在役鋼軌無損檢測技術(shù)與系統(tǒng)的應(yīng)用與發(fā)展

趙 揚，陳建偉，孫繼華，馬 健，孫繼昌，賈中青

（1.山東省科學(xué)院激光研究所，濟(jì)南 250014；2.山東省無損檢測工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250014）

鋼軌是鐵路運輸?shù)幕A(chǔ)，服役時受到交變彎曲應(yīng)力和橫向應(yīng)力而產(chǎn)生磨損、塑性變形及疲勞損傷，鋼軌性能逐漸劣化；大量鋼軌處于超負(fù)荷運行及超期服役狀態(tài)，鋼軌斷裂失效［1］及斷軌事故時有發(fā)生。因此，對鋼軌進(jìn)行高效和實時探傷，有望實現(xiàn)潛在事故的早期預(yù)報，做到防患于未然。

鋼軌服役過程中所產(chǎn)生的缺陷類型較為復(fù)雜，既有踏面的淺層損傷，又有軌頭、軌腰及軌底的深層缺陷［2］，參見圖1。因此，鋼軌在役無損檢測需要采用多種檢測技術(shù)實現(xiàn)全面檢測［3］。

圖1 鋼軌中存在的缺陷類型

鋼軌檢測系統(tǒng)，主要分大型鋼軌自動探傷車及人工探傷車兩類。檢測技術(shù)以傳統(tǒng)壓電超聲檢測技術(shù)為主［4］，配合深度小于4mm的表面及近表面裂紋檢測技術(shù)，例如自動視覺技術(shù)、漏磁檢測技術(shù)、交變電磁場檢測技術(shù)和渦流檢測技術(shù)［6－8］等。電磁超聲技術(shù)、超聲導(dǎo)波及激光超聲技術(shù)［9－11］等新技術(shù)也已應(yīng)用于鋼軌檢測。

1 檢測系統(tǒng)與技術(shù)

1.1 壓電超聲檢測系統(tǒng)

壓電超聲檢測技術(shù)的原理是通過電脈沖激發(fā)超聲換能器晶片，使其發(fā)射超聲波；定向發(fā)射的超聲波束在被測工件中傳播，遇到缺陷時被反射、折射和衰減；超聲檢測儀器對信號處理和分析，給出定量（當(dāng)量）的缺陷指標(biāo)。

鋼軌軌頭、軌腰和軌底，需以不同的入射角發(fā)射超聲波，來增大對待檢測缺陷的覆蓋范圍（圖2）。超聲傳感器被封裝在充滿耦合液體的測量膠輪內(nèi)，每個輪內(nèi)有3至6個傳感器。每個鋼軌有兩個輪，在前后位置分別固定安裝0°、45°和70°的傳感器。另外一種略有不同的配置是采用0°、37°和70°傳感器，分別指向中心、面內(nèi)和角邊緣。若每個鋼軌采用18個超聲傳感器，則會完全覆蓋鋼軌的檢測區(qū)域，可檢測軌腰垂直裂紋、軌頭和軌底下的缺陷。在非常低的溫度條件下，需要使用適用于低溫的耦合劑。

圖2 鋼軌壓電超聲檢測示意圖

美國Sperry公司采用該技術(shù)研制的鋼軌探傷車（圖3），檢測時速最高可以達(dá)到80km／h，通常時速為45km／h。在實際檢測過程中，當(dāng)檢測到一個缺陷或群集缺陷時，車輛就會停止檢查并進(jìn)行自動視覺驗證或人工驗證。檢查停止和驗證處理過程的平均檢測速度為10～14km／h，系統(tǒng)能夠在縱向和橫向檢測鋼軌缺陷。

圖3 Sperry公司研制的鋼軌探傷車

Sperry公司也研制了一種人工軌道檢測車，該檢測車包括9個工作頻率為2.25MHz的壓電超聲波傳感器，其把一個水箱固定在車廂底盤上，用于給滾動式檢測單元提供耦合劑，以A掃描的形式顯示［13］輸出結(jié)果。

