無損檢測技術在軌道交通車輛的應用

楊帆

（中車廣東軌道交通車輛有限公司，廣東 江門 529100）

1 前言

軌道車輛的零部件或焊縫在運行中失效，將帶來重大的人員傷亡與財產損失，因此對易發生缺陷部位進行定期檢測是至關重要的。隨著我國自動化技術、電子技術以及傳感技術等領域飛速發展，傳統的無損檢測手段精度不斷提高，越來越多的新興無損檢測手段被應用于軌道車輛制造或檢修中。無損檢測技術本質上是利用物理學方法，在不損壞被檢測對象的條件下，分析并發現被檢測對象表面或內部存在的缺陷（裂紋、脫粘或腐蝕等）。根據交通運輸部《城市軌道交通設施設備運行維護管理辦法》（交運規〔2019〕8號）的相關規定，車輛系統架修間隔應不超過5年或80萬車公里、大修間隔應不超過10年或160萬車公里。

近年來，在5大常規無損檢測手段（超聲檢測、滲透檢測、渦流檢測、射線檢測和渦流檢測）的基礎上，發展出許多新興檢測手段，其實際應用效果有待進一步驗證。本文對軌道車輛中常用檢測手段與新興檢測手段的應用情況進行了綜述。

2 無損檢測簡史

無損檢測技術是一項起源于20世紀的技術。因為工業生產要求，迫切尋求一種不需要破壞物體表面即可判斷是否合格品的技術，利用物理方法進行檢測的無損檢測技術應運而生。這項技術在20世紀初出現，40年代高速發展，1941年美國無損檢測學會成立，1955年，第一屆無損檢測國際會議召開，這項技術在世界范圍內確立。

無損檢測技術除了用于探傷外，還可以用于進行應力、黏度、流量以及濃度等物理量的測定。如今無損檢測技術再次拓寬為“無損評估”，根據檢測對象的缺陷情況、材質等條件進行使用壽命預測，可進一步在生產安全的條件下壓縮生產成本。

在無損檢測技術教育上，工業發達國家通常具有較完善的教育體系，在課程中可選修無損檢測相關課程，并建立有無損檢測操作人員培訓考證體系。目前主流的無損檢測儀器品牌通常源于這些國家，它們不僅從事無損檢測技術研究時間早，如今仍在研究前沿的無損檢測技術，如工業CT、激光超聲等。1979年，美國為確保其科技優勢，政府主導成立的無損檢測技術中心是新成立的六大中心之一。同時，全美超過100所高校開設了無損檢測與評價課程，

我國無損檢測技術從20世紀30年代有小范圍應用，從20世紀50年代開展，主要引入國外無損檢測技術，仿制國外探傷儀器。但從古至今，書中記載不少和無損檢測相關的故事。1982年，為提升軍工武器裝備生產質量與可靠性，南昌航空工業學院（現為南昌航空大學）創辦了國內首個“無損檢測”本科專業（軍（0602）（試辦）），充實無損檢測技術人才隊伍，將無損檢測技術人才培養規范化。

以渦流檢測為例，法國國鐵使用渦流檢測技術對導管和軸承進行探傷，俄羅斯制造筆式差動探頭，英國Staveley公司推出商用渦流檢測儀器。軌道交通車輛中超聲檢測的研究進展迅速，日本新干線采用全自動挪動式超聲探傷設備，對車軸進行檢測，完成一根車軸檢測時間小于3min。

3 常用無損檢測標準與常見缺陷

3.1 無損檢測標準概述

針對軌道車輛無損檢測領域，國外制定了系列標準與質量體系，以往我國在這方面主要參照國際化標準組織ISO、歐洲標準EN、法國標準NF、德國標準DIN等，例 如，ISO 9001：2015、DIN 6701、EN 15085、EN1291：2002《焊縫磁粉探傷驗收等級》、NF F00-090《鐵路制件磁粉探傷》。

國內軌道交通車輛生產質量安全法律法規主要有《中華人民共和國產品質量法》《中華人民共和國鐵路法》等，此外，還有《強制性產品認證管理規定》等法規，《鐵路機車車輛設計制造維修進口許可辦法》等行業規章，但這些都是產品質量把關的綜合性文件。

