鋼軌核傷的檢測原理和方法

徐平軍 上海鐵路局新長工務(wù)段

鋼軌核傷的檢測原理和方法

徐平軍 上海鐵路局新長工務(wù)段

鋼軌核傷是引起鋼軌折斷的主要傷損類型之一。根據(jù)現(xiàn)場探傷實際將鋼軌核傷按照形成原因分為三大類，論述了核傷檢測的原理、方法和設(shè)備。重點分析了一次波和二次波檢測的優(yōu)缺點，比較了目前兩種探傷模式的各自優(yōu)勢，提出了解決現(xiàn)場探傷的路徑。

鋼軌核傷；一次波；二次波

鋼軌核傷是鋼軌頭部的主要傷損，系軌頭橫向疲勞裂紋。一般呈橢圓形，長短軸之比約為3：2。核傷的面積擴展到軌頭面積超過10%，鋼軌的強度下降90%，容易引起突發(fā)性鋼軌折斷，嚴(yán)重影響鐵路運輸安全。

上海鐵路局近年來探傷發(fā)現(xiàn)的核傷按照形成機理可以分為三大類。

（1）表面魚鱗傷剝落掉塊等發(fā)展形成。因為疲勞源與空氣接觸，發(fā)生氧化，裂紋表面呈黑色，形成黑核。

（2）鋼軌制造或焊接過程中一些非金屬夾雜物沒有去除干凈，在鋼軌內(nèi)部形成疲勞源，不與空氣接觸，裂紋表面呈銀白色，形成白核。

（3）現(xiàn)場焊接工藝不良如溢流飛邊、推瘤不良導(dǎo)致早期微細(xì)裂紋，慢慢發(fā)展形成鋼軌下顎核傷，一般位于焊縫邊緣（分別見圖1、圖2、圖3）。

圖1 魚鱗傷下的黑核

圖2 閃光焊縫中間形成的白核

1 檢測原理和方法

核傷是軌頭橫向裂紋，采用超聲波脈沖反射法進行檢測。目前鋼軌探傷主要有兩種設(shè)備：大型鋼軌探傷車和小型鋼軌探傷儀。對核傷均采用折射角為65°～70°的超聲橫波探頭進行探傷。其中大型鋼軌探傷車直打70°探輪使用一次波法，小型鋼軌探傷儀根據(jù)核傷早期多出現(xiàn)在軌頭內(nèi)側(cè)上角的特點，多年來一直采用二次波法，即將探頭向內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)14°～20°，利用經(jīng)軌顎反射后的二次波進行檢測，如圖4所示。

圖3 溢流飛邊形成的下顎核傷

圖4 核傷及其小型鋼軌探傷儀的探測方法

一次波法是超聲波由晶片發(fā)射直接傳播到傷損面上，根據(jù)回波進行判傷。二次波則指超聲波經(jīng)過軌顎反射后再傳播到傷損上，二次波產(chǎn)生必須將探頭偏角放置，根據(jù)檢測效果，60 kg/m鋼軌一般與鋼軌縱向偏角18°。

2 探頭

目前我國鋼軌探傷設(shè)備分別采用滑靴式和輪式探頭。其中小儀器基本采用滑靴式探頭。晶片加上玻璃楔塊戴上保護膜在鋼軌表面滑動。一般用一組晶片或兩組晶片組合。優(yōu)點：制造簡單，方便使用。缺點：鋼軌表面存在波浪性磨耗以及一些擦傷掉塊使得耦合不是很好；小儀器使用的探頭晶片尺寸小，聲波覆蓋范圍小。一般采用如圖5所示機構(gòu)組成小儀器的小車架。

圖5 小型探傷儀探頭架的一般布局

輪探頭是將多個晶片組合安裝在輪中，在鋼軌表面滾動。輪式探傷優(yōu)點：耦合好，聲波覆蓋范圍大，指向性好。缺點：制造復(fù)雜，必須裝備對中系統(tǒng)才能使用（見圖6）。

