鐵路工程鋼軌探傷工作分析

劉慧娟

（中鐵二十二局集團(tuán)第二工程有限公司，北京100000）

0 引言

鐵路鋼軌大多由含碳量一定的鋼材進(jìn)行表面淬火后再經(jīng)過(guò)擠壓機(jī)擠壓制成，鋼軌具有較強(qiáng)的抗扭轉(zhuǎn)性能，能夠在超低溫與超高溫環(huán)境下保持良好的性能。但鋼軌的主要成分是鋼鐵，長(zhǎng)時(shí)間使用后就會(huì)出現(xiàn)鋼鐵疲勞甚至出現(xiàn)脆斷，由于火車(chē)車(chē)輪與鋼軌之間的接觸形式為剛性接觸，鋼軌出現(xiàn)微小錯(cuò)位和軌道變形都會(huì)導(dǎo)致火車(chē)脫軌，對(duì)乘客的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成極大威脅。我國(guó)早在21世紀(jì)之初就提出安全運(yùn)輸?shù)奶?hào)召，動(dòng)用所有社會(huì)優(yōu)秀資源和技術(shù)保證鐵路運(yùn)輸安全。鐵路運(yùn)輸安全離不開(kāi)對(duì)鋼軌的日常養(yǎng)護(hù)和檢修，正是因?yàn)橛袩o(wú)數(shù)個(gè)在工作崗位上默默付出的鋼軌探傷人員，才保證了鐵路運(yùn)輸?shù)目煽考鞍踩?。通過(guò)研討鐵路鋼軌焊接方法以及探傷的必要性，針對(duì)短鋼軌鋪設(shè)時(shí)焊接為長(zhǎng)鋼軌的焊接過(guò)程進(jìn)行深入探討，為相關(guān)人員提供必要的理論支撐。

1 鐵路鋼軌常見(jiàn)焊接方法介紹

1.1 鋁熱焊接技術(shù)

鋁是一種常溫下化學(xué)性質(zhì)特別活潑的金屬，在空氣中會(huì)發(fā)生劇烈的氧化反應(yīng)生成Al2O3，而在水中會(huì)與水分子反應(yīng)生成Al(OH)3；鋁熱焊接技術(shù)正是運(yùn)用鋁的這種活潑的金屬性質(zhì)，讓重金屬氧化物和鋁熱劑進(jìn)行共同預(yù)熱處理，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌的熔化再加工的焊接過(guò)程。鋁在重金屬氧化物與坩堝的共同作用下會(huì)在坩堝內(nèi)放出大量的熱，將鋼軌熔化為鋼水，操作人員將鋼水放入既定的砂模中最終實(shí)現(xiàn)鋼軌的成型加工。鋁熱焊接技術(shù)可達(dá)到操作簡(jiǎn)單、施工方便的焊接目標(biāo)，節(jié)約施工時(shí)間的同時(shí)也提升了焊接效率。但通過(guò)鋁熱焊接技術(shù)成型的鋼軌的鋼筋的力學(xué)性能是否發(fā)生改變，以及物理性能是否可靠，還需在下一步的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)中加以分析。

