Study of Multiple Repair and Inspection on Rail Head Surface

      การขยายความสามารถในการขนส่งทางรางในประเทศไทย เป็นแนวทางการพัฒนาเศรษฐกิจที่รัฐบาลให้ความสำคัญอย่างมาก ปริมาณการขนส่งด้วยระบบรางของประเทศไทยจึงมีแนวโน้มเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ทั้งการขยายความสามารถของแนวเส้นทางเดิม การเพิ่มเส้นทาง และเพิ่มระบบเดินรถแบบใหม่ทั้งระบบขนส่งมวลชนในเมือง และระบบรถไฟความเร็วสูงระหว่างเมือง ทั้งหมดนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อปรับเปลี่ยนระบบการเดินทางและขนส่งทางบกของประเทศไทย ไปสู่ระบบรางที่มีความปลอดภัย มีประสิทธิภาพ และมีความน่าเชื่อถือสูง เช่นเดียวกับประเทศที่พัฒนาแล้วอื่นๆ อย่างไรก็ตาม การใช้งานระบบรางในระยะยาว จำเป็นต้องมีระบบการบำรุงรักษาและซ่อมบำรุงเพื่อให้เกิดความมั่นใจในการใช้งานระบบรางตลอดการใช้งาน รางรถไฟในทางจำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบและซ่อมบำรุงตามวาระและอาการ

      ความเสียหายของราง อาจเกิดจากการใช้งานร่วมกับตัวรถ ที่มีสาเหตุมาจากอัตราภาระ หรือลักษณะของทางที่ทำให้แรงกระทำข้อล้อต่อรางมีมากกว่าทางวิ่งปกติ ตัวอย่างเช่น เส้นทางที่มีการจราจรหนาแน่น มีความชันมาก มีโค้งแคบ หรือต้องมีการเร่งและการหน่วงของตัวรถ ดังที่พบได้ในย่านสถานีต่างๆ เป็นบริเวณที่มักจะพบความเสียหายของรางมากกว่าทางตรงปกติ จำเป็นต้องมีการตรวจสอบบ่อยครั้ง และอาจต้องซ่อมถ้าจำเป็น ในกรณีความเสียหายหนัก วิศวกรอาจตัดสินให้ตัดและเชื่อมรางใหม่เข้าไปแทนที่รางเสียหายเดิม แต่ในกรณีความเสียหายเล็กน้อย ซึ่งส่วนใหญ่เป็นความเสียหายบริเวณหัวรางด้านบนและด้านในที่สัมผัสกับล้อ วิศวกรอาจตัดสินใจให้ใช้วิธีเชื่อมซ่อม ซึ่งสามารถทำได้รวดเร็วกว่า ภายใต้การประกันคุณภาพเพื่อให้เกิดความมั่นใจในการเชื่อมซ่อม มีกำหนดไว้เป็นมาตรฐานสำหรับการซ่อมบำรุงทางอยู่แล้ว ทั้งมาตรฐานของประเทศไทยและต่างประเทศ

           แต่หากพิจารณาถึงบริเวณที่พบความเสียหายของรางเป็นประจำแล้วจะพบว่า การเกิดความเสียหายมักจะเกิดในพื้นที่เดิม และมีโอกาสที่จะเกิดความเสียหายซ้ำในจุดเดิมได้ เมื่อเกิดความเสียหายซ้ำในจุดเดิม จึงมีความเป็นไปได้ที่การเชื่อมซ่อมจะต้องดำเนินการในตำแหน่งเดิมที่เคยเชื่อมซ่อมมาแล้ว ซึ่งเรียกว่าการเชื่อมซ่อมซ้ำ ในทางวิศวกรรมการเชื่อมแล้ว การเชื่อมซ่อมซ้ำมักจะทำให้เกิดปัญหาใหม่เนื่องจากวัสดุเดิมถูกความร้อนจากการเชื่อมครั้งก่อนทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงไปแล้วนั่นเอง ปัญหานี้จึงมีความซับซ้อน และต้องทำความเข้าใจให้ลึกซึ้ง ทั้งทางด้านโลหะวิทยา การตรวจสอบ และการควบคุมกระบวนการเชื่อม แม้ว่าจะมีมาตรฐานกำหนดคุณภาพการเชื่อมซ่อมดังที่กล่าวไปข้างต้นก็ตาม ข้อกำหนดดังกล่าวก็ไม่ได้กล่าวถึงพฤติกรรมเชิงโลหะวิทยาของรางที่เกิดการเปลี่ยนแปลงไป และไม่ได้กล่าวถึงกรณีของการเชื่อมซ่อมซ้ำหลายๆครั้งในที่เดิม

