鋼軌探傷車偏斜70°反射點(diǎn)群分析及應(yīng)用

馬運(yùn)忠 馬鐵雷 張玉華 李培 李忠

1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，北京 100081；2.中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司沈陽(yáng)工務(wù)機(jī)械段，沈陽(yáng) 110032；3.北京鐵科英邁技術(shù)有限公司，北京 100081

利用大型鋼軌探傷車對(duì)在役線路鋼軌開展周期檢測(cè)，對(duì)保障線路運(yùn)營(yíng)安全起到越來(lái)越重要的作用［1］。探傷車最高檢測(cè)速度可達(dá)80 km∕h，積累了一定運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)［2-4］。相關(guān)學(xué)者在采用70°換能器檢測(cè)鋼軌軌頭核傷方面開展了廣泛研究。黎連修等［5］研究了鋼軌核傷檢測(cè)方法，建立了70°換能器核傷檢測(cè)方法的幾何學(xué)。盧超等［6］開展了鋼軌中超聲次表面縱波傳播特性的邊界元分析及試驗(yàn)分析。馬運(yùn)忠［7］研究了探傷車數(shù)據(jù)中接頭不明反射點(diǎn)群及其應(yīng)用。王品等［8］對(duì)高速鋼軌超聲波探傷中螺孔70°幻象波進(jìn)行了分析識(shí)別。

探傷車B 顯數(shù)據(jù)為多通道綜合顯示，傷損判定依賴于B 顯數(shù)據(jù)中多通道的綜合判定。80 km∕h 探傷車增加了中間探輪，除配置直打70°外，還增加了偏斜70°。目前在利用偏斜70°的檢測(cè)方面積累了一定的經(jīng)驗(yàn)，但某些條件下形成的偏斜70°的反射回波易與傷損波混淆，造成誤判。本文基于80 km∕h 探傷車對(duì)60 kg∕m 鋼軌的B顯數(shù)據(jù)對(duì)偏斜70°在接頭處的出波特征進(jìn)行分析。通過(guò)對(duì)偏斜70°回波數(shù)據(jù)進(jìn)行聲學(xué)推算和驗(yàn)證試驗(yàn)，分析偏斜70°出波原因。

1 超聲波檢測(cè)技術(shù)

1.1 探傷車探輪布置

國(guó)內(nèi)探傷車采用超聲波探輪作為檢測(cè)傳感器。80 km∕h 探傷車單側(cè)鋼軌有3個(gè)超聲波探輪（圖1），分別稱為前輪、中間輪、后輪。其中，前后輪內(nèi)部設(shè)置了0°、45°、直打70°和側(cè)打換能器，中間輪內(nèi)部設(shè)置了0°和偏斜70°換能器。除0°換能器在鋼軌中傳播為超聲縱波外，其他換能器在鋼軌內(nèi)部傳播均為橫波。

圖1 80 km∕h探傷車超聲換能器布置

0°換能器用來(lái)檢測(cè)水平傷損，37.5°換能器用來(lái)檢測(cè)軌腰及軌底區(qū)域傷損，70°換能器用來(lái)檢測(cè)軌頭核傷。其中，直打70°換能器為組合式換能器（內(nèi)側(cè)、中心、外側(cè)），均采用一次波技術(shù)，其一次波聲場(chǎng)可覆蓋軌頭大部分區(qū)域；偏斜70°換能器采用一次波和二次波技術(shù)，超聲入射點(diǎn)集中在軌頭中心區(qū)域，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)軌頭內(nèi)側(cè)區(qū)域傷損的檢測(cè)。

1.2 探傷車接頭B顯數(shù)據(jù)特征

有縫線路的接頭位置是傷損高發(fā)區(qū)域，接頭區(qū)域內(nèi)固定反射波和傷損波易于混淆。80 km∕h 探傷車在60 kg∕m 鋼軌接頭處B 顯數(shù)據(jù)的典型形態(tài)見圖2。其中，前后0°通道在螺孔及接縫的底波失波點(diǎn)群顯示在軌底下方區(qū)域；前后45°通道螺孔反射點(diǎn)群顯示在軌腰對(duì)應(yīng)的螺孔處，與0°通道螺孔的反射點(diǎn)群拼合成A字形；前后輪直打70°（內(nèi)側(cè)、中心、外側(cè)）通道的接縫反射點(diǎn)群顯示在兩軌連接處接縫的軌頭區(qū)域；前后偏斜70°通道在接縫反射點(diǎn)群顯示在接縫的軌頭（一次波）及軌腰（二次波）區(qū)域；偏斜70°通道在二孔軌身上方附近（二次波）形成反射點(diǎn)群。偏斜70°的出波特征為：①在一側(cè)接頭呈現(xiàn)單方向偏斜70°出波，另一側(cè)接頭呈現(xiàn)相反方向偏斜70°出波；②兩側(cè)出現(xiàn)的偏斜70°出波均集中出現(xiàn)在二孔斜上方區(qū)域，二次波出波位置距離軌縫約230 ～ 250 mm；③偏斜70°的出波走勢(shì)符合傷損判定原則，檢測(cè)系統(tǒng)將其識(shí)別為軌頭內(nèi)側(cè)橫向裂紋。受探傷車檢測(cè)增益設(shè)置和軌面狀態(tài)等的影響，該偏斜70°出波特征不會(huì)在每個(gè)接頭處穩(wěn)定呈現(xiàn)。