1.2 工地現(xiàn)場(chǎng)閃光焊接

預(yù)設(shè)鋼軌在進(jìn)行空間六自由度定位后，利用電流熱效應(yīng)進(jìn)行焊接的方法稱(chēng)為工地現(xiàn)場(chǎng)閃光焊，顧名思義電阻在產(chǎn)生大量熱時(shí)往往會(huì)發(fā)出亮光，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱能的轉(zhuǎn)化。利用數(shù)控加工與電流熱相互配合可做到精確焊接，將焊接合格率提高至96%以上，保證了施工質(zhì)量。在火車(chē)日益提高運(yùn)行速度以及鐵路部門(mén)對(duì)鐵路焊接技術(shù)需求不斷提高的今天，閃光焊逐步取代了鋁熱焊以及氣壓焊技術(shù)，成為鋼軌焊接的主要焊接方法。在兩段鋼軌間加入數(shù)值較大的交變電流，迫使其產(chǎn)生大量熱，在電流的作用下，鋼軌極易產(chǎn)生金屬過(guò)梁，配合頂鍛技術(shù)共同達(dá)到理想的焊接效果。在通電瞬間產(chǎn)生的閃光效果會(huì)使鋼軌再次加熱，提升電流的加熱作用，有效提升斷面溫度，避免由于熔化不均造成溫度不平衡情況最終導(dǎo)致鋼軌內(nèi)部存在殘余應(yīng)力，同時(shí)閃光也可作為碳元素排放的催化劑，保證單位面積鋼軌的含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，避免由碳元素內(nèi)部含量發(fā)生變化發(fā)生鋼結(jié)構(gòu)的變形。

1.3 氣壓焊接

氣壓焊接是應(yīng)用氧氣和乙炔作為燃燒介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌的加熱與加壓進(jìn)行焊接的施工方式。在鋼軌溫度達(dá)到塑性變形后，在固態(tài)與熔融液態(tài)平衡點(diǎn)間施加頂鍛力以產(chǎn)生頂鍛量，最終使鋼筋接頭有效擠壓一起，達(dá)到焊接目的。氣壓焊接不但可用于焊接長(zhǎng)鋼軌的聯(lián)合接頭，同時(shí)也可封鎖鋼軌天窗，進(jìn)行多功能傷軌焊接處理。國(guó)內(nèi)軌道焊接往往采用小型氣壓焊接機(jī)，通過(guò)對(duì)氧氣與乙炔的預(yù)熱、預(yù)頂施壓、低壓頂鍛以及高壓頂鍛等階段，進(jìn)行氣壓焊機(jī)與鍛造。由于施工設(shè)備體積小、質(zhì)量較輕，具有良好的機(jī)動(dòng)性能，便于在鋼軌移動(dòng)，往往在長(zhǎng)軌條焊接中應(yīng)用廣泛。

2 焊接方法產(chǎn)生的缺陷介紹

2.1 鋁熱焊接方法造成缺陷

在鋁金屬受熱熔化形成鋁水后，鋼會(huì)在鋁水高溫作用下形成鋼水。由于液體具有流動(dòng)性，鋼經(jīng)歷熔化變成液體后會(huì)引發(fā)孔穴問(wèn)題，造成縮孔；縮孔會(huì)導(dǎo)致局部過(guò)熱，甚至?xí)?dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)顏色發(fā)生改變，雖然鋼軌在使用過(guò)程中不會(huì)考慮其顏色對(duì)使用的影響，但顏色發(fā)生變化反映了鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)部碳元素發(fā)生焦化，最終會(huì)引起內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形，對(duì)焊接起到反作用。若焊接前鋼軌內(nèi)部存在不連貫的縮孔，則會(huì)導(dǎo)致焊接疏松情況，嚴(yán)重影響了焊接質(zhì)量，降低焊縫組織的密封性和拒水性。在鋁熱水焊接前，砂模的選取及對(duì)鋼軌軌道的清潔不到位都會(huì)導(dǎo)致氣孔問(wèn)題。在鋁熱焊鑄造過(guò)程中，最常見(jiàn)的問(wèn)題就是夾渣；由于鋼軌內(nèi)部存在的一定雜質(zhì)，熔化后，雜質(zhì)進(jìn)入焊縫導(dǎo)致夾渣情況出現(xiàn)。夾渣與鐵水混合后會(huì)降低鋼軌的整體抗拉壓性能，甚至造成鋼軌“跑鐵”情況，降低鋼軌的綜合性能，使其不能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