           ดังนั้น เพื่อให้เกิดการใช้ประโยชน์จากรางได้สูงที่สุด โดยที่ยังคงความสามารถในการใช้งานได้อย่างปลอดภัย การศึกษาเกี่ยวกับการเชื่อมซ่อมซ้ำบริเวณหัวรางจึงสามารถให้ข้อมูลองค์ความรู้ที่มีคุณค่า ได้แก่ ความรู้ด้านผลกระทบจากการเชื่อมซ่อมต่อวัสดุราง ความสามารถในการใช้งานของการเชื่อมซ่อม การกำหนดวิธีการซ่อมที่เหมาะสมที่สุด การตรวจและประเมินคุณภาพของรอยเชื่อมซ่อม และการกำหนดวิธีการตรวจและประเมินความสามารถในการใช้งานได้ของรอยเชื่อมซ่อม หากงานวิจัยนี้ประสบความสำเร็จ ยังเป็นการเปิดโอกาสให้หน่วยงานรัฐและเอกชนได้ยืดอายุการใช้งานของรางในระบบที่ดูแล เป็นการลดต้นทุนและใช้ทรัพยากรของประชาชนอย่างมีประสิทธิภาพที่สุด องค์ความรู้เหล่านี้สามารถใช้งานได้จริงทันที และเป็นทรัพย์สินทางปัญญาที่สามารถสร้างมูลค่าได้

           จากการสำรวจในพื้นที่โครงการระบบรางต่างๆ ของประเทศไทย พบว่า โครงการก่อสร้างด้านระบบราง มักใช้รางที่ผลิตได้ตามมาตรฐาน AREMA หรือ EN โดยทั่วไปเป็นวัสดุเหล็กที่มีปริมาณคาร์บอนปานกลางอยู่ที่ประมาณ 0.8% (Eutectoid Steel) และธาตุผสมอื่นๆ เช่น XXXX ทั้งนี้ การปรับเปลี่ยนปริมาณของธาตุผสมต่างๆ ในรางเพื่อให้วัสดุรางมีสมบัติทางกลที่สอดคล้องกับมาตรฐาน

            รางรถไฟเกรด XXX มีข้อกำหนดสมบัติทางกล ได้แก่ ความแข็งแรงดึง ความยืด และความแข็งที่หัวราง ที่เป็นผลมาจาก โครงสร้างทางจุลภาคของราง ได้แก่ เพิร์ลไลท์ หรือ อัพเปอร์เบนไนท์

            จากการสำรวจและทบทวนวรรณกรรมที่ผ่านมา พบว่า รางรถไฟอาจเกิดกรณีความเสียหายแบบรุนแรง ได้แก่ รางแตกหัก (Broken rail) และรางเกิดรอยร้าว (Cracked rail) จำเป็นต้องตัดออกและประกอบรางใหม่เข้าไปแทนด้วยกระบวนการเชื่อมต่อราง และกรณีความเสียหายทั่วไปที่บริเวณหัวราง (Damaged rail) เช่น รอยล้อ (Wheel burn) รอยร้าวที่หัว (Head cracking) ร่องหลุมลอน (Short pitch corrugation) ความเสียหายบริเวณหัวราง มักเกิดความเสียหายจากการใช้งาน ได้แก่ การเสียดสี สั่นสะเทือน ปะทะ กับล้อรถไฟ ซึ่งอาจเกิดจากปริมาณการใช้งาน แนวโค้งของราง หรือ การเร่งหรือการใช้ห้ามล้อ ที่ทำให้เกิดการเสียดสีรุนแรง ในบริเวณพื้นผิวหัวรางนี้ ตามมาตรฐานอนุญาตให้ซ่อมได้ด้วยการเชื่อม

