超聲波探傷在高速鋼軌檢測中的應用

（四川攀研技術有限公司，四川 攀枝花 617000）

超聲波探傷在高速鋼軌檢測中的應用

陳太榮

（四川攀研技術有限公司，四川 攀枝花 617000）

為了滿足鋼軌生產的需要，開發了攀鋼鋼軌在線超聲波探傷系統。本文簡要介紹了這套設備的主要組成部分：探頭、試塊、起落架和測控系統，以及系統各組成部分的設計要點，并結合系統調試及生產運行情況，著重分析了系統的誤報和漏報現象以及可采取的解決措施。

鋼軌超聲波探傷；雙晶探頭；探頭距離—波幅曲線；起落架跟隨性；測控系統

鋼軌生產過程中，如果內部存在超過標準允許的缺陷，列車運行時就有可能引發斷軌事故。為避免鋼軌內部缺陷帶來的安全隱患，采用超聲波自動探傷系統對鋼軌進行內部缺陷檢測，是目前世界上鋼軌生產廠家采取的主要技術手段。隨著經濟的發展，高速重載鐵路運輸在國內外迅速發展起來。為適應市場需求，2005年攀鋼軌梁廠開始生產200km/h客運專線鋼軌和350km/h客運專線鋼軌，該公司研發的高速軌超聲波探傷系統也同期投入使用。

1 鋼軌超聲波自動探傷系統介紹

1.1 技術要求

根據TB/T2344-2003 《43～75 kg /m熱軋鋼軌訂貨技術條件》和《350km/h客運專線60kg/m鋼軌暫行技術條件》有關超聲波探傷的規定，鋼軌超聲波檢測覆蓋區域應滿足：（1）軌頭≥70%；（2）軌腰≥60% ；（3）軌底檢測應覆蓋圖1陰影部位。

圖1 軌底探傷部位

1.2 檢測原理

系統采用接觸式A型脈沖超聲波，以自來水為耦合介質，檢測過程鋼軌通過傳送輥道驅動做直線運動，超聲波探頭安裝在相對靜止的起落架上緊貼鋼軌軌面實施全長檢測。

1.3 系統基本構成

系統主要包括六部分。（1）鋼軌輸送輥道：使鋼軌在檢測區域內保持勻速移動，其速度可調。（2）導向約束機構：對鋼軌進入檢測區域進行導向約束，使鋼軌保持穩定的運動狀態。（3）測距機構：檢測鋼軌長度及其位置，用于探頭起落控制及缺陷定位與標識。（4）探頭耦合機構：用于承載探頭，具有良好的隨動性。（5）探頭調整機構：用于不同軌型的鋼軌探頭耦合機構的調整。（6）多通道數字式超聲波探傷儀。

1.4 探頭布局、選用及其參數

探頭數量最多可以安裝13只（在滿足標準要求的探傷覆蓋率前提下，生產不同規格鋼軌時可對探頭數量進行增減調整）。其中1、2、3、4、5號探頭檢測軌頭；6、7、8、9、10、11號探頭檢測軌腰；12號探頭檢測軌底縱向裂紋；13號探頭檢測軌底。探頭布置見圖2。

圖2 探頭布置圖

經過多次手工探傷試驗和長期現場生產驗證，各型探頭主要設計參數如表1。

表1 鋼軌探傷使用的各型探頭晶片設計參數

本系統大量采用雙晶探頭，主要考慮鋼軌各部位檢測深度不大，可以充分利用TR探頭盲區小、分辨力高的特點。通過手工探測鋼軌對比試驗，雙晶探頭相對于單晶探頭檢測靈敏度更高，缺陷檢出效果更好。

探頭距離—波幅曲線：雙晶探頭距離—波幅曲線特性與晶片傾斜角度、晶片間距、晶片大小和有機玻璃楔塊高度等參數有關，適當選擇這些參數，可以獲得較小的探傷盲區，在檢測深度區間獲得比較平緩變化的距離—波幅特性曲線，這樣有利于超標缺陷的自動報警。國內制造的探頭，靈敏度余量至少控制在35dB以上，檢測盲區控制在2mm以內，檢測深度范圍波幅變化控制在5dB以內，一般即可滿足正常的自動探傷要求。

