超聲波鋼軌探傷的工作原理及應用

林國旺

摘要：廣州地鐵目前對在役鋼軌無損檢測的方法主要是超聲波脈沖反射探法傷，具體工作內容包括正線線路鋼軌探傷月檢、車輛段線路探傷季檢、焊接接頭探傷年檢，還有鋁熱焊接頭探傷半年檢。

關鍵詞：無損檢測，超聲波，鋼軌探傷

一 引言

我們在選購西瓜的時候會用手拍打西瓜外皮，聽其發出的聲響以及憑拍打的手感，大致判斷西瓜的生熟，這可謂最早的“無損檢測”的手段了。現如今，超聲波探傷作為無損檢測中的明星，是鋼軌上線運營后內部質量監測的唯一手段。隨著廣州地鐵開通里程的不斷增長，運輸密度不斷的提高，對鋼軌使用狀態的要求也是極端的嚴格。要監控這不斷發展的軌道交通線路鋼軌內部質量，就得不斷提高改進鋼軌探傷技術，開發應用先進探傷設備。介于超聲波探傷的優越性，我們有必要對其原理及具體工作內容進行了解。

二 超聲波探傷的基本原理及探傷儀器的構造

2.1超聲波探傷的基本原理

能引起人聽覺反應的聲波頻率范圍是20Hz到20kHz，頻率低于20Hz的稱為次聲波，高于20kHz的稱為超聲波。聲波是機械波，波的頻率越高，傳播的直線性越好。超聲波易于在固體中傳播，遇到兩種不同介質形成的界面時遵循反射原理直線反射回來。

探傷儀用配備的探頭與工件良好的接觸，向工件內部發射超聲波，并接收聲波遇到工件界面或缺陷反射回來的回波，回波被轉換成電信號，在儀器顯示屏上以圖像顯示出來，根據超聲波在介質中的傳播速度和探頭發射到接收這一段時間，可以定位出缺陷的位置。工件的缺陷越大，其反射回來的聲波能量也越大，通過圖像的回波情況可以知道缺陷的大小。

探頭表面使用了一類特殊的晶體，該晶體在交變拉壓應力作用下，其表面會產生交變電壓。這種效應被稱為壓電效應。能產生壓電效應的晶體就叫壓電晶體。反過來，壓電晶體材料受到交變電壓的作用時產生交變應變的現象則稱為逆壓電效應。

2.2探傷儀探頭結構

探頭與工件接觸的一面裝有壓電晶片，探傷儀內的高頻電脈沖發射電路通過探頭向晶片發出高頻脈沖電壓，與工件接觸的晶片向工件發射相同頻率的超聲波；探頭接收到超聲波時，壓電晶片發生正壓電效應，探頭產生相同頻率的脈沖電壓，電壓經過放大等處理，即可在顯示屏顯示出反射波形圖。

常用的探頭有直探頭和斜探頭。直探頭也稱為0°探頭，即其發射的聲波與工件接觸面的垂線成0°角，發射與接收均由同一探頭完成，主要用于檢測與探測面平行的缺陷，如鋼軌水平、縱向和斜裂紋等。

斜探頭有縱波斜探頭、橫波斜探頭和表面波斜探頭等，最常用的是橫波斜探頭。斜探頭發射的聲波與工件接觸面垂線成一定角度（45°、68.2°、37°和70°等），主要用于探測與探測面垂直或成一定角度的缺陷，如各表面裂紋、核傷、焊接缺陷等。

三 探傷儀的顯示說明及校準

3.1探傷儀的顯示說明

超聲波探測顯示的方式有多種，常用的有A型顯示和B型顯示。A型顯示用一根時基線表示某處的回波對應的聲波深度（即工件深度），波形的高度表示了回波的強度。B型顯示可以同時觀測多個通道的回波，并在縱向上直觀顯示了回波的位置。

缺陷處在同一深度（一般指聲波傳播的聲程）情況下，面積越大反射的回波強度越高。缺陷大小相同，但處在不同的深度，此時在顯示屏上該缺陷的回波高度也有可能是一樣的，只是顯示的時基線位置不同。

在檢測的時候探測到了缺陷回波，結果要以量計的情況下，必須使用已經精確校準過的儀器進行探傷，比如使用CTS-9008HT數字探傷儀對無縫線路焊接接頭進行年檢探傷。

3.3探頭的校準及DAC曲線含義

校準探傷儀需要用到標準試塊，試塊上有若干個大小一致的人工制造的孔洞，作為已知缺陷。用已校準前沿、零點并已知K值（即探頭的發射角度）的探頭，從試塊表面到底面依次探測所有孔洞，并記錄下每個孔洞回波的峰值，然后用一條平滑曲線把各峰值點連起來，就形成了DAC曲線。