圖6 輪探頭布局

我國鋼軌探傷早期受到儀器制造水平限制，采用滑靴式探頭組合進行鋼軌探傷。鋼軌探傷儀有一個漫長的發(fā)展過程，隨著我國的科技和制造水平的不斷提高，逐漸從單通道發(fā)展到目前的9通道。用來檢測鋼軌核傷的探頭也從一個探頭增加到目前的4個探頭標(biāo)配。偏角18°朝前朝內(nèi)和朝后朝外各一只，無偏角朝前朝后各一只。沒有探到的區(qū)域通過隔月掉向來彌補。也有直接使用6只探頭，這樣在一個探傷周期覆蓋整個區(qū)域和不同趨向的核傷。但由于小車架的間距只有1 m，考慮到推行方便和避免探頭之間的干擾，一般不這樣安排。

3 為什么滑靴式探頭對鋼軌核傷的檢測往往使用二次波

滑靴式探頭與鋼軌表面直接接觸。由于探頭近場區(qū)的干擾不利于核傷檢測,現(xiàn)在都采用雙晶片探頭。雙晶片探頭雖然減少發(fā)射波附近的雜波，但近表面探測區(qū)域卻是比較窄，因為必須是兩晶片的聲場重合部分。從計算和實驗都可證明，一次波覆蓋范圍20%，二次波約為45%。一般來說，二次波范圍包括了一次波，而一次波范圍則不能包括二次波。因此，在當(dāng)時的儀器制造條件下，有限的通道達到更大范圍的核傷檢測，往往采用二次波探傷。但圖7中的CD區(qū)仍是盲區(qū)。所以后來增加了無偏角70°。在實際應(yīng)用中，二次波探傷在理論上覆蓋了內(nèi)側(cè)上角區(qū)域，但該區(qū)域核傷的形成主要是鋼軌輪軌接觸后塑性變形魚鱗傷發(fā)展成剝落掉塊或向下形成核傷。魚鱗傷或剝落掉塊的走波和核傷的走波重疊。在儀器設(shè)計中，為了發(fā)現(xiàn)該區(qū)域傷損，遠(yuǎn)距離增加了放大補償，這就造成了魚鱗傷、剝落掉塊的回波也很強，很難區(qū)分核傷波和魚鱗傷波。我局在沒有裝配無偏角70°的探傷檢查中幾乎沒能發(fā)現(xiàn)魚鱗傷下的核傷，而這種核傷斷軌發(fā)生了很多起，都定性為探傷漏檢。在裝配了無偏角70°探頭以后，尤其是進入數(shù)字化儀器以后，根據(jù)B超圖譜來判傷，陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了不少魚鱗傷下核傷。這是因為核傷擴展到鋼軌頭部中間，無偏角70°出現(xiàn)回波，為我們判傷增加了重要依據(jù)。二次波的使用是有歷史原因的，認(rèn)為只有二次波才能檢查內(nèi)側(cè)上角核傷是有一定片面性的。

圖7 滑靴式探頭70度聲波覆蓋范圍

輪探頭一次波是能發(fā)現(xiàn)內(nèi)側(cè)核傷的。輪探頭在橡膠輪里經(jīng)過一次傳播，在鋼軌表面形成折射角為70°的方向傳播到鋼軌里面，在鋼軌里是不存在近場區(qū)的。理論上鋼軌表面以下都是檢查區(qū)域。而且輪探頭組合了6塊70°晶片，向前向后各三塊，分布內(nèi)中外整個軌頭區(qū)域。輪探頭在輪中液體里以縱波形式傳播到鋼軌表面。以三組晶片，每組晶片直徑15 mm，距軌面垂直距離120 mm為例。探頭的入射角為32.3°。

理論計算結(jié)果，這時聲波覆蓋軌頭60.4 mm。60 kg/m鋼軌軌頭寬度73 mm，兩側(cè)各6.3 mm是聲波未進入?yún)^(qū)域。并且鋼軌軌頭內(nèi)側(cè)磨耗等影響超聲波進入，根據(jù)實驗結(jié)果，一般來說內(nèi)側(cè)深度8 mm，距邊緣10 mm區(qū)域是輪探頭一次波難以檢查的范圍（注：二次波能進入但受到魚鱗傷波干擾引起誤判）。（見圖8：輪探頭聲波覆蓋范圍）從理論上分析輪探頭的盲區(qū)比滑靴式探頭要小。但同樣的道理，聲波覆蓋范圍并不代表能判定核傷，也是因為魚鱗傷的干擾。只有當(dāng)傷損發(fā)展一定大小，進入中間70°掃查范圍，我們才能結(jié)合多個通道的波形綜合判傷。

