鋼軌探傷車(chē)漏檢軌頭縱向裂紋分析及解決措施

徐志強(qiáng)

（國(guó)家能源集團(tuán)朔黃鐵路公司，河北 滄州 062350）

朔黃鐵路是我國(guó)運(yùn)量第二位的重載鐵路，年運(yùn)量超3億t，鋼軌傷損數(shù)量多、類(lèi)型復(fù)雜。目前朔黃鐵路正線(xiàn)鋼軌探傷檢測(cè)模式為探傷車(chē)、探傷儀共同作業(yè)，現(xiàn)正在嘗試以探傷車(chē)替代探傷儀檢測(cè)周期。2019年，朔黃上行線(xiàn)75kg/m鋼軌共計(jì)發(fā)生12處軌頭縱向裂紋重傷，全部由探傷儀發(fā)現(xiàn)，暴露出探傷車(chē)對(duì)軌頭縱向裂紋檢測(cè)能力差的問(wèn)題。該類(lèi)傷損漏檢的問(wèn)題不解決，則探傷車(chē)無(wú)法替代探傷儀檢測(cè)周期，所以需要對(duì)軌頭縱向裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行了解，對(duì)探傷車(chē)SYS1900探傷系統(tǒng)漏檢原因進(jìn)行深入分析，并提出解決措施。

1 探傷車(chē)漏檢軌頭縱向裂紋實(shí)例

朔黃線(xiàn)上行正線(xiàn)K225+250，探傷儀發(fā)現(xiàn)12m范圍內(nèi)軌頭至軌腰縱向裂紋20mm共6處，探傷儀I通道0度4.0、軌頭側(cè)面校對(duì)0度1.2出波。查詢(xún)探傷車(chē)最近一次檢測(cè)數(shù)據(jù)，探傷車(chē)在探傷儀之前6d進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)無(wú)明顯特征。對(duì)該處傷損進(jìn)行解剖，確認(rèn)為軌頭中間部位縱向裂紋，如圖1所示。

圖1 軌頭縱向裂紋實(shí)物

2 軌頭縱向裂紋產(chǎn)生的原因

軌頭縱向裂紋主要發(fā)生在新?lián)Q鋪線(xiàn)路鋼軌，主要是制造工藝原因，分為縱向線(xiàn)紋和縱向裂紋。此類(lèi)傷損都屬于鋼軌軋制形成的縱向折疊型缺陷，在冷卻時(shí)因體積收縮可能以鼓泡形態(tài)出現(xiàn)，另外，冷錠裝爐時(shí)爐溫過(guò)高和加熱速度太快等原因都會(huì)促使鋼坯內(nèi)部出現(xiàn)裂紋。在鋼軌使用初期的輪軌接觸面光帶上，可以發(fā)現(xiàn)呈縱向分布的一條或多條紋路，這些縱向紋路分布在鋼軌全長(zhǎng)或局部?？v向線(xiàn)紋的深度一般都在脫碳層深度（0.5mm左右）范圍之內(nèi)，當(dāng)深度較深時(shí)（大于1～2mm），稱(chēng)為縱向裂紋。縱向線(xiàn)紋和裂紋的長(zhǎng)度一般為幾十毫米至幾米長(zhǎng)，在鋼軌上的深度及分布沒(méi)有規(guī)律性?？v向裂紋在使用過(guò)程中會(huì)在表層裂紋的兩側(cè)發(fā)展成局部淺層剝離掉塊。

3 探傷車(chē)未檢出軌頭縱向裂紋的原因

鋼軌軌頭縱向裂紋的檢出一直是檢測(cè)的難點(diǎn)，探傷儀主要用0°換能器檢測(cè)，主要靠其增益衰減和反射發(fā)現(xiàn)傷損。受傷損取向原因，0°換能器在檢測(cè)該類(lèi)傷損時(shí)，靈敏度過(guò)高和過(guò)低都會(huì)造成該類(lèi)傷損無(wú)法被檢出。因此，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，探傷儀0°換能器增益值一定要適中。

通常，探傷車(chē)?yán)肬X-6型探輪和X-Fire探輪檢測(cè)鋼軌各類(lèi)傷損，共計(jì)15個(gè)通道，各自功能不同，軌頭縱向裂紋主要由UX-6型探輪里面的側(cè)打換能器檢測(cè)和0°換能器檢出。由于國(guó)內(nèi)該類(lèi)傷損數(shù)量極少，側(cè)打換能器運(yùn)用不多，大部分探傷車(chē)為了減少雜波干擾，此通道一直處于關(guān)閉狀態(tài)，對(duì)參數(shù)設(shè)置研究也較少，用側(cè)打換能器發(fā)現(xiàn)傷損B顯圖的經(jīng)驗(yàn)更是不足。總的來(lái)說(shuō)，側(cè)打換能器參數(shù)設(shè)置研究和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)不足是造成漏檢的主要原因。

