超聲波測(cè)試技術(shù)在鐵路工程質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

韓鋒剛

（中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司，陜西西安 710038）

1 鐵路鋼軌探傷技術(shù)的行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

在鐵路鋼軌探傷領(lǐng)域，大型鋼軌探傷車取得廣泛應(yīng)用，手提式超聲探傷儀等輕便化裝置產(chǎn)生的檢測(cè)結(jié)果可以用于驗(yàn)證大型探傷車的檢測(cè)結(jié)果?？v觀國(guó)外行業(yè)發(fā)展情況，主流探傷車的運(yùn)行速度可達(dá)到40～80 km/h，部分先進(jìn)的設(shè)備可達(dá)到100 km/h。我國(guó)探傷車以輪式傳感器為主，已經(jīng)取得較突出的成果，但相比于部分發(fā)達(dá)國(guó)家的行業(yè)技術(shù)現(xiàn)狀，仍存在差距，且有部分產(chǎn)品依賴于進(jìn)口。我國(guó)的幅員遼闊，交通建設(shè)規(guī)模較大，鐵路事業(yè)面臨任務(wù)重、時(shí)間緊等多重挑戰(zhàn)，加之現(xiàn)場(chǎng)氣候等因素的影響，部分探傷儀器的可行性不足，例如存在檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確、效率低等問(wèn)題，仍有突破空間。

2 超聲波無(wú)損探傷技術(shù)在鐵路鋼軌質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)利用聲、光、磁等特性，以不破壞被測(cè)物結(jié)構(gòu)的完整性為前提，對(duì)結(jié)構(gòu)整體進(jìn)行全面檢查，判斷其是否存在缺陷或內(nèi)部是否有不均勻的情況，能夠直接提供缺陷的具體位置、大小等關(guān)鍵的信息。超聲波的頻率較高，傳播的方向性較好，且在固體被測(cè)物中的傳播狀態(tài)良好，遇到兩個(gè)不同性質(zhì)的介質(zhì)時(shí)，能夠在兩者的交界面處發(fā)生反射，接收的波形可以反映具體的質(zhì)量情況。

超聲波無(wú)損檢測(cè)的結(jié)果能夠以波形輸出，通過(guò)信號(hào)處理技術(shù)、圖像處理技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用，生成直觀的檢測(cè)數(shù)據(jù)。在實(shí)際應(yīng)用中，超聲波無(wú)損檢測(cè)具有操作便捷、設(shè)備輕便、效率高、檢測(cè)結(jié)果可靠、不損傷被測(cè)物等特點(diǎn)，在工期緊張、工作量較大的工程中具有可行性。此外，超聲波不會(huì)對(duì)周邊人群以及環(huán)境造成損害，可保證人員的安全，有利于維持現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境的穩(wěn)定。

3 超聲波探傷檢測(cè)的原理與主要的探傷方法

3.1 基本原理

探傷是一種探尋結(jié)構(gòu)內(nèi)部質(zhì)量情況的方法，較為常見(jiàn)的有超聲、射線、滲透、渦流、磁粉五大類。超聲波在傳播期間遇到界面時(shí)將發(fā)生反射，得到的檢測(cè)結(jié)果可以用于反映結(jié)構(gòu)物內(nèi)部的缺陷。

（1）脈沖反射檢測(cè)原理。

由特定裝置發(fā)射超聲波，到達(dá)兩種不同介質(zhì)的交界面時(shí)出現(xiàn)反射，在檢測(cè)過(guò)程中可利用某探頭同時(shí)負(fù)責(zé)發(fā)射和接收超聲波。

（2）脈沖投射判斷缺陷。

利用脈沖波的能量變化特性，分別準(zhǔn)備發(fā)射和接收脈沖波的探頭，將其安裝在待測(cè)件的兩側(cè)，發(fā)射脈沖并接收，根據(jù)結(jié)果對(duì)被測(cè)物的缺陷情況進(jìn)行判斷。

（3）共振法檢測(cè)原理。

利用被測(cè)物厚度與超聲波半波長(zhǎng)的關(guān)系，若前者為后者的整數(shù)倍，則出現(xiàn)共振現(xiàn)象，此時(shí)根據(jù)相鄰共振差可以確定被測(cè)件的厚度。

