利用鋼軌晶粒度回波實(shí)現(xiàn)自動(dòng)靈敏度在鋼軌探傷儀上的應(yīng)用

■許世軍 ■成都鐵路局工務(wù)處，四川 成都 610081

安全是鐵路運(yùn)輸永恒的主題。如何保證鋼軌探傷儀及時(shí)發(fā)現(xiàn)傷損是工務(wù)系統(tǒng)的重要課題，近年來(lái)新一代鋼軌超聲波探傷儀利用數(shù)字和回放技術(shù)，大幅度提高了鋼軌傷損檢出能力。但是，作為鋼軌探傷儀最重要的現(xiàn)場(chǎng)探傷靈敏度控制技術(shù)指標(biāo)，還在使用較為原始的方法，即:利用接頭和螺栓孔等反射體校對(duì)現(xiàn)場(chǎng)靈敏度。由于跨區(qū)間無(wú)縫線路無(wú)鋼軌接頭以及接頭螺栓孔等反射體的反射當(dāng)量的不一致性，造成探傷儀靈敏度調(diào)整差別較大，由此導(dǎo)致的傷損漏檢屢屢發(fā)生。利用鋼軌晶粒度回波幅度實(shí)現(xiàn)鋼軌探傷自動(dòng)靈敏度，有效地解決了探傷靈敏度調(diào)整控制難題。

如何準(zhǔn)確控制“現(xiàn)場(chǎng)探傷靈敏度”的調(diào)整?是當(dāng)前鋼軌探傷管理工作首要解決的難題，也是廣大鐵路探傷管理和技術(shù)人員探討的一個(gè)重要課題。多年來(lái)，諸多無(wú)損檢測(cè)專家、工程技術(shù)人員、生產(chǎn)廠家對(duì)此進(jìn)行了大量的探索和實(shí)驗(yàn)，但均未見(jiàn)應(yīng)用與報(bào)道。

我局位于全國(guó)路網(wǎng)的西南地區(qū)。全年管內(nèi)最高氣溫45.6℃，極端最低氣溫-20.3℃，鋼軌受自然環(huán)境的影響，尤其冬季鋼軌及焊縫長(zhǎng)時(shí)間處于低溫環(huán)境使得鋼軌的脆性進(jìn)一步增加，鋼軌折斷機(jī)率加大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007 年至2014 年間每年11 月至翌年2 月發(fā)生傷損漏檢引發(fā)鋼軌折斷占斷軌總數(shù)的61.7%;通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)鋼軌傷損漏檢的主要因素是探傷人員現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整靈敏度不當(dāng)所致。

近幾年我局通過(guò)利用SZT-800 儀器檢測(cè)鋼軌晶粒反射波幅度控制現(xiàn)場(chǎng)探傷靈敏度，監(jiān)督鋼軌探傷作業(yè)質(zhì)量，收到較好的效果。

1 鋼軌探傷靈敏度調(diào)整簡(jiǎn)要分析

以往鋼軌探傷作業(yè)調(diào)整儀器靈敏度的方法:一是探傷作業(yè)前在GTS-60 試塊上檢出人工缺陷為各通道的探傷靈敏度;二是在作業(yè)過(guò)程中利用鋼軌接頭斷面、螺栓孔等參照反射體校準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)探傷靈敏度。

1.1 現(xiàn)場(chǎng)探傷靈敏度調(diào)整存在的問(wèn)題

⑴試塊上校準(zhǔn)的靈敏度在現(xiàn)場(chǎng)得不到實(shí)時(shí)的驗(yàn)證，只有通過(guò)接頭、螺栓孔的反射回波高度憑借操作人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行估計(jì)。

⑵鋼軌制造工藝及使用條件對(duì)靈敏度的影響。接頭斷面、螺栓孔等自然反射體因加工工藝、銹蝕、外力作用(如接頭低塌、橢圓孔)等因素，對(duì)超聲波的反射當(dāng)量離散性影響較大，對(duì)這些反射體的使用也無(wú)細(xì)致的工藝標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，淬火鋼軌接頭與熱軋鋼軌接頭及銹蝕的螺栓孔與完好的螺栓孔反射回波幅度差異可達(dá)12dB;直接影響現(xiàn)場(chǎng)探傷靈敏度的標(biāo)定。

⑶無(wú)縫線路找不到參考反射體。跨區(qū)間無(wú)縫線路無(wú)鋼軌接頭，在此區(qū)段探傷時(shí)無(wú)法驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)探傷靈敏度設(shè)置是否合理，只憑經(jīng)驗(yàn)值或利用焊筋部位反射點(diǎn)驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)探傷靈敏度。

