朔黃鐵路鋼軌探傷車探輪標定技術應用

任松斌

（國能朔黃鐵路發展有限責任公司檢測救援分公司，河北肅寧 062350）

1.技術應用背景

GB/T28426-2012[1]大型鋼軌探傷車規定探傷車超聲檢測系統每年需要動態試驗，同時應進行換能器性能測試，以檢驗系統的缺陷檢出能力和各通道信噪比。在日常檢測任務前，還需確認探輪的各通道狀態是否良好，目前配備的探輪調零架，只能對單個通道的垂直入射情況進行校準，見圖1所示。

圖1 探輪準直標零

如圖2、圖3所示，鋼軌探傷車對于鋼軌下顎裂紋、軌距角核傷檢出能力不足，造成漏檢，需要采用自然傷損鋼軌通過探輪試驗裝置作對比試驗，確定合理的參數設置。

圖2 鋼軌下顎裂紋

圖3 軌距角核傷

1.1 Sperry超聲波換能器測試標準

（1）參考靈敏度。Sperry建議使用不少于6個性能良好的同型換能器在透明合成樹脂制作的試塊上進行測試，獲取底波反射平均值，該值即為此類換能器的參考靈敏度。（2）設置探傷儀延遲和范圍。選用增益調整范圍在0.5dB的通用探傷儀。探頭延時設置為零；顯示延遲設置為零；聲速設置為2.69mm/μs（透明合成樹脂縱波聲速）；范圍不少于透明合成樹脂試塊厚度的兩倍。（3）測試方法。調整通用探傷儀增益，使被測換能器反射回波波高穩定在滿屏的80%，記錄下換能器增益數值，與參考靈敏度對比，若換能器靈敏度與平均值的偏差超過±3dB則為不合格[2]。

1.2 優劣分析

（1）Sperry提供的終檢方案采用大平底作為反射面縱波入射，易于波高的控制，且樹脂材料與探輪膜縱波聲速相近，垂直入射不存在波型轉換，理論上聲能能夠全反射。（2）只對單個換能器進行測試，不能模擬探輪內聲波傳播和聲能衰減情況。（3）與鋼軌探傷儀的測試標準不一致，無法對檢測能力作橫向對比。（4）從統計概率角度考慮，測試取樣數量越大，參考靈敏度越準確，不適宜用作少量的測試。（5）不適用在用換能器性能評價。鋼軌探傷車輪式探頭作為檢測系統的重要部件，其性能狀態直接影響探傷檢測質量，需要建立一套測試標準，對換能器及探輪綜合性能進行測試，評價其狀態是否合格。同時需要采用自然傷損鋼軌通過探輪試驗裝置作對比試驗，確定合理檢測參數，提高探傷車檢測質量。

2.技術內容

2.1 換能器性能指標

參照國內超聲波探傷標準，利用標準試塊，設定超聲波換能器單個測試的項目、參考指標，開展相關測試實驗，確定換能器的關鍵性能指標[3-4]。

（1）換能器外觀應無損傷，表面平整，無開裂、氣泡現象。（2）換能器連線柔韌，插接可靠，屏蔽良好。（3）應無雙峰和波形異常跳動、閃動等現象。（4）換能器應具有互換性。（5）換能器尺寸要求：70°長度≥45mm，寬度≥20mm；偏斜70°直徑≥25mm ；45°長度≥20mm、寬度≥15mm；0°直徑≥20mm。（6）換能器靈敏度余量不小于30dB。調整通用探傷儀增益，電噪聲電平降至滿刻度的10%，設此時的衰減器讀數為S0。將換能器壓在CS-1-5試塊頂面上，保持穩定耦合，移動換能器，使深200mm，φ2平底孔回波最大，調整增益，使基準波達到80%，此時探傷儀衰減器讀書為S1，則該換能器靈敏度余量S'為S1-S0。（7）聲軸偏斜角θ≤2°。將探頭放在WGT-3 試塊上探測深度為80mm 深的橫孔，沿試塊縱向前后移動探頭，并注意保持探頭與試塊側面平行，使橫孔反射波最高，測量探頭中心試塊端頭的距離L（單位為毫米），則聲軸偏斜角θ按（1）式計算。

式中：θ—聲軸片偏斜角的數值，單位為度（°）；L—探頭中心到試塊端頭距離的數值，單位為毫米（mm）。

（8）分辨力R≥18dB。將探頭置于1號標準試塊上，探測聲程分別為85mm和91mm反射面的反射波，移動探頭，使兩波等高，改變靈敏度，使兩波波幅達到滿幅度的100%，然后測量波谷高度h，則該探頭的分辨力R按（2）式計算：

式中：R—探頭分辨力的數值，單位為分貝（dB）；h—測量波谷高度的數值，單位為毫米（mm）。若h=0或兩波能完全分開，則取 R＞30dB。

（9）掃查WGT-3試塊上80mm深φ3mm橫孔時，聲束寬度N≥25mm。探測WGT-3試塊上80mm深橫孔，使最高孔波的幅度達到滿幅度的80%，然后將靈敏度提高6dB，沿試塊縱向前后移動探頭，并注意保持探頭與試塊縱向平行，直至孔波幅度降至滿幅度的80%，則探頭前后移動距離即為聲束寬度N。

