超聲波交叉多發(fā)多收技術(shù)在鋼軌探傷中的應(yīng)用研究

劉 莉

（中國(guó)鐵路南寧局集團(tuán)有限公司 工務(wù)部，工程師，廣西 南寧 530021）

目前我國(guó)鐵路工務(wù)鋼軌探傷分為鋼軌母材探傷和焊縫探傷兩種，母材探傷一般為每年5～12遍，焊縫探傷最短為每半年1遍。其特點(diǎn)是兩種作業(yè)相互獨(dú)立，不能互補(bǔ)替代，焊縫探傷周期較長(zhǎng)。而焊縫屬于線路中的薄弱點(diǎn)，探傷周期過長(zhǎng)存在較大的漏探和斷軌風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)近幾年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，工務(wù)線路焊縫折斷事件已經(jīng)占全部斷軌事件的60%以上。

當(dāng)前使用的鋼軌探傷儀單探頭探傷只能檢測(cè)軌腰的傾斜狀裂紋或靠近軌底的垂直裂紋，對(duì)軌腰中部垂直狀的裂紋受單探頭信號(hào)發(fā)射徑路的影響，只能通過焊縫探傷時(shí)的雙探頭掃查對(duì)該類傷損進(jìn)行檢測(cè)，且只對(duì)焊縫處所檢測(cè)。

如何使鋼軌母材探傷和焊縫探傷有機(jī)的結(jié)合，改變探傷模式以及改進(jìn)檢測(cè)技術(shù)來提高作業(yè)效率、提高傷損檢出效果成為了當(dāng)前鐵路工務(wù)鋼軌探傷工作急需解決的一個(gè)課題。

1 現(xiàn)狀分析

1.1 鋼軌母材探傷

使用鋼軌探傷儀器在鋼軌軌面上推行，推行速度可以達(dá)到3km/h，通過懸掛在儀器上的多只探頭往鋼軌內(nèi)部發(fā)射超聲信號(hào)，信號(hào)遇到缺陷會(huì)發(fā)生反射，探頭接收反射信號(hào)后反饋到儀器來判定是否存在傷損。目前所使用的鋼軌探傷儀一般配置6只70°探頭、2只37°探頭和1只0°探頭，基本能實(shí)現(xiàn)對(duì)鋼軌軌頭、軌腰及其投影范圍內(nèi)進(jìn)行全覆蓋掃查。缺點(diǎn)是各探頭均為單探頭工作，軌腰中部垂直狀裂紋的反射信號(hào)經(jīng)軌底再次反射后無法回到探頭，無法檢測(cè)該類傷損。

1.2 焊縫探傷

焊縫探傷使用手持探頭的方式，分步對(duì)軌頭、軌腰和軌底進(jìn)行全覆蓋掃查，使用單探頭、雙探頭的方式對(duì)焊縫全斷面各類傷損進(jìn)行檢測(cè)。缺點(diǎn)是檢測(cè)效率極低，一個(gè)焊縫檢測(cè)時(shí)長(zhǎng)約為10分鐘，目前鐵路工務(wù)人員無法大面積開展該項(xiàng)工作，存在焊縫探傷頻次低、周期長(zhǎng)的問題，焊縫折斷風(fēng)險(xiǎn)較高。

2 交叉多發(fā)多收技術(shù)的應(yīng)用

2.1 70°、37°、0°及串列式雙探頭檢測(cè)原理

70°探頭可以覆蓋鋼軌的Ⅰ區(qū)（軌頭部位），利用反射式探傷原理，采用多只70°探頭分不同角度不同方向?qū)夘^部位進(jìn)行全覆蓋掃查。

0°探頭用于檢測(cè)Ⅱ區(qū)（軌腰）的水平或縱向裂紋，利用反射式或穿透式探傷原理可以對(duì)軌頭至軌底（軌腰投影范圍內(nèi)）的裂紋進(jìn)行掃查。