            เมื่อพิจารณาถึงสาเหตุของความเสียหายของหัวราง พบว่า ส่วนมากมีสาเหตุจากการใช้งานในพื้นที่เฉพาะ และมีโอกาสเกิดความเสียหายซ้ำซาก เช่น รอยล้อ ที่เกิดในบริเวณทางโค้งมีการเบียดของล้อ ช่วงทางขึ้นเนินและลงเนินมีการเสียดสีของล้อจากการเร่งหรือหน่วงของรถไฟ บริเวณสถานีที่มีการหยุดและออกตัวรถ รอยร้าวที่หัวรางบริเวณรอยต่อประกับที่เกิดจากการกระแทกของล้อในขณะวิ่งผ่าน ร่องหลุมลอนที่เกิดจากหลายสาเหตุทั้งวัสดุ หน้าตัด และตำแหน่งการติดตั้งใช้งาน ในตำแหน่งการเชื่อมซ่อมเดิม จึงมีโอกาสเกิดการเสียหายซ้ำได้อีก หากสามารถซ่อมแซมด้วยการเชื่อมซ้ำได้ จะช่วยประหยัดทรัพยากรในการตัดเปลี่ยนชิ้นรางได้

           อย่างไรก็ตาม การเชื่อมซ้ำบนรอยเชื่อมเดิม ย่อมทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างทางจุลภาค และส่งผลต่อสมบัติทางกล โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ในบริเวณที่เกิดความเสียหายซ้ำซาก รอยเชื่อมซ่อมต้องให้สมบัติที่สอดคล้องกับวัสดุรางเดิมโดยไม่ทำให้เกิดความแตกต่างของสมบัติมากเกินไป อันจะเป็นสาเหตุให้เกิดปัญหาใหม่ ดังนั้น การกำหนดคำถามของงานวิจัยนี้จึงจำเป็นต้องคำนึงให้ครอบคลุมในทุกด้าน ได้แก่ 

การเชื่อมซ่อมซ้ำทำให้เกิดแนวโน้มการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างทางจุลภาคอย่างไร