2.2 探輪綜合性能測試

設定輪式探頭性能的關鍵指標，利用設計制造的實物對比試塊和標定裝置開展實驗，根據實驗的大量數據確定性能指標的具體參數，最終建立一套適合輪式探頭的性能測試標準[5]。

（1）實物對比試塊。在GTS-60試塊的基礎上，將鋼軌軌頭人工傷損改為直徑為3mm的橫通孔，保留了直徑為30mm的標準螺孔、模擬水平裂紋的長5mm螺孔水平刻線、模擬螺孔上裂的37.5°長3mm刻線和模擬螺孔下裂37.5°長3mm刻線，在軌頭上設置直徑為3mm長30mm的錐型孔，在軌顎設置直徑為4mm長5mm的錐型孔，在軌底設置R4mm高2mm、R5mm高4mm、R6mm高6mm的月牙槽模擬軌底傷損，形成新的傷損試塊，暫命名GTS-60/75D，軌型分為60/m和75kg/m。如圖4所示。

圖4 GTS-60/75D傷損試塊

（2）探輪標定裝置。具備超聲波探輪全通道檢定能力，可配合采用超聲波通用探傷儀、GTS-60D/75D實物對比試塊作為探輪整體測試平臺，對探輪內的各通道進行標定。如圖5所示。

圖5 探輪標定試驗裝置

（3）靈敏度余量。在測試裝置上安裝探輪，通用超聲波探傷儀的測試通道靈敏度置最高狀態，抑制置最小，若儀器的噪聲（不接探輪）電平較高，則應降低增益或調節衰減器，電噪聲電平降至滿刻度的10%，設此時的衰減器讀數為S0。耦合良好，前后移動探輪使各基準波的最高波達到80%，設此時探傷儀的衰減器讀數為S1,則該探輪與儀器的相對靈敏度余量S’為S1-S0。測試方法如下：

0°換能器的基準波為GTS-60D試塊底面回波，當波高達到80%時的靈敏度余量不小于50dB。45°換能器的基準波為GTS-60D試塊37°傾角、長度3mm的下斜裂紋等高雙波，當波高達到80%時的靈敏度余量不小于36dB。陣列70°換能器的基準波為GTS-60D試塊軌頭φ3mm通孔的反射波，當波高達到80%時的靈敏度余量不小于45dB。偏斜70°換能器的基準波為GTS-60D試塊軌頭φ3mm通孔的二次波，當波高達到80%時的靈敏度余量不小于36dB。

當波高達到80%時，各角度換能器靈敏度余量應不小于30dB。同時探輪內部不允許有固定回波，應無雙峰和波形異常跳動、閃動等現象。

（4）信噪比。在測試裝置上安裝探輪，在GTS-60D試塊上測量，抑制置最大，其他測試條件和操作方法與測試靈敏度余量相同。關閉通用探傷儀抑制，對探輪各換能器進行測試時，若回波高度不能達到80%，則不進行信噪比測試，直接將該通道換能器判廢；在耦合良好的狀態下，前后移動探輪使各基準波的最高波達到80%，此時探傷儀的衰減器讀數為S3，則該換能器的靜態檢測靈敏度余量SQ為S3-S0。在上述GTS-60D試塊上各基準波達到80%時，保持探輪不動，釋放衰減器。設閘門內最大噪聲達80%時的衰減器讀數為S4，則該通道的信噪比SN為S3-S4。當波高達到80%時，各角度換能器信噪比如下：

0°換能器的基準波為GTS-60D試塊底面回波，當波高達到80%時的信噪比不小于45dB。45°換能器的基準波為GTS-60D試塊37°傾角、長度3mm的下斜裂紋等高雙波，當波高達到80%時的信噪比不小于36dB。陣列70°換能器的基準波為GTS-60D試塊軌頭φ3mm通孔的反射波，當波高達到80%時的信噪比不小于36dB。偏斜70°換能器的基準波為GTS-60D試塊軌頭φ3mm通孔的二次波，當波高達到80%時的信噪比不小于32dB。

3.結論

朔黃鐵路鋼軌探傷車探輪標定技術的應用，能有效地對探輪性能及傷損檢出能力進行評價，為檢修、調試探輪提供技術標準，保證探傷檢測質量。使用探輪標定試驗裝置配合探輪性能測試方法，能夠模擬現場檢測開展試驗，性能參數合理，建立了適合探傷車輪式探頭標定測試的標準體系。利用探輪標定試驗裝置模擬現場自然傷損鋼軌進行試驗，合理設置探輪偏移量、增益、傾斜角等檢測參數，鋼軌核傷檢出率由40%提高到60%以上。鋼軌探傷系統動態標定檢出率逐年提升，見表1。

表1 綜合檢測車及探傷車探傷系統歷年標定結果