圖2 60 kg∕m鋼軌接頭處探傷車超聲波B顯數(shù)據(jù)

目前尚未掌握探傷車在接頭處B顯數(shù)據(jù)中的偏斜70°出波原因，且該接頭區(qū)域易存在核傷，而偏斜70°出波易與核傷出波混淆，導(dǎo)致誤判或漏判。分析該反射點(diǎn)群的形成原因，掌握其出波特點(diǎn)，對(duì)提升探傷車的檢測(cè)參數(shù)調(diào)整和接頭傷損判定經(jīng)驗(yàn)具有指導(dǎo)意義。

2 偏斜70°接頭出波點(diǎn)群

2.1 出波點(diǎn)群形成原因

以探傷車在60 kg∕m鋼軌接頭的B顯數(shù)據(jù)為例，分析在該區(qū)域偏斜70°出波點(diǎn)群形成原因?？紤]到接頭附近存在6個(gè)螺孔，而B 顯數(shù)據(jù)中只有二孔側(cè)上方存在偏斜70°出波，基本排除了由于探輪和鋼軌橫向?qū)χ胁涣紝?dǎo)致的偏斜70°聲束進(jìn)入軌腰螺孔形成反射回波的可能。

探傷車各換能器均按照脈沖反射法方式工作，各換能器接收其發(fā)射超聲波產(chǎn)生的超聲回波進(jìn)行傷損判定。根據(jù)80 km∕h 探傷車探輪的空間布置關(guān)系（前后輪和中間輪的中心距離430 mm，直打70°與偏斜70°在軌面的入射點(diǎn)距離L= 404 mm），在某些情況下，存在前后輪直打70°通道發(fā)射的超聲波被中間輪偏斜70°通道接收的可能。

直打70°發(fā)射偏斜70°接收的超聲傳播路徑（圖3）為：①直打70°換能器在鋼軌內(nèi)傳播的橫波在接頭端面處發(fā)生反射（a→b）；②端面反射橫波傳播至軌顎（b→c）；③軌顎反射橫波傳播至鋼軌踏面（c→d）；④踏面反射橫波再次傳播至軌顎（d→e）；⑤軌顎二次反射橫波傳播至踏面（e→f）發(fā)生折射，折射縱波進(jìn)入中間輪內(nèi)部，被偏斜70°換能器接收。隨著探傷車的運(yùn)行，3個(gè)探輪在鋼軌踏面上持續(xù)滾動(dòng)，在鋼軌接頭處的B顯數(shù)據(jù)上可能呈現(xiàn)二孔側(cè)上方偏斜70°的出波點(diǎn)群。

圖3 直打70°發(fā)射偏斜70°接收的超聲傳播路徑

2.2 傳播聲程推算

2.2.1 直打70°主聲束聲程計(jì)算

由于60 kg∕m 鋼軌軌頭截面形狀復(fù)雜，將直打70°在軌頭區(qū)域的傳播路徑進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，選取軌顎中心點(diǎn)作為直打70°主聲束傳播路徑在軌顎區(qū)域的入射點(diǎn)。直打70°發(fā)射至偏斜70°接收超聲波的傳播總距離laf及該超聲傳播路徑的總聲程taf的表達(dá)式為

式中：l0—l6依次為直打70°輪內(nèi)縱波傳播距離、踏面至接頭端面的橫波傳播距離、經(jīng)接頭端面反射至軌顎的橫波傳播距離、經(jīng)軌顎一次反射至鋼軌踏面的橫波傳播距離、經(jīng)踏面反射至軌顎的橫波傳播距離、經(jīng)軌顎二次反射至鋼軌踏面的橫波傳播距離、偏斜70°輪內(nèi)縱波傳播距離；t0—t6依次為l0—l6對(duì)應(yīng)的聲程，t0=l0∕vc，t1=l1∕vs，t2=l2∕vs，t3=l3∕vs，t4=l4∕vs，t5=l5∕vs，t6=l6∕vc，其中耦合液聲速vc取1.7 mm∕us，鋼軌橫波聲速vs取3.2 mm∕us。

計(jì)算得：l0=48.5 mm，t0=28.5 us；l1=16.5 mm，t1= 5.2 us；l2= 99.4 mm，t2= 31.1 us；l3=l4=l5=115.9 mm，t3=t4=t5= 36.2 us；l6= 41.5 mm，t6=24.4 us。整個(gè)傳播路徑聲程taf≈197.6 us。

