大型鋼軌探傷車SYS1900探傷檢測系統工作原理及各換能器技術參數的設置

陳 金/蘭州工務機械段

大型鋼軌探傷車SYS1900探傷檢測系統工作原理及各換能器技術參數的設置

陳 金/蘭州工務機械段

SYS1900超聲檢測系統各換能器閘門參數(增益、初始值、閘門寬度)的合理設定，有利于提高大型鋼軌探傷車的傷損檢出率，減少傷損的誤判。本文以檢測P60軌為例，結合GTC-80型鋼軌探傷車使用的實際情況，對1900探傷檢測系統工作原理及各換能器閘門的參數設置進行簡介，以備在實際中應用。

超聲檢測；探傷；系統參數；閘門；us（微秒）

一．概述

隨著蘭新客專的開通，蘭州局于2013年底在GTC-6J型鋼軌探傷車的基礎上又引進一臺GTC-80型鋼軌探傷車，兩臺探傷車都配備了SYS1900超聲探傷檢測系統。合理調整SYS1900探傷檢測系統各換能器閘門參數，不僅需要操作員了解超聲波及各換能器的工作性能和特點，還要有豐富的現場實踐經驗，根據線路狀態，及時準確的調整各閘門參數，采集高質量的探傷檢測數據，提高探傷檢測質量。

二、探傷車超聲檢測的工作原理

由聲學知識得知，從換能器發出的超聲波能量在鋼軌中的傳播速度是常數，換句話說，超聲波能量總是以相同的速度傳播。實際上，對于鋼軌中的縱波，這個速度是5960 米/秒，而對于橫波則為3260米/秒。探傷車檢測系統據此測量超聲波回波在鋼軌中的傳播時間，從而確定回波的位置。需要注意的是，由于換能器接收到的回波在傷損與換能器之間傳播了一個來回，由傳播時間獲得的超聲波傳播路程是傷損與換能器之間的距離的二倍。這就是檢測系統確定傷損在鋼軌位置的原理。由于系統用示波器顯示超聲波A 型信號，其橫軸代表時間，回波信號的距離信息可以在橫軸上顯示。圖2給出了0度通道示波器信號與鋼軌深度之間的關系。

圖2 0度超聲時間/距離關系（鋼軌與示波器對照）

探傷車系統采用輪式探頭。探頭外部包裹有聚酯橡膠外膜，內充專用液體。當系統將短時間高電壓脈沖施加到換能器的壓電晶體上時，換能器的晶體將按照其本征頻率振動，該振動通過輪探頭中的液體傳播到鋼軌里，這就是超聲波的發射過程。由于超聲波不能穿透空氣間隙，系統配備有耦合水噴頭，以排除軌面與輪探頭之間的空氣。如鋼軌內部有傷損，將得到出現傷損波回波。因檢測不同取向傷損的需要，每個探輪內部安裝有不同發射角度的超聲波傳感器（0度、45度和70度）。

圖3 9英寸探輪超聲波束發射示意圖

當輪探頭在鋼軌上快速移動并以高頻率連續向鋼軌發出超聲波，就完成了高速連續的檢測。大型鋼軌探傷車的檢測原理就是發射超聲波對鋼軌做高密度的斷面切片式掃查。系統檢測傷損的靈敏度取決于兩點：一輪探頭和超聲晶片在聲學意義上的靈敏度；二超聲掃查的密度（超聲發射頻率）。

三、SYS1900探傷檢測系統各換能器閘門的參數設置

（一）0度界面閘門的參數設置

0度界面閘門區間對應0度晶片的第一次界面反射，該界面反射信號從輪膜內表面或從軌面返回到0度晶片。界面波閘門雖然不是一個檢測閘門，但它和其它系統設置一起共同決定了同一個探輪內其余晶片的動態定位。0度界面增益設置值需要能保證0度晶片接觸面的反射信號始終超出閾值，一般設為31.5dB。0度界面延時應設置在鋼軌或輪膜第一次界面反射之前，標準的9英寸探輪在探輪液的聲程是90us。界面窗口初始值設置成80us，允許探輪在檢測過程存在下壓的余量。探輪0度界面寬度參數在檢測過程中動態改變，一般設為40us,隨著第一次界面反射信號的結束，閘門的末端也會戛然而止，探輪中其他閘門時序會隨之開始，這樣能獲得更高的檢測分辨率。

（二）0度監視閘門的參數設置

0度監視閘門范圍對因于鋼軌軌頭中心到接近軌底之間的區域。0度監視窗初始值設置的位置能最大限度提高傷損檢測，同時又能遠離鋼軌接觸面以抑制噪聲，一般設為12.8us。0度監視寬度包括軌底在內，從軌面到軌底的距離，0度監視閘門的寬度值取決于鋼軌軌型，不同的軌型需要不同的監視寬度，P60軌的監視閘門寬度一般設為38us。

