鋼軌探傷車偏斜70°反射點群分析及應用

馬運忠 馬鐵雷 張玉華 李培 李忠

1.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京 100081；2.中國鐵路沈陽局集團有限公司沈陽工務機械段，沈陽 110032；3.北京鐵科英邁技術有限公司，北京 100081

利用大型鋼軌探傷車對在役線路鋼軌開展周期檢測，對保障線路運營安全起到越來越重要的作用［1］。探傷車最高檢測速度可達80 km∕h，積累了一定運用經驗［2-4］。相關學者在采用70°換能器檢測鋼軌軌頭核傷方面開展了廣泛研究。黎連修等［5］研究了鋼軌核傷檢測方法，建立了70°換能器核傷檢測方法的幾何學。盧超等［6］開展了鋼軌中超聲次表面縱波傳播特性的邊界元分析及試驗分析。馬運忠［7］研究了探傷車數據中接頭不明反射點群及其應用。王品等［8］對高速鋼軌超聲波探傷中螺孔70°幻象波進行了分析識別。

探傷車B 顯數據為多通道綜合顯示，傷損判定依賴于B 顯數據中多通道的綜合判定。80 km∕h 探傷車增加了中間探輪，除配置直打70°外，還增加了偏斜70°。目前在利用偏斜70°的檢測方面積累了一定的經驗，但某些條件下形成的偏斜70°的反射回波易與傷損波混淆，造成誤判。本文基于80 km∕h 探傷車對60 kg∕m 鋼軌的B顯數據對偏斜70°在接頭處的出波特征進行分析。通過對偏斜70°回波數據進行聲學推算和驗證試驗，分析偏斜70°出波原因。

1 超聲波檢測技術

1.1 探傷車探輪布置

國內探傷車采用超聲波探輪作為檢測傳感器。80 km∕h 探傷車單側鋼軌有3個超聲波探輪（圖1），分別稱為前輪、中間輪、后輪。其中，前后輪內部設置了0°、45°、直打70°和側打換能器，中間輪內部設置了0°和偏斜70°換能器。除0°換能器在鋼軌中傳播為超聲縱波外，其他換能器在鋼軌內部傳播均為橫波。

圖1 80 km∕h探傷車超聲換能器布置

0°換能器用來檢測水平傷損，37.5°換能器用來檢測軌腰及軌底區域傷損，70°換能器用來檢測軌頭核傷。其中，直打70°換能器為組合式換能器（內側、中心、外側），均采用一次波技術，其一次波聲場可覆蓋軌頭大部分區域；偏斜70°換能器采用一次波和二次波技術，超聲入射點集中在軌頭中心區域，重點實現軌頭內側區域傷損的檢測。

1.2 探傷車接頭B顯數據特征

有縫線路的接頭位置是傷損高發區域，接頭區域內固定反射波和傷損波易于混淆。80 km∕h 探傷車在60 kg∕m 鋼軌接頭處B 顯數據的典型形態見圖2。其中，前后0°通道在螺孔及接縫的底波失波點群顯示在軌底下方區域；前后45°通道螺孔反射點群顯示在軌腰對應的螺孔處，與0°通道螺孔的反射點群拼合成A字形；前后輪直打70°（內側、中心、外側）通道的接縫反射點群顯示在兩軌連接處接縫的軌頭區域；前后偏斜70°通道在接縫反射點群顯示在接縫的軌頭（一次波）及軌腰（二次波）區域；偏斜70°通道在二孔軌身上方附近（二次波）形成反射點群。偏斜70°的出波特征為：①在一側接頭呈現單方向偏斜70°出波，另一側接頭呈現相反方向偏斜70°出波；②兩側出現的偏斜70°出波均集中出現在二孔斜上方區域，二次波出波位置距離軌縫約230 ～ 250 mm；③偏斜70°的出波走勢符合傷損判定原則，檢測系統將其識別為軌頭內側橫向裂紋。受探傷車檢測增益設置和軌面狀態等的影響，該偏斜70°出波特征不會在每個接頭處穩定呈現。

