鋼軌超聲檢測典型損傷B顯圖譜特征分析

陳修忻 ， 許 輝 ， 鄒 鈺

（上海地鐵維護保障有限公司工務分公司，上海 200233）

0 引言

鋼軌是城市軌道交通及鐵路運輸?shù)幕A，其狀態(tài)的好壞對于列車的安全運營及乘坐舒適性至關重要。鋼軌在線服役時不斷受到交變彎曲應力及橫向應力的作用，導致鋼軌產生塑性變形、磨損以及疲勞損傷等問題。同時，鋼軌長期處于高負荷運行及超期服役狀態(tài)，突發(fā)性斷裂時有發(fā)生，嚴重影響城市軌道交通及鐵路運輸?shù)陌踩玔1-2]。因此，對鋼軌進行無損檢測尤為重要。

目前，常用的鋼軌無損檢測方式主要有超聲脈沖反射法、磁粉檢測[3-4]。隨著無損檢測技術的發(fā)展，國內外一些機構及個人也采用其他方法對鋼軌特定位置、特定缺陷進行檢測。常俊杰等[5]從理論和實驗兩方面對鋼軌踏面淺表面有無裂紋及裂紋大小進行了實驗分析和數(shù)值計算，證明了非接觸空氣耦合超聲導波檢測方法的可行性和可靠性；李錦等[6]利用相控陣技術對現(xiàn)場鋁熱焊及閃光焊縫進行檢測嘗試，證明可以將這一技術引入焊軌基地應用，并能有效提高焊縫檢測效率；賈文晶[7]搭建了一種紅外熱波鋼軌踏面裂紋無損檢測平臺，檢測經熱激勵源加熱的軌底表面，結果表明，裂紋對應的軌底表面溫度高于無裂紋對應的軌底表面溫度，證明了紅外熱波檢測的可行性；Hayashi T等[8]利用半解析有限元方法獲得了鋼軌的色散曲線和波形結構，結果表明，適用于導波檢測的僅限于某些特定的局部振動模式；Bartoli I等[9]使用非接觸式動態(tài)傳感技術測量運動中鋼軌應力，結果表明，超聲波導波對應力變化較為敏感，有望用于測量鋼軌應力水平或軌道中性溫度；Scalea F L D等[10]使用超聲波和非接觸探測技術來檢測鋼軌橫向損傷，結果表明，這一技術可以發(fā)現(xiàn)并確定尺寸小于軌頭橫截面面積20%的橫向裂紋。

至2020年底，上海地鐵運營里程已近800 km。隨著運營里程的不斷增長，為確保運營安全，全路網鋼軌周期性檢測面臨更大的考驗。但現(xiàn)有檢測技術仍勛在很多不足。超聲相控陣技術難以實現(xiàn)大規(guī)模、高效率對在役鋼軌進行檢測作業(yè)；焊縫不均勻度對超聲導波檢測準確度存在較大影響；紅外熱成像技術對地下架設存在局限性；磁粉檢測技術僅能檢測鋼軌表面或近表面損傷。由于在役鋼軌軌面存在大量斑點、碎裂以及連續(xù)細小魚鱗紋，因此，傳統(tǒng)的超聲脈沖反射法仍是目前對在役鋼軌進行無損檢測的最佳選擇。數(shù)字式鋼軌探傷儀由于其配置多個不同發(fā)射角度探頭且操作簡便，可實現(xiàn)對鋼軌全斷面周期性檢測。同時，其強大的回放功能使其在生產實踐中發(fā)揮著重要作用，有效預防鋼軌損傷漏檢及監(jiān)控損傷發(fā)展。為此，本研究首先闡述數(shù)字式鋼軌探傷回放軟件的工作原理，討論60 kg/m鋼軌（以下簡稱為60軌）接頭、焊縫在正確拼孔下對應的超聲波B顯特征圖譜的形成原因，說明數(shù)字式鋼軌探傷儀較強的回放分析功能，最后基于鋼軌檢測回放軟件分析總結典型鋼軌損傷B顯圖像特征。