德國與荷蘭合資的Eurailscout公司研制的UST探傷車，以色列EVS－ScanMaste公司研制的SFB－100探傷車，瑞士Speno公司研制的US6－1探傷車以及法國SNCF探傷車，均采用了壓電超聲技術(shù)。中國鐵道科學(xué)院和寶雞南車時代工程機械有限公司也采用Sperry公司技術(shù)，聯(lián)合研發(fā)超聲鋼軌探傷車。

由于壓電超聲檢測技術(shù)對于鋼軌表面及近表面缺陷檢測靈敏度較低，所以需要聯(lián)合使用漏磁檢測技術(shù)或渦流檢測技術(shù)來實現(xiàn)鋼軌全覆蓋的無損檢測。

1.2 漏磁檢測系統(tǒng)

鐵磁性試件在外磁場作用下被磁化。當(dāng)試件存在缺陷時，由于磁導(dǎo)率的變化，內(nèi)部磁力線發(fā)生彎曲，缺陷附近的部分磁感應(yīng)線就會泄漏出試件表面形成漏磁。通過檢測試件表面漏磁的變化量就可得到缺陷的形狀、位置等信息。實際檢測時，向鋼軌頭部輸入大電流，并使鋼軌成為電路回路的一部分。當(dāng)電流遇到缺陷時，電流將沿著缺陷流動并產(chǎn)生漏磁場，因此可以通過一個能夠檢測到磁場干擾的傳感器來測量電流的失真，以此來確定缺陷（圖4）。

圖4 漏磁檢測原理示意圖

根據(jù)耦合到的試樣的磁感應(yīng)線的分布，漏磁（MFL）檢測系統(tǒng)分為兩種類型：① 圓周磁場：在縱向缺陷的檢測和測量方面較優(yōu)異。② 軸向磁場：趨向于檢測帶有顯著圓周或?qū)挾确秶牧Ⅲw或缺失缺陷。這兩種方法得到的漏磁信號都受檢測速度影響，且檢測速度對圓周漏磁的影響比對軸向漏磁更為顯著。

漏磁檢測技術(shù)完全覆蓋了鋼軌頭部，包括表面、拐角和圓角，因此它能夠檢測到壓電超聲技術(shù)很難檢測到的缺陷，例如軌頭角落的微細(xì)裂紋。

MFL檢測技術(shù)通常作為超聲檢測的補充技術(shù)，實際應(yīng)用時，檢測時速均低于35km／h，因為檢測速度的提高會顯著降低其性能。另外，該技術(shù)無需使用耦合劑，適用于在低溫下進(jìn)行檢測。

美國Sperry公司鋼軌探傷車集成了漏磁檢測單元，用于檢測鋼軌表面缺陷，以配合壓電超聲技術(shù)完成鋼軌的全覆蓋檢測。

圖5 Sperry公司研制的鋼軌漏磁檢測系統(tǒng)

1.3 渦流檢測系統(tǒng)

渦流檢測技術(shù)早期用于鐵路焊縫的檢測。近年來，為了彌補傳統(tǒng)壓電超聲技術(shù)在表面及近表面缺陷檢測方面的不足，無損檢測研究人員嘗試將其用于鋼軌滾動接觸疲勞（RCF）裂紋的檢測。

德國聯(lián)邦材料研究測試研究所在采用渦流技術(shù)進(jìn)行鋼軌檢測中取得了重大發(fā)展，專門開發(fā)了用于檢測RCF裂縫的設(shè)備，并且可給出缺陷位置和深度的信息。荷蘭、德國和歐洲其它的一些地方，Eurailscout公司將這種系統(tǒng)用于UDT02型鋼軌探傷車（圖6）和人工式鋼軌測試系統(tǒng)（圖7）。

Eurailscout公司研制的UDT02探傷車系統(tǒng)，檢測時對每個鋼軌采用4個傳感器，大約覆蓋了鋼軌運動邊緣0.2～25mm的范圍（圖8）。每個鋼軌測量單元還包括一個四通道的渦流探針，其連接到數(shù)據(jù)采集單元，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和評價。該系統(tǒng)還結(jié)合D－GPS（全球定位系統(tǒng)）、測速編碼器和特殊標(biāo)記，可以精確定位缺陷位置。坐標(biāo)為固定位置且可被保存，它與所測量的數(shù)據(jù)是相互關(guān)聯(lián)的。