波形中最高的三個峰值點對應了試塊中三個不同深度的人工缺陷，缺陷所處深度越深，其反射波的強度也越弱。假定標準試塊的人工缺陷為輕傷標準，則實踐中如果探測到工件有缺陷回波，其波峰低于標定好的虛線，則缺陷未達到輕傷標準，反之則達到或超過輕傷標準。具體程度可根本回波的高度判定，其位置也可以在時基線上確定。

焊接接頭是無縫線路鋼軌薄弱之處，需特別對其進行精確定量的探傷檢測。接頭檢查周期為一年，具體工作內容為CTS-9008HT數字探傷儀依次對每個焊接接頭處鋼軌軌頭、軌腰及軌底進行全面的探測，排除焊接接頭任何可能存在的缺陷。

四 超聲波探傷的優點和局限

超聲波探傷的優點是很突出的，具體體現在以下幾個方面。

1，穿透能力強。超聲波在固體中傳播時能量損失小，由其是在鋼材中傳播時，探測深度可達數米，能輕易勝任鋼軌探傷的作業；

2，靈敏度高。超聲波探傷能引起聲波反應的缺陷大小一般約為聲波波長的1/2，直徑約十分之幾毫米的缺陷就會出現反射回波，高靈敏度恰恰是鋼軌探傷首要的要求；

3，檢測速度快，效率高。超聲波探傷能即時得出檢測結果，若現場作業探測到傷損馬上就能作出應對措施，組織搶險。檢測的結果能存檔、導出備案，便于核實復查；

4，設備輕便，操作簡單，成本低。探傷小車和探儀器均可以一人操作便能完成探測任務，電池可連續使用數個工作日，用水作為耦合劑即可保證探測結果的可靠性。

上述超聲波探傷的優越性決定了超聲波探傷是在役鋼軌探傷不二的選擇，但即使如此，超聲波鋼軌探傷也有很明顯的局限性。

超聲波探傷對探測表面要求較高。超聲波從探頭發射出來，透過保護膜傳到工件表面，中間有一層空氣膜，極大的影響了聲波的傳播，所以超聲探傷都需要在探測工件表面填充耦合介質，使得聲波能正常透入被檢工件，液體的流動性也能一定程度上填充被檢表面的坑洼，減少探頭保護膜的磨耗。但也正由于液體的流動性，使得探頭與被檢表面間的液態耦合介質要時時更新，因而連續推行的探傷小車使用導水管對探頭前方鋼軌連續灑水，而需要精確往復檢測的焊接接頭檢測則使用黏度高的油作用耦合劑。

實踐證明，使用液態耦合劑能很大程度上保證探測結果的可靠性，但是針對軌道交通在役鋼軌探傷的情況，則存在一些不可避免的意外。比如鋼軌表面不潔凈，有銹蝕，或粘有水泥塊，有磨耗等，引起探頭推進時的震動，則很有可能出現雜波或者不真實的回波，目前除了及時判別重新探測之外，并無有效的手段能解決這一問題。

除此之外，超聲波探傷無法對道岔轍岔心進行探測。道岔轍岔心是高錳鋼整鑄的，其晶粒較大，直徑超過超聲波波長，所以超聲波不能對轍岔心探傷。目前綜合工班對轍岔心的主要檢測手段依然是原始的手工探傷，包括目測，錘敲，檢查道岔的外觀，有無透銹，有無變形等等。

總結

超聲波鋼軌探傷是一門重視理論與實踐的學科。超聲波鋼軌探傷儀的運用，是鋼軌探傷歷史上一大飛躍的進步，也是必然的結果。作為“鋼軌內科醫生”、從事鋼軌探傷工作的工作人員必須抱著強烈的求知欲，學習鋼軌探傷知識，熟知探傷相關校準規范，牢固樹立保安全、高質量的理念，不斷積累探傷實踐經驗，善于總結，在超聲波鋼軌探傷中探出更廣闊的一片天地。

參考文獻：

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[2]王鐵楠，劉杰.超聲波探傷儀在高速鋼軌檢測中的應用

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[4]梁煒.智能型超聲波鋼軌探傷儀