1 鋼軌超聲波B顯特征圖譜分析

1.1 數(shù)字式鋼軌探傷儀回放軟件

B掃描顯示的是與聲束傳播方向平行且與被檢工件表面垂直的剖面，是反射體尺寸及相對位置等超聲信息的一種顯示方式。在熒光屏上，橫坐標代表探頭移動距離，縱坐標代表聲波傳播時間或距離，基線隨探頭的移動和回波時間而變。B掃描可直觀了解探頭移動下方被檢工件橫截面的缺陷分布及離探測面的深度，獲得在探頭掃查方向的斷面圖[11-12]。

為清楚分析數(shù)字式鋼軌探傷儀檢測的鋼軌超聲波B顯圖譜，首先介紹回放軟件。圖1為回放軟件顯示主界面，區(qū)域Ⅰ為工具欄區(qū)域，區(qū)域Ⅱ為B超數(shù)據顯示區(qū)域，區(qū)域Ⅲ為B超數(shù)據信息區(qū)域。其中，區(qū)域Ⅰ主要有數(shù)據進度顯示、數(shù)據總里程、拼孔方式選擇、回放速度、步長及B超圖形顯示大小等。區(qū)域Ⅱ可分為A、B、C 3個區(qū)域，分別對應70°、37°、0°探頭檢測數(shù)據區(qū)域。圖中①、②分別為70°探頭軌頂面線、軌顎線（一、二次波線），③、④分別為37°探頭軌頂面線、軌顎線，⑤為37°探頭軌底線與0°探頭軌頂面線，⑥、⑦分別為0°探頭軌顎線和軌底線。區(qū)域Ⅲ主要為數(shù)據的行別、股別、線別，以及1～9號不同顏色對應不同通道探頭及增益信息。

圖1 回放軟件顯示主界面Fig.1 Main interface of the playback software

1.2 鋼軌超聲波B顯特征圖譜

地鐵正線線路主要由每根長度為25 m的60軌相連而成，其連接方式主要是將2根鋼軌兩端鉆孔并用夾板固定或采用焊縫焊接相連。本研究以JGT-6M數(shù)字式鋼軌探傷檢測數(shù)據為研究對象，對鋼軌接頭超聲波B顯特征及鋼軌焊縫超聲波特征圖譜進行分析。檢測儀探頭組合為70°探頭6個（1—前內偏70°、2—后外偏70°、6—前直70°、7—前外偏70°、8—后內偏70°、9—后直70°）、37°探頭2個（3—前37°、4—后37°）、0°探頭1個(5—0°)。探頭配置如圖2所示。

圖2 儀器探頭配置圖（9通道）Fig.2 Configuration diagram of instrument probe (9 channels)

2根鋼軌端部各有3個完全一樣的圓形螺孔，如圖3所示。將左側鋼軌3個螺孔由右至左命名為ZK1、ZK2、ZK3，右側鋼軌3個螺孔由左至右命名為YK1、YK2、YK3。為確定螺孔孔裂位置，將每個孔分A、B、C、D 4個象限，如1孔（靠軌端最近的螺孔）向軌端斜下裂稱為“1C”。60軌1孔中心距軌端水平距離為76 mm，孔間中心距離均為140 mm，螺孔孔徑為31 mm，孔心距軌面為97 mm、距軌底為79 mm。60軌接頭示意圖如圖3所示。

