無(wú)損探傷技術(shù)在鋼軌探傷中的應(yīng)用研究

劉琰

（航天工程大學(xué)研究生院，甘肅 酒泉 732750）

鐵路交通網(wǎng)作為我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)保障的重要一環(huán)，是我國(guó)交通運(yùn)輸體系不可忽視的組成部分。鋼軌作為城市鐵路交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)，運(yùn)輸過程中承載的重量較大，運(yùn)輸頻次較高，加上鋼軌幾乎全部暴露于室外環(huán)境，造成鋼軌疲勞和內(nèi)部組織的損傷。鋼軌無(wú)損探傷方法，能夠在不影響鋼軌實(shí)際使用過程和使用性能的情況下完成對(duì)鋼軌內(nèi)部組織的高效率檢測(cè)。因此，本文對(duì)無(wú)損探傷技術(shù)及在鋼軌探傷中的應(yīng)用進(jìn)行研究，具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

1 鋼軌無(wú)損探傷技術(shù)概述

鋼軌無(wú)損探傷技術(shù)，主要是利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，在不損害鋼軌現(xiàn)有的基本性能前提下，對(duì)鋼軌的內(nèi)部組織之間的排列進(jìn)行缺陷檢查，并通過數(shù)字化或信息化技術(shù)等將檢測(cè)得到的鋼軌內(nèi)部組織之間的缺陷反映給檢測(cè)人員，從而方便檢測(cè)技術(shù)人員按照檢測(cè)得到的參數(shù)對(duì)比，判別該鋼軌是否能夠繼續(xù)使用以及做出相關(guān)決策。

在整個(gè)鋼軌無(wú)損探傷件數(shù)的應(yīng)用過程中，該技術(shù)應(yīng)用主要包括兩方面內(nèi)容：

一方面是精確掌握鋼軌內(nèi)部所存在的缺陷和整個(gè)鋼軌在后續(xù)承載過程中所允許的既定負(fù)荷、剩余的使用時(shí)間等諸多參數(shù)，進(jìn)行科學(xué)合理的評(píng)估以便使用[1]。

另一方面，主要是通過鋼軌無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)，探測(cè)得到鋼軌內(nèi)部存在的缺陷和現(xiàn)有的制造工藝以及生產(chǎn)技術(shù)參數(shù)設(shè)定之間的關(guān)系，通過檢測(cè)反饋給工藝鋼軌的制造廠商，以不斷提升鋼軌制造過程中技術(shù)的改進(jìn)。

就現(xiàn)階段而言，鋼軌無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)不斷朝著智能化、精確化、模擬化、數(shù)字化等多方向發(fā)展，主要體現(xiàn)在利用較高精度的檢測(cè)設(shè)備，以更快、更高的效率對(duì)鋼軌進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)，在后續(xù)的鋼軌無(wú)損檢測(cè)過程中，無(wú)損探傷檢測(cè)應(yīng)用將會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)其檢測(cè)質(zhì)量的把控和檢測(cè)效率的提升，不斷提高鋼軌檢測(cè)精確程度以改善鋼軌制造工藝，促進(jìn)鐵路交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)的良性發(fā)展[2]。

2 鋼軌探傷常見成因分析

隨著我國(guó)高速鐵路產(chǎn)業(yè)鏈的不斷成熟，鋼軌使用范圍進(jìn)一步拓寬，鋼軌質(zhì)量也在較大程度上直接影響著我國(guó)鐵路交通網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。在鋼軌的制造生產(chǎn)過程中，任意階段出現(xiàn)問題，都很可能導(dǎo)致鋼軌內(nèi)部組織存在缺陷，而該缺陷并不能為人類肉眼所見，絕大部分是鋼軌內(nèi)部存在著白點(diǎn)甚至是非金屬雜質(zhì)等，會(huì)對(duì)后續(xù)鋼軌在高速公路運(yùn)行過程中承載力的最大限度發(fā)揮產(chǎn)生一定的影響。同時(shí)，部分鋼軌還存在著內(nèi)部縫隙、裂紋等導(dǎo)致的鋼軌質(zhì)量問題，甚至是無(wú)法使用或使用性能受到限制。