⑷人員素質(zhì)。探傷人員的操作水平、技術(shù)業(yè)務(wù)的差異，導(dǎo)致調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)探傷靈敏度的高低參差不齊。

1.2 探傷靈敏度的三個(gè)概念

為了說(shuō)明探傷靈敏度對(duì)探傷作業(yè)的影響，本文提出靈敏度示值、實(shí)際探傷靈敏度、最優(yōu)探傷靈敏度三個(gè)概念。

⑴靈敏度示值。是指探傷作業(yè)過(guò)程中操作人員設(shè)定的可視靈敏度，可以通過(guò)指示旋鈕或數(shù)字，顯示到儀器的面板或顯示屏上。以前我們的探傷作業(yè)及管理中關(guān)注的往往是靈敏度示值，它指示了當(dāng)前探傷儀器靈敏度設(shè)定的分貝數(shù)，但不能完全反映儀器狀態(tài)是否可以檢測(cè)到傷損。

⑵實(shí)際探傷靈敏度。是指儀器發(fā)射的超聲波入射到鋼軌中經(jīng)反射體反射，被儀器接收放大，實(shí)際顯示到顯示屏上的回波強(qiáng)度。實(shí)際探傷靈敏度可以讓我們實(shí)時(shí)的確認(rèn)儀器保持在收發(fā)正常的狀態(tài)。評(píng)價(jià)一臺(tái)探傷儀的實(shí)際探傷靈敏度需要參照反射體的驗(yàn)證.

⑶最優(yōu)探傷靈敏度。儀器及探頭實(shí)時(shí)保持較高的靈敏度，超聲波波束進(jìn)入鋼軌中遇到規(guī)定的最小缺陷，其回波能以規(guī)定的幅度顯示到顯示屏上。如何找到一種不受現(xiàn)場(chǎng)條件和人員因素限制的參照反射體，用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)控和評(píng)價(jià)鋼軌探傷儀保持最優(yōu)探傷靈敏度，是保證探傷質(zhì)量、防止漏檢的關(guān)鍵。

2 鋼軌晶粒度與草狀波量化分析

(1)鋼軌金相組織結(jié)構(gòu)特性。眾所周知，鋼軌材料由隨機(jī)排列的粗晶體材料構(gòu)成，并具有“各向同性”的物理特性(圖1)。工業(yè)中常用的細(xì)晶粒有7-8 級(jí)，晶粒尺寸為0.022mm 左右。

圖1

(2)鋼軌晶粒反射回波特性。超聲波在波長(zhǎng)與晶粒度接近的材料中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生透射、反射和散射現(xiàn)象，部分能量被晶粒反射原路返回，并被探頭接收轉(zhuǎn)換成連續(xù)回波信號(hào)，形成被檢材料噪聲背景，稱“晶?；夭ā?圖2)，本文稱為草狀波。

圖2

(3)草狀波與探傷靈敏度的關(guān)系。在探傷儀不加抑制的情況下，我們發(fā)現(xiàn):在檢測(cè)到規(guī)定的最小缺陷時(shí)，缺陷回波總是伴隨著草狀波出現(xiàn)，而且草狀波幅度與回波幅度都隨dB 值線性衰減或增加，那么草狀波與鋼軌探傷靈敏度有著確切的關(guān)系嗎?答案是肯定的，以下通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明。

(4)草狀波動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。將鋼軌探傷儀放置在GTS-60C 試塊上校對(duì)好各通道探傷靈敏度，然后將探傷儀在試塊無(wú)傷處推行，在不加抑制的情況下，顯示屏上的各條掃描線上即可看到動(dòng)態(tài)波形。其特點(diǎn)類似波浪，有前后的滾動(dòng)性，波幅始終圍繞滿幅度的15%至20%隨機(jī)上下波動(dòng)，如果調(diào)整探傷靈敏度示值，草狀波幅度也隨之變化。如果調(diào)整靈敏度降低草狀波的幅度(不加抑制)，GTS-60C 試塊上的缺陷便不能發(fā)現(xiàn)。同時(shí)草狀波是一種廉價(jià)的參照反射體，不受場(chǎng)合的限制，如果能對(duì)草狀波量化進(jìn)行控制，就可以用它來(lái)標(biāo)定探傷靈敏度。