圖3 鋼軌接頭示意圖Fig.3 Schematic diagram of rail joint

為使數(shù)字式鋼軌探傷儀 B型顯示能顯示鋼軌損傷實際位置且能有效鑒別出波位置，需要把回放軟件中鋼軌超聲B顯拼圖拼得準確到位。正確拼圖方法如下：

1）普通接頭37°圖形正確拼孔方法。以0°螺孔反射波為參考，調節(jié)前、后37°B顯位置，在普通接頭正常出波的螺孔處進行前、后37°拼孔，建議將前、后37°螺孔圖形的上沿間距控制在20 mm，如果此時軌底存在橫向裂紋，其圖形正好形成正八字。如果螺孔拼孔間隔過大，會造成正八字分離，且不利于對套孔、上裂紋的判斷；如果螺孔拼孔間隔過小，會造成正八字交叉，同樣不利于對套孔、上裂紋的判斷。

2）普通接頭斷面70°圖形正確拼孔方法。所有斜70°探頭在普通接頭斷面處會有一個經軌顎進行反射后對斷面進行一次波、二次波的2次掃查過程，因此，在B顯圖形上會出現(xiàn)一道跨越軌顎線（即一、二次波分界線）的圖形。在普通接頭拼孔中，對于所有70°探頭的斷面回波，不論其發(fā)射方向是向前還是向后，均應壓在一條線上，這個位置應該是兩側一孔的中間位置，也就是普通接頭斷面的位置。需要注意的是，直 70°探頭靈敏度足夠時會顯示2支波，一支是斷面波，另一支是變型縱波的螺孔反射波；如靈敏度不足，只會顯示一支波，但這支波不是斷面波，而是變型縱波的螺孔反射波。

圖4為拼好的鋼軌接頭B顯圖。由圖4可見，1孔靠軌端37°出現(xiàn)2支分裂的B顯圖像，即Z1、Y1。其形成原因為，后37°探頭在檢測過程中，后37°探頭打到YK1孔時其路徑Y傳播顯示Y1，后37°探頭經接頭斷面反射打到ZK1孔時其路徑Z傳播顯示Z1。圖中a為其傳播路徑及對應B顯圖；ZA、YA分別為前、后直70°探頭打出的變型縱波螺孔反射波，圖中b為各70°斷面及前、后直70°探頭打出的變型縱波螺孔反射波詳細B顯圖。

圖4 鋼軌接頭超聲波B顯示意圖Fig.4 Ultrasonic B-display of rail joint

由于焊接工藝存在差異，數(shù)字式鋼軌探傷儀70°探頭經過焊縫處會出現(xiàn)特定B顯圖形，當焊縫軌底打磨不凈時，焊縫軌底處會出現(xiàn)37°B顯圖形。圖5為鋼軌焊縫B顯示意圖，圖5a為鋼軌焊縫正試圖，圖5b為鋼軌焊縫軌額B顯圖。由圖5a可見，70°探頭打到軌額焊筋對側處，會出現(xiàn)軌額焊筋波；37°探頭打到軌底焊縫處會出現(xiàn)軌底焊筋波，其B顯均為倒“八”字形。由圖5b可見：通過上述各通道圖形的正確拼圖，焊縫的正常回波圖形會自然按照對側焊筋出波圖形分布，焊縫軌額焊筋波呈倒“八”字形，且1、6、7通道在左側，2、8、9通道在右側，圖中a為70°不同通道B顯圖。

圖5 鋼軌焊縫超聲波B顯示意圖Fig.5 Ultrasonic B-display of rail welding seam

2 鋼軌典型損傷B顯圖像分析

2.1 軌面魚鱗損傷

圖6為鋼軌軌面魚鱗損傷B顯圖和實物圖。數(shù)字式鋼軌探傷儀回放軟件界面上存在明顯的后內偏70°二次波顯示且伴隨底面失波。軌頭內側存在著比較嚴重的側磨，軌面存在一條較長且平行于鋼軌的縱向裂紋，該裂紋與軌面魚鱗紋相交。采用超聲通用儀對軌面魚鱗紋校對，其深度顯示為12 mm。