2.2.2 探傷車70°通道延遲設(shè)置

80 km∕h 探傷車各探輪的0°換能器均是同一時(shí)刻激發(fā)，直打70°換能器和偏斜70°換能器相對(duì)0°換能器發(fā)射均設(shè)有一定時(shí)間延遲（圖4）。對(duì)于前后輪，其直打70°換能器相對(duì)0°換能器延遲tc70激發(fā)；對(duì)于中間探輪，其偏斜70°換能器相對(duì)0°換能器延遲tx70激發(fā)。本文設(shè)置tc70= 16 us，tx70= 45 us。

圖4 直打70°、偏斜70°延遲設(shè)置示意

2.2.3 偏斜70°通道回波出波顯示

探傷車B 顯數(shù)據(jù)利用A 顯數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化而來(lái)，采用空間定位算法（圖5），將A 顯數(shù)據(jù)中的聲程分為探輪內(nèi)（AB段）和鋼軌內(nèi)（BC段）兩部分進(jìn)行計(jì)算，從而確定超聲回波的位置。鋼軌內(nèi)回波定位以鋼軌踏面入射點(diǎn)為基準(zhǔn)，在設(shè)定聲束方向上的對(duì)應(yīng)聲程位置顯示反射點(diǎn)，其中偏斜70°在探輪中入射縱波角度按β=29.6°設(shè)定，在鋼軌內(nèi)折射橫波角度按α= 70°設(shè)定。

圖5 空間定位原理示意

偏斜70°按照脈沖反射法計(jì)算回波位置，根據(jù)鋼軌中超聲回波聲程tR=tc70+taf-tx70- 2t，利用橫波聲速vs計(jì)算鋼軌回波距離lR，計(jì)算公式為

計(jì)算可得，tR= 119.8 us，lR≈ 191.7 mm。該偏斜70°回波在水平方向位移分量LOR=l1sinα+L-lRsinα。計(jì)算可得，LOR≈239.4 mm。該水平方向位移分量計(jì)算值與探傷車B 顯數(shù)據(jù)中測(cè)量的偏斜70°出波點(diǎn)群水平方向距離軌縫約230～250 mm的現(xiàn)象相符。

2.3 靜態(tài)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證聲程推算的正確性，搭建雙探輪試驗(yàn)平臺(tái)（圖6），配置未加工螺孔的60 kg∕m 鋼軌試塊，設(shè)置前輪和中間輪的距離為440 mm，與80 km∕h 探傷車的探輪間距保持一致。采用通用探傷儀，設(shè)置前輪直打70°發(fā)射、中間輪偏斜70°接收，開展靜態(tài)試驗(yàn)。

圖6 直打70°發(fā)射偏斜70°接收試驗(yàn)

試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)縱向移動(dòng)鋼軌試塊，可以從探傷儀上獲得直打70°發(fā)射偏斜70°接收的超聲回波，其最大出波位置與聲程推算的結(jié)果接近，試驗(yàn)測(cè)得的回波聲程為202.9 us，與聲程計(jì)算的taf≈197.6 us誤差約為5.3 us，證明聲程推算正確。

3 傷損判定中的應(yīng)用

80 km∕h 探傷車的 B 顯數(shù)據(jù)中，偏斜 70°通道在接頭二孔側(cè)上方的出波點(diǎn)群在正常接頭處的形狀和位置明確。當(dāng)鋼軌中存在近乎垂直的軌頭橫向裂紋時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生直打70°發(fā)射偏斜70°接收的出波情況，可以利用這一特點(diǎn)進(jìn)行綜合傷損判定。

探傷車檢測(cè)某線路K281+388 處報(bào)告一處加固焊縫軌頭核傷，該傷損波由直打70°出波點(diǎn)群和偏斜70°出波構(gòu)成（圖7）。分析可知，該偏斜70°出波是由直打70°發(fā)射偏斜70°接收形成的，可確定該處為近乎垂直的軌頭橫向裂紋，避免了將該偏斜70°出波報(bào)告為其他傷損，提高了傷損報(bào)警的準(zhǔn)確率，降低了誤報(bào)率。

圖7 傷損判定示例

4 結(jié)論

1）偏斜70°出波點(diǎn)群形成原因?yàn)橹虚g輪偏斜70°接收到前后輪直打70°發(fā)射的超聲波，直打70°發(fā)射的超聲波經(jīng)接頭端面、軌顎和踏面多次反射最終被偏斜70°接收。

2）鋼軌中存在近乎垂直的軌頭橫向裂紋時(shí)，若探傷車B 顯數(shù)據(jù)中偏斜70°二次波回波點(diǎn)群符合單通道偏斜70°二次波聲程范圍內(nèi)出波且形成走勢(shì)、出波水平位置距離近乎垂直的軌頭橫向裂紋約230～250 mm等特征時(shí)，不宜作傷損報(bào)警處理。

本文研究對(duì)于開展探傷車傷損判定具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。