鐵路鋼軌焊縫超聲波探傷技術(shù)及便攜式檢測儀器分析

劉永章

一、工程概況

莫桑比克納卡拉鐵路走廊第8-9標(biāo)合同段起點為納卡拉分支，終點為納卡拉港口環(huán)路，線路全長54.435km。主要工程數(shù)量為：鋼軌鋪設(shè)108.87km（單側(cè)米）、砼軌枕89238個、道岔36組、道砟149239t、鋁熱焊890個、閃光對焊5875個、焊縫檢測6697個、軌道應(yīng)力放散54435m。

二、探傷原理與典型探傷方法

1.探傷原理

探傷是一種非破壞性檢測方法，能夠在不損傷被測件的前提下掌握其內(nèi)部質(zhì)量情況。在探傷技術(shù)體系中，超聲波檢測技術(shù)已取得廣泛應(yīng)用，其依托于超聲波的傳播原理，在傳播途徑中遇界面時將發(fā)生反射，并由指定裝置接收反射波，從而以此來揭露被測件的內(nèi)部缺陷。當(dāng)前，超聲波探傷原理包含如下三類：

（1）脈沖反射檢測原理。超聲波向被測件發(fā)射超聲波，在傳播途中若遇兩種介質(zhì)不同的交界面，則會出現(xiàn)反射現(xiàn)象；由于其僅需配置一個探頭即可，因此可實現(xiàn)同步接收。

（2）脈沖投射檢測原理。在被測件的兩側(cè)分別設(shè)置發(fā)射探頭和接收探頭，通過脈沖波穿透被測件而實現(xiàn)檢測。

（3）共振法檢測原理。被測件的厚度為關(guān)鍵參數(shù)，在該值達(dá)到超聲波半波長的整數(shù)倍時，便會發(fā)生共振；在此基礎(chǔ)上，可通過確定相鄰共振差而得到工件厚度；同時能根據(jù)厚度來判斷工件內(nèi)部質(zhì)量是否存在缺陷。

2.典型探傷方法

在國外鐵路鋼軌閃光對接焊縫和鋁熱焊縫探傷工作中，探傷儀是應(yīng)用較廣泛的方法。其具有便攜化的特點，為掌上全數(shù)字化儀器，功能豐富，是焊縫年檢和復(fù)查工作中的重要儀器。對于存在損傷的鐵路鋼軌焊縫來說，應(yīng)用數(shù)字焊縫通用探傷儀，可以實現(xiàn)精細(xì)定位、定量地探傷目標(biāo)。

一般來說，體積狀缺陷的探測以單探頭法較為合適；而遇平面狀缺陷時，則可以采用陣列探頭法等相關(guān)方法。在使用K形與串列式掃查時，探頭會呈現(xiàn)等速移動的狀態(tài)（包含兩種，即相對和相背），并配套專用的掃查裝置，以滿足探測需求。但是，此方法難以實現(xiàn)連續(xù)掃查，且在熱影響區(qū)的掃查中缺乏可行性。針對此，采用連續(xù)探傷法可以對焊縫展開連續(xù)的掃查：當(dāng)探頭處于靜止?fàn)顟B(tài)時，掃查到20個分立點；當(dāng)探頭處于移動狀態(tài)時，則可以全面掃查焊縫。

對于新線開通前的質(zhì)量檢查工作來說，鋼軌焊縫探傷掃查架探傷方法較合適。對此，宜提前組織探傷工作，封閉區(qū)間作業(yè)，并在相對安全的環(huán)境中高效將鋼軌探傷工作落實到位；由于此期間缺陷的識別率較高，因此可避免探傷盲區(qū)，且所得結(jié)果可作為評價鋼軌焊接質(zhì)量的關(guān)鍵依據(jù)。

三、設(shè)備概述

現(xiàn)階段，CTS-1002型PLUS型數(shù)字超聲探傷儀是國外鐵路鋼軌焊縫探傷領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的儀器。在國內(nèi)長期的技術(shù)積累和經(jīng)驗積累前提下，該數(shù)字超聲探傷儀的生產(chǎn)工藝水平較高，已形成一條較為成熟的生產(chǎn)線，產(chǎn)出的產(chǎn)品具有體積小、自重輕的特點，重量僅1kg。該儀器配備有明亮彩色工業(yè)級顯示屏，可以在陽光直射的強光環(huán)境中清晰地呈現(xiàn)圖像信息，且能夠高分辨率地顯示掃描的結(jié)果，便捷性特征突出。

四、焊縫全斷面探傷

1.焊縫軌頭探傷

要精準(zhǔn)確定軌道頂面的檢測范圍，可以用探頭在該處縱向移動掃查。而考慮到探頭接觸面積偏小的局限性，宜采取偏角縱向移動的方式，以便全面地掃查焊縫軌頭。

在焊縫軌頭的探測工作中，探頭與焊縫中心的間距以80mm為宜。當(dāng)焊縫缺陷直徑小于超聲束寬度時，就可以在缺陷和鋼筋兩處同步發(fā)生超聲束反射現(xiàn)象，而對應(yīng)至熒光屏中，則可以同時顯示缺陷波與焊筋輪廓波；當(dāng)焊縫缺陷直徑大于超聲束寬度時，顯示結(jié)果會有所不同，熒光屏只顯示缺陷波。