圖2 60 kg∕m鋼軌接頭處探傷車超聲波B顯數據

目前尚未掌握探傷車在接頭處B顯數據中的偏斜70°出波原因，且該接頭區域易存在核傷，而偏斜70°出波易與核傷出波混淆，導致誤判或漏判。分析該反射點群的形成原因，掌握其出波特點，對提升探傷車的檢測參數調整和接頭傷損判定經驗具有指導意義。

2 偏斜70°接頭出波點群

2.1 出波點群形成原因

以探傷車在60 kg∕m鋼軌接頭的B顯數據為例，分析在該區域偏斜70°出波點群形成原因。考慮到接頭附近存在6個螺孔，而B 顯數據中只有二孔側上方存在偏斜70°出波，基本排除了由于探輪和鋼軌橫向對中不良導致的偏斜70°聲束進入軌腰螺孔形成反射回波的可能。

探傷車各換能器均按照脈沖反射法方式工作，各換能器接收其發射超聲波產生的超聲回波進行傷損判定。根據80 km∕h 探傷車探輪的空間布置關系（前后輪和中間輪的中心距離430 mm，直打70°與偏斜70°在軌面的入射點距離L= 404 mm），在某些情況下，存在前后輪直打70°通道發射的超聲波被中間輪偏斜70°通道接收的可能。

直打70°發射偏斜70°接收的超聲傳播路徑（圖3）為：①直打70°換能器在鋼軌內傳播的橫波在接頭端面處發生反射（a→b）；②端面反射橫波傳播至軌顎（b→c）；③軌顎反射橫波傳播至鋼軌踏面（c→d）；④踏面反射橫波再次傳播至軌顎（d→e）；⑤軌顎二次反射橫波傳播至踏面（e→f）發生折射，折射縱波進入中間輪內部，被偏斜70°換能器接收。隨著探傷車的運行，3個探輪在鋼軌踏面上持續滾動，在鋼軌接頭處的B顯數據上可能呈現二孔側上方偏斜70°的出波點群。

圖3 直打70°發射偏斜70°接收的超聲傳播路徑

2.2 傳播聲程推算

2.2.1 直打70°主聲束聲程計算

由于60 kg∕m 鋼軌軌頭截面形狀復雜，將直打70°在軌頭區域的傳播路徑進行簡化處理，選取軌顎中心點作為直打70°主聲束傳播路徑在軌顎區域的入射點。直打70°發射至偏斜70°接收超聲波的傳播總距離laf及該超聲傳播路徑的總聲程taf的表達式為

式中：l0—l6依次為直打70°輪內縱波傳播距離、踏面至接頭端面的橫波傳播距離、經接頭端面反射至軌顎的橫波傳播距離、經軌顎一次反射至鋼軌踏面的橫波傳播距離、經踏面反射至軌顎的橫波傳播距離、經軌顎二次反射至鋼軌踏面的橫波傳播距離、偏斜70°輪內縱波傳播距離；t0—t6依次為l0—l6對應的聲程，t0=l0∕vc，t1=l1∕vs，t2=l2∕vs，t3=l3∕vs，t4=l4∕vs，t5=l5∕vs，t6=l6∕vc，其中耦合液聲速vc取1.7 mm∕us，鋼軌橫波聲速vs取3.2 mm∕us。

計算得：l0=48.5 mm，t0=28.5 us；l1=16.5 mm，t1= 5.2 us；l2= 99.4 mm，t2= 31.1 us；l3=l4=l5=115.9 mm，t3=t4=t5= 36.2 us；l6= 41.5 mm，t6=24.4 us。整個傳播路徑聲程taf≈197.6 us。