1.5 試塊

試塊的作用：標定探傷靈敏度、檢測探傷儀和探頭性能、調整掃描速度、評判實際缺陷的當量大小。試塊的設計體現計量的傳遞，是保障探傷有效性的重要標志。針對鋼軌自動探傷，設計了專用的對比試塊，靜態樣塊和動態樣軌。試塊人工缺陷可參考TB/T2344-2003 《43～75 kg /m熱軋鋼軌訂貨技術條件》和《350km/h客運專線60kg/m鋼軌暫行技術條件》標準相關要求。

專用對比試塊：用于試塊之間靈敏度的校正，材料為45＃鋼，并按鋼軌淬火工藝要求進行熱處理，控制晶粒度級別與鋼軌檢測部位基本一致。

靜態樣塊：用于動態樣軌人工缺陷當量大小的標定；測試探頭性能及探傷系統組合性能；矯正探傷系統各通道的探傷靈敏度。靜態試塊材料在無內部缺陷的鋼軌成品上截取。

動態樣軌：在動態樣軌靜止狀態下，調整起落架上各探頭具體的檢測部位；在動態樣軌運動狀態下，調整探傷系統各通道的探傷靈敏度，驗證探傷系統的穩定性。動態樣軌通常在探傷之前、探傷過程中或一批鋼軌探傷結束后調試，它是檢查探傷系統穩定性及可靠性的最主要工具。動態樣軌最小長度根據探傷線導向約束裝置間距確定，長度至少滿足4～5個約束點，樣軌太長不方便手工推動調試作業，一般要求動態樣軌動態檢測時不明顯跑偏為原則，通常取10～15m為宜。動態樣軌材料要求與被檢測鋼軌規格及材質一致。動態樣軌缺陷布局見圖3。

圖3 動態樣軌缺陷布局圖

1.6 探頭起落架

探頭起落架是超聲波在線探傷系統開發的難點，它對探頭的耦合取決定性作用。由于鋼軌的平直度誤差以及振動等的影響，鋼軌在探傷送進過程常常出現跑偏和上翹等現象，為使探頭與鋼軌表面實現有效耦合，探頭與鋼軌斷面位置相對穩定，一般要求起落架具有上下和水平方向的跟隨性（見圖4）。

圖4 起落架跟隨性示意圖

實踐證明，起落架跟隨性的好壞，對探傷結果有如下影響：（1）影響動態樣軌檢測的重復性。起落架跟隨性差，探頭檢測位置變動大，探頭動態樣軌調試困難，樣軌人工缺陷檢測重復性差。（2）影響系統信噪比。起落架跟隨性差，機構不能及時響應鋼軌的位置變動，探頭耦合水層變化大會使水雜波增加，減小信噪比，增加誤報機會，甚至無法探傷。（3）影響軌頭側面探傷。起落架跟隨性差，軌頭側面輪廓波會進入報警閘門引起誤報。

由于鋼軌的振動及平直度變化通常屬于低頻率變動信號，因此，在起落架設計上常常采用彈簧、氣缸等驅動元件即可滿足機械的跟隨響應。

1.7 測控系統

測控系統由16通道數字式超聲波探傷儀(配高速數據采集處理模塊)、計算機系統以及自動控制系統等構成。

測控系統工作原理：探傷儀激勵探頭發射晶片產生高頻超聲波脈沖，超聲波進入鋼軌內部檢測到缺陷后反射回來使探頭接收晶片產生電信號，探傷儀將該弱電信號進行放大、檢波等處理后送入計算機，計算機系統根據用戶設置的探傷參數對采集到的數據進行各種相關的處理，并判斷出缺陷大小、位置、深度等參數，通過計算機界面自動繪制波形、記錄缺陷等；自動控制系統完成操作輥道、前后夾送裝置、測距裝置以及探頭起落架的自動與手動起落等控制。自動控制系統以PLC為核心，通過旋轉編碼器精確檢測鋼軌長度，光電開關定點控制起落架起落，保障了自動控制系統安全可靠運行。

2 系統調試及現場生產情況

系統投入生產運行前，采用60kg/m動態樣軌，連續進行50次檢測，檢測速度約為1m/s。試驗結果見表2。

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