2.2 工地閃光焊接方法造成缺陷

在工地閃光焊前，將鋼軌架設(shè)在滑動(dòng)設(shè)備上；常用的滑動(dòng)設(shè)備包含滾輪式與滾棍式兩種，滾輪式是在滾輪下部有鋼支撐，摩擦力系數(shù)為鋼鐵之間的摩擦系數(shù)，避免了不同物質(zhì)之間的相互摩擦，避免了分子在不同物質(zhì)之間的擴(kuò)散。但相關(guān)技術(shù)人員為了節(jié)約成本，往往選用滾棍式滑動(dòng)構(gòu)件，由于滾棍為柱狀物體，滾動(dòng)時(shí)會(huì)對(duì)鋼軌造成印痕，降低鋼軌整體剛度。在控制頂鍛力方面，多數(shù)施工建設(shè)單位采用自動(dòng)化設(shè)備鋼軌拔彎法，雖焊接接頭與拔彎位置留有一定距離，但還是會(huì)影響焊接接頭的平直度，不能保證焊接質(zhì)量。工地閃光焊由于更多應(yīng)用在鎖定與通車(chē)線(xiàn)路，焊接后的鋼軌不能承受車(chē)輛載荷，造成預(yù)拱度精度下降，進(jìn)而造成鋼軌位置的絕對(duì)滑移，形成安全誤差。

2.3 氣壓焊接方法造成缺陷

氣壓的缺陷與閃光焊接缺陷較相似，以平面為主，主要組成為未焊合及反應(yīng)光斑，其余部分是推凸造成的缺陷。而氣壓焊接之所以不能被推廣使用的主要原因就是氣壓技術(shù)與焊接需求相背離，而現(xiàn)存探傷技術(shù)往往不能對(duì)光斑缺陷做出準(zhǔn)確、快速檢測(cè)。焊接反應(yīng)光斑是發(fā)生斷軌事故的主要原因，由于反應(yīng)光斑是介于焊合與未焊合間的產(chǎn)物，具有一定的迷惑性，在焊接過(guò)程如果忽略了光斑則會(huì)造成熔合面光滑，應(yīng)力在光滑熔合面上擴(kuò)散速度較快，會(huì)造成應(yīng)力大量集中，鋼軌來(lái)不及進(jìn)行微小形變釋放應(yīng)力，導(dǎo)致斷軌情況出現(xiàn)。以快速鐵路為例，斷軌事故的發(fā)生是不可預(yù)見(jiàn)的，一旦快速列車(chē)飛馳而來(lái)就會(huì)造成斷軌情況加劇，甚至導(dǎo)致列車(chē)出軌，對(duì)群眾生命財(cái)產(chǎn)造成極大威脅。

3 從工作流程以及施工工藝方面提升探傷流程質(zhì)量的措施

3.1 利用超聲掃查方式進(jìn)行探傷

焊縫探傷檢查組人數(shù)不少于八人，設(shè)備數(shù)量不少于五臺(tái)，超聲設(shè)備可在使用時(shí)間內(nèi)不斷發(fā)生超聲射頻，一旦碰觸到焊縫位置就會(huì)因反射時(shí)間的不同，直接通過(guò)設(shè)備示數(shù)讀取。超聲探傷可做到無(wú)損探傷，同時(shí)可提升探傷的準(zhǔn)確性，探傷能力不受空間、時(shí)間、電磁、環(huán)境干擾，而超聲來(lái)源只需專(zhuān)用電池即可滿(mǎn)足。由于對(duì)鋼軌內(nèi)部結(jié)構(gòu)幾乎沒(méi)有影響，如今已經(jīng)成為探傷領(lǐng)域中應(yīng)用最廣泛的方法。在選用超聲設(shè)備時(shí)，應(yīng)關(guān)注超聲設(shè)備的射頻區(qū)間，選用靈敏度更高的設(shè)備，為探傷工作提供必要的理論支撐。