在實(shí)際使用過程中，鋼軌的問題主要由以下三方面造成[3]：

一是鋼軌在使用或生產(chǎn)過程中出現(xiàn)了垂直裂縫和縱向裂縫，出現(xiàn)該類問題主要可能由于鋼軌在生產(chǎn)過程中部分生產(chǎn)工業(yè)導(dǎo)致甚至是鋼軌生產(chǎn)原材料存在著雜質(zhì)，該雜質(zhì)在生產(chǎn)工藝過程中殘留到了后期，從而使制成的鋼軌產(chǎn)生裂縫。

二是鋼軌內(nèi)部出現(xiàn)了損傷，該類損傷主要是由于鋼軌在生產(chǎn)制造過程中制工業(yè)技術(shù)不精或者是生產(chǎn)原材料材質(zhì)不佳，也可能是由于制成的鋼軌在實(shí)際使用過程中長(zhǎng)時(shí)間處于較高負(fù)荷狀態(tài)，導(dǎo)致鋼軌的承載應(yīng)力過于集中，該情況下出現(xiàn)的損傷多為鋼軌頭部損傷，但是隨著鋼軌運(yùn)動(dòng)時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，其頭部損傷會(huì)進(jìn)一步延伸到其中間或末端，從而導(dǎo)致鋼軌的實(shí)際承受能力進(jìn)一步減弱，導(dǎo)致出現(xiàn)安全事故。

三是鋼軌在接觸過程中出現(xiàn)了部分損傷，該類損傷主要是由于鋼軌接頭位置出現(xiàn)了慣性力的作用，從而使得其損傷位置較以往其他部位裂縫更大，因而影響了鋼軌的正常使用。

3 鋼軌無(wú)損探傷的實(shí)際應(yīng)用

3.1 檢測(cè)數(shù)據(jù)生成

為了進(jìn)一步分析鋼軌無(wú)損探傷的實(shí)際應(yīng)用，首先對(duì)鋼軌探傷檢測(cè)數(shù)據(jù)生成進(jìn)行研究，鋼軌探傷車每側(cè)鋼軌處設(shè)置三個(gè)超聲波波輪，共計(jì)16 個(gè)超聲波閘門的方式，對(duì)鐵路系統(tǒng)中鋼軌進(jìn)行檢測(cè)，圖1 即為檢測(cè)數(shù)據(jù)通道示意圖，由圖可知，不同閘門之間能夠采取前后或外中內(nèi)斜向角度加檢測(cè)方位的方式組成，在鐵路道路列車前進(jìn)方向時(shí)，其鋼軌單側(cè)檢測(cè)位置為其反方向，在遠(yuǎn)離軌道中心線方向和靠近軌道中心線方向，以一定角度對(duì)鋼軌的損傷程度進(jìn)行檢測(cè)，從而生成相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)[4]。

圖1 檢測(cè)數(shù)據(jù)通道示意圖

根據(jù)鋼軌的探傷檢測(cè)數(shù)據(jù)，參照現(xiàn)階段有的鋼軌探傷檢測(cè)數(shù)據(jù)分類軟件，按照其以參數(shù)大小將其分為12 類，以其鋼軌檢測(cè)數(shù)據(jù)得到參數(shù)。

3.2 探傷靈敏度調(diào)節(jié)

