鐵路鋼軌焊縫超聲波探傷技術及便攜式檢測儀器分析

劉永章

一、工程概況

莫桑比克納卡拉鐵路走廊第8-9標合同段起點為納卡拉分支，終點為納卡拉港口環路，線路全長54.435km。主要工程數量為：鋼軌鋪設108.87km（單側米）、砼軌枕89238個、道岔36組、道砟149239t、鋁熱焊890個、閃光對焊5875個、焊縫檢測6697個、軌道應力放散54435m。

二、探傷原理與典型探傷方法

1.探傷原理

探傷是一種非破壞性檢測方法，能夠在不損傷被測件的前提下掌握其內部質量情況。在探傷技術體系中，超聲波檢測技術已取得廣泛應用，其依托于超聲波的傳播原理，在傳播途徑中遇界面時將發生反射，并由指定裝置接收反射波，從而以此來揭露被測件的內部缺陷。當前，超聲波探傷原理包含如下三類：

（1）脈沖反射檢測原理。超聲波向被測件發射超聲波，在傳播途中若遇兩種介質不同的交界面，則會出現反射現象；由于其僅需配置一個探頭即可，因此可實現同步接收。

（2）脈沖投射檢測原理。在被測件的兩側分別設置發射探頭和接收探頭，通過脈沖波穿透被測件而實現檢測。

（3）共振法檢測原理。被測件的厚度為關鍵參數，在該值達到超聲波半波長的整數倍時，便會發生共振；在此基礎上，可通過確定相鄰共振差而得到工件厚度；同時能根據厚度來判斷工件內部質量是否存在缺陷。

2.典型探傷方法

在國外鐵路鋼軌閃光對接焊縫和鋁熱焊縫探傷工作中，探傷儀是應用較廣泛的方法。其具有便攜化的特點，為掌上全數字化儀器，功能豐富，是焊縫年檢和復查工作中的重要儀器。對于存在損傷的鐵路鋼軌焊縫來說，應用數字焊縫通用探傷儀，可以實現精細定位、定量地探傷目標。

一般來說，體積狀缺陷的探測以單探頭法較為合適；而遇平面狀缺陷時，則可以采用陣列探頭法等相關方法。在使用K形與串列式掃查時，探頭會呈現等速移動的狀態（包含兩種，即相對和相背），并配套專用的掃查裝置，以滿足探測需求。但是，此方法難以實現連續掃查，且在熱影響區的掃查中缺乏可行性。針對此，采用連續探傷法可以對焊縫展開連續的掃查：當探頭處于靜止狀態時，掃查到20個分立點；當探頭處于移動狀態時，則可以全面掃查焊縫。

對于新線開通前的質量檢查工作來說，鋼軌焊縫探傷掃查架探傷方法較合適。對此，宜提前組織探傷工作，封閉區間作業，并在相對安全的環境中高效將鋼軌探傷工作落實到位；由于此期間缺陷的識別率較高，因此可避免探傷盲區，且所得結果可作為評價鋼軌焊接質量的關鍵依據。

三、設備概述

現階段，CTS-1002型PLUS型數字超聲探傷儀是國外鐵路鋼軌焊縫探傷領域應用較為廣泛的儀器。在國內長期的技術積累和經驗積累前提下，該數字超聲探傷儀的生產工藝水平較高，已形成一條較為成熟的生產線，產出的產品具有體積小、自重輕的特點，重量僅1kg。該儀器配備有明亮彩色工業級顯示屏，可以在陽光直射的強光環境中清晰地呈現圖像信息，且能夠高分辨率地顯示掃描的結果，便捷性特征突出。

四、焊縫全斷面探傷

1.焊縫軌頭探傷

要精準確定軌道頂面的檢測范圍，可以用探頭在該處縱向移動掃查。而考慮到探頭接觸面積偏小的局限性，宜采取偏角縱向移動的方式，以便全面地掃查焊縫軌頭。

在焊縫軌頭的探測工作中，探頭與焊縫中心的間距以80mm為宜。當焊縫缺陷直徑小于超聲束寬度時，就可以在缺陷和鋼筋兩處同步發生超聲束反射現象，而對應至熒光屏中，則可以同時顯示缺陷波與焊筋輪廓波；當焊縫缺陷直徑大于超聲束寬度時，顯示結果會有所不同，熒光屏只顯示缺陷波。