37°探頭可以檢出Ⅱ區(qū)的斜裂紋，利用反射式探傷原理，2只37°探頭分前向、后向?qū)壯队胺秶鷥?nèi)的傾斜狀裂紋進(jìn)行掃查。

串列式雙探頭采用一發(fā)一收的方式，利用軌底發(fā)射缺陷回波至接收探頭，通過改變發(fā)射和接收探頭間的位置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)Ⅱ區(qū)任何深度的垂直裂紋進(jìn)行檢測(cè)。但由于效率極低，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)作業(yè)，目前僅在焊縫探傷中使用該方式，原理如圖1所示。

圖1 串列式探頭檢測(cè)原理

由上述四種檢測(cè)原理可以發(fā)現(xiàn)，如果將這四種探測(cè)方法結(jié)合到一起，就實(shí)現(xiàn)對(duì)軌頭和軌腰全覆蓋掃查。難點(diǎn)是雙探頭式的串列式掃查需要多次改變兩探頭的間距才能完成對(duì)軌腰的全范圍探測(cè)，無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃查。

2.2 超聲波交叉多發(fā)多收技術(shù)

在串列式掃查方面，為提高檢測(cè)效率，需要實(shí)現(xiàn)連續(xù)掃查，為此研究使用超聲波交叉多發(fā)多收技術(shù)。采用集成串列式掃查技術(shù)，利用多只探頭交替發(fā)射超聲信號(hào)，多只探頭交替接收回波信號(hào)，在儀器推行過程中就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)軌腰投影范圍內(nèi)全覆蓋檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)性作業(yè)，原理如圖2所示。

圖2 集成串列式探頭檢測(cè)原理

在1、2號(hào)晶片的發(fā)射路徑上，如果有垂直的缺陷（圖中橢圓點(diǎn)）阻擋，則聲波被反射到軌底，經(jīng)軌底面再次反射到2～9號(hào)接收晶片。通過合理的優(yōu)化探頭的水平位置，收發(fā)組合以15mm的高度步進(jìn)，對(duì)軌腰進(jìn)行自下而上的掃查。

在一個(gè)掃查周期中，0號(hào)、2號(hào)晶片首先進(jìn)行前后各一次單收發(fā)掃查，檢測(cè)軌腰前后兩個(gè)方向的斜裂紋；隨后1～2號(hào)晶片交替發(fā)射，3～9號(hào)晶片交替接收，檢測(cè)軌腰的垂直裂紋。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)，一個(gè)橢圓點(diǎn)的覆蓋直徑大于25mm，各個(gè)橢圓點(diǎn)連續(xù)覆蓋了從軌底至軌面的一個(gè)平行四邊形區(qū)域，為一個(gè)串列掃查周期的檢測(cè)范圍。如果將串列式探頭向前后移動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)軌腰部位的連續(xù)檢測(cè)，如圖3所示。

圖3 集成串列式穿透式掃查原理

集成串列式掃查架的0號(hào)探頭與9號(hào)探頭反方向安裝，除了可代替既有探傷儀器向后探測(cè)的37°探頭外，還可以和9號(hào)（或7、8號(hào)，根據(jù)軌型不同）探頭組合成37°穿透式，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)軌墻穿透式掃查，探測(cè)原理如圖4。

圖4 穿透式掃查原理

2.3 儀器設(shè)計(jì)

將超聲波交叉多發(fā)多收技術(shù)融合到既有的鋼軌探傷儀器中，可以有效解決既有探傷儀無法檢測(cè)出軌腰中部垂直狀裂紋的難題，同時(shí)為了保證儀器構(gòu)造符合現(xiàn)場(chǎng)野外作業(yè)需求，優(yōu)化探頭配置。

2.3.1 沿用既有探傷儀的4個(gè)70°探頭，利用一、二次波檢測(cè)軌頭兩側(cè)的缺陷；集成串列式探頭可以檢測(cè)鋼軌Ⅱ區(qū)的垂直傷損，可以減少既有探傷儀2只前后直射的70°探頭。