圖6 UDT02渦流鋼軌探傷車

圖7 人工式鋼軌脈沖渦流檢測儀

圖8 UDT02型鋼軌探傷車中的脈沖渦流檢測系統(tǒng)

如何實時調(diào)整渦流探頭位置，并補償提離距離變化引起的信號靈敏度變化是渦流檢測中的重要問題，因為渦流探頭需要安裝在與探頭連接器表面呈一定角度的位置，所以鋼軌渦流檢測的測試過程十分復(fù)雜。Eurailscout在德國馬格德堡首次成功進(jìn)行了高速測試（72km／h），檢測出該區(qū)段上有幾個已知的RCF裂紋，其檢測結(jié)果與圖7中人工渦流檢測車的檢測結(jié)果相符。

此外，Eurailscout公司在UDT02型鋼軌探傷車中集成了32通道的壓電超聲檢測單元，以實現(xiàn)鋼軌內(nèi)部缺陷的檢測，理論檢測時速最高可達(dá)80km／h。

1.4 視覺檢測系統(tǒng)

自動視覺系統(tǒng)基于高速攝像頭捕獲軌道列車移動時的視頻圖像，使用定制的圖像分析軟件對拍攝的圖像進(jìn)行自動分析；其軟件分析采用了監(jiān)督式學(xué)習(xí)程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分類，然后采用互相關(guān)技術(shù)對物體或缺陷進(jìn)行識別。

通過樣本學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)識別本質(zhì)上是一個計算問題。為了實現(xiàn)實時性能的計算，應(yīng)該盡可能縮短這種模式識別的時間。當(dāng)試圖檢測更小的目標(biāo)（如鋼軌表面的缺陷）時，捕獲的視頻圖像的分辨率需要更高，以便提供更可靠的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。然而，由于圖像分辨率的增加，需要的信息也會增加，因此需要更多的計算時間完成分析。因此，需要調(diào)整檢測的速度，以保持與數(shù)據(jù)分析同步。

自動視覺跟蹤檢測系統(tǒng)可用于測量鋼軌軌頭的輪廓、磨損百分比、導(dǎo)軌間隙、移動軌枕、缺乏壓載、底板工況、鉗子位置、缺少螺栓和表面損傷，包括RCF和鋼軌波紋缺陷等。自動視覺系統(tǒng)的操作速度，可以根據(jù)檢測的類型和分辨率的需要，在60～320km／h間調(diào)整。例如，檢測鋼軌波紋缺陷比檢測RCF開裂時的速度要快得多。然而，自動視覺系統(tǒng)無法提供內(nèi)部缺陷的任何信息，因此不能用來代替超聲波檢測。

目前，法國國營鐵路公司（SNFC），在速度達(dá)320km／h的IRIS 320汽車上，安裝了軌道網(wǎng)絡(luò)高速檢測攝像機。通過高速線和高標(biāo)準(zhǔn)的主線（速度不小于160km／h），每15d對可視表面缺陷進(jìn)行檢測。圖9示出了視覺軌道檢測的原理。

圖9 使用視覺相機的鋼軌路徑檢測

北京交通大學(xué)對鋼軌表面裂紋及剝落缺陷的視覺檢測進(jìn)行了研究［13］。

1.5 交流電磁場檢測系統(tǒng)

交變磁場測量（Alternating Current Field Measurement，ACFM）技術(shù)是一種被普遍認(rèn)為可以取代磁粉檢測的電磁檢測方法。ACFM技術(shù)是基于交流電能夠在任何導(dǎo)體表層附近流動的原理。其把遠(yuǎn)程的均勻電流導(dǎo)入到被測元件區(qū)域，當(dāng)不存在缺陷時，電流將不受干擾。如果存在裂紋，電流就會被干擾，并且沿著裂紋的末端和下部流動（圖10）。由于電流是交流電，所以它靠近表層流動并且不受該組件整體幾何形狀的影響。ACFM已經(jīng)用于非平面形態(tài)的裂紋以及不同類型的裂紋尺寸擴展的檢測。