2.2.2 探傷車70°通道延遲設置

80 km∕h 探傷車各探輪的0°換能器均是同一時刻激發，直打70°換能器和偏斜70°換能器相對0°換能器發射均設有一定時間延遲（圖4）。對于前后輪，其直打70°換能器相對0°換能器延遲tc70激發；對于中間探輪，其偏斜70°換能器相對0°換能器延遲tx70激發。本文設置tc70= 16 us，tx70= 45 us。

圖4 直打70°、偏斜70°延遲設置示意

2.2.3 偏斜70°通道回波出波顯示

探傷車B 顯數據利用A 顯數據轉化而來，采用空間定位算法（圖5），將A 顯數據中的聲程分為探輪內（AB段）和鋼軌內（BC段）兩部分進行計算，從而確定超聲回波的位置。鋼軌內回波定位以鋼軌踏面入射點為基準，在設定聲束方向上的對應聲程位置顯示反射點，其中偏斜70°在探輪中入射縱波角度按β=29.6°設定，在鋼軌內折射橫波角度按α= 70°設定。

圖5 空間定位原理示意

偏斜70°按照脈沖反射法計算回波位置，根據鋼軌中超聲回波聲程tR=tc70+taf-tx70- 2t，利用橫波聲速vs計算鋼軌回波距離lR，計算公式為

計算可得，tR= 119.8 us，lR≈ 191.7 mm。該偏斜70°回波在水平方向位移分量LOR=l1sinα+L-lRsinα。計算可得，LOR≈239.4 mm。該水平方向位移分量計算值與探傷車B 顯數據中測量的偏斜70°出波點群水平方向距離軌縫約230～250 mm的現象相符。

2.3 靜態試驗

為了驗證聲程推算的正確性，搭建雙探輪試驗平臺（圖6），配置未加工螺孔的60 kg∕m 鋼軌試塊，設置前輪和中間輪的距離為440 mm，與80 km∕h 探傷車的探輪間距保持一致。采用通用探傷儀，設置前輪直打70°發射、中間輪偏斜70°接收，開展靜態試驗。

圖6 直打70°發射偏斜70°接收試驗

試驗結果表明，通過縱向移動鋼軌試塊，可以從探傷儀上獲得直打70°發射偏斜70°接收的超聲回波，其最大出波位置與聲程推算的結果接近，試驗測得的回波聲程為202.9 us，與聲程計算的taf≈197.6 us誤差約為5.3 us，證明聲程推算正確。

3 傷損判定中的應用

80 km∕h 探傷車的 B 顯數據中，偏斜 70°通道在接頭二孔側上方的出波點群在正常接頭處的形狀和位置明確。當鋼軌中存在近乎垂直的軌頭橫向裂紋時，同樣會產生直打70°發射偏斜70°接收的出波情況，可以利用這一特點進行綜合傷損判定。

探傷車檢測某線路K281+388 處報告一處加固焊縫軌頭核傷，該傷損波由直打70°出波點群和偏斜70°出波構成（圖7）。分析可知，該偏斜70°出波是由直打70°發射偏斜70°接收形成的，可確定該處為近乎垂直的軌頭橫向裂紋，避免了將該偏斜70°出波報告為其他傷損，提高了傷損報警的準確率，降低了誤報率。

圖7 傷損判定示例

4 結論

1）偏斜70°出波點群形成原因為中間輪偏斜70°接收到前后輪直打70°發射的超聲波，直打70°發射的超聲波經接頭端面、軌顎和踏面多次反射最終被偏斜70°接收。

2）鋼軌中存在近乎垂直的軌頭橫向裂紋時，若探傷車B 顯數據中偏斜70°二次波回波點群符合單通道偏斜70°二次波聲程范圍內出波且形成走勢、出波水平位置距離近乎垂直的軌頭橫向裂紋約230～250 mm等特征時，不宜作傷損報警處理。

本文研究對于開展探傷車傷損判定具有實踐指導意義。