高速鐵路鋼軌焊縫核傷的探測方法

戴英東 馬巖

摘 要：近年來，我國高速鐵路事業(yè)發(fā)展取得了輝煌的成就，相對應地，對安全問題也提出了更高的要求。其中，鋼軌焊縫處最容易形成缺陷“核傷”，嚴重地會造成斷軌事故，造成重大的生命和財產(chǎn)損失。本文以高速鐵路鋼軌焊縫核傷為主要研究對象，討論探測方法的實用性，并提出合理的操作建議。

關鍵詞：高速鐵路；鋼軌焊縫；核傷探測；探測方法

隨著科學技術的發(fā)展，中國已經(jīng)全面步入“高鐵時代”。高速鐵路的建設規(guī)模不僅在國內(nèi)實現(xiàn)了普及，同時也積極地開拓國際市場，贏得了較大的社會經(jīng)濟效益。相對應地，高速鐵路的建設在安全層面提出了更高的標準，相比一般鐵路軌道建設，在焊縫施工、管理和探傷方面要求更加具體、嚴格。因此，積極開展高速鐵路鋼軌焊縫核傷的檢測與維護是十分必要的。

1 高速鐵路鋼軌核傷概述

1.1 核傷形成原理 狹義地說，鋼軌核傷指的是軌頭及焊縫處產(chǎn)生的橫向金屬疲勞裂紋，從內(nèi)部開始產(chǎn)生，在量變未完成之前具有較強的隱秘性，鋼軌表面幾乎看不出任何異常。但在內(nèi)部已經(jīng)出現(xiàn)了嚴重的斷裂問題，是鋼軌應用中最危險的一種缺陷和故障；通過長期的觀察發(fā)現(xiàn)，核傷分為“白核”與“黑核”兩種，“白核”只存在于鋼軌內(nèi)部，而隨著白核的逐漸增加積累，觸及外部空氣后發(fā)生氧化反應，逐漸形成“黑核”。

一般而言，高速鐵路鋼軌出現(xiàn)核傷是客觀作用、不可避免，鋼軌與車輪之間的接觸會造成復雜的應力分布，重力作用在鋼軌上，從表面向四周分散，形成橫向裂紋；具體的形成原理要參考鋼軌的內(nèi)部構(gòu)造，特別是在焊縫處的銜接本身就存在缺陷，如氣泡、雜質(zhì)和細小裂紋等。在軸重、速度、負載等影響因素逐漸加劇的狀態(tài)下，鋼軌所承受的力量并非單純地向下重力，而是在鋼軌內(nèi)部最先出現(xiàn)變化。

首先，復雜的盈利組合會導致裂紋成核，然后向鋼軌四周擴散，為了阻止核傷的作用，鋼軌四周的鋼料會產(chǎn)生抵抗作用，這種對抗作用分布極不均勻，隨時會產(chǎn)生猝然斷裂。其次，核傷的產(chǎn)生是不可避免的，除了運力影響之外，還有鋼材質(zhì)自身的作用。當溫度低于二百攝氏度的時候，氫氣被封閉在鋼材氣孔中，內(nèi)部壓力很高，而在鋼軌發(fā)生摩擦作用時，氫氣得以釋放并膨脹出細小的裂紋。這種作用越來越明顯，為了抵抗氫氣膨脹作用就形成越來越大的“核”，最終核傷會以觀察形態(tài)出現(xiàn)。

1.2 焊縫核傷探測的必要性 隨著科學技術的進步以及安全體制的完善，我國鐵路運輸行業(yè)中發(fā)生人為事故的概率越來越低，但相對應地，由于基礎設備的故障導致的安全事故卻呈現(xiàn)出上升局面。根據(jù)中國鐵道年檢數(shù)據(jù)顯示，“十一五”期間我國發(fā)生“較大”鐵路安全事故121起，其中三分之二與斷軌事故相關，其中焊縫及熱影響區(qū)部位是事故出現(xiàn)的主因，說明了展開焊縫核傷探測的必要性。