3.2 嚴(yán)格把控焊接技術(shù)的選擇與應(yīng)用

常見(jiàn)的鋼軌探傷檢測(cè)方法還包括渦流檢測(cè)、磁粉檢測(cè)與射線(xiàn)檢測(cè)。與超聲波探傷技術(shù)相比，渦流檢測(cè)利用電磁感應(yīng)原理是檢測(cè)鋼軌表面近表面缺陷的科學(xué)方法，利用能量較強(qiáng)的磁感線(xiàn)圈使內(nèi)部導(dǎo)電構(gòu)件產(chǎn)生電渦流，借助探測(cè)線(xiàn)圈探測(cè)單位時(shí)間渦流電流的變化量，分析鋼軌電阻率以及電流的融通能力，便于了解情況。渦流探傷分為穿過(guò)式探傷、探頭式探傷及插入式探傷，穿過(guò)式用于鐵軌管材檢測(cè)，探頭式用于鋼軌局部檢測(cè)，插入式用于對(duì)管孔的內(nèi)部檢測(cè)。磁粉探傷將具有潛在磁化能力材料進(jìn)行磁化，利用磁化后的缺陷構(gòu)件進(jìn)行磁粉的吸附，最終判定缺陷情況。但此方法具有一定缺陷，在漏磁場(chǎng)部分就會(huì)造成磁粉吸附不準(zhǔn)確情況，只能辨別出其大體形狀，無(wú)法判別深度。磁粉探傷操作簡(jiǎn)單，材料可循環(huán)使用，適用于較短的鋼軌。射線(xiàn)探傷利用各種放射性射線(xiàn)進(jìn)行透視探傷，通過(guò)放射性光線(xiàn)在穿過(guò)不同厚度的材料會(huì)造成的衰減情況來(lái)準(zhǔn)確探查內(nèi)部損傷情況，最終決定科學(xué)的修補(bǔ)方案，提升鋼軌的整體使用性能，延長(zhǎng)其使用壽命。焊接施工部門(mén)在焊接前應(yīng)根據(jù)鋼軌長(zhǎng)度及質(zhì)量選用合適的焊接技術(shù)，節(jié)約焊接成本，提升焊接探傷的科學(xué)性與高效性[1]。

3.3 引入新技術(shù)提升探傷高效性及準(zhǔn)確性

在快速發(fā)展的信息社會(huì)，利用遠(yuǎn)程數(shù)字化探傷是探傷領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)。加強(qiáng)模擬探傷技術(shù)的應(yīng)用，利用ANSYS 等有限元分析軟件詳細(xì)分析裂縫成因及作用點(diǎn)，根據(jù)數(shù)據(jù)制定有效的焊接方法。在高海拔地區(qū)或工作環(huán)境極為惡劣區(qū)域，可選用自動(dòng)化探測(cè)機(jī)器人對(duì)鋼軌焊接情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)衛(wèi)星互聯(lián)技術(shù)及時(shí)回傳檢查信息，為后臺(tái)數(shù)據(jù)分析部門(mén)提供更加精確的檢測(cè)情況提升部門(mén)的協(xié)調(diào)能力。新技術(shù)匯集了當(dāng)今世界的最新研究成果，相關(guān)人員應(yīng)多學(xué)習(xí)，提高探傷速度及探傷精度，實(shí)現(xiàn)鋼軌焊接過(guò)程的平穩(wěn)過(guò)渡，不斷提升鋼軌的焊接技術(shù)。

4 結(jié)語(yǔ)

鐵路鋼軌是現(xiàn)代交通運(yùn)輸?shù)闹匾M成部分，但在鋼軌鋪設(shè)中經(jīng)常由于材料選用不合理、焊接出現(xiàn)技術(shù)性問(wèn)題導(dǎo)致鋼軌連接過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)位情況，嚴(yán)重影響了列車(chē)運(yùn)行的平穩(wěn)性和安全性。列車(chē)探傷工作正是對(duì)此類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行找尋，來(lái)保證鐵路運(yùn)輸暢通無(wú)阻的有效做法，相關(guān)人員應(yīng)提升重視程度，不斷推動(dòng)鐵路事業(yè)向好向強(qiáng)發(fā)展。