兩斜探頭所處位置以鋼軌軌頭兩側面較為合適，即兩探頭通過同步縱向移動來完成對橫截面的探測。為了保證探傷結果的準確性，在正式作業前，應收集焊縫寬度、探頭聲束寬度等信息，并經計算后方可確定掃查頻次和入射點的位置，以便在高效開展探測工作的同時，保證結果的可靠性。

軌頭焊縫無缺陷時，熒光屏無回波顯示，A探頭的聲波于軌頭側面反射，但B探頭接收不到回波；若軌頭存在片狀缺陷，A探頭的超聲波在缺陷處發生反射，且能夠被B探頭接收，若焊縫的缺陷在探頭掃查區外，則會存在熒光屏無回波顯示的情況。

2.焊縫軌腰探傷

（1）直探頭置于軌面縱向中間區域，沿縱向移動探頭。采取此方法可檢測焊縫中反射面與探測面平行的缺陷。

（2）鋼軌焊縫中存在缺陷時會發生散射現象，從而導致聲波難以在軌底形成足夠的反射能量。若存在傾斜片狀缺陷，那么探測結果則會出現軌底波消失的情況。

（3）串列式反射法是較適合垂直軌面片狀缺陷的方法，具在將兩探頭置于某探測面的同時，讓兩者同步縱向移動，而期間適當調整探頭的距離，便可實現全斷面掃描。

經探頭采集后，匯總鋼軌反射回波，無法識別鋼軌缺陷。通過小波分析方法的應用，能夠達到同時分析信號視域和頻域的效果。因此，可以應用小波分析的方法，重構缺陷特征信號，期間結合希爾伯特解調細化頻譜分析，能更全面地生成鋼軌缺陷信息，并根據所得信息來準確判斷缺陷的發生位置。

3.焊縫軌底探傷

軌底可分為軌底兩側、軌腰與軌底連接部兩個主要區域，根據軌底角與聲束對應關系，可進一步劃分軌底角，形成6個探測區，縱向移動探頭，完成探測工作，具體示意圖如圖1所示：

掃查軌底角1-3區，以焊縫中心為參照基準，探頭入射點與之形成的距離為65mm，可以發現此時的探測結果顯示焊筋上輪廓波；兩者的距離增加至90mm時，顯示的內容將發生變化，即顯示的是下輪廓波。

掃查軌底角4-6區，間距為95mm時，顯示焊筋上輪廓波。從缺陷直徑和超聲波束寬度兩項參數的角度展開分析，分兩種情況：前者小于后者時，顯示焊筋波與缺陷波；前者大于后者時，則只顯示缺陷波。

圖1 軌底探傷單探頭法操作

五、探傷過程注意事項

1.掃查速度與力度。移動速度以10m/s以內較為合適，若速度超出該值，則易出現漏檢的情況；此外，需向探頭施加適當的壓力，以確保探傷靈敏度可維持在合理的區間內，避免靈敏度失穩。

2.探傷靈敏度的調節。調節工作應在正式探傷前完成，在合理設定靈敏度后，有助于提高損傷檢出率。

3.探傷掃查寬度。在鋼軌焊縫的探傷工作中，應做到全寬度掃查，從而保證結果的準確性。

4.分析回波顯示。準確判斷內外側焊筋波的顯示規律，并從中判斷異同點，以確定缺陷波與焊筋波。

5.檢查區域的控制。在開展K形和串列式探傷檢測工作時，需重點關注軌頭上角和規定上部區域，該兩處均為探傷中較為隱蔽且是難度較大的部分，因此要根據實際情況合理補充其他方法，以保證探傷結果的準確性。

6.探測面周邊的探傷。以單探頭的方式為宜，或根據需求采取組合探頭的方法。焊縫并非鋼軌的主體結構，而是連接鋼軌的紐帶，該部分更易出現損傷，因此需加大探測的力度。同時，除了焊縫自身外，還需考慮周邊結構，以便全面掌握缺陷情況。

六、結語

綜上所述，鐵路鋼軌焊縫缺陷易威脅到列車運行的穩定性和安全性，因此必須做好檢測工作，從而準確判斷焊縫質量情況，以針對缺陷采取處理措施。當前，超聲波技術作為一種無損檢測技術，已取得廣泛的應用，其能以較便捷的方式完成檢測工作，且取得的結果準確、操作時間短，具有可行性。