基于鋼軌探傷試驗標定線的設(shè)計研究

張琦，金振山，傅強，郝晉斐

（1.中國鐵路北京局集團公司地下直徑線工程項目管理部，北京 100016；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100089）

1 背景介紹

截至2019年年底，目前全國鐵路運營總里程已達13.9萬km，其中高鐵運營里程為3.5萬km，中國鐵路總公司頒布的《普速鐵路線路修理規(guī)則》中規(guī)定了正線線路和道岔（調(diào)節(jié)器）的鋼軌探傷周期，定期開展探傷檢測。

在現(xiàn)有探傷體系中，高速高速鐵路采用探傷車為主，探傷儀為輔的檢測模式，而普速鐵路采用探傷儀為主、探傷車為主的檢測模式，隨著鐵路建設(shè)里程的不斷增加，鋼軌探傷需求總里程也隨之增加，同時，隨著國鐵集團提出“減員增效”的理念，探傷任務的增加和投入人員減少的矛盾愈發(fā)突出，從2015年起國鐵集團開始研究鋼軌探傷車在普速鐵路上的適用能力并考慮在普速鐵路周期替代鋼軌探傷儀的可能性。

截至2020年年初統(tǒng)計，國內(nèi)鋼軌探傷車生產(chǎn)廠家（如金鷹重工、寶雞中車時代）建設(shè)了18條滿足不同標定速度的試驗標定線。這些標定線在設(shè)置的人工傷損種類和數(shù)量上都較路局鋼軌探傷車標定線有了很大的提升，但仍存在線路條件設(shè)定理想和人工傷損軌鋪設(shè)在直線段等問題，無法對鋼軌探傷車在實際工況條件下線路的傷損檢測能力進行評價。

2 鋼軌探傷試驗標定線的建設(shè)現(xiàn)狀與設(shè)計要求

2.1 現(xiàn)行關(guān)于鋼軌探傷車超聲檢測系統(tǒng)性能的規(guī)定

根據(jù)目前印發(fā)的《鋼軌探傷車運用管理辦法》（TG/Gw218-2017）和《大型鋼軌探傷車》（GB/T 28426-2012）中對于鋼軌探傷車超聲檢測系統(tǒng)性能的規(guī)定，目前，國內(nèi)在役使用鋼軌探傷車可以分為GTC-40型、GTC-60型和GTC-80型，檢測項目一般包含軌頭橫向裂紋、軌頭軌腰縱向裂紋、螺孔裂紋、閃光焊、氣壓焊接頭軌頭核軌腰疲勞傷損等。探傷車采取動態(tài)標定的方法，對試驗線路的人工傷損進行連續(xù)不間斷10次檢測，統(tǒng)計平均檢出率、誤報率。平均檢出率大于80%且平均誤報率小于20%，則動態(tài)標定合格。

2.2 試驗標定線建設(shè)的必要性

鐵科院目前擁有一臺鋼軌探傷車，在承擔全路鋼軌探傷監(jiān)督檢測任務的同時還負責全路探傷檢測系統(tǒng)的年檢評定、探傷車運用檢查等工作，在對全路鋼軌探傷工作進行技術(shù)指導同時卻并沒有配備全路最先進的鋼軌傷損試驗標定線。

一方面，國內(nèi)目前現(xiàn)有的傷損試驗標定線中人工傷損的設(shè)置模擬尺寸較大，位置也多為平坡直線段，探傷系統(tǒng)實際線路所設(shè)置的參數(shù)很難應用到標定線上，指導作用有限，功能相對單一，無法進行預期的探索鋼軌探傷車能力的試驗。

另一方面，目前在環(huán)行鐵道基礎(chǔ)設(shè)施檢測試驗室旁的調(diào)車線鋪設(shè)2組人工傷損軌最高試驗速度小于10km/h。人工傷損的種類、數(shù)量和試驗速度均與標準存在較大差距。

因此，建設(shè)一條具備各類常見傷損、各種尺寸傷損、符合現(xiàn)場線路幾何條件的傷損試驗線，為驗證各類鋼軌探傷新技術(shù)的檢測性能，并對現(xiàn)有鋼軌探傷技術(shù)提供改進方向，是十分必要的?？紤]到未來各類新技術(shù)的應用和探傷要求的持續(xù)提高，傷損試驗線的建設(shè)要求必須充分借鑒國內(nèi)外現(xiàn)有傷損標定線、試驗線的經(jīng)驗，具備超前性。

2.3 試驗標定線的設(shè)計要求

依據(jù)《大型鋼軌探傷車》（GB/T 28426-2012）結(jié)合現(xiàn)有鋼軌探傷車超聲檢測系統(tǒng)的年檢評定工作，鋼軌探傷試驗標定線要滿足在檢測運營時速達到80km/h，人工傷損種類和數(shù)量要滿足國標中的要求。

