探傷車超聲波檢測系統(tǒng)基準(zhǔn)靈敏度確定方法

張玉華，馬運(yùn)忠，李培，鐘艷春，熊龍輝

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

0 引言

探傷車用于在役鋼軌內(nèi)部疲勞裂紋檢測，檢測速度最高可達(dá)80 km/h，傷損檢出性能受檢測靈敏度、鋼軌表面狀態(tài)、檢測速度等因素影響，在檢測過程中操作員需根據(jù)檢測過程中超聲波波形對檢測靈敏度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。檢測靈敏度過高，檢測數(shù)據(jù)中的雜波增加，傷損誤報(bào)增加。檢測靈敏度低于基準(zhǔn)靈敏度，可能會(huì)漏檢。在探傷車運(yùn)用管理辦法中，對探傷車在人工傷損標(biāo)定線上的檢測性能進(jìn)行了規(guī)定，但由于標(biāo)定線與實(shí)際線路表面狀態(tài)的差異，導(dǎo)致標(biāo)定線上的檢測靈敏度難以準(zhǔn)確地為實(shí)際線路檢測靈敏度提供參考。因此，基準(zhǔn)靈敏度的確定一直是困擾操作人員的難題。石永生等［1-2］提出了高速鐵路探傷車動(dòng)態(tài)靈敏度設(shè)置方法，將通道調(diào)出雜波再減3 dB作為檢測靈敏度，并提出探傷車檢測靈敏度設(shè)置應(yīng)根據(jù)探傷儀檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定。趙波等［3］提出了在動(dòng)態(tài)檢測時(shí)，以螺孔不同檢測速度和掃查間距下出現(xiàn)的合理回波點(diǎn)數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)的動(dòng)態(tài)檢測靈敏度設(shè)置方法。文獻(xiàn)［4-5］也從應(yīng)用角度對檢測靈敏度設(shè)置進(jìn)行了研究。以上方法對探傷車動(dòng)態(tài)檢測靈敏度的設(shè)置提供了參考，但并未給出基準(zhǔn)靈敏度的確定方法。因此，該研究在分析探傷車超聲波檢測系統(tǒng)傷損判讀原理的基礎(chǔ)上，提出不同檢測速度下探傷超聲波通道的基準(zhǔn)靈敏度確定方法。

1 探傷車超聲波檢測系統(tǒng)傷損判讀原理

探傷車檢測采用超聲波反射原理進(jìn)行檢測，同時(shí)對2根鋼軌進(jìn)行檢測，超聲波換能器安裝在探輪內(nèi)，單根鋼軌設(shè)計(jì)有3個(gè)探輪，共計(jì)15個(gè)超聲波通道。以45°超聲波通道為例，對探傷車傷損判讀原理進(jìn)行說明。圖1（a）為45°超聲波通道在探傷車行進(jìn)過程中對鋼軌軌腰斜裂紋進(jìn)行的第①、②、③次掃查示意圖，3次掃查間距為Δh。若3次探測過程中，軌腰斜裂紋產(chǎn)生的超聲波回波均超過了45°超聲波通道監(jiān)視閘門的閾值（見圖1（b）），利用檢測系統(tǒng)對超聲波回波的聲程進(jìn)行測量，依據(jù)聲程計(jì)算出超聲波回波在鋼軌中的位置，采用B型顯示（B顯）的方式呈現(xiàn)給操作者。3次掃查的A型顯示（A顯）回波峰值均超過閾值（見圖1（c））。3次探測產(chǎn)生3個(gè)B顯中的回波點(diǎn)。操作員通過B顯圖形中回波點(diǎn)的數(shù)量和排列趨勢進(jìn)行傷損判別。通常需要形成3個(gè)及以上的回波點(diǎn)，才可判斷檢測到傷損。探傷車行進(jìn)過程中，超聲波通道對裂紋探測次數(shù)越多，在檢測靈敏度設(shè)置合理的情況下，回波點(diǎn)數(shù)越多，越有利于傷損判讀。

圖1 45°超聲波通道檢測軌腰斜裂紋示意圖

由圖1還可看出，對于特定的裂紋缺陷，超聲波通道探測次數(shù)與掃查間距Δh有關(guān)，而掃查間距Δh與探傷車行進(jìn)速度密切相關(guān)。如在自主化探傷作業(yè)系統(tǒng)［6-8］中，掃查間距Δh與探傷車檢測速度的關(guān)系見表1。