4 提升縱向裂紋傷損檢出能力的措施

鋼軌探傷車(chē)每側(cè)鋼軌包含兩個(gè)9英寸UX-6型探輪及一個(gè)9英寸X-Fire探輪，布置有0°換能器、45°換能器、陣列70°換能器、側(cè)打換能器、偏斜70°換能器，能夠?qū)崿F(xiàn)鋼軌頭部全截面掃查，其中側(cè)打換能器主要功能為檢測(cè)軌頭縱向垂直劈裂傷損，如圖2所示。

圖2 UX-6型探輪檢測(cè)換能器的檢測(cè)范圍

4.1 側(cè)打換能器參數(shù)設(shè)置研究

目前，探傷車(chē)檢測(cè)縱向裂紋主要用UX-6輪，有3種不同類(lèi)型的換能器，即側(cè)打換能器+中心70°換能器+0°換能器共同探測(cè)。（1）側(cè)打換能器是軌頭縱向裂紋主要檢測(cè)通道，只要有顯示，就要引起重視；（2）中心70°換能器監(jiān)視閘門(mén)加長(zhǎng)，高靈敏度檢測(cè)，出波顯示較為零散；（3）0°換能器檢測(cè)，靈敏度設(shè)置適中，注意0°換能器可能出現(xiàn)間斷性失波。統(tǒng)計(jì)記錄爐號(hào)，出現(xiàn)這類(lèi)傷損后，一個(gè)爐號(hào)的鋼軌可能都存在此類(lèi)問(wèn)題，建議全部排查。UX-6型探輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 UX-6型探輪內(nèi)部結(jié)構(gòu)

研究正確調(diào)整側(cè)打換能器閘門(mén)位置的方法，可以?xún)?yōu)化對(duì)軌頭縱向裂紋的檢測(cè)能力；確定側(cè)打通道中閘門(mén)的寬度和位置，從而降低漏檢軌頭縱向裂紋傷損的概率。

（1）側(cè)打換能器的功能。聚焦式側(cè)打換能器超聲波頻率為2.25MHz，與其他通道不同，側(cè)打通道的超聲波聲束是在鋼軌橫向截面?zhèn)鞑サ?。聲束方向與鋼軌縱向垂直，以折射角為40°指向軌頭內(nèi)（外）側(cè)，主要檢測(cè)軌頭縱向劈裂。聚焦式側(cè)打換能器之前，裝有聚焦聲透鏡，增強(qiáng)了檢測(cè)軌頭縱向垂直劈裂的能力。

（2）側(cè)打換能器使用注意事項(xiàng)。側(cè)打換能器專(zhuān)為檢測(cè)軌頭縱向裂紋而優(yōu)化設(shè)計(jì)。軌頭縱向裂紋出現(xiàn)在從軌頭中心到軌頭兩側(cè)的軌顎附近，沿垂直方向發(fā)展。由于軌頭輪廓會(huì)發(fā)生變化，特別是在曲線(xiàn)段軌頭內(nèi)側(cè)輪廓經(jīng)常產(chǎn)生較大磨耗，而用于檢測(cè)這些傷損的聲束設(shè)計(jì)是針對(duì)正常斷面的鋼軌的，因此，側(cè)打閘門(mén)比較小，防止出現(xiàn)大量誤報(bào)影響有用的信號(hào)。為提高檢出能力，必須重點(diǎn)關(guān)注閘門(mén)前后強(qiáng)烈的固定回波信號(hào)，如圖4所示。有很強(qiáng)的固定回波是軌頭縱向裂紋的重要特征，從這兩個(gè)固定回波可以對(duì)增益和閘門(mén)進(jìn)行設(shè)置寬度最大限。在檢測(cè)過(guò)程中，固定回波信號(hào)位置會(huì)隨鋼軌輪廓變化而變動(dòng)，監(jiān)視這個(gè)信號(hào)并隨之調(diào)整閘門(mén)寬度可以保持閘門(mén)寬度最大，以找到更多的缺陷。為了能使側(cè)打通道發(fā)現(xiàn)剪切型軌頭縱向裂紋，很重要的一點(diǎn)是使閘門(mén)盡可能靠近底波反射信號(hào)，這將提高檢測(cè)出缺陷的概率。

圖4 UX-6型探輪側(cè)打換能器檢測(cè)示波器A顯

（3）側(cè)打換能器的參數(shù)研究試驗(yàn)方法。制作P75鋼軌軌頭縱向裂紋標(biāo)定傷損鋼軌，分別在鋼軌內(nèi)外兩側(cè)，制作單排間斷平底孔，模擬現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況，分別用側(cè)打換能器，檢測(cè)人工模擬傷損，通過(guò)出波確定檢測(cè)開(kāi)始位置和結(jié)束位置，在此區(qū)域出現(xiàn)的波形，確定為傷損，如圖5所示。

圖5 軌頭縱向裂紋標(biāo)定傷損鋼軌側(cè)打換能器測(cè)試傷損示意圖

通過(guò)上述試驗(yàn)，盡可能地?cái)U(kuò)大閘門(mén)深度，只有固定反射信號(hào)進(jìn)入閘門(mén)影響檢測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，才能降低這些閘門(mén)設(shè)置。在實(shí)際檢測(cè)時(shí)，這通常是由于垂直方向的軌頭磨耗造成的，很容易在示波器中識(shí)別，通過(guò)示波器觀察側(cè)打通道的固定回波信號(hào)，只要條件允許盡可能調(diào)大閘門(mén)總深度，通過(guò)試驗(yàn)最終確定側(cè)打換能器的檢測(cè)75kg/m鋼軌，參數(shù)設(shè)置為8～18μs（閘門(mén)起點(diǎn)+閘門(mén)寬度）。合理的側(cè)打換能器參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 側(cè)打換能器參數(shù)設(shè)置