圖6 鋼軌軌面魚鱗紋Fig.6 Fish-scale pattern on rail surface

損傷分析：軌面縱向裂紋產生的原因是由于鋼軌制造工藝不良，沒有切除鋼錠中帶有嚴重偏析、縮孔、夾雜等缺陷，在鋼錠軋制成鋼軌后，缺陷成片狀殘留在軌頭中，與鋼軌縱向平行。結合傷軌超聲波B顯圖譜分析可知，此重傷起因為原軌面內側存在一條單個魚鱗紋，當魚鱗紋向軌頭中間發(fā)展時，與軌面縱向裂紋重合，形成了應力疊加，造成了魚鱗紋深度加劇，既有的輕傷快速發(fā)展，達到了重傷的標準。反之，如果沒有軌面縱向裂紋的存在，魚鱗紋發(fā)展速度會比較緩慢。

檢測分析：軌面魚鱗傷的B顯圖像會出現(xiàn)一、二次波，由于二次波的聲束比一次波的聲束寬，所以檢測人員主要以二次波來發(fā)現(xiàn)損傷，用一次波來對損傷進行一定的定位定量。當軌面魚鱗傷發(fā)展嚴重只顯示二次波或一次波波幅穩(wěn)定的位移時，檢測人員應認真校對。

2.2 螺孔1孔向軌端下斜裂紋

圖7為鋼軌螺孔裂紋損傷B顯圖和實物圖?？梢?，螺孔1孔向軌端存在前37°連續(xù)出波且1孔下方伴隨0°失波；螺孔1孔向軌端下斜裂紋，其中，裂紋存在于鋼軌內側，未與外側貫通。

圖7 鋼軌螺孔裂紋Fig.7 Cracks in rail screw holes

損傷分析：從傷軌現(xiàn)場圖觀察發(fā)現(xiàn)，鋼軌內側的裂紋從軌端沿著軌墻和1孔相連，同時，在沒有到螺孔的軌腰處產生了撕裂性的裂紋分支，可以猜測裂紋的發(fā)展走向是由軌端開始，然后發(fā)展至1孔。同時，觀察軌面光帶的分布情況發(fā)現(xiàn)，僅僅踏面一點有些光帶，說明列車在此處載荷重力主要集中在鋼軌內側，可以判斷此軌端裂紋起源于軌端偏內的腰底結合部處，隨著列車的偏載，內側裂紋從軌端裂至1孔。而外側則是受力較內側小，裂紋沒有完全發(fā)展到1孔，但留有水平推力造成了撕裂紋跡象。

檢測分析：對于具有傾斜角度的斜裂紋，檢測早期發(fā)現(xiàn)較為困難。同時，鋼軌的頭腰結合部和腰底結合部有弧度，屬于不規(guī)則工件，一般來說，處于這里的損傷，發(fā)現(xiàn)難度要大于規(guī)則體工件；從圖7b中的軌端截面圖顯示，此軌端裂紋呈現(xiàn)一定的傾斜角度，從超聲波反射路徑來看，垂直入射的超聲波遇到傾斜的缺陷，反射的超聲波不能按照原來的路徑返回而被探頭接收，因此，0°失波現(xiàn)象應特別注意。

2.3 軌頭焊縫損傷

圖8為鋼軌軌頭焊縫損傷B顯圖和軌頭焊縫剖視圖。焊縫B顯多出一支較強的后外偏70°圖形與前內偏70°焊筋輪廓波形交叉。經解剖焊縫，可見一明顯缺陷。

圖8 軌頭焊縫損傷B顯和剖視圖Fig.8 Untasonic B-display and sectional view for failure of rail head weld-seam

損傷分析：焊縫軌頭損傷是由焊接設備、材料、氣溫和操作工藝等諸多因素影響焊接質量，最終導致鋼軌出現(xiàn)損傷。

檢測分析：對于焊縫損傷，正常焊筋B顯呈倒“八”字形，且前70°B顯在左側，后70°B顯在右側，測其距離在30 mm左右。由于正常軌頭焊筋出波在焊縫對側，因此，在現(xiàn)場檢測及回放中必須高度重視在正確拼孔情況下前、后直70°出現(xiàn)的異常本側圖形。