表1 超聲波掃查間距與探傷車行進(jìn)速度關(guān)系

2 探傷車與探傷儀基準(zhǔn)靈敏度異同

使用探傷儀進(jìn)行檢測時(shí)，依據(jù)需要檢測的最小傷損進(jìn)行基準(zhǔn)靈敏度設(shè)置。設(shè)定超聲波通道的閘門和閾值，通常閾值設(shè)為探傷儀屏幕滿屏幅值的80%。當(dāng)需要檢測的最小傷損的超聲波回波幅值達(dá)到閾值時(shí)的增益值為基準(zhǔn)靈敏度，即檢測最低靈敏度。在探傷儀探傷過程中，檢測靈敏度設(shè)定值不允許低于基準(zhǔn)靈敏度。探傷儀的基準(zhǔn)靈敏度確定思路是：在基準(zhǔn)靈敏度下，需要檢測的最小傷損產(chǎn)生的回波高于閾值時(shí)，可以被檢出；對于當(dāng)量尺寸大于最小傷損尺寸的傷損，在高于基準(zhǔn)靈敏度的檢測靈敏度條件下，產(chǎn)生的回波也應(yīng)大于閾值，所以也會(huì)被檢出。

使用探傷車進(jìn)行檢測時(shí)，傷損檢出的判讀標(biāo)準(zhǔn)與探傷儀相比發(fā)生了變化，不再依據(jù)單次超聲波探測的回波幅值與閾值關(guān)系進(jìn)行判斷，而是通過多次超聲波探測產(chǎn)生的回波與閾值關(guān)系進(jìn)行判斷。如在80 km/h檢測速度時(shí)，掃查間距為5.56 mm，按至少掃查3次計(jì)算，要求超聲波通道在5.56×3=16.68 mm移動(dòng)范圍內(nèi)，超聲波回波均需大于設(shè)定閾值。探傷車檢測傷損判讀標(biāo)準(zhǔn)要高于探傷儀傷損判讀標(biāo)準(zhǔn)。

當(dāng)閾值設(shè)定為40%時(shí)，探傷儀A顯判傷原理見圖2（a），當(dāng)超聲波回波的幅值超過40%，則可認(rèn)為該處超聲波回波為報(bào)警回波。使超聲波回波幅值達(dá)到圖2（a）所示條件的靈敏度為探傷儀A顯基準(zhǔn)靈敏度。探傷車B顯判傷原理見圖2（b），在Δt時(shí)間內(nèi)的超聲波回波幅值均超過40%，該處超聲波回波可視作報(bào)警回波。Δt的大小與探傷車掃查間距相關(guān)，掃查間距越大，Δt越大。使超聲波回波幅值達(dá)到圖2（b）所示條件的靈敏度為探傷車B顯基準(zhǔn)靈敏度。對比圖2（a）與圖2（b）的超聲波回波幅值可見，圖2（b）中超聲波回波最大幅值大于圖2（a）中超聲波回波最大幅值，即探傷車B顯基準(zhǔn)靈敏度需高于探傷儀A顯基準(zhǔn)靈敏度。探傷車檢測速度越高，掃查間距越大，所需的Δt越大，即探傷車B顯基準(zhǔn)靈敏度越高。

圖2 基于判傷原理的探傷車與探傷儀基準(zhǔn)靈敏度對比

探傷車與探傷儀基準(zhǔn)靈敏度相同之處在于：

（1）均采用超聲波回波幅值與閾值對比方式，回波幅值小于閾值時(shí)判讀為非傷損。

（2）均采用特定位置特定尺寸的人工傷損檢出時(shí)的檢測靈敏度作為基準(zhǔn)靈敏度。

（3）檢測過程中檢測靈敏度均需高于基準(zhǔn)靈敏度。

探傷車與探傷儀檢測基準(zhǔn)靈敏度不同之處在于：

（1）特定位置特定尺寸的人工傷損判讀標(biāo)準(zhǔn)不同。探傷車檢測主要針對B顯圖形進(jìn)行判讀，需至少3個(gè)回波圖形且具備一定圖形走勢。探傷儀在確認(rèn)傷損時(shí)，一般采用A顯圖形對傷損進(jìn)行定量與確認(rèn)。

