NDT超聲波探傷儀在高速重軌檢測中的應(yīng)用

張雪榮，朱小忠，萬險峰，張 俊，金 勇

（1.武鋼研究院，武漢 430083；2.武鋼股份條材總廠，武漢 430080；3.武鋼股份設(shè)備部，武漢 430080）

隨著鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，鋼軌也日益高速、重載化，為確保鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩糜诳瓦\(yùn)專線的高速重軌在出廠前按鐵科技［2004］120號文件《客運(yùn)專線60kg／m鋼軌暫行技術(shù)條件》需進(jìn)行在線、逐支、全長超聲波檢測。為提高檢測效率，確保檢測質(zhì)量，某公司從加拿大蒙特利爾NDT公司成套引進(jìn)超聲波在線檢測系統(tǒng)，用于高速重軌的在線檢測，該系統(tǒng)實物如圖1所示。

1 超聲波探傷儀工作原理及其簡介

圖1 NDT超聲波系統(tǒng)在線檢測工作圖

重軌檢測采用超聲波探傷儀型號為UMS280，該儀器具備8通道，可同時開啟7組共21個探頭，分別對重軌的頭部、腰部和底部進(jìn)行在線檢測。檢測鋼軌截面如圖2。

所有探頭除D2、F1和F2探頭采用水注式探頭外，其余均為水膜式探頭。檢測過程中，探頭固定不動，通過鋼軌在生產(chǎn)線上的移動來完成對整段鋼軌的在線檢測。

圖2 超聲波檢測鋼軌截面圖

檢測時，超聲波經(jīng)發(fā)射、耦合傳至重軌內(nèi)部，遇缺陷界面及重軌底面時產(chǎn)生反射回波。其檢測示意圖如圖3所示。

圖3 超聲波傳播及NDT探傷儀顯示示意圖

無缺陷時可見底面反射回波B，有缺陷時可見缺陷反射回波F和底面反射回波B。操作人員根據(jù)波形圖上缺陷波F的回波幅度及離底波B的距離來確定缺陷大小和位置。重軌由連鑄鋼坯經(jīng)加熱、多機(jī)架軋機(jī)軋制而成，鋼內(nèi)部組織細(xì)而均勻，十分有利于超聲波傳播和檢測［1］。

2 在線探傷前的準(zhǔn)備

2.1 樣軌的制作

按照高速重軌樣軌的制作要求，在規(guī)格相同，材質(zhì)相近，加工方式相似的無傷鋼軌的軌頭和軌腰上鉆φ 2mm孔，在軌底上挖1mm×1mm×20mm矩形槽作為標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷，樣軌制作完畢后，進(jìn)行檢查和測試，并與原標(biāo)樣進(jìn)行比較，以免在制作過程中造成新的人為缺陷。樣軌示意圖見圖4。

圖4 樣軌示意圖

2.2 探傷靈敏度調(diào)整

為保證在線探傷準(zhǔn)確率，重軌在動態(tài)檢測前，須進(jìn)行靜態(tài)靈敏度的調(diào)整。即放下樣軌，靜態(tài)下調(diào)節(jié)探頭的位置、方向，調(diào)出最佳傷波，調(diào)節(jié)衰減器，使樣軌的基準(zhǔn)孔槽的最佳反射波高達(dá)滿波高60%，并以此波高作為基準(zhǔn)波高，此時的探傷靈敏度作為基準(zhǔn)靈敏度。然后，固定好探頭及支架，按《350kg／m客運(yùn)專線60kg／m鋼軌暫行技術(shù)條件》的相關(guān)要求，在基準(zhǔn)靈敏度的基礎(chǔ)上加4dB作為重軌在線動態(tài)檢測時的靈敏度。

2.3 標(biāo)樣的重復(fù)報準(zhǔn)試驗

標(biāo)準(zhǔn)樣軌的重復(fù)報準(zhǔn)試驗是檢驗NDT超聲波探傷儀能否滿足探傷要求的一項關(guān)鍵指標(biāo)，它能直觀地反映該設(shè)備的使用可靠度，也是檢驗此套設(shè)備能否用于生產(chǎn)的關(guān)鍵。表1為NDT探傷儀樣軌重復(fù)報準(zhǔn)試驗結(jié)果。

表1 NDT探傷儀樣軌重復(fù)報準(zhǔn)試驗結(jié)果

由表1可知，NDT探傷儀探傷準(zhǔn)確率都在99%以上，該探傷儀性能穩(wěn)定、可靠。

3 高速重軌在線探傷統(tǒng)計、對比及分析

3.1 NDT探傷結(jié)果統(tǒng)計

表2為某年4～9月份高速重軌采用NDT探傷儀在線超聲波探傷的結(jié)果。

表2 4～9月超聲波探傷結(jié)果

報警軌中，鋼軌缺陷在鋼軌各部位的分布情況和所占的比例見表3。

表3 傷軌部位統(tǒng)計

由表2，3可知：

（1）高速重軌探傷的平均檢出率為1.28%，較50kg／m重軌的檢出率要低（50kg／m檢出率在2.0%～2.2%之間）。由于此兩種重軌的鋼質(zhì)基本一樣，主要原因是高速重軌鋼水冶煉內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)更高，同時將連鑄坯中夾雜、氣泡稍多的頭尾坯改軋成50kg／m軌。