圖8 輪探頭70度聲波覆蓋范圍

綜上所述，最好的方式是一、二次波相互結(jié)合。本文在開頭介紹的第三種核傷占目前核傷發(fā)生的大部分。一次波不能有效確認(rèn)焊筋波，而二次波對焊筋有強烈反應(yīng)。所以結(jié)合一、二次波的特點，由二次波確認(rèn)焊縫，一次波能準(zhǔn)確判傷。圖9是我局蚌埠工務(wù)段發(fā)現(xiàn)的一處鋁焊下顎核傷。判傷思路就是首先根據(jù)2、3通道偏角70°的波形確定這是一處焊縫，然后根據(jù)1通道的異常回波確定傷損。

圖9 2013年2月21日檢查發(fā)現(xiàn)京滬上行K891+472處德鋁焊下腭核傷B顯圖譜

4 三種探傷設(shè)備

（1）手推小儀器。裝配滑靴式探頭的小車架。小儀器經(jīng)過幾十年的發(fā)展，對核傷的檢測已經(jīng)趨于成熟。由于受到人工推行速度，檢測效率很低，每小時檢查里程不能超過3 km。

（2）大型鋼軌探傷車。裝配輪式探頭。大型探傷車經(jīng)過近二十年的摸索，開始擔(dān)任探傷生產(chǎn)的主力。由于是高速探傷，不能準(zhǔn)確定位傷損，所以需要小儀器復(fù)核確認(rèn)才能處理傷損鋼軌。

隨著鐵路的高速發(fā)展，為了保障作業(yè)人員的人身安全，探傷作業(yè)也安排在天窗點內(nèi)。天窗點一般在兩個小時以內(nèi)。兩個小時內(nèi)小儀器只能完成不超過5 km的任務(wù)，使用小儀器進行主要檢查任務(wù)面臨生產(chǎn)組織困難，任務(wù)不能及時完成的嚴(yán)峻局面。而大型鋼軌探傷車在完成任務(wù)方面是勝任的，但不能保證質(zhì)量。從我局最近的斷軌和發(fā)現(xiàn)的傷損分析，探傷車對于曲線地段以及焊縫核傷發(fā)現(xiàn)能力存在缺陷，原因就是在高速運行過程中輪探頭的鋼軌對中狀態(tài)不好。這就使得第三種探傷設(shè)備得到青睞。

（3）雙軌探傷小車。裝配輪式探頭，作業(yè)速度是10 km/h～15 km/h。效率大大提高，又能保證檢測能力，在15 km以下，機械對中系統(tǒng)能保證輪探頭良好的對中狀態(tài)。

根據(jù)我局的試用結(jié)果表明，雙軌小車對于第一、二類核傷的檢測和小儀器的能力一樣，對于焊縫下顎核傷還存在難以識別的問題，原因在于沒有組合二次波探頭。

綜上所述，雙軌小車能夠彌補大車和小車的不足，即提高了生產(chǎn)效率，又保證了傷損發(fā)現(xiàn)，也沒有二次復(fù)核確認(rèn)的過程。應(yīng)用前景非常光明。

5 結(jié)論

鋼軌核傷是嚴(yán)重威脅運輸安全的傷損類型，在檢查發(fā)現(xiàn)上存在多種手段方法，既不能強調(diào)一次波，也不能完全依賴二次波檢查，要根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)水平綜合使用，才能更好地發(fā)現(xiàn)鋼軌核傷。

[1]黎連修,錢仁才,馬青等.鋼軌核傷超聲波檢測研究[J].無損檢測,1993,15（3）：61－62.

[2]“超聲波探傷”.中國機械工程學(xué)會無損檢測學(xué)會編.

[3]“鋼軌探傷工”.中國鐵道出版社.南昌鐵路局馬躍平等編.

責(zé)任編輯：宋 飛

來稿時間：2016-08-03