目前，鋼軌探傷常用的靈敏度調(diào)節(jié)方法主要包括現(xiàn)場(chǎng)參照物調(diào)節(jié)方法、對(duì)比試塊節(jié)方法和20%林狀回波靈敏度調(diào)節(jié)方法三大類別?，F(xiàn)場(chǎng)參照物調(diào)節(jié)方法主要是利用鐵路道路網(wǎng)上的在使用的鋼軌的準(zhǔn)軌接頭、端面螺栓孔、刀孔甚至是軌頭輪廓等為基本的參照反射物體，以現(xiàn)場(chǎng)調(diào)節(jié)鋼軌超聲波的方式探測(cè)得到其內(nèi)部損傷的靈敏度，利用鋼軌的軌接頭調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)的超聲波探測(cè)儀，某型號(hào)探測(cè)得到其具體的靈敏度參數(shù)檢測(cè)得到鋼軌接頭顯形如圖2 所示，由圖可知，在前、后、前內(nèi)、前外、后內(nèi)、后外均為70 度的角度的測(cè)試條件下，六個(gè)測(cè)試通道所反射的波形圖均為直線結(jié)構(gòu)形式，其中間并不存在任何斷裂，而前37 度和后37 度兩個(gè)檢測(cè)通道所得到的反射波形圖呈現(xiàn)出良好狀態(tài)和圓滑狀態(tài)。

圖2 鋼軌接頭顯形示意圖

現(xiàn)場(chǎng)參照物靈敏調(diào)節(jié)度方法主要是鋼軌的超聲波探傷檢測(cè)方法的重要調(diào)節(jié)方式，在鋼軌探傷領(lǐng)域具備較為廣泛的應(yīng)用，該類方式能夠粗略掌握不同檢測(cè)通道是否處于正常工作狀態(tài)以及檢測(cè)通道的工作狀態(tài)是否處于良好模式，隨著無(wú)縫線路結(jié)構(gòu)的不斷普及，高速鐵路中鋼軌接頭數(shù)量進(jìn)一步減少，而現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整鋼軌的超聲波探測(cè)方式檢測(cè)得到的通道靈敏度存在一定困難。

因此，在任意一次進(jìn)行數(shù)千米長(zhǎng)距離的鐵路鋼軌探傷作業(yè)過程中，該類靈敏度的調(diào)節(jié)方法并不能夠做到探傷靈敏度和鋼軌狀態(tài)差異值的實(shí)時(shí)對(duì)比和一一對(duì)應(yīng)，也就存在著以偏概全的不良現(xiàn)象，不能夠真實(shí)反映高速鐵路中鋼軌探傷的具體情況。

例如，在無(wú)縫線路區(qū)段，當(dāng)探傷檢測(cè)儀檢測(cè)到某一通道或者是某一探頭出現(xiàn)安全故障時(shí)，其鋼軌表面可能存在剝離和脫落，或是側(cè)鋼軌出現(xiàn)污染等不利因素而造成最終的檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)耦合，在進(jìn)入鋼軌內(nèi)部的超聲波能量隨著其外在環(huán)境的耦合而出現(xiàn)能量的波動(dòng)變化后，探測(cè)人員在探傷儀上并不能夠觀測(cè)得到環(huán)境耦合所造成的異常情況，或即使觀測(cè)到該類異常情況，也難以通過人工調(diào)節(jié)靈敏度的方式對(duì)上述因素變化造成的靈敏度進(jìn)行調(diào)整，因而會(huì)導(dǎo)致鋼軌無(wú)損探傷檢測(cè)遺漏情況[5]。