首先，進行焊縫核傷探測是過渡階段的必要手段。近年來我國高鐵發(fā)展迅速，火車設備運力增加，造成鋼軌的負載力不斷提升。但是，鋼軌的更新與火車設備的更新是不同步的，根據(jù)原本的速度、負載設計，根本就無法滿足現(xiàn)有的需求，客觀上造成損傷的加速。其次，焊縫核傷的客觀性要求。鋼軌焊縫的探傷工作要比普通鋼軌探傷更加困難，這是由于焊縫本身就比較復雜，幾乎不存在相同的內(nèi)部構(gòu)造，體積、面積、疏松度等都是隨機形成的，在外部很難看出缺陷，需要利用到特殊的設備和方法才能實現(xiàn)。

2 鋼軌焊縫核傷的探測方法研究

合適的探測方法是解決核傷的關鍵，針對焊縫探傷存在的定位、定量困難，必須提出針對性的解決策略。近年來，隨著鋼軌數(shù)字類探傷儀的不斷出現(xiàn)，市場上所提供的檢測工具越來越多，總地來說包括滲透探傷、磁粉探傷、渦流探傷、射線探傷、超聲波探傷五種。結(jié)合功能效果、經(jīng)濟性、操作性等對比，超聲波探傷的類型具有較為明顯地優(yōu)勢。

2.1 焊縫軌頭探傷 軌頭探測是最基本的核傷探測手段，可以采用縱向掃描和偏角掃描兩種方法。其中，縱向掃描又稱為“縱向移動掃查”，利用超聲波探傷儀（K2.5探頭）從中心位置開始，向左右固定距離平行移動，分別在16、26、36、46、56毫米處進行檢測，主要偏角保持為零。而探頭偏角縱向移動的方式，則是從軌道焊縫頂部開始，以15°的偏角進行掃查，用來解決縱向掃描接觸面過小的問題。這兩種方法可以交替使用，每次檢測進行3-4次。

超聲波探傷的優(yōu)點主要是可以實現(xiàn)缺陷定位和缺陷定量，如缺陷回波波峰前言對準的刻度為10，保持探頭入射點為水平，所得到的數(shù)據(jù)乘以10即可獲得側(cè)面的垂直距離，方便讀數(shù)、規(guī)避了繁瑣的計算。而缺陷定量則是利用適當?shù)挠嬎愎?，根?jù)熒光屏上的位移量直接獨處的缺陷垂直高度，是非常簡單的鋼軌核傷校對方法。

2.2 焊縫軌腰探傷 焊縫軌腰的探測行為要使用特殊的探頭，如K1型號的超聲波探頭，可以實現(xiàn)V形透視探測。在進行探傷掃查的過程中，一般會采取兩個探頭同時使用，聲波射入點距離是鋼軌高度的兩倍，在中心線位置上，分別向上部縱向移動，聲波會擴大進入V型焊縫的角度。除此之外，也包括穿透式的核傷探測法，可以根據(jù)聲波最底的情況判斷缺陷。

2.3 焊縫軌底探傷 焊縫軌底的核傷掃查較為困難，通常無法直接檢測到這一部位，在選擇儀器的過程中可以選用通用探傷儀。而掃查的過程中，軌底分為兩個部分，一部分是軌底側(cè)面（軌腳），另一部分是軌腰與軌底的連接處，呈現(xiàn)出一個凸顯的三角區(qū)。因此，在進行檢測的過程中，實際上是包括了兩部分共6個探測面。

可以使用K2.5探頭進行掃查，分別按照不同的偏角、水平方向移動，需要注意的是，在掃查軌底三角區(qū)的過程中，要將探頭與軌腰形成30°的夾角。

3 結(jié)束語

結(jié)合實際情況分析，鋼軌焊縫的核傷探測方法多樣，但超聲波的探測技術較為先進，在設備應用方面也更加成熟，投入少、操作簡便，通過觀察波形即可探測出核傷位置、形狀，并進一步了解其損傷的規(guī)律和程度，采取相應地解決措施，對我國高鐵事業(yè)發(fā)展具有重要的作用。

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