（2）探傷車在不同檢測速度下基準(zhǔn)靈敏度不同。探傷車B顯圖形中回波個(gè)數(shù)受檢測速度影響，即設(shè)置相同的檢測靈敏度，在不同檢測速度時(shí)回波個(gè)數(shù)有明顯差異。因此不同檢測速度下，同一位置同一尺寸的人工傷損被檢出具有不同的檢測靈敏度，即不同檢測速度，基準(zhǔn)靈敏度不同。探傷儀檢測速度一般為2～3 km/h，回波個(gè)數(shù)在不同檢測速度時(shí)基本相同，因此同一位置同一尺寸的人工傷損被檢出時(shí)的檢測靈敏度差別不大，可認(rèn)為在檢測過程中基準(zhǔn)靈敏度不變。

3 基于超聲波A顯掃查間距的基準(zhǔn)靈敏度確定方法

探傷車在檢測時(shí)，可能會(huì)更換超聲波探輪，不同探輪內(nèi)的超聲波換能器不同，因此基準(zhǔn)靈敏度除與檢測速度相關(guān)外，還需針對探輪進(jìn)行確定，需要排除探輪對中、鋼軌表面狀態(tài)等因素影響［9］。此外，基準(zhǔn)靈敏度還和超聲波檢測系統(tǒng)性能密切相關(guān)，在確定基準(zhǔn)靈敏度時(shí)需使用探傷車超聲波檢測系統(tǒng)。

基準(zhǔn)靈敏度確定方法基于以下前提：

（1）假設(shè)對于探傷車用超聲波檢測系統(tǒng)的不同超聲波通道，超聲波發(fā)射接收的部分性能相近，不區(qū)分超聲波通道。

（2）當(dāng)產(chǎn)生3個(gè)超聲波回波時(shí)，認(rèn)為該傷損為檢出。

（3）探傷車各個(gè)檢測速度下的掃查間距參照表1。

（4）探輪均按裝備要求進(jìn)行調(diào)零整備完畢。

以探輪中45°超聲波通道為例，該超聲波通道在檢測速度60 km/h時(shí)的基準(zhǔn)靈敏度A60確定方法如下：

（1）從表1中可查到，當(dāng)檢測速度為60 km/h時(shí)，掃查間距為4.17 mm。

（2）將超聲波探輪安裝在帶試塊位移刻度的HT-1型標(biāo)定臺(tái)上，調(diào)整好探輪對中與下壓量，將探輪線纜接到探傷車檢測系統(tǒng)中對應(yīng)的探輪接口，安裝被測探輪后的HT-1型標(biāo)定臺(tái)見圖3。

圖3 安裝被測探輪后的HT-1型標(biāo)定臺(tái)

（3）選擇探輪中45°超聲波通道，設(shè)置探傷車超聲波檢測系統(tǒng)的45°超聲波通道的閘門延遲、閘門寬度、閾值、抑制與檢測狀態(tài)一致，將45°通道A顯信號切換至顯示界面。

（4）設(shè)定超聲波通道初始增益值A(chǔ)0。

（5）調(diào)節(jié)位移旋鈕，使傷損試塊從左至右運(yùn)動(dòng)，找到3 mm螺孔下裂人工傷損的傷損回波，當(dāng)傷損回波由低向高達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，從試塊標(biāo)尺上讀出試塊位移L1。

（6）調(diào)節(jié)位移旋鈕，使傷損試塊從左至右繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)人工傷損的回波幅值由高向低達(dá)到設(shè)定閾值時(shí)，從試塊標(biāo)尺上讀出試塊位移L2。

（7）若L2-L1<4.17+δ，δ為設(shè)定的冗余量，可選δ=0.5 mm。則增大45°通道增益值，重復(fù)步驟（4）與（6）。

（8）若L2-L1>4.17+δ，δ為設(shè)定的冗余量，可選δ=0.5 mm。則減小45°通道增益值，重復(fù)步驟（4）與（6）。

（9）若|L2-L1-4.17|<δ，則此時(shí)的45°通道增益值即為速度60 km/h下的基準(zhǔn)靈敏度，記為A60。60 km/h檢測速度下的基準(zhǔn)靈敏度確定完畢。