（三)0度底波閘門的參數設置

0度通道LER(底波消失)閘門對應的是軌底，底波閘門能反饋軌底面反射的狀態。在對中良好，探輪0度晶片垂直鋼軌正中心已經足夠增益的情況下，軌底反射波能保持連續穩定。如在導線孔或接頭螺孔或處，在B型顯示中底波不出現消失，說明0度底波增益值過高，需手動對0度底波增益進行適當降低，以保證在0度監視閘門內出現傷損時0度底波消失。設置一個合適的0度底波增益值既可以獲得連續穩定的軌底面反射信號，又能在0度監視閘門內出現鋼軌傷損時發生底波消失。在鋼軌表面狀態良好的情況下0底波增益一般設為31dB左右。軌底監視閘門在軌腰閘門結束1us后開啟，軌底閘門初始值一般設為2us。0度底波閘門寬度一般在20us左右，如果軌腰閘門寬度設置合適，則軌底反射波將出現在軌底閘門的中心位置。

（四）70度換能器閘門參數設置

直70度晶片陣列由外、中、內70度晶片組成，用于檢測鋼軌焊縫及軌頭的核傷。直70度設置足夠高的增益是為了檢測缺陷，設置低增益是為了減少非傷損的顯示，一般70度增益設為32dB。設定直70度閘門初始值以區分閘門與界面反射信號，當軌面狀態不好時可能產生串擾。直70度閘門開得過深會導致鋼軌近表面的傷損漏掉，設置過淺會使噪聲信號進入閘門，在B新顯示中出現大量雜波，影響判傷。當探輪下壓量過大會在鋼軌近表面產生噪聲，這時需要把閘門初始值設大一點以避開噪聲區域，一般直70度閘門初始值設為18us。直70度監視閘門寬度設置要求能檢測到軌頭傷損，一般設為60us,但不大于90us。

（五）45度閘門參數設置

45度換能器主要用于檢測鋼軌軌腰的斜裂紋，45度增益設置過高往往會因為非傷損噪聲影響檢出率。螺栓孔就是設置45度增益最好參照物，要求所選擇的螺栓孔最少有5個點顯示在B型顯示上，45度增益值一般設為25.8dB。45度監視閘門初始值的設置，可以使45度通道有足夠的分辨率，檢測水平裂紋，不能使閘門太接近軌面受界面反射干擾，45度閘門延時一般設為20us。設置45度監視閘門寬度允許檢測深至軌底頂部的區域。45度底波閘門開啟情況下，監視閘門必須在底波開始之前關閉。

（六）45度底波閘門參數設置

45度底波閘門對應軌底，用于檢測鋼軌軌底部位的傷損，包括軌底可能發展的橫向傷損，也包括軌底銹蝕。建議45度底波閘門增益保持或接近其他45度閘門，45度閘門閾值設置在80％，否則閘門會超報，小的傷損會湮沒在大量信號當中，所以要平衡好增益與閘門閾值。45度底波閘門是唯一閾值設置在80％的閘門。45度監視閘門一結束，軌底閘門就要立即開啟，軌底閘門初始值設定在軌底面大約10us，不包括軌頭。軌高不同，閘門起始點不一樣。37.5軌底閘門寬度主要是為了檢測軌底，一般設為30us。

（七）X-Fire閘門參數設置

X-Fire換能器用于檢測某些位置特殊而難以被普通70度換能器陣列發現的軌頭核傷。通過優化超聲波入射點和聲束方向使得X-Fire換能器能找到難以發現的缺陷。X-Fire閘門增益的設置，要求滿足既可以檢測軌頭缺陷，又不會出現大量誤報雜波，一般增益值設為27.4dB。X-Fire閘門的初始位置會把界面噪聲的影響降到最小。聲束的入射點和相對傷損的方位使得X-Fire閘門開始位置比一般閘門更靠后，但不會導致檢測率下降。X-Fire閘門寬度允許對軌頭進行二次檢測，這使得超聲波束可以在軌面異常的下方傳播并檢測到軌面下的傷損。

實踐證明，合理的參數設置能有效減少傷損誤判，提高傷損檢出率。影響sys1900探傷檢測系統各通道閘門參數由多方面因素，包括軌形、鋼軌表面狀態、鋼軌磨耗程度、探輪下壓量等。鋼軌軌面狀況會影響透射進鋼軌的超聲量，涂油，臟污以及其它在鋼軌表面常見的異常，比如魚鱗傷，剝離掉塊等，在檢測軌面不良區段過程中應補償足夠的靈敏度以保證鋼軌檢測的一致性。軌形及鋼軌磨耗影響各通道閘門的初始值及閘門寬度，在檢測中應根據鋼軌軌形及鋼軌磨耗在檢測系統A型顯示的波對閘門參數進行合理設置。因此在實際探傷檢測中，應結合各方面因素對探傷檢測參數進行有效設置，以便得到高質量的探傷檢測數據。

四、結束語

通過提高大型鋼軌探傷車的運用水平，可以有效的預防斷軌事件的發生，探傷檢測設備應在試驗線進行靜態調試和動態標定，并與工務段小型探傷儀的復核工作相結合，對檢出的傷損進行對比分析。通過實踐摸索，積累經驗，不斷優化sys1900探傷檢測系統各參數的設置，進一步提高探傷檢測質量，提高探傷車的運用水平。

[1] 南車株洲電力機車研究所有限公司.GTC-80鋼軌探傷車檢測系統用戶手冊,2011.

[2] 鐵路職工崗位培訓教材編審委員會.鋼軌探傷工[M].北京:中國鐵道出版社,2010.