鋼軌探傷車增加串列式探頭的探討

呂宏輝 中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司工務(wù)部

1 引言

隨著我國鐵路的飛速發(fā)展，線路鋪設(shè)范圍的不斷延長，鋼軌探傷已越顯重要。特別是在重載快速行車條件下，軌腰垂直裂紋問題已經(jīng)成為目前安全的一大隱患，圖1 是現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的由軌腰垂直裂紋引發(fā)的鋼軌斷裂。如何對現(xiàn)有鋼軌探傷工藝進(jìn)行改進(jìn)，增加檢測手段和功能，已成為鋼軌防斷工作急待解決的技術(shù)問題。

圖1 軌腰垂直裂紋

2 現(xiàn)有探傷工藝概述及存在的問題

長期以來，鋼軌探傷一般采用著傳統(tǒng)的探傷方法，對鋼軌母材進(jìn)行超聲波檢測，鐵路上一般用低速手推式的有JGT-10 型或JGT-6M 型等儀器，高速的有國外引進(jìn)的sperry 高速鋼軌探傷車和中國鐵道科學(xué)研究院自主研發(fā)設(shè)計(jì)的高速鋼軌探傷車。它們都配備有若干個(gè)70°、37°和0°探頭，可以實(shí)現(xiàn)超聲波投影范圍內(nèi)軌頭、軌腰和軌底裂紋的檢測，除效率差別外，受儀器既有功能的限制、軌腰垂直裂紋取向因素的影響，軌腰垂直裂紋反射的超聲波并不能直接被斜探頭接收，即母材探傷中是不能及時(shí)檢出鋼軌軌腰部位的垂直裂紋。在焊縫探傷中，可以通過焊縫鋼軌探傷儀在軌頂放置兩個(gè)或多個(gè)探頭，利用掃查架同時(shí)縱向移動探頭的方式，實(shí)現(xiàn)對焊縫軌腰部位垂直裂紋的檢測，但是焊縫探傷的周期是有限的，最多的一年只有兩遍，像高速鐵路上的廠焊接頭五年才只有一遍。

3 串列式探頭檢測軌腰垂直裂紋的原理及實(shí)現(xiàn)

3.1 串列式檢測原理

串列式探傷與K 型探傷有異曲同工之妙，不同的是使用兩個(gè)探頭放在同一個(gè)探測面（鋼軌踏面），利用軌底面反射作用來探測軌腰中的缺陷。如圖2所示，兩個(gè)探頭一發(fā)一收，縱向排列置于鋼軌頂面中線（軌腰投影面），通過旋轉(zhuǎn)掃架上的調(diào)節(jié)輪盤，使兩個(gè)探頭以相同速度相對移動，可檢出鋼軌軌腰投影范圍內(nèi)的垂直缺陷。

圖2 雙探頭串列式反射法檢測

3.2 鋼軌探傷車增加串列式探頭可行性研究

參照目前國內(nèi)外各種無損檢測方法，在分析鋼軌傷損發(fā)展的基礎(chǔ)上，對串列式探傷技術(shù)的適用性及工藝等方面進(jìn)行了研究，以達(dá)到對鋼軌軌腰垂直裂紋精確檢出的目的。故建議在鋼軌探傷車上增加串列式探測功能，確保在役鋼軌的安全運(yùn)行。因?yàn)?，我局鋼軌探傷車對在役鋼軌探測的年覆蓋率已達(dá)到8 遍/年以上，京滬、滬昆、隴海、京九等干線鋼軌探傷車檢測12 遍/年，那么串列式探測功能若在鋼軌探傷車上實(shí)施，可以大大提高對軌腰垂直裂紋的檢出能力，對鋼軌防斷有著十分重要的意義。

圖3 串列式探頭布置示意圖

圖4 無缺陷時(shí)

圖5 有缺陷時(shí)

初步設(shè)想在鋼軌探傷車上左右股各增加一組如圖3所示串列式晶片（探頭），其折射角選擇為K0.8，因K 值小相對水平距離也小些，便于在輪探頭中安裝，同時(shí)在機(jī)內(nèi)單獨(dú)設(shè)立一個(gè)通道專門供該探頭使用。該探頭的工作原理是：前面的一組（4 塊晶片）用作發(fā)射；后面的一組（4 塊晶片）用作接收，在實(shí)際運(yùn)用工作時(shí)若無垂直裂紋傷損存在，如圖4，發(fā)射聲波通過軌底向前傳送，此時(shí)顯示屏上也無任何回波。當(dāng)軌腰有垂直裂紋存在時(shí)，如圖5，在一號晶片幅射區(qū)域聲波經(jīng)缺陷表面折射至軌底，再由軌底折射至四號晶片接收，此時(shí)顯示屏上就在相應(yīng)的位置（刻度）處顯示缺陷A 超回波（A 顯圖像），此時(shí)該回波信號經(jīng)機(jī)內(nèi)模數(shù)電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（B顯圖像）送到顯示屏顯示并自動記錄。當(dāng)缺陷再往下時(shí)，在二號晶片輻射區(qū)域內(nèi)，聲波同樣經(jīng)缺陷表面折射至軌底，再由軌底折射至三號晶片接收，顯示屏上顯示的位置靠近始波位置近一些；三號發(fā)就二號收；四號發(fā)就一號收，回波也就慢慢靠近“0”點(diǎn)。也就是說只要把該組探頭（通道）的靈敏度調(diào)整好，在實(shí)際作業(yè)中該通道應(yīng)該始終沒有回波顯示。那么，只要一但出波及時(shí)進(jìn)行校對即可確定有無軌腰垂直裂紋。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證設(shè)想的可行性，選取一塊現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)在焊縫軌腰部位存在垂直裂紋的對比試塊進(jìn)行串列式檢測實(shí)驗(yàn)。儀器工作狀態(tài)設(shè)置為：工作方式“雙”；阻尼“400”，發(fā)射能量“強(qiáng)”，探頭頻率“2.5 MHz”，探測范圍“300 mm”，探頭型式“斜”。探傷靈敏度調(diào)整在GHT-1a 試塊上，距軌底40 mm 的4 號平底孔反射波高調(diào)整到滿幅度的80%，然后根據(jù)鋼軌狀態(tài)適當(dāng)補(bǔ)償2 dB-4 dB 作為實(shí)際探傷靈敏度，結(jié)果如圖6 所示，在深度175.8 mm 處存在一缺陷回波顯示，這與解剖確定的缺陷位置一致，即串列式檢測對于軌腰垂直裂紋的檢測是有效的。

圖6 實(shí)際缺陷試塊與波形圖

4 結(jié)論

綜上所述，是我對鋼軌軌腰垂直裂紋檢測的一點(diǎn)思索，也是設(shè)想為鋼軌安全防斷工作開創(chuàng)一個(gè)新的思路。期望能解決當(dāng)前軌腰垂直裂紋受控難的技術(shù)問題，為實(shí)現(xiàn)總公司“十四五”工務(wù)工作意見的目標(biāo)要求作出應(yīng)有貢獻(xiàn)；為我局鋼軌安全防斷“爭零控零”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。