同時，為滿足鋼軌探傷技術(shù)發(fā)展驗證需要，為以后更加全面地評價鋼軌探傷車不同工況、線路條件下的超聲檢測能力，還應在以上傳統(tǒng)試驗標定線要求基礎(chǔ)上增加以下設(shè)置。

（1）設(shè)置更加豐富的人工傷損，更好地評判鋼軌探傷車檢測能力。其中，設(shè)置多種類型不同尺寸的人工傷損用來模擬軌頭核傷、螺孔裂紋、軌顎傷損和軌底傷損等，對超聲檢測系統(tǒng)的檢測能力進行探索和分析。

（2）增加自然傷損設(shè)置，自然傷損取材現(xiàn)有從各鐵路局中發(fā)現(xiàn)并保存下來的，難以加工、無法模擬的傷損，使探傷檢測更為貼近現(xiàn)實情況。

（3）傷損區(qū)的設(shè)置不同于其他傷損線，除了直線段外，在曲線段也要設(shè)置傷損區(qū)段，用以評價鋼軌探傷車在曲線段的檢測能力。

（4）設(shè)置軌道不平順模擬實際線路狀況。其中設(shè)置軌距、軌向、高低、三角坑等模擬真實的檢測線路條件，對超聲探頭對中效果進行評價。

（5）設(shè)置有縫區(qū)段和無縫區(qū)段。

3 鋼軌探傷試驗標定線的建設(shè)研究方法

3.1 線路選取

目前，鐵科院東郊分院小環(huán)復線處于停用狀態(tài)，符合《標準軌距鐵路機車車輛限界》（GB 146.1）的車輛均可在小環(huán)復線上開展相關(guān)試驗，可用來建設(shè)鋼軌探傷試驗標定線。圖1為國鐵集團鋼軌探傷車示意圖，虛線輪廓所示范圍滿足GB 146.1限界要求。

圖1 國鐵集團鋼軌探傷車滿足GB146.1限界

小環(huán)復線的起止里程為K5+113.92和K7+717.91，線路總長2.604km。其半徑R350m 曲線區(qū)段超高125mm，限速70km/h；半徑R600m曲線區(qū)段超高80mm，限速80km/h。滿足鋼軌探傷車最高檢測速度控制在曲線半徑1/10范圍內(nèi)的要求，可分別在R350m和R600m曲線段鋪設(shè)傷損軌。

獨立軌道長度2.419km，全線平坡，軌道結(jié)構(gòu)為60kg/m-25m標準鋼軌。夾直線長度為1473m。直線長度滿足80km/h試驗速度的要求，可在直線段鋪設(shè)傷損軌。小環(huán)復線及試驗傷損布置示意如圖2所示。

圖2 小環(huán)復線和試驗標定線選址示意圖

因此，對小環(huán)復線對相關(guān)線路進行維修作業(yè)，更換失效零部件，開展道床清篩及補砟、線路沉落修整等線路整備施工后，使線路軌道靜態(tài)幾何尺寸不平順容許偏差管理值滿足《普速鐵路線路修理規(guī)則》（TG/GW 102-2019）中“80km/h＜υmax≤120km/h正線”速度等級的作業(yè)驗收值標準。

3.2 線路整備

（1）線路病害設(shè)置。預設(shè)軌道不平順等線路病害來模擬實際線路，全面考察鋼軌探傷車的檢測能力。按照預設(shè)要求計劃在小環(huán)復線的K5+400～K7+100范圍預設(shè)靜態(tài)軌道幾何大值不平順。

（2）無縫改造。通過將小環(huán)復線的部分有縫線路采用現(xiàn)場焊的方式改造為無縫線路，實現(xiàn)對無縫線路的工況模擬，考察鋼軌探傷車在無縫線路的檢測能力。計劃在小環(huán)復線的K6+100～K5+700范圍改造成無縫線路，改造后的無縫線路長度400m。

（3）線路探傷。小環(huán)復線上的鋼軌來源于大環(huán)線上的服役軌，其使用年限不詳；線路上可見多處鋁熱焊縫、存在軌面磕損等病害（見圖3）。應對小環(huán)復線的線路開展探傷，以掌握線路中存在的傷損，并根據(jù)傷損嚴重程度，進行換軌和傷損加固等作業(yè)，確保非傷損設(shè)置區(qū)域內(nèi)無不可控傷損存在。

圖3 軌面病害類型圖

（4）安裝射頻標簽。小環(huán)復線設(shè)置有公里標和百米標，未設(shè)置里程定位標簽?？紤]到后續(xù)鋼軌探傷車的標定和試驗，應在小環(huán)復線的起止端和中間位置（K5+200、K6+300、K7+500）共設(shè)置3處射頻標簽。

（5）設(shè)置標識。對于鋪設(shè)完傷損軌的區(qū)段，應設(shè)置相關(guān)標識，便于區(qū)分。應對直線段和曲線段的3處傷損設(shè)置區(qū)域進行軌枕涂色（如涂刷白漆）和樹立標識牌等，方便區(qū)分傷損區(qū)域和控制標定速度。