作為目前常用的調(diào)節(jié)方法——20%林狀回波靈敏度調(diào)節(jié)方法，主要是借助儀器探頭的在高速鐵路網(wǎng)鋼軌材質(zhì)表面對(duì)其引起其內(nèi)部損傷的外形、表面狀態(tài)等因素進(jìn)行探測(cè)，其中以儀器和探頭形成的林狀回波信號(hào)為鋼軌無(wú)損探傷檢測(cè)定量參數(shù)，以由于材質(zhì)原因所形成的林狀回波信號(hào)變化量不大甚至是不變的情況下作為其鋼軌超聲探傷檢測(cè)靈敏度調(diào)節(jié)的參照物質(zhì)，以鋼軌表面原因所形成的林狀回波信號(hào)量為其實(shí)驗(yàn)過程中的調(diào)節(jié)變量，作為其鋼軌超聲探傷檢測(cè)靈敏度的參照物和監(jiān)控耦合狀態(tài)下的參照物。在以某類鋼軌超聲波探傷檢測(cè)以為例，采用20%的林狀回波調(diào)節(jié)方法進(jìn)一步調(diào)整鋼軌超聲波探傷檢測(cè)過程中的靈敏度時(shí)，先將鋼軌超聲波探傷檢測(cè)儀調(diào)整至正常狀態(tài)下的探傷檢測(cè)狀態(tài)，將其抑制功能進(jìn)一步縮小到小甚至是處于關(guān)閉狀態(tài)，而將反射道逐個(gè)切換后，進(jìn)一步將其切換為單通道的顯示模式。在待檢測(cè)的鋼軌前后附近移動(dòng)探測(cè)儀，獲得不同通道的林狀回波信號(hào)幅度，進(jìn)一步將其幅度調(diào)整至20%，在損傷檢測(cè)后，隨時(shí)關(guān)注不同角度的檢測(cè)通道的林狀回波信號(hào)，觀測(cè)其幅度的變化情況，及時(shí)調(diào)整其靈敏度參數(shù)，將開始的任意角度的不同檢測(cè)通道的林狀回波信號(hào)幅度保持在原有的滿格幅度的20%左右。

3.3 實(shí)際應(yīng)用

鋼軌無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用，主要包括鐵路線網(wǎng)中超聲波無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)、射線無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)、目視無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)和渦流無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)等。以超聲波探傷檢測(cè)技術(shù)在重載鋼軌上的應(yīng)用為例分析，當(dāng)鐵路無(wú)線網(wǎng)隨著現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展需要朝著高速和重載方向上進(jìn)一步發(fā)展時(shí)，鐵路線網(wǎng)的實(shí)際覆蓋范圍進(jìn)一步擴(kuò)大，所需的鋼軌數(shù)量也隨之增加，鋼軌在鐵路系統(tǒng)中所承載著繁重的運(yùn)載任務(wù)、長(zhǎng)時(shí)間的磨損或外界露天環(huán)境下造成的腐蝕等諸多因素的影響，會(huì)使得鋼軌的內(nèi)部組織之間發(fā)生人員無(wú)法觀測(cè)得到的缺陷，例如出現(xiàn)內(nèi)部裂紋、銹蝕等。超聲波無(wú)損探傷檢測(cè)技術(shù)在重載鋼軌中的應(yīng)用，能夠通過無(wú)損檢測(cè)技術(shù)探究其重載鋼軌軌道底部和頭部之間的具體損傷情況。如對(duì)鋼軌底部缺陷探測(cè)過程中，利用探頭對(duì)鋼軌底部進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，超聲波無(wú)損探傷檢測(cè)儀主要突破晶片發(fā)射出相應(yīng)的縱波，沿著鋼軌的頭部到鋼軌的腰部，在其截面上形成完整的能量回波；在鋼軌底部反射界面之后，被另一個(gè)芯片所吸收，當(dāng)鋼軌中存在著任意的裂紋或是縫隙、金屬雜質(zhì)后，都會(huì)阻斷超聲波在截面上的縱波傳遞信號(hào)，從而使得其回波顯示刻度出現(xiàn)問題，因此需依靠檢測(cè)人員對(duì)其具體缺陷類型和位置進(jìn)行判斷。

4 結(jié)論

鐵路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展不斷擴(kuò)大布局范圍，在助力我國(guó)交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)鏈優(yōu)化基礎(chǔ)上，隨之而來的鋼軌安全運(yùn)輸問題也引起了社會(huì)各界人士的廣泛關(guān)注。

本文在對(duì)鋼軌無(wú)損探傷技術(shù)進(jìn)行概述的基礎(chǔ)上，分析了鋼軌探傷常見的原因，對(duì)鋼軌無(wú)損探傷諸如檢測(cè)數(shù)據(jù)生成、探傷靈敏度調(diào)節(jié)等實(shí)際應(yīng)用過程進(jìn)行梳理，旨在為更好地利用鋼軌探傷技術(shù)提供參考。