圖3

(5)草狀波幅度的量化。探傷儀在推行時(shí)由于草狀波幅度是波動(dòng)的，操作人員不便于讀出它的幅度值。我們采用對(duì)一幀草狀波進(jìn)行積分的方法進(jìn)行量化，得到VJF(圖3)，再對(duì)n 個(gè)(n≥100)VJ 取多次平均值得到VJP，這時(shí)發(fā)現(xiàn)VJP 是一個(gè)基本穩(wěn)定的值，在探傷作業(yè)時(shí)VJP 的波動(dòng)不會(huì)超過(guò)±2dB。我們把VJP 稱之為積分值，VJP 的值與草狀波高度有關(guān)，也就是說(shuō)草狀波高度可以通過(guò)VJP 量化，量化值由探傷儀進(jìn)行記錄并且和GTS-60C 試塊上的缺陷回波進(jìn)行對(duì)比給出最佳檢測(cè)靈敏度。

(6)鋼軌草狀波幅度與積分值試驗(yàn)。我們對(duì)草狀波進(jìn)行積分得到了積分值VJP，由于VJP 是一個(gè)無(wú)量級(jí)的數(shù)值，比較抽象，操作人員通常采用草狀波的幅度來(lái)衡量探傷靈敏度，為了找到回波幅度和積分值的關(guān)系，經(jīng)過(guò)多次在50kg/m、60kg/m 鋼軌進(jìn)行實(shí)際推行試驗(yàn)。推行方法:將單通道草狀波調(diào)整到5%、10%、15%、20%依次推行500m，采集積分值數(shù)據(jù)組，再換另一臺(tái)儀器重復(fù)上述推行試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)平均值計(jì)算后，得出草狀波幅度與積分值的大致關(guān)系。

草狀波與積分值關(guān)系

從以上數(shù)據(jù)分析得出一個(gè)初步的結(jié)論:利用鋼軌探傷儀中的超聲波波束入射到鋼軌，探傷儀接收到鋼軌晶粒度反射回波監(jiān)控靈敏度調(diào)整示值和儀器工作狀態(tài)是有效的。

3 利用草狀波靈敏度前后傷損準(zhǔn)確率對(duì)比分析

(1)利用鋼軌斷面、螺栓孔、底波調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)靈敏度。使用SZT-800型數(shù)字鋼軌探傷儀在普通線路上找到一處鋼軌接頭，利用鋼軌斷面、螺栓孔、底波調(diào)整各通道現(xiàn)場(chǎng)靈敏度，草狀波幅度較低，在此靈敏度下檢測(cè)GTS-60C 試塊人工傷損的結(jié)果看，軌頭部傷損有反射波，螺栓孔波齊全;卻不能發(fā)現(xiàn)較小的上斜裂紋，軌底傷損全部無(wú)反射。

(2)利用草狀波調(diào)整各通道現(xiàn)場(chǎng)靈敏度。使用SZT-800 型數(shù)字鋼軌探傷儀在鋼軌的無(wú)傷部位檢查，調(diào)整各通道草狀波幅度達(dá)到20%波幅，結(jié)果發(fā)現(xiàn)用這個(gè)靈敏度檢測(cè)GTS-60C 試塊人工傷損，軌頭、螺栓孔、軌底傷損全反射。

通過(guò)數(shù)據(jù)試驗(yàn)證明，現(xiàn)場(chǎng)利用草狀波幅度變化監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)探傷靈敏度調(diào)整范圍是科學(xué)有效的，探傷靈敏度示值、耦合狀態(tài)、草狀波三者有著密切的聯(lián)系?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論:⑴通過(guò)草狀波的有無(wú)可以判定探頭儀器狀態(tài)是否良好;⑵通過(guò)草狀波的波幅可以判定探傷靈敏度是否正常。

4 利用草狀波動(dòng)態(tài)靈敏度前后鋼軌折斷分析

我們對(duì)近幾年因探傷漏檢發(fā)生鋼軌折斷的實(shí)例進(jìn)行分析、歸類，查找探傷漏檢原因。結(jié)果發(fā)現(xiàn)因探傷靈敏度調(diào)整不當(dāng)造成檢測(cè)質(zhì)量不達(dá)標(biāo)，導(dǎo)致漏檢發(fā)生鋼軌折斷占總數(shù)的61.4%.