如今國內也陸續建立相關鐵路行業標準，諸如GJB9001、TB/T 3256-2011《機車在役零部件無損檢測》、TB/T 2047-2011《鐵路用無損檢測材料技術條件》《鐵路客車輪軸組裝檢修及管理規則》等。2021年10月，我國主導的ISO鐵路車輛系統部件國際標準（ISO 22752:2021《鐵路應用-機車車輛車體側窗》）正式實施。

3.2 常見缺陷位置

軌道交通車輛車體通常使用鋁合金材質達到輕量化結構，端墻、側墻等均采用焊接加工連接，因此，在車體制造過程中存在大量的焊縫需要無損檢測。焊縫中最常見的是氣孔和裂紋缺陷，除此之外，未焊透、錯邊等均是常見缺陷。此外，轉向架承載著列車的重量，且運行時還承受著振動與列車的制動功能，因此容易出現缺陷。輪軸在運行過程中容易擦傷和磕傷等。

4 軌道車輛常用無損檢測方法

4.1 目視檢測

目視檢測（Visual testing, VT）是針對肉眼可見缺陷的檢測，是所有行業中最常用的無損檢測方法，但它高度依賴操作人員的技能水平。檢測可見缺陷類型例如結構變形、焊接表面缺陷和內外表面腐蝕。在檢測過程中可以使用輔助工具，例如尺子、放大鏡和相機等，復雜結構下可使用內窺鏡。

一般情況下，目視檢測不需要額外的設備，對于檢測過程來說非常高效。該檢測手段適用于全車任何區域，成本低廉，易操作。

4.2 滲透檢測

滲透檢測（Penetrant testing，PT）是利用滲透劑在毛細管作用下，滲入表面開口微小缺陷內。在對工件表面多余的滲透劑清潔后，通過顯象劑的毛細管作用將缺陷內的滲透劑吸附到工件表面形成痕跡，從而達到“放大”缺陷顯示的效果。

這意味著車輛檢測采用該手段是最有效的檢測工件表面是否有開口缺陷的方法，對表面點狀和線狀缺陷的發現有重大幫助。表面裂紋在使用過程中容易擴展延伸導致失效，因此對表面裂紋的檢出極其重要，滲透檢測對該類缺陷易檢出。但其使用的滲透劑在生產車間中存在清潔困難的問題，適用于涂裝前的無損檢測需求。檢測對象無材質要求，要求表面狀態良好，適用于車體焊縫、轉向架、緊固螺栓螺紋等。

熒光滲透檢測是采用熒光滲透液，其物理基礎與普通滲透檢測類似，但其需要借助黑光燈觀察結構，對更細微的裂紋有更明顯的指示性，但不適用于大部件檢測。

4.3 磁粉檢測

磁粉檢測（Magnetic particle testing, MT）用于檢測鐵磁材料（如鐵、鎳、鈷及其合金）中的表面和近表面磁場畸變。當電流通過檢測對象，或施加在檢測對象外部，材料中會直接磁化。電流可以是交流電或直流電，磁力線總是垂直于電流方向。材料中存在表面或次表面不連續性會導致磁通泄漏，從而通過噴灑磁懸液時會使磁粉聚集，即磁粉被吸引到漏磁區域并形成缺陷指示，對其進行記錄并確定其性質。

由于只能檢測鐵磁性材料，磁粉檢測通常用于檢測車軸輪座、制動盤箍等使用鋼材料的零部件。

4.4 超聲檢測

超聲檢測（Ultrasonic testing，UT）通常是指A型掃查脈沖反射法超聲檢測，是一種通過使用高頻聲波來表征試件厚度或內部結構的方法。用于超聲檢測的頻率比人類聽覺極限高出許多倍，最常見的范圍是500kHz～20MHz。高頻聲波具有很強的方向性，它們會穿過一種介質（如鋼或塑料），直到遇到與另一種介質（如空氣）的邊界，然后反射回其聲源。通過分析反射特征，可以對試件厚度進行表征，或發現裂紋、其他內部缺陷。

在超聲檢測中，連接到探傷儀器的超聲波換能器（探頭）發射聲波穿過被檢查的物體，但由于聲阻抗差異巨大，換能器通常通過耦合劑（例如油、水）檢測對象相隔，如水浸法超聲檢測。