圖10 ACFM傳感器的工作原理

目前，已經(jīng)實現(xiàn)在非平面形態(tài)裂紋的檢測應(yīng)用，并開展了適應(yīng)不同類型的裂紋尺寸擴展模型研究。與渦流傳感器探測所需的提離距離相比（小于2mm），使用ACFM探針時，最大的提離距離可達(dá)5mm且不會有明顯的信號損失，這是由于信號強度下降與提離距離的平方成反比關(guān)系，而不像渦流檢測技術(shù)那樣是與提離距離的立方成反比關(guān)系。

2000年，在Bombardier公司的支持下，TSC公司開始開發(fā)先進(jìn)的ACFM系統(tǒng)并應(yīng)用于鐵路行業(yè)中，其目標(biāo)是開發(fā)一種便攜性好的ACFM系統(tǒng)，具有友好的用戶檢測界面。很明顯，ACFM系統(tǒng)可以部署在軌道上檢測并測得RCF裂紋的大小。圖11為TSC公司的人工式ACFM檢測設(shè)備，其能夠獨立工作長達(dá)8h。根據(jù)鋼軌軌頭形狀將ACFM組合成陣列式結(jié)構(gòu)，可以應(yīng)用于軌頭磨損的在役檢測。其通過調(diào)整ACFM陣列中傳感器的掃描順序，能夠?qū)崿F(xiàn)整個鋼軌頭部的檢測，因此可不間斷地檢測鋼軌。在將金相觀測結(jié)果與RCF裂縫無損檢測獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比的基礎(chǔ)上，結(jié)合合理的缺陷分級算法即可開發(fā)出定制的軟件包，從而自動調(diào)整手動檢測到的RCF裂縫的大小。

圖11 TSC公司的人工式ACFM檢測系統(tǒng)

通過增加采樣率至50kHz，手動系統(tǒng)可實現(xiàn)2.7km／h的檢測時速。需要指出的是，對于鋼軌檢測，不僅要能檢測到缺陷，而且要確定其嚴(yán)重程度，為此需要獲得足夠的缺陷信息。目前TSC公司正在與伯明翰大學(xué)合作，進(jìn)行進(jìn)一步的實驗工作，以開發(fā)更高速度的ACFM檢測系統(tǒng)，來用于鋼軌中RCF裂紋的定量檢測。

1.6 電磁超聲檢測技術(shù)

電磁超聲換能器（Electromagnetic acoustic transducer，EMAT）可以通過洛侖茲力機理或磁致伸縮效應(yīng)在導(dǎo)體或磁性材料中激發(fā)和接收超聲波。一般來說，檢測線圈，外磁場以及被檢材料是構(gòu)成EMAT的三個要素。通過選擇線圈的幾何形狀、磁場的方向以及不同的驅(qū)動方式，可以方便激發(fā)不同類型的超聲波。EMAT具有不需要物理耦合或聲匹配的優(yōu)點，且利用電磁耦合機制在被檢試樣內(nèi)產(chǎn)生趨膚深度的超聲波，這意味著物理耦合產(chǎn)生的擾動是微不足道的，因此，EMAT也適合于鋼軌檢測。

2000年，加拿大Tektrend公司研制了載有電磁超聲探頭的鋼軌探傷車（圖12）。電磁超聲探頭檢測工作方式為脈沖回波方式和超聲透射方式。選擇不同的工作頻率和線圈結(jié)構(gòu)可以使電磁超聲探頭產(chǎn)生表面波、垂直入射體波、35°和60°斜入射橫波等。檢測時，多組電磁超聲探頭依次放置在鋼軌表面。為了避免各探頭聲場相互疊加而影響探傷結(jié)果，各探頭彼此保持一定間距。試驗環(huán)境下，該系統(tǒng)可以檢測出軌頭內(nèi)的垂直裂紋和水平裂紋、螺栓孔裂紋、焊縫的缺陷等，最高探傷速度可以達(dá)到15km／h。