通過(guò)草狀波調(diào)整探傷靈敏度前后對(duì)比不難看出，2007-2010 年累計(jì)共發(fā)生鋼軌折斷44 起，其中探傷漏檢27 起，占總數(shù)的61.4%;2011-2014 年累計(jì)共發(fā)生鋼軌折斷24 起，其中探傷漏檢4 起，占總數(shù)的17%，探傷漏檢率下降了44%。由此可見(jiàn)，鋼軌探傷儀傳統(tǒng)的利用A型顯示以鋼軌斷面、螺栓孔、底波為基準(zhǔn)調(diào)整探傷靈敏度的方法造成的探傷漏檢較多;現(xiàn)場(chǎng)使用SZT-800 自動(dòng)探傷靈敏度對(duì)鋼軌進(jìn)行探傷，保證了探傷作業(yè)質(zhì)量。

5 實(shí)行草狀波調(diào)整探傷靈敏度成效顯著

(1)利用晶粒波幅度監(jiān)控探傷靈敏度，改變了傳統(tǒng)的借助鋼軌斷面、螺栓孔、底波等反射體調(diào)整探傷靈敏度的做法，不受地域、環(huán)境的限制。

(2)使我局探傷靈敏度調(diào)整和鋼軌探傷管理有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和工藝要求，探傷人員可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)探傷靈敏度。

(3)通過(guò)自動(dòng)靈敏度的實(shí)時(shí)控制，及時(shí)發(fā)現(xiàn)探頭線損壞、氣泡、與鋼軌耦合不良，報(bào)警提示停止作業(yè)進(jìn)行檢修，避免漏檢發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了鋼軌探傷作業(yè)全過(guò)程控制。

(4)使用草狀波監(jiān)控發(fā)現(xiàn)的新問(wèn)題。自利用草狀波幅度變化監(jiān)控作業(yè)質(zhì)量以來(lái)，我們發(fā)現(xiàn)了新鋼軌(淬火、熱軋)、再用軌晶粒度差異較大，比如在直線上調(diào)整好的靈敏度在曲線變低，因?yàn)榍€上采用淬火晶粒度較高，所以必須及時(shí)調(diào)整草狀波幅度，才能保證每一根鋼軌的探傷質(zhì)量。通過(guò)儀器實(shí)時(shí)監(jiān)控草狀波幅度，還發(fā)現(xiàn)涂油、隧道地段、沙塵天氣軌面具有污垢，引起探頭耦合不良易漏檢等問(wèn)題。

(5)實(shí)現(xiàn)靜態(tài)靈敏度向動(dòng)態(tài)靈敏度轉(zhuǎn)型。實(shí)行草狀波幅度自動(dòng)調(diào)整靈敏度后，探傷人員作為標(biāo)定現(xiàn)場(chǎng)探傷掃查靈敏度的“參考值”，就是將試塊各部位的人工傷損當(dāng)量置入鋼軌探傷儀中帶到現(xiàn)場(chǎng)，判傷時(shí)可利用試塊人工傷損基準(zhǔn)反射體差值對(duì)傷損進(jìn)行判定，提高了判傷的準(zhǔn)確性，減少了人為因素對(duì)傷損判定結(jié)果的影響，這種靜態(tài)靈敏度向動(dòng)態(tài)可變靈敏度轉(zhuǎn)型是科學(xué)的。

(6)鋼軌母材傷損檢出率增高。利用調(diào)整草狀波幅度控制探傷靈敏度以來(lái)，發(fā)現(xiàn)鋼軌母材傷損率逐漸上升，2013 年全局累計(jì)檢出傷損2550 根2014 年檢出傷損率比2013 年檢出傷損率上升8%，而且傷損的當(dāng)量逐漸變小，由原來(lái)的10mm 當(dāng)量縮小到8mm 當(dāng)量，大幅度減少斷軌故障的發(fā)生。

6 結(jié)論

結(jié)合我局地處山區(qū)特點(diǎn)，創(chuàng)造性實(shí)施了利用草狀波自動(dòng)調(diào)整探傷靈敏度的方法，全過(guò)程的監(jiān)控探傷作業(yè)，大幅度降低了因探傷靈敏度調(diào)整不當(dāng)引發(fā)的傷損漏檢，有效防止了鋼軌折斷故障、事故，使整體鋼軌探傷作業(yè)質(zhì)量邁上了一個(gè)新的臺(tái)階。

［1］TBT 2340-2000 多通道A 型顯示鋼軌超聲波探傷儀技術(shù)條件.

［2］鋼軌探傷培訓(xùn)教材.

［3］鐵道科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所.鋼軌疲勞破損.