4 試驗標定線的傷損設(shè)置和實施

鋼軌探傷試驗標定線的設(shè)置傷損分為人工傷損和自然傷損。為了更好地模擬實際線路狀況，更直觀地反映探傷車超聲檢測系統(tǒng)對傷損的檢出能力，在本條設(shè)計的試驗標定線上，區(qū)別于目前現(xiàn)有的傷損試驗標定線，在兩端曲線段也設(shè)計安裝了人工傷損軌，人工傷損用來模擬軌頭核傷、螺孔裂紋、軌顎傷損和軌底傷損等。自然傷損，用來實現(xiàn)對難以加工、無法模擬傷損的覆蓋。

4.1 人工傷損設(shè)置

人工傷損設(shè)置類型包括軌頭橫孔、軌頭斜孔、螺孔斜切槽、軌頭平底孔、軌顎切槽、螺孔水平切槽和軌底切槽等人工傷損類型，用來模擬軌頭、軌腰和軌底的傷損。計劃設(shè)置3組相同的人工傷損軌，分部在曲線350m（K5+400～K5+300）、直線（K6+400～K6+300）和曲線600m（K7+200～K7+100）區(qū)段。每組人工傷損軌設(shè)置194個人工傷損，每組人工傷損軌由8根傷損軌組成（左右各4根25m鋼軌），圖4為人工傷損示意。人工傷損的設(shè)置除了滿足國標中對于人工傷損的尺寸和類型要求外，還考慮在現(xiàn)有國標傷損類型下，增加設(shè)置尺寸更小的人工傷損，進一步探索鋼軌探傷車在不同工況下的檢測能力和不同超聲檢測設(shè)備試驗考察的能力。同時，在曲線處設(shè)置人工傷損，也有利于進一步測試鋼軌探傷車在不同速度條件下通過小半徑曲線時的傷損檢測能力，同時增加對超聲探頭對中效果進行評價的能力。

圖4 裂紋位置定義圖

與原來國標中的人工傷損相比，增加了考察的數(shù)量、種類和不同的規(guī)格，可以更好地區(qū)分不同探傷車超聲檢測系統(tǒng)的差異，同時，為了更加貼合實際線路檢測情況，不同于其他傷損試驗線路把人工傷損基本設(shè)置在平直線路的做法，在環(huán)鐵傷損試驗線路兩端的曲線上也設(shè)置了兩組人工傷損，用以模擬在高鐵線路探傷時，經(jīng)過曲線時的檢測效果。R600曲線基本滿足高速線路探傷檢測要求，R350曲線基本可以滿足既有線路的探傷檢測要求。人工傷損線段也是從有鋼軌傷損模具制作資質(zhì)的廠家處購買，進行鋪設(shè)。

4.2 自然傷損設(shè)置

自然傷損類型包括焊縫傷損、軌頭淺表層傷損、軌頭核傷和軌底傷損等。自然傷損軌計劃設(shè)置在直線段K6+500～K7+000。自然傷損軌收集鐵路局集團公司的包含典型傷損的在役鋼軌和現(xiàn)存于小環(huán)復線的典型傷損鋼軌，可實現(xiàn)對鋼軌探傷車就人工傷損軌無法模擬的傷損檢測能力試驗和驗證。已收集自然傷損軌為自然傷損的現(xiàn)場截取鋼軌，兩端采用螺栓孔和試驗標定線連接。計劃設(shè)置4根母材自然傷損和4根焊縫自然傷損，其中，母材自然傷損示意圖見圖5，焊縫自然傷損示意圖見圖6。

圖5 母材軌頭核傷

圖6 焊縫軌頭核傷

需要說明的是，自然傷損的選取，還需要經(jīng)過靜態(tài)狀態(tài)確認，需要有探傷資質(zhì)的人員，用探傷小車、手動探傷儀等精度較高的超聲探傷設(shè)備進行人工確認復核，并對每個自然傷損出具對應探傷報告。

5 結(jié)語

隨著我國鐵路運營里程的不斷增加，需要進一步發(fā)揮鋼軌探傷車檢測速度快、效率高的特點，提高其適用范圍和使用頻率，以代替日益緊張的探傷人員短缺問題，而貼合實際線路情況，更好地指導鋼軌探傷車搭載的超聲檢測系統(tǒng)的設(shè)置、探索鋼軌探傷車不同工況。線路條件下的檢測能力就顯得尤為重要，更高標準的探傷試驗標定線的建設(shè)和使用，為解決上述問題提供了試驗的平臺和可能。同時，進一步統(tǒng)一檢測標準還需要后續(xù)探傷試驗標定線的檢測數(shù)據(jù)作為支撐，人工傷損的大小和類型也需要進一步細化和改進。