（2）從檢出傷軌缺陷分布情況來看，腰傷占據(jù)很大比例，高達(dá)99.68%，這與重軌采用連鑄坯軋制有關(guān)，鋼水從連鑄坯表面向中心凝固，坯料斷面幾何中心處夾雜、氣泡、縮孔集中。軋制后缺陷集中，這些缺陷分布在重軌軌腰。此外，軌腰探頭的頻率是5MHz，比其它探頭的頻率高，可以檢測出最小的缺陷尺寸約為1.18mm，分辨缺陷的能力大。

3.2 NDT檢測結(jié)果與便攜式探傷儀檢測結(jié)果對比

為了檢驗UMS280超聲波探傷儀探傷結(jié)果的準(zhǔn)確性，對檢出的部分高速重軌進(jìn)行取樣100支，其中80支為傷軌樣，20支為無傷樣，然后用便攜式探傷儀CTS－4020進(jìn)行手動復(fù)探，復(fù)探結(jié)果是：80支傷軌樣全部都有傷反射信號，傷信號普遍高于或等于標(biāo)準(zhǔn)傷信號。但有4塊傷樣的傷反射信號略低于標(biāo)準(zhǔn)傷，其缺陷當(dāng)量尺寸＜φ2mm平底孔，根據(jù)鐵標(biāo)規(guī)定，是允許存在的，但被NDT探傷儀誤判為傷軌。在20塊無傷樣中，經(jīng)復(fù)查，無缺陷反射信號，即不存在漏判現(xiàn)象。

3.3 NDT檢測結(jié)果與金相檢查結(jié)果對比及分析

3.3.1 NDT檢測結(jié)果與金相檢查結(jié)果對比

為確定高速重軌內(nèi)部缺陷的種類，將此100塊試樣進(jìn)行金相檢驗。經(jīng)過手動定位，對上述傷樣全部進(jìn)行了解剖，探傷結(jié)果與解剖結(jié)果的對比情況如下：

（1）超聲報警為傷軌，金相復(fù)查屬不合格者有76塊，對應(yīng)率為95%，與手動探傷儀探測結(jié)果基本一致。

（2）超聲檢驗為正常鋼軌，金相復(fù)查確屬合格者，對應(yīng)率為100%。

3.3.2 金相檢驗試樣成分分析

沿試樣橫截面和縱截面進(jìn)行解剖，金相檢驗結(jié)果可總結(jié)如下：

（1）未發(fā)現(xiàn)裂紋缺陷。

（2）試樣鋼中均存在夾雜物，見圖5，6。圖5中箭頭所示區(qū)域的夾雜物比其它部位級別稍高，為氧化物B2.5級（見圖7），硫化物 A2.5級（見圖8），硅酸鹽夾雜C2.5級（見圖9，10）。

（3）觀察試樣厚度方向（加工面），圖5中箭頭所示區(qū)域的塊狀硫化物聚集分布。級別A2.5級（在截面試樣上評定），見圖11。

4 結(jié)論

（1）NDT超聲波探傷儀標(biāo)樣重復(fù)報準(zhǔn)率高達(dá)99%，整體性能穩(wěn)定、可靠，并滿足 YB／T 951—2003探傷標(biāo)準(zhǔn)和《客運(yùn)專線60kg／m鋼軌暫行技術(shù)條件》中探測軌頭、軌腰、軌底缺陷的各項技術(shù)要求，能夠在高速重軌探傷作業(yè)線上投入使用。

圖11 軌腰厚度方向磨面塊狀硫化物夾雜

（2）高速重軌探傷的平均檢出率低于其他重軌的檢出率，主要原因是高速重軌的內(nèi)控標(biāo)準(zhǔn)更高，鋼軌內(nèi)部質(zhì)量更好。

（3）NDT超聲波探傷儀在線檢測過程中，尚未發(fā)現(xiàn)漏檢，但存在部分誤檢現(xiàn)象。

（4）高速重軌絕大部分缺陷集中在軌腰區(qū)域，主要原因與重軌坯的連鑄軋制工藝有關(guān)。經(jīng)金相檢驗，這些缺陷主要是氧化物，硫化物和硅酸鹽夾雜。

（5）高速重軌探傷除了D2、F1和F2探頭采用水注式探頭外，其它均采用信噪比更高、盲區(qū)更小的水膜式探頭，這有利于與提高探頭的探傷靈敏度和探測范圍。

［1］王沼純.自動檢測技術(shù)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社.1993.