4.2 改善系統(tǒng)對(duì)中方式

鋼軌探傷車(chē)在檢測(cè)作業(yè)時(shí)，探輪應(yīng)始終與鋼軌中心線(xiàn)對(duì)齊，以保證超聲換能器發(fā)射的超聲波聲束在鋼軌內(nèi)有效傳播。要想運(yùn)用好側(cè)打換能器，必須保證檢測(cè)時(shí)換能器處于合適的位置，如探輪與鋼軌中心線(xiàn)出現(xiàn)偏差，需及時(shí)測(cè)得偏移量，伺服機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移補(bǔ)償，保證探輪對(duì)中位置。

圖6 電磁對(duì)中傳感器（E-core）

目前朔黃鐵路探傷車(chē)安裝有電磁對(duì)中傳感器（E-core），測(cè)量鋼軌與探輪間的偏移量，其安裝于探輪架構(gòu)上，最佳對(duì)中檢測(cè)安裝高度為距離軌面23cm，如圖6所示。在檢測(cè)過(guò)程中受探輪狀態(tài)的變化，電磁對(duì)中傳感器（E-core）距離軌面的高度一直在變化，直接影響探輪對(duì)中效果。其次受鋼軌軌頭垂磨和側(cè)磨的影響，會(huì)引起電磁對(duì)中傳感器（E-core）對(duì)中失效，因此電磁對(duì)中傳感器不適合目前朔黃鐵路小半徑曲線(xiàn)多、磨耗嚴(yán)重的線(xiàn)路，保證不了探輪在檢測(cè)過(guò)程中處于中心位置。

國(guó)內(nèi)大量鋼軌探傷車(chē)取消電磁對(duì)中傳感器，改造成二維激光對(duì)中傳感器，如圖7所示。此種對(duì)中方式不受探輪狀態(tài)變化影響，同時(shí)二維激光掃描軌頭和軌腰，也不受軌頭磨耗的影響，相對(duì)電磁對(duì)中傳感器來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性更強(qiáng)、對(duì)中效果更好。應(yīng)用表明，采用二維激光對(duì)中可有效提升側(cè)打換能器的檢測(cè)能力。

圖7 二維激光對(duì)中傳感器

4.3 提升探輪整備和調(diào)整質(zhì)量

設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)直接決定檢測(cè)質(zhì)量，由于側(cè)打換能器安裝方式的特殊性，側(cè)打換能器的運(yùn)用對(duì)探輪標(biāo)準(zhǔn)要求非常嚴(yán)格，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注探輪的胎壓、下壓量和標(biāo)零。探輪胎壓不足或者過(guò)量，都會(huì)造成探輪與鋼軌接觸不良，直接影響換能器超聲波的入射，要嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行充液；探輪下壓量的不足和過(guò)量，同樣也會(huì)造成探輪和鋼軌的接觸面不良，影響聲波的入射。

在探輪胎壓合適的情況下，調(diào)整示波器的光標(biāo)，測(cè)量0°換能器在探輪內(nèi)的傳播時(shí)間，調(diào)節(jié)探輪下壓量，使始脈沖前延至界面波前沿間隔為92μs，此時(shí)輪膜大致壓平115mm。

4.4 總結(jié)軌頭縱向裂紋傷損數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)

對(duì)于探傷車(chē)來(lái)說(shuō)，軌頭縱向裂紋主要由側(cè)打換能器檢測(cè)，但同時(shí)要關(guān)注0°換能器和中間直70°換能器的出波情況。尤其是在線(xiàn)路狀態(tài)較好，B顯出波正常情況下，出現(xiàn)間斷性0°換能器失底波，中間直70°換能器在軌頭中間部位間斷性出波，要高度重視，縱向裂紋在軌頭出現(xiàn)“鼓包”情況，中間直70°換能器是能夠檢測(cè)到的，所以要對(duì)該類(lèi)傷損波形和雜波進(jìn)行區(qū)分，如圖8所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從軌頭縱向裂紋產(chǎn)生的主要原因和探傷車(chē)未發(fā)現(xiàn)的原因進(jìn)行了分析，重點(diǎn)對(duì)側(cè)打換能器使用進(jìn)行分析，最終對(duì)側(cè)打換能器的功能進(jìn)行實(shí)踐研究確定了合理參數(shù)，確定為：8～18μs（閘門(mén)起點(diǎn)+閘門(mén)寬度）。同時(shí)提出改造對(duì)中方式的方案，建議加強(qiáng)探輪的整備調(diào)整，總結(jié)相關(guān)傷損出波經(jīng)驗(yàn)，最終提升設(shè)備檢出能力。

圖8 中間直70°換能器檢出縱向裂紋