholdelse af de hovedhærdede skinner.
Mistanke ved en tilfældighed
Et par år senere fik Carsten Jørn Rasmussen ved et tilfælde mistanke til, hvad årsagen til fejlene i de hovedhærdede skinner kunne være. Det skete i forbindelse med en undersøgelse af en jernbaneskinne i en helt anden sammenhæng.
Skinnen blev skåret over og analyseret. Det viste sig, at der var dannet martensit i et område på skinnen, hvor det ikke var forventeligt.
Martensit er en mikrostruktur i stålet, der er meget sprød og hård, og som dannes ved opvarmning og hurtig afkøling. Revner i skinnerne opstår typisk i forbindelse med martensit.
- Hidtil har den generelle forståelse været, at martensit bliver dannet, hvor toghjulene rører og har kontakt med skinnen. Men på det undersøgte område af et skinnehoved havde der ikke været nogen kontakt mellem hjul og skinne. Til gengæld var området af skinnen blevet slebet, og derfor fik vi mistanke om, at skaderne kunne hænge sammen med den slibning af skinnerne, der sker som en del af vedligeholdelsen, siger Carsten Jørn Rasmussen.
Slibning af jernbaneskinner sker præventivt for at forlænge skinnens levetid. Ved slibningen bliver ganske lidt, cirka 1/10 mm, af skinnen slebet af og fjerner dermed eventuelle små revner, før de når at vokse sig større.
Det sker med et slibetog, som har monteret runde slibesten under sig. Når toget kører frem, sliber stenene skinnerne. Slibningen medfører en høj varmedannelse på over 700 grader. Umiddelbart efter bliver stålet meget hurtigt nedkølet, da resten af skinnen og omgivelserne jo ikke er opvarmet.
DTU gennemførte analyser
Efterfølgende pegede stadig mere på, at slibning kunne være årsagen til det øgede antal fejl i hovedhærdede skinner. For at få en større viden, indgik Banedanmark et samarbejde med DTU om at gennemføre en række analyser.
Jernbaneskinner er i sagens natur ikke så enkle at undersøge. Men Banedanmark fandt nogle skinner ved en station, der ikke var i brug. Her sendte de et slibetog forbi og kunne efterfølgende skære skinnerne ud og sende dem til undersøgelser.
Seniorforsker Hilmar Kjartansson Danielsen forsker i stål, blandt andet i lejer i vindmøllers gearkasser, hvor stål ruller på andet stål. Han og professor Dorte Juul Jensen er blandt de forskere på DTU, der har arbejdet sammen med Banedanmark om at forstå årsagen til problemet.
- Vi har analyseret skinnerne både med 3D-scanning og mikroskopi. På den måde kunne vi konstatere, at der var mærker på tværs af skinnerne, som blev gentaget med jævne mellemrum, for eksempel præcis 29 mm. Slibesten er fremstillet af hårde keramiske materialer, der består af mange slibekorn. Når et slibekorn er større end de andre, dannede det et mærke i skinnen, som vi kunne konstatere en regelmæssig gentagelse af, siger Hilmar Kjartansson Danielsen.
Dansk viden er efterspurgt
Forskerne konstaterede med scanninger, at der ved slibemærkerne blev dannet sprød martensit på overfladen af skinnen, hvilket fører til initiering af små revner i skinneoverfalden. Den slibning, der hidtil havde været anset for at være en fordel og øge skinnens levetid ved at fjerne eventuelle små revner, viste sig altså at være for aggressiv og i stedet bidrage til at skabe revner.
Der er forsket massivt i området i mange europæiske lande for at finde en løsning på problemet, men det blev Danmark, der fandt årsagen til det store antal fejl i hovedhærdede jernbaneskinner. Den nye viden er offentliggjort i en videnskabelig artikel og præsenteret ved flere konferencer og møder.
- Problemet med de mange fejl i jernbaneskinner findes i hele Europa og har store økonomiske og driftsmæssige konsekvenser. Der er derfor også stor interesse for vores resultater, både hos de aktører, der har ansvar for jernbaneskinnerne i de øvrige europæiske lande og hos de virksomheder, der hjælper med at vedligeholde skinnerne, eksempelvis med slibning. Der er således allerede nu udviklet mindre agressive slibesten til brug ved vedligeholdelsen, siger Carsten Jørn Rasmussen.
Banedanmark er for længst holdt op med at lægge nye hovedhærdede skinner. De eksisterende hovedhærdede skinner bliver således heller ikke slebet længere, men i stedet fræset. I øjeblikket arbejder de blandt andet sammen med en af de virksomheder, der sliber jernbaneskinner om at udvikle en anden og mindre aggressiv metode til brug i vedligeholdelsen.