（10）重復(fù)（1）～（9），依次得出其他檢測速度下45°通道的基準(zhǔn)靈敏度A10、A20、A30、…、A80。

更換探輪、傷損試塊、超聲波通道，可測量得出每個(gè)探輪、每個(gè)超聲波通道在各個(gè)檢測速度下的基準(zhǔn)靈敏度?？蓪⒏鞒暡ㄍǖ赖幕鶞?zhǔn)靈敏度存入檢測參數(shù)文件，在檢測過程中，按檢測速度進(jìn)行選用，依據(jù)鋼軌表面狀態(tài)對檢測靈敏度進(jìn)行提高補(bǔ)償，但檢測靈敏度不得低于該速度下的基準(zhǔn)靈敏度。

對于不同的超聲波檢測系統(tǒng)，需依據(jù)檢測系統(tǒng)的說明書查詢各個(gè)檢測速度下的掃查間距。

4 基準(zhǔn)靈敏度試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證提出的基準(zhǔn)靈敏度確定方法是否有效，在試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行了動(dòng)態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)見圖4。

圖4 試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)

試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)安裝有環(huán)形傷損試塊，試塊上加工有人工傷損，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，環(huán)形傷損試塊的線速度最高可達(dá)80 km/h。試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)最多可安裝3個(gè)探輪，配裝有TKGT-I型探傷作業(yè)系統(tǒng)。

調(diào)整探輪下壓量，使零度超聲波通道界面波聲程為92μs，調(diào)整探輪對中，使探輪對中良好。采用HT-1試驗(yàn)臺(tái)與TKGT-I型探傷作業(yè)系統(tǒng)對探輪各超聲波通道不同速度下的基準(zhǔn)靈敏度進(jìn)行確定。在試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)上對確定的基準(zhǔn)靈敏度進(jìn)行試驗(yàn)，對環(huán)形傷損試塊的超聲波B顯圖形進(jìn)行回波點(diǎn)數(shù)分析，結(jié)論如下：

（1）超聲波通道檢測靈敏度小于轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行速度下的基準(zhǔn)靈敏度時(shí)，B顯圖形回波點(diǎn)數(shù)均少于3個(gè)點(diǎn)，與理論分析相符。

（2）當(dāng)設(shè)置的超聲波通道檢測靈敏度高于轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行速度下的基準(zhǔn)靈敏度，且耦合水噴灑正常時(shí)，B顯圖形回波點(diǎn)數(shù)可大于或等于3個(gè)點(diǎn)。與基準(zhǔn)靈敏度相比，檢測靈敏度越高，超聲波回波點(diǎn)數(shù)越多，與理論分析相符。

（3）檢測靈敏度值繼續(xù)增大，超聲波B顯圖形中出現(xiàn)雜波。

因此，檢測靈敏度的最小值即為該方法確定的基準(zhǔn)靈敏度，最大值為B顯圖形中出現(xiàn)零星雜波時(shí)的檢測靈敏度。

5 結(jié)論

為確定探傷車高速檢測時(shí)各個(gè)檢測速度下的基準(zhǔn)靈敏度，分析探傷車超聲波檢測系統(tǒng)傷損判讀原理，對比探傷車與探傷儀基準(zhǔn)靈敏度的異同點(diǎn)，提出探傷車不同檢測速度下基于超聲波A顯走波長度的基準(zhǔn)靈敏度確定方法，并在試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)論如下：

（1）探傷車超聲波檢測系統(tǒng)在不同檢測速度下具有不同的基準(zhǔn)靈敏度，基準(zhǔn)靈敏度與掃查間距密切相關(guān)，檢測速度越快，掃查間距越大，基準(zhǔn)靈敏度越高；

（2）不同檢測速度下基準(zhǔn)靈敏度的確定方法能夠確定相應(yīng)檢測速度下的基準(zhǔn)靈敏度，驗(yàn)證得出該方法可行；

（3）探傷車檢測時(shí)，檢測靈敏度的最低值為檢測速度下的基準(zhǔn)靈敏度，檢測靈敏度的最高值不得產(chǎn)生影響傷損判讀的雜波。