狗咬呂洞賓啊，你小子。我這是為你好。好好的大學(xué)不上，你搞什么傳銷，要搞你自己去搞，不要在宿舍里做宣傳，二分錢買個羊架，不賤骨頭嗎？

圖12 Tektrend公司研制的EMAT鋼軌探傷車

2008年俄羅斯Vigor公司介紹了EMAT鋼軌探傷系統(tǒng)［14］。該系統(tǒng)主要采用電磁超聲換能器產(chǎn)生垂直剪切波、斜入射剪切波以及表面波來對鋼軌進(jìn)行離線探傷。電磁超聲探頭在0.25，0.5，1，1.8MHz 4種工作頻率下分別產(chǎn)生水平傳播的橫波、表面波、40°斜入射剪切波和垂直入射體波。各電磁超聲探頭在鋼軌表面分散布置，彼此彌補探傷盲區(qū)并且避免相互間的影響，可實現(xiàn)鋼軌的全面探傷。英國 Warwick大學(xué)、Birmingham大學(xué)以及Bristol大學(xué)聯(lián)合開展了用于高速鋼軌檢測的EMAT傳感器的相關(guān)研究工作。目前，蒙特利爾的CN Tascherezu工廠在45m長的鋼軌上加工不同類型的人工傷，包括軌頭水平分裂紋、豎直裂紋、螺栓孔裂紋以及有缺陷的焊縫，用來校準(zhǔn)EMAT系統(tǒng)以及評價EMAT系統(tǒng)的檢測能力。

我國哈爾濱工業(yè)大學(xué)也開展了針對鋼軌的EMAT檢測系統(tǒng)的研究［15］。

1.7 超聲相控陣檢測技術(shù)

超聲相控陣技術(shù)是一種對結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行無損檢測評估的新技術(shù)。超聲相控陣技術(shù)利用計算機控制相控陣探頭中各個小晶片的激發(fā)和接收，對各個晶片施加不同的時間延遲，使各個晶片的波陣面產(chǎn)生波的干涉，實現(xiàn)聲束的偏轉(zhuǎn)和聚焦（圖13）。因此，對于鋼軌焊縫檢測，相控陣比傳統(tǒng)的超聲波有著顯著的技術(shù)優(yōu)勢。

圖13 超聲相控陣聚焦原理

對于鋼軌焊縫，由于鋁熱焊接微結(jié)構(gòu)的特性使得超聲波衰減較大，因此單一的壓電超聲技術(shù)難以檢測其內(nèi)部缺陷，而超聲相控陣技術(shù)則可以通過聚焦的方式來解決該問題。超聲相控陣技術(shù)與常規(guī)超聲脈沖法相比，其顯著特點就是具有靈活的聲束偏轉(zhuǎn)及聚焦性能。

目前，美國交通運輸技術(shù)中心TTCI和Iowa州立大學(xué)、英國Bristol大學(xué)和 Warwick大學(xué)以及法國Socomate公司正在進(jìn)行超聲波相控陣檢測鋼軌的研究。到目前為止，由于超聲相控陣技術(shù)檢測鋼軌需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)分析問題，而且數(shù)據(jù)處理不如傳統(tǒng)超聲波檢測時簡單明確，因此還沒有實際的超聲相控陣的系統(tǒng)被開發(fā)出來以用于高速鋼軌檢測。采用超聲相控陣檢測的最大速度約為5km／h。最近，Socomate公司提出了并行分析的概念，并依此開發(fā)了快速自動角度掃描技術(shù)，研制了USPC7100處理系統(tǒng)，其理論檢測時速可達(dá)100km／h。Speno公司研制的鋼軌探傷車采用了該系統(tǒng)。

近年來，我國華南理工大學(xué)開展了鋼軌超聲相控陣檢測方法的研究［16］。

1.8 超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)

美國Pennsylvania州立大學(xué)、韓國首爾國立理工大學(xué)和英國TWI公司正在進(jìn)行用遠(yuǎn)程超聲波檢測鋼軌的研究。美國Wavesinsolids LLC已經(jīng)研制了Prism鋼軌導(dǎo)波探傷系統(tǒng)，最大檢測時速15km／h，僅可用于軌頭橫向缺陷的檢測，最大檢測靈敏度為缺陷面積占截面積的20%以上。

最近，我國蘭州理工大學(xué)利用該技術(shù)嘗試對鋼軌斷裂進(jìn)行實時檢測的研究［18］。

1.9 激光－空氣耦合超聲檢測技術(shù)