           การเปลี่ยนแปลงโครงสร้างเป็นผลกระทบโดยตรงของการเชื่อมที่มีต่อชิ้นงานรางที่ถูกเชื่อม โครงสร้างทางจุลภาคเป็นปัจจัยกำหนดสมบัติเชิงกลและสมบัติอื่นๆที่ทำให้เกิดความเหมาะสมต่อการใช้งาน ตามมาตรฐานการเชื่อมซ่อมราง ENXXX กำหนดให้โครงสร้างทางจุลภาคของรอยเชื่อมต้องไม่ปรากฏโครงสร้างจุลภาคชนิดมาร์เทนไซท์ ที่เป็นสาเหตุของโครงสร้างแข็งเปราะ และเสี่ยงต่อการแตกร้าว รวมไปถึงกำหนดให้รอยเชื่อมและบริเวณกระทบร้อนต้องมีค่าความแข็งที่แตกต่างจากเนื้อวัสดุเดิมน้อยที่สุด ผลการทบทวนวรรณกรรมที่ผ่านมาเกี่ยวกับการเชื่อมและการเชื่อมซ่อมบนราง พบว่า รอยเชื่อมรางและบริเวณใกล้เคียง มีบริเวณที่มีความแข็งสูงและความแข็งต่ำกว่าปกติได้ จากการรับความร้อนเนื่องจากการเชื่อม การควบคุมค่าความแข็งนี้สามารถทำได้โดยการควบคุมอุณหภูมิก่อนการเชื่อม การควบคุมอัตราการเย็นตัว และการปรับปรุงสมบัติด้วยความร้อนหลังจากการเชื่อม การสังเกตการเปลี่ยนแปลงของบริเวณกระทบร้อนพบว่าค่าความแข็งมีความสัมพันธ์กับลักษณะของโครงสร้างทางโลหะวิทยา ขนาดของเกรน และรูปร่างของเกรน การควบคุมสมบัติของรอยเชื่อมและบริเวณข้างเคียงสามารถประสบความสำเร็จได้ อย่างไรก็ดี ยังไม่พบการศึกษาถึงความสามารถในการเชื่อมซ่อมซ้ำหลายครั้ง การศึกษาวิจัยในส่วนนี้จึงมุ่งเน้นที่การสังเกตการเปลี่ยนแปลงของโครงสร้างทางโลหะวิทยาและสมบัติต่างๆ ที่เกิดจากการเชื่อมซ่อมซ้ำ จำนวนครั้งในการศึกษากำหนดที่จำนวนการเชื่อมซ่อม 3 ครั้ง (เชื่อมครั้งแรก - ซ่อมครั้งที่ 1 - ซ่อมครั้งที่ 2 – และซ่อมครั้งที่ 3)

รางที่เชื่อมซ่อมซ้ำมีความสามารถในการใช้งานได้แตกต่างจากรางปกติอย่างไร 

         นอกจากโครงสร้างทางโลหะวิทยา สมบัติทางกล และสมบัติอื่นๆ ที่สามารถวัดได้แล้ว รอยเชื่อมควรได้รับการทดสอบเปรียบเทียบกับการใช้งานจริง จากการศึกษามาตรฐานการทดสอบรางและรอยเชื่อม พบว่า หัวข้อการทดสอบหนึ่งที่จำเป็นในการพิสูจน์คุณภาพของงานเชื่อม ได้แก่ การทดสอบความล้า การทดสอบ Rolling-load และการทดสอบการสึกหรอ วิธีการทดสอบกลุ่มนี้เน้นให้ตัวอย่างทดสอบได้รับภาระงานเสมือนการใช้งานจริงในสภาวะต่างๆ เพื่อยืนยันความสามารถของรอยเชื่อมซ่อมซ้ำ การทดสอบจะช่วยให้ข้อมูลเกี่ยวกับการประเมินความสามารถในการใช้งานเปรียบเทียบกับวัสดุรางเดิม เพื่อตอบคำถามนี้ จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์ทดสอบที่สอดคล้องกับวิธีการทดสอบมาตรฐาน เก็บข้อมูลการทดสอบบนรางปกติ เปรียบเทียบกับผลการทดสอบบนชิ้นงานเชื่อมซ้ำ การวัดผลการทำโดยการตรวจสอบด้วยสายตาประกอบเครื่องมือวัด การวัดเชิงมิติ การวัดความแข็ง ตรวจสอบโครงสร้างจุลภาค และการตรวจสอบด้วยเทคนิคทางฟิสิกส์อื่นๆ เช่น การตรวจสอบด้วยภาพถ่ายรังสี หรือการตรวจสอบด้วยกระแสไหลวน