2.3.2 沿用既有探傷儀的0°探頭檢測(cè)Ⅱ區(qū)的水平裂紋。

2.3.3 集成串列式探頭K值選用K0.8（折射角≈39°），選擇這個(gè)角度，是因?yàn)?7°探頭容易引起鋼軌接頭第一孔的假象上斜裂紋，折射角達(dá)到39°可以較好的消除這一現(xiàn)象。

2.3.4 0、2號(hào)晶片為前后向單收發(fā)組合探頭，用于檢測(cè)Ⅱ區(qū)的前后傾斜的裂紋包括螺孔的上下斜裂紋，可以代替既有鋼軌探傷儀的兩只37°探頭。

2.3.5 0號(hào)與7或8或9號(hào)探頭組成穿透式探頭，可用于軌腰的穿透式檢測(cè)。

2.3.6 整機(jī)探頭數(shù)量增加到10只，比既有探傷儀多出3只，重新設(shè)計(jì)的專用探頭工作面與鋼軌接觸的面積有所減小，由原來的48×24mm改為32×14mm。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，探傷車在軌面的推行阻力無明顯增加。

如圖5所示為探頭分布示意圖。

圖5 探頭分布示意圖（正視和俯視）

3 效果驗(yàn)證

為將超聲波交叉多發(fā)多收技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)過了多方面的電氣、機(jī)械以及軟件方面的設(shè)計(jì)、制作和改進(jìn)后，制作出了一臺(tái)探傷儀樣機(jī)和回放分析等配套軟件并進(jìn)行試用，進(jìn)一步印證方案的可行性。

3.1 探傷試塊印證

經(jīng)在GTS-60C試塊上推行，能夠探測(cè)到除了下斜15°裂紋外的所有傷損，試塊端部軌腰B超成像清晰。

在GHT-5試塊上推行，能夠探測(cè)到軌頭和軌腰各基準(zhǔn)孔且B超成像清晰。

在特制的焊縫傷損試塊上推行，能全部探測(cè)到焊縫軌頭、軌腰的傷損，B超成像清晰，如圖6、7所示。

圖6 焊縫試塊圖

圖7 在焊縫試塊推行的B超圖像

3.2 現(xiàn)場(chǎng)試用印證

某鐵路局集團(tuán)公司工務(wù)段對(duì)新研制的探傷儀進(jìn)行了試用，現(xiàn)場(chǎng)檢查了鋼軌470km，探傷各類焊縫5630頭，發(fā)現(xiàn)焊縫重傷6處（其中軌頭部位3處，軌腰部位1處，軌底三角區(qū)部位2處），對(duì)6處重傷焊縫使用焊縫探傷儀復(fù)核，判傷一致。

經(jīng)過試用，印證了超聲波交叉多發(fā)多收技術(shù)可以較好的融合和應(yīng)用到傳統(tǒng)的鋼軌探傷儀中，融合了交叉多發(fā)多收技術(shù)的探傷儀可以對(duì)鋼軌軌頭和軌腰投影范圍進(jìn)行探傷，能有效發(fā)現(xiàn)軌頭和軌腰的各類傷損。

4 結(jié)束語(yǔ)

應(yīng)用了超聲波交叉多發(fā)多收技術(shù)的探傷儀有效的解決了傳統(tǒng)的鋼軌探傷儀無法發(fā)現(xiàn)軌腰垂直缺陷的問題，真正實(shí)現(xiàn)了軌頭、軌腰的全覆蓋檢測(cè)，降低了鋼軌和焊縫折斷風(fēng)險(xiǎn)，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)鋼軌母材和焊縫軌頭和軌腰區(qū)域的聯(lián)合探傷，提高勞效及傷損檢出率提供了研究基礎(chǔ)。同時(shí)我們也應(yīng)注意到，目前的技術(shù)還不能解決鋼軌軌底的探傷問題，只能通過人工手持探頭進(jìn)行單獨(dú)檢測(cè)，有待研究新的探傷方法和設(shè)備。