激光超聲檢測技術(shù)結(jié)合了超聲波檢測的靈敏性和光學(xué)系統(tǒng)的靈活性，可以解決復(fù)雜的檢測問題。激光超聲檢測技術(shù)已經(jīng)在金屬、復(fù)合材料陶瓷材料等得到了很好的應(yīng)用。激光的遠(yuǎn)程特性使得其可對固定的曲面或快速運動物體進(jìn)行檢測，而且可以在惡劣環(huán)境（高溫、腐蝕和輻射等）中對材料進(jìn)行檢測的特性。激光超聲具有較高的時間分辨力和空間分辨力，檢測精度較傳統(tǒng)超聲檢測高。這些技術(shù)優(yōu)勢使得激光超聲技術(shù)在鋼軌無損檢測領(lǐng)域中成為了一個有吸引力的新選擇。

激光超聲檢測技術(shù)利用脈沖激光在被檢材料表面產(chǎn)生超聲波。當(dāng)激光脈沖照到材料表面時，通過熱彈效應(yīng)或燒蝕產(chǎn)生超聲波，激光可以產(chǎn)生縱波、剪切波、表面波和Lamb波等波型。當(dāng)該超聲波到達(dá)樣品的表面上，通過基于自適應(yīng)干涉儀的激光超聲波接收機測量所產(chǎn)生的表面位移，就是真正意義上的激光超聲技術(shù)。

此外，還有許多學(xué)者采用壓電超聲傳感器進(jìn)行超聲波的接收。美國TTCI與意大利Technogamma公司聯(lián)合研制出第一臺激光超聲波軌道檢測系統(tǒng)，其采用空氣耦合式的壓電超聲傳感器接收超聲信號。初步測試結(jié)果表明，所研發(fā)的激光超聲系統(tǒng)可用于檢查整個鋼軌部分，包括軌頭、軌腰和軌底。該系統(tǒng)被加載到汽車上（圖14），運行速度最高可達(dá)32km／h，其最佳的檢測速度在8～15km／h間。

圖14 TTCI－Technogamma激光超聲探傷車

1.10 激光－EMAT混合超聲檢測技術(shù)

2010年山東省科學(xué)院激光研究所通過國際合作項目開展了激光－EMAT檢測技術(shù)的研究與應(yīng)用，研制適用于鋼軌在役檢測的激光電磁超聲系統(tǒng)［19－20］。激光－EMAT屬于一種混合式超聲檢測技術(shù)，即利用脈沖激光來實現(xiàn)超聲波的激勵，然后借助電磁超聲傳感器來接收超聲波信號，完成超聲波探傷的功能。若結(jié)合光纖傳輸系統(tǒng)，亦可以實現(xiàn)超聲相控陣的檢測功能（圖15）。山東省科學(xué)院激光研究所已經(jīng)掌握鋼軌RCF缺陷、螺孔裂紋以及軌腰裂紋的檢測方法，目前正在研究檢測時速為100km／h的激光－電磁超聲檢測系統(tǒng)樣機。

圖15 鋼軌激光－電磁超聲檢測系統(tǒng)示意圖

2 總結(jié)與展望

在役鋼軌無損檢測的應(yīng)用及研究說明，為實現(xiàn)有效和可靠的全覆蓋檢測，必須聯(lián)合采用多種檢測技術(shù)，例如將自動可視檢測、渦流、ACFM和傳統(tǒng)超聲波技術(shù)相結(jié)合，集成高速系統(tǒng)。而實現(xiàn)鋼軌的在役高速自動探傷是該領(lǐng)域應(yīng)用方向的重中之重，亦是解決我國日益加劇的鋼軌探傷要求和鐵路提速需求之間矛盾的唯一途徑。

從目前無損檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢來看，聲學(xué)檢測技術(shù)是鋼軌無損檢測領(lǐng)域未來的主要發(fā)展方向，特別是一些非接觸式的檢測方法，如激光超聲和電磁超聲等技術(shù)的快速發(fā)展以及在檢測裝備研制方面的逐漸成熟，這些也為未來實現(xiàn)更高檢測時速的大型鋼軌探傷車奠定了基礎(chǔ)。

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