การเชื่อมซ่อมซ้ำต้องใช้กรรมวิธีการเชื่อมแบบใดจึงเหมาะสมกับการใช้งาน

          กรรมวิธีการเชื่อมคือข้อมูลของพารามิเตอร์ที่ใช้สำหรับควบคุมให้เกิดความมั่นใจในคุณภาพของกระบวนการเชื่อม ข้อกำหนดกรรมวิธีการเชื่อมต้องถูกออกแบบและพิสูจน์ความสามารถ อย่างน้อยที่สุดให้เป็นไปตามมาตรฐานที่กำหนด อย่างไรก็ตาม ข้อกำหนดของมาตรฐานการเชื่อมซ่อม ไม่ได้กล่าวถึงกรณีของการเชื่อมซ่อมซ้ำ โดยอนุมานแล้วอาจกล่าวได้ว่า เกณฑ์การยอมรับเดิมของการเชื่อมซ่อมครั้งแรก ยังคงสามารถใช้ได้ต่อไป ดังนั้น แนวโน้มการเปลี่ยนแปลงใดที่เป็นในทิศทางออกนอกเกณฑ์กำหนดของมาตรฐาน อาจถือได้ว่ามีความเสี่ยงต่อการไม่ได้คุณภาพตามข้อกำหนด ในกรณีของงานวิจัย เนื่องจากมีสมมติฐานอื่นนอกเหนือจากที่มาตรฐานได้ตั้งไว้ ดังนั้น ข้อมูลอื่นอาจต้องถูกนำมาพิจารณาด้วย สำหรับงานวิจัยนี้กำหนดให้มีการเปรียบเทียบเชิงผลกระทบของข้อมูลพารามิเตอร์การเชื่อม กับสมบัติต่างๆ ทั้งตามที่กล่าวถึงตามเกณฑ์มาตรฐาน และสมบัติอื่นๆ ที่น่าสนใจด้วย

การตรวจสอบหรือวัดสมบัติที่เปลี่ยนแปลงไประหว่างการใช้งานของรอยเชื่อมซ่อมซ้ำทำได้หรือไม่อย่างไร

           เมื่อมีความมั่นใจในกรรมวิธีการเชื่อมแล้ว หากสามารถตรวจสอบหรือวัดสมบัติของรอยเชื่อมและบริเวณข้างเคียงเพื่อใช้เป็นข้อมูลตั้งต้นเพื่อนำไปใช้เปรียบเทียบให้เห็นความเปลี่ยนแปลงของสมบัติต่างๆ เหล่านั้น ข้อมูลดังกล่าวนี้จะเป็นประโยชน์อย่างมากต่อการประกันคุณภาพงานเชื่อมซ่อมซ้ำแต่ละครั้ง อีกทั้งข้อมูลนี้อาจสามารถบ่งชี้สถานะ หรืออายุการใช้งานของรอยเชื่อมซ่อมดังกล่าวได้ด้วย งานวิจัยส่วนนี้จะใช้เทคนิคทางการตรวจสอบแบบไม่ทำลายและเทคนิคทางโลหะวิทยา เช่น การถ่ายภาพรังสี การใช้คลื่นเสียงความถี่สูง การใช้กระแสไหลวน การใช้เทคนิคการแทรกสอดของรังสีเอ็กซ์ หรือการเก็บตัวอย่างตะกอนผลึกของพื้นผิวรอยเชื่อม เป็นต้น เพื่อเก็บข้อมูลและประเมินความเปลี่ยนแปลงระหว่างการเชื่อมซ่อมซ้ำแต่ละครั้ง

จะพัฒนาวิธีตรวจสอบหรือวัดความสามารถในการใช้งานได้หลังจากการเชื่อมซ่อมซ้ำอย่างไร

        เมื่อทราบถึงข้อมูลการเปลี่ยนแปลงที่ได้จากการตรวจวัดแล้ว จึงนำมาประเมินผลด้วยเทคนิคการสถิติ เพื่อหาความสัมพันธ์ของข้อมูลการเปลี่ยนแปลงที่ได้กับสถานะของรอยเชื่อมดังกล่าว อาจต้องมีการทำซ้ำการเชื่อมและการตรวจสอบ เพื่อยืนยันความถูกต้องของผลอีกครั้ง ส่วนวิจัยนี้จะให้ผลผลิตเป็นวิธีการมาตรฐานสำหรับการตรวจสอบและวัดความสามารถในการใช้งานได้ของรอยเชื่อมซ่อมซ้ำ