3.2 探傷方法

在鐵路鋼軌的無(wú)損探傷檢測(cè)中，數(shù)字焊縫通用探傷儀是較為主流的儀器，配套功能豐富、輕便化特征突出，在鋼軌焊縫與軌道車車軸探傷中均可以取得較好的應(yīng)用效果。

結(jié)構(gòu)平面狀缺陷的檢測(cè)可以采取單、雙與陣列探頭法，體積狀缺陷的檢測(cè)可采取單探頭法。

采用K形與串列式掃查時(shí)，利用專門的掃查裝置操作，局限性在于掃查缺乏連續(xù)性，在熱影響區(qū)的掃查工作中可行性不足。連續(xù)探傷法能夠達(dá)到連續(xù)掃查的效果，在實(shí)際應(yīng)用中，組成20個(gè)不同的探傷狀態(tài)，探頭穩(wěn)定在某位置不發(fā)生移動(dòng)時(shí)，掃查到20個(gè)分立點(diǎn)；探頭發(fā)生移動(dòng)時(shí)，對(duì)應(yīng)的兩斜線也同步移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫的全方位掃查。

鋼軌焊縫探傷掃查架探傷的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)突出，檢測(cè)結(jié)果的真實(shí)性較高，可以有效反映鐵路鋼軌的實(shí)際情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)鋼軌的缺陷，根據(jù)實(shí)際情況予以處理。將該方法應(yīng)用于新鐵路線開(kāi)通前的鋼軌探傷檢測(cè)中，可以從源頭上消除質(zhì)量問(wèn)題和安全隱患，保證驗(yàn)收質(zhì)量，使鋼軌可以投入日常使用。

3.3 焊縫的全斷面探傷檢測(cè)

（1）焊縫軌頭探傷。

根據(jù)探傷檢測(cè)要求配套探頭，利用該裝置在軌頂面做縱向移動(dòng)掃查。探頭接觸面較小，在實(shí)際探傷檢測(cè)操作中，可用偏角縱向移動(dòng)掃查焊縫軌頭。

在對(duì)焊縫軌頭開(kāi)展探測(cè)工作時(shí)，需要嚴(yán)格控制探頭的位置，其距焊縫中心80 mm，在該位置關(guān)系下，將探頭置于軌面中心做移動(dòng)掃查，結(jié)果表明軌道與軌腰連接圓弧部位存在結(jié)構(gòu)缺陷。為獲得較高的探傷檢測(cè)率，需要按照規(guī)范校對(duì)探頭側(cè)與鄂部。

在鋼軌軌頭兩側(cè)面分別設(shè)置斜探頭，其可以用于探測(cè)垂直片狀缺陷。在操作中，兩探頭按照相同的速度移動(dòng)，完成對(duì)橫截面的整體探測(cè)。探傷前需要計(jì)算掃查頻率和入射點(diǎn)位置（根據(jù)焊縫寬度、掃查密度等基礎(chǔ)參數(shù)計(jì)算而得），作為正式探測(cè)的依據(jù)，以便高效落實(shí)將探測(cè)工作。

軌頭焊縫內(nèi)無(wú)缺陷，此條件下B探頭未接到回波，源自A探頭的聲波在軌道側(cè)面向前反射，對(duì)應(yīng)至熒光屏中無(wú)回波顯示。有部分縱向的片狀缺陷，主要集中分布在軌頭內(nèi)，源自A探頭的超聲波到達(dá)缺陷部位后發(fā)生反射，該部分由B探頭接收，此時(shí)若缺陷所在的位置位于探頭掃查區(qū)外，也無(wú)回波顯示。

（2）焊縫軌腰探傷。

①直探頭所處位置為軌面縱向中部，以較慢的速度探測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)區(qū)域的掃查。利用一次波，可檢測(cè)軌頭至軌底部焊縫的體積型缺陷。

②鋁熱焊縫邊緣有缺陷疲勞裂紋，具體發(fā)生在軌腰與溢流飛邊交界根部；為進(jìn)一步探明結(jié)構(gòu)的質(zhì)量情況，在斷口疲勞紋源處取金相試樣，對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，以確定該部位的金相組織，對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。

③鋁熱焊縫中存在粗屏等缺陷時(shí)，在超聲波探傷檢測(cè)過(guò)程中，將出現(xiàn)超聲波散射的情況，聲波在軌底形成的反射能量有限。由于焊縫中有傾斜片狀缺陷，導(dǎo)致軌底波消失。