兩斜探頭所處位置以鋼軌軌頭兩側(cè)面較為合適，即兩探頭通過同步縱向移動來完成對橫截面的探測。為了保證探傷結(jié)果的準(zhǔn)確性，在正式作業(yè)前，應(yīng)收集焊縫寬度、探頭聲束寬度等信息，并經(jīng)計算后方可確定掃查頻次和入射點的位置，以便在高效開展探測工作的同時，保證結(jié)果的可靠性。

軌頭焊縫無缺陷時，熒光屏無回波顯示，A探頭的聲波于軌頭側(cè)面反射，但B探頭接收不到回波；若軌頭存在片狀缺陷，A探頭的超聲波在缺陷處發(fā)生反射，且能夠被B探頭接收，若焊縫的缺陷在探頭掃查區(qū)外，則會存在熒光屏無回波顯示的情況。

2.焊縫軌腰探傷

（1）直探頭置于軌面縱向中間區(qū)域，沿縱向移動探頭。采取此方法可檢測焊縫中反射面與探測面平行的缺陷。

（2）鋼軌焊縫中存在缺陷時會發(fā)生散射現(xiàn)象，從而導(dǎo)致聲波難以在軌底形成足夠的反射能量。若存在傾斜片狀缺陷，那么探測結(jié)果則會出現(xiàn)軌底波消失的情況。

（3）串列式反射法是較適合垂直軌面片狀缺陷的方法，具在將兩探頭置于某探測面的同時，讓兩者同步縱向移動，而期間適當(dāng)調(diào)整探頭的距離，便可實現(xiàn)全斷面掃描。

經(jīng)探頭采集后，匯總鋼軌反射回波，無法識別鋼軌缺陷。通過小波分析方法的應(yīng)用，能夠達(dá)到同時分析信號視域和頻域的效果。因此，可以應(yīng)用小波分析的方法，重構(gòu)缺陷特征信號，期間結(jié)合希爾伯特解調(diào)細(xì)化頻譜分析，能更全面地生成鋼軌缺陷信息，并根據(jù)所得信息來準(zhǔn)確判斷缺陷的發(fā)生位置。

3.焊縫軌底探傷

軌底可分為軌底兩側(cè)、軌腰與軌底連接部兩個主要區(qū)域，根據(jù)軌底角與聲束對應(yīng)關(guān)系，可進(jìn)一步劃分軌底角，形成6個探測區(qū)，縱向移動探頭，完成探測工作，具體示意圖如圖1所示：

掃查軌底角1-3區(qū)，以焊縫中心為參照基準(zhǔn)，探頭入射點與之形成的距離為65mm，可以發(fā)現(xiàn)此時的探測結(jié)果顯示焊筋上輪廓波；兩者的距離增加至90mm時，顯示的內(nèi)容將發(fā)生變化，即顯示的是下輪廓波。

掃查軌底角4-6區(qū)，間距為95mm時，顯示焊筋上輪廓波。從缺陷直徑和超聲波束寬度兩項參數(shù)的角度展開分析，分兩種情況：前者小于后者時，顯示焊筋波與缺陷波；前者大于后者時，則只顯示缺陷波。

圖1 軌底探傷單探頭法操作

五、探傷過程注意事項

1.掃查速度與力度。移動速度以10m/s以內(nèi)較為合適，若速度超出該值，則易出現(xiàn)漏檢的情況；此外，需向探頭施加適當(dāng)?shù)膲毫?，以確保探傷靈敏度可維持在合理的區(qū)間內(nèi)，避免靈敏度失穩(wěn)。

2.探傷靈敏度的調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)工作應(yīng)在正式探傷前完成，在合理設(shè)定靈敏度后，有助于提高損傷檢出率。

3.探傷掃查寬度。在鋼軌焊縫的探傷工作中，應(yīng)做到全寬度掃查，從而保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4.分析回波顯示。準(zhǔn)確判斷內(nèi)外側(cè)焊筋波的顯示規(guī)律，并從中判斷異同點，以確定缺陷波與焊筋波。

5.檢查區(qū)域的控制。在開展K形和串列式探傷檢測工作時，需重點關(guān)注軌頭上角和規(guī)定上部區(qū)域，該兩處均為探傷中較為隱蔽且是難度較大的部分，因此要根據(jù)實際情況合理補充其他方法，以保證探傷結(jié)果的準(zhǔn)確性。

6.探測面周邊的探傷。以單探頭的方式為宜，或根據(jù)需求采取組合探頭的方法。焊縫并非鋼軌的主體結(jié)構(gòu)，而是連接鋼軌的紐帶，該部分更易出現(xiàn)損傷，因此需加大探測的力度。同時，除了焊縫自身外，還需考慮周邊結(jié)構(gòu)，以便全面掌握缺陷情況。

六、結(jié)語

綜上所述，鐵路鋼軌焊縫缺陷易威脅到列車運行的穩(wěn)定性和安全性，因此必須做好檢測工作，從而準(zhǔn)確判斷焊縫質(zhì)量情況，以針對缺陷采取處理措施。當(dāng)前，超聲波技術(shù)作為一種無損檢測技術(shù)，已取得廣泛的應(yīng)用，其能以較便捷的方式完成檢測工作，且取得的結(jié)果準(zhǔn)確、操作時間短，具有可行性。