2.4 焊縫軌腰損傷

圖9為鋼軌軌腰焊縫裂紋B顯圖和實物圖?？梢姡缚p軌腰部位出現(xiàn)明顯的前、后37°B顯圖形且呈現(xiàn)長距離的0°B顯；實物為一明顯的水平裂紋且兩端向軌頭方向發(fā)展，同時，在焊縫軌腰處軌腰推瘤打磨不徹底。

圖9 焊縫軌腰裂紋Fig.9 Crack of weld rail waist

損傷分析：鋼軌焊接以后軌腰推瘤打磨不徹底，導致未能將殘余裂紋擠出焊筋，從而造成此處應力集中。此類損傷早期極難發(fā)現(xiàn)，當焊縫到了疲勞期以后，原始裂紋沿著鋼軌的薄弱處就會快速發(fā)展出來。這種焊縫軌腰水平裂紋一般起源于焊縫軌腰的單側，然后橫向延伸到另一側，形成貫通型水平裂紋向兩端擴展。

檢測分析：對于焊縫軌腰水平裂紋，早期檢測發(fā)現(xiàn)極為困難。從檢測周期考慮，常規(guī)檢測為1次/月，焊縫檢測為1次/a，很難應對此類快速發(fā)展的疲勞裂紋檢測。因此，建議巡檢人員在2次/周的作業(yè)中格外注意對焊縫的觀察，尤其是軌腰部位有銹跡的焊縫。

2.5 軌底裂紋損傷

圖10為鋼軌焊縫軌底裂紋B顯圖和實物圖?？梢?，焊縫軌底部位出現(xiàn)明顯的前、后37°交叉B顯圖形。經打磨發(fā)現(xiàn)，焊縫軌底部位有一明顯的橫向裂紋。

圖10 焊縫軌底裂紋Fig.10 Crack at the bottom of the weld rail

損傷分析：鋼軌焊接前由于預熱不夠，在焊接熱影響區(qū)形成馬氏體，進而產生裂紋。因此，在焊接過程中要保障預熱足夠。

檢測分析：對于焊縫損傷，無論軌頭還是軌底，正常焊筋B顯呈倒“八”字形。對于鋼軌軌底橫向裂紋，尤其是焊縫邊緣的軌底橫向裂紋在其損傷尺寸較小時就可能會導致鋼軌折斷，是檢測檢查中的重點與難點，在現(xiàn)場檢測及回放中必須始終保持37°探頭的狀態(tài)良好、靈敏度正常、探頭位置正確及拼孔正常。當B顯圖像呈現(xiàn)正“八”字形，檢測人員必須仔細校對復核異常波形，避免此類損傷的漏檢。

3 結論

1）在鋼軌損傷分析過程中，數(shù)字式鋼軌探傷儀回放軟件對鋼軌超聲波檢測數(shù)據進行正確拼孔后，可有效識別鋼軌缺陷B顯圖形，提高鋼軌損傷分析的準確率。

2）軌面魚鱗損傷，其B顯圖像會出現(xiàn)一、二次波，當軌面魚鱗傷發(fā)展嚴重時，只顯示二次波或一次波波幅穩(wěn)定的位移；螺孔1孔向軌端下斜裂紋，具有傾斜角度，早期檢測很難發(fā)現(xiàn)此裂紋，當下裂角度較小且平直時，由于0°反射信號不能被探頭接收，僅會出現(xiàn)底面0°失波。

3）軌頭、軌底焊筋波處前后交叉出波，均代表該處焊縫異常，應仔細甄別；焊縫軌腰損傷，檢測早期極難發(fā)現(xiàn)其水平裂紋，為避免突發(fā)性斷裂，應在鋼軌焊接以后及時進行軌腰推瘤打磨。