④焊縫中垂直軌面片狀缺陷的檢測(cè)可以采用串列式反射法，取兩個(gè)探頭，將其置于同一探測(cè)面，兩者同步縱向移動(dòng)。根據(jù)檢測(cè)要求調(diào)整兩探頭間距后，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)區(qū)域的全面掃查。

按前述方法操作，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果生成反射回波信息波形圖，如圖1所示。

圖1 采集缺陷信號(hào)功率譜

僅憑借波形圖中信息難以明確鋼軌的缺陷，圖像的參考價(jià)值有限。小波分析可以同時(shí)關(guān)注信號(hào)視域和頻域，對(duì)兩個(gè)方面進(jìn)行分析。依托小波分析技術(shù)，重構(gòu)故障特征信號(hào)，檢測(cè)鋼軌故障信息，對(duì)故障的發(fā)生位置進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。

（3）焊縫軌底探傷。

對(duì)軌底角進(jìn)行劃分，得到6個(gè)探測(cè)區(qū)，持續(xù)調(diào)整偏角和位置，分別以縱向移動(dòng)探頭的方式展開(kāi)檢查。

掃查軌底角1～3區(qū)，操作中嚴(yán)格控制探頭入射點(diǎn)的位置，使其與焊縫中心相距約65 mm，顯示焊筋上輪廓波；對(duì)該間距進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)整，控制為90 mm，顯示焊筋下輪廓波。

而在軌底角4～6區(qū)的掃查工作中，探頭與焊縫中心的距離控制在95 mm，在該條件下對(duì)特定區(qū)域進(jìn)行全面掃查，顯示焊筋上輪廓波。根據(jù)檢測(cè)結(jié)果加以判斷，若缺陷直徑小于超聲波束寬，此時(shí)可以同步顯示焊筋波與缺陷波，間隔約為1 mm，雖然存在間隔但較小，說(shuō)明缺陷緊鄰對(duì)側(cè)焊筋；若缺陷直徑大于聲波束寬，此時(shí)的顯示內(nèi)容發(fā)生變化，即只顯示缺陷波[1]。

軌底探傷單探頭發(fā)操作如圖2所示。

圖2 軌底探傷單探頭法操作

4 超聲波無(wú)損探傷的注意事項(xiàng)

（1）探頭不宜過(guò)快移動(dòng)，速度通常控制在10 m/s以內(nèi)，避免影響焊縫檢測(cè)結(jié)果的全面性。

（2）正式探傷前，先對(duì)探傷靈敏度進(jìn)行調(diào)整，以4～6 dB為宜，此時(shí)檢出率較高，能夠保證探傷結(jié)果的全面性。

（3）針對(duì)鋁熱焊縫，對(duì)其進(jìn)行探傷檢測(cè)時(shí)，掃查范圍需要覆蓋焊縫全寬度。

（4）在軌頭探測(cè)過(guò)程中，需要明確內(nèi)外側(cè)焊筋波的顯示規(guī)律，精準(zhǔn)判斷缺陷波和焊筋波。

（5）在K形或串列式探傷時(shí)，工作人員需重點(diǎn)關(guān)注探傷掃查的困難區(qū)域，例如軌頭上角，若該方法缺乏可行性，則需要根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整為其他方法，確保探傷范圍可以覆蓋該區(qū)域。

（6）針對(duì)探測(cè)面周邊的探傷掃查不足區(qū)域，可采取單探頭自發(fā)自收的方法，此外也可以選擇組合探頭的方式，由此延伸探測(cè)范圍，確保探測(cè)面周邊的部分也經(jīng)過(guò)探傷檢測(cè)，此時(shí)可以對(duì)大范圍的質(zhì)量缺陷情況進(jìn)行系統(tǒng)性判斷。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)可以在不損傷被測(cè)件的前提下高效完成檢測(cè)，且結(jié)果的指向性較好，能夠?yàn)橘|(zhì)量分析提供重要的依據(jù)。在鐵路工程建設(shè)領(lǐng)域，通過(guò)超聲波無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，可以完成對(duì)鋼軌等相關(guān)裝置的檢測(cè)工作，有利于工作人員對(duì)施工質(zhì)量進(jìn)行準(zhǔn)確判斷，提高施工質(zhì)量的可控性。