對超聲波的接收方式有反射和衰減兩種。在反射（收發式）模式下，當超聲波被反射回設備時，換能器執行脈沖波的發送和接收。反射超聲波來自一個界面，例如，物體的后壁或來自物體內的缺陷。探傷儀器以A掃信號顯示這些結果，信號的幅度代表反射強度，距離用反射到達時間表示。在衰減（一發一收式）模式下，發射器通過一個表面發送超聲波，而另一個接收器在檢測對象的另一面接收信號。發射器和接收器之間若存在缺陷或其他特殊情況會減少傳輸的能量，從而發現缺陷的存在。同樣的，無論哪種方法，都需要使用耦合劑。

該檢測方法被廣泛應用于動車組空心車軸、輪輞輪輻等位置。

4.5 射線檢測

射線檢測（Radiographic testing，RT）是使用 X射線和伽馬射線（使用放射性同位素）來檢查物體的內部或表面缺陷，而不會造成任何損壞。然后生成一張射線照片或圖片，顯示厚度的任何變化、缺陷（內部和外部）如裂縫和孔隙率以及被測樣品的組裝細節。與其他NDT技術相比，射線照相術具有幾個優點。它具有高度可重復性、用途廣泛，可用于多種材料，無須大量表面處理。

最常用的可控射線來源于X光機，其主控器發出的脈沖信號，經功率放大，產生高壓給射線管陽極，同樣主控發出的脈沖信號經放大給射線管燈絲，使射線管產生X射線。此時，被測物體放在X射線源與膠片之間，被曝光的底片經洗片后即可出現圖像。

射線穿透工件后，由于缺陷部位和無缺陷部位透過射線強度不同，底片上相應部位等會出現黑度差異。射線檢測人員通過對底片的觀察，根據其黒度的差異，便能識別缺陷的位置和性質。

射線檢測對動車金屬或非金屬結構件都能進行有效檢測，但由于其作業具有一定危險性，作業需要相應資質和警戒，檢測速度較慢等問題，因此并非動車組檢測時首選。但其在動車組無損檢測中，仍具有重要作用。

4.6 渦流檢測

渦流檢測（Eddy current testing, ECT）是一種非接觸式檢測手段，其物理基礎是源于法國物理學家Léon Foucault于1851年發現的渦電流，因此渦流有時被稱為Foucault電流。渦流通過電磁感應產生。當導線施加交變電流時，在導體中及其周圍產變化磁場。當交流電流到最大值時，該磁場最大，當電流降至零時，磁場消失。如果在該變化磁場中存在另一導體，如被檢測試件，則該導體中會產生感應電流，即渦流。

若被檢測試件中存在缺陷，渦流場發生改變，渦流產生的次級磁場也會發生改變，這種變化會被磁傳感器或線圈捕捉，經過放大電路等系列處理后，使用阻抗分析法分析缺陷。因渦流檢測技術無須耦合劑、靈敏度高等優勢，在高速列車轉向架部件探傷中有廣泛的應用。

變電流通過導線時,電流在導線橫截面上的分布是不均勻的,導體表面的電流密度大于中心的密度,且交變電流的頻率越高,這種趨勢越明顯,該現象稱為趨膚效應。常規渦流檢測同樣受趨膚效應影響，通常只能檢測表面或近表面缺陷。

5 新興無損檢測方法應用

5.1 ACFM檢測

ACFM（Alternating current field measurement，交流電磁場檢測技術）是基于電磁感應的新型無損檢測技術。通交變電流的特殊線圈（激勵線圈）靠近導體時，交變電流在周圍的空間中產生交變磁場，被測工件（導體）表面的感應電流由于集膚效應聚集于工件的表面。當工件中無缺陷時，感應電流線互相平行，若存在缺陷，電流分布發生變化，表面磁場畸變，通過感應磁場大小變化可檢測缺陷的存在性。

ACFM在軸承表面檢測已展現優勢，且其不需要去除表面噴漆，數據可長期存儲，便于質量跟蹤。

5.2 其他檢測方法

動車組無損檢測中有許多新技術，例如，磁記憶檢測、激光全息以及微波檢測等，這些檢測手段還沒有被生產廣泛使用，但是在實驗室中均已展現出良好的檢測效果。例如，超聲相控陣和TOFD（超聲衍射時差法）憑借高精度、可視化、能檢測試件各類埋深缺陷等優勢，在實際生產應用中已廣泛使用。

6 結語

隨著無損檢測技術的發展，越來越多的檢測手段被用于軌道交通車輛中。無損檢測一直存在于車輛設計、制造等階段，發揮著至關重要的作用，為我國軌道交通車輛制造及穩定運營奠定了堅實的基礎。