淺析超聲波探傷技術(shù)在鋼軌探傷中的應(yīng)用

張曦

（武漢地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，湖北 武漢 430051）

1 超聲波探傷技術(shù)的基本原理

20Hz～20kHz的聲波是人體正常聽覺范圍，超聲波在固體中傳播速度更快、效果更好，而且在遇到其他物體和界面會(huì)發(fā)生反射效果。超聲波探傷儀在應(yīng)用過(guò)程中需要應(yīng)用儀器探頭與工件進(jìn)行有效接觸，然后發(fā)射超聲波，并對(duì)反射回來(lái)的超聲波進(jìn)行接收，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過(guò)顯示屏將檢測(cè)結(jié)果呈現(xiàn)出來(lái)，根據(jù)超聲波的傳播速度和反射情況可以明確分辨出缺陷的位置。如果工件中存在較大的缺陷，那么超聲波所反射回來(lái)的聲波能量也較大，通過(guò)聲波的反射情況和圖像的呈現(xiàn)情況就能夠?qū)ぜ写嬖诘膯?wèn)題進(jìn)行明確。超聲波探傷儀器探頭的表面所應(yīng)用的是特殊晶體，在壓力的作用下會(huì)發(fā)生變化，逐漸產(chǎn)生交變電壓，并且這一效應(yīng)被稱為壓電效應(yīng)。

2 探傷儀結(jié)構(gòu)

目前，我國(guó)城市軌道交通行業(yè)對(duì)線路鋼軌設(shè)備的檢測(cè)主要應(yīng)用超聲波探傷技術(shù)。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中所應(yīng)用的探傷儀器有很多種，例如，CTS-1010H鋼軌焊縫超聲探傷儀、GT-2+型鋼軌超聲探傷儀、RUD-15型雙軌式鋼軌超聲探傷儀等。其中，CTS-1010H型焊縫探傷儀在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中具有較高的穩(wěn)定性，有較高的性價(jià)比。這一探傷儀脈沖類型為負(fù)方波，在應(yīng)用過(guò)程中發(fā)射電壓25～250V，其聲速范圍為1000～15000m/s，其中有30個(gè)常用的材料聲速值。在應(yīng)用探傷儀對(duì)鋼軌進(jìn)行檢測(cè)過(guò)程中，檢測(cè)范圍為0～10000mm，檢測(cè)方式包括正向、負(fù)向、全波、射頻。CTS-1010H鋼軌焊縫超聲探傷儀在應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)用的電路較為先進(jìn)，其采樣頻率能夠高達(dá)640MHz，這一設(shè)備的應(yīng)用能夠準(zhǔn)確、快速地對(duì)鋼軌中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析和判斷,也能夠及時(shí)響應(yīng)各種弱小的信號(hào)變化和細(xì)節(jié)，確保回波信號(hào)的真實(shí)性和有效性。

GT-2+型鋼軌超聲探傷儀屬于全數(shù)字式的鋼軌超聲探傷設(shè)備，適用于探測(cè)43～75kg/m的鋼軌。同時(shí)，具有較強(qiáng)的拓展性，能夠?qū)夘^、軌腰、軌底當(dāng)中存在的各種缺陷有效檢測(cè)，基本上對(duì)鋼軌檢測(cè)中存在的盲區(qū)進(jìn)行有效解決。儀器的組合型探頭，對(duì)軌頭進(jìn)行有效檢測(cè)，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)各種鋼軌缺陷，從而提高檢測(cè)能力。此設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)多種方式的檢測(cè)，對(duì)鋼軌中存在的所有損傷有效識(shí)別，具備B型智能顯示方式和B型報(bào)警提示功能，同時(shí)，這一設(shè)備也具有較強(qiáng)的防震動(dòng)抗干擾性能。且應(yīng)用時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄，具有專業(yè)計(jì)算機(jī)軟件，可以實(shí)現(xiàn)有效的數(shù)據(jù)管理和數(shù)據(jù)分析，同時(shí)，還具有報(bào)表功能，能夠?qū)?0km探傷數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，擁有高速USB接口和較快的數(shù)據(jù)下載速度，具有高清度較高的多媒體接口，通過(guò)與顯示器進(jìn)行連接對(duì)記錄的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放。將LBS、AGPS、GPS能技術(shù)引用其中，同時(shí)，實(shí)現(xiàn)無(wú)線電通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星定位等功能。探頭耦合失效報(bào)警功能也是其中一項(xiàng)重要功能，能夠?qū)μ筋^工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)督。穿透探傷功能是GT-2+型鋼軌超聲探傷儀的重要性質(zhì)，以此來(lái)維持探傷工作的有效運(yùn)行，并且智能里程校對(duì)、傷損標(biāo)記、道岔信息管理、線路信息管理、速度監(jiān)控等都是重要的輔助功能技術(shù)。對(duì)通道顯示顏色和通道報(bào)警聲音可以自行選擇和設(shè)置，報(bào)警方式主要包括聲光報(bào)警、超速報(bào)警、圖像報(bào)警等。在室外陽(yáng)光照射下應(yīng)用時(shí)具有8.4寸TFT寬溫工業(yè)顯示屏，不會(huì)對(duì)圖像的清晰度造成任何影響。具備權(quán)限分級(jí)管理技術(shù)，還可以對(duì)儀器的應(yīng)用參數(shù)進(jìn)行保存，無(wú)須反復(fù)對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，里程檢測(cè)功能的精度較高，而且能夠?qū)锍踢M(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，便于波形記錄和觀察。

3 鋼軌探傷工作原理

超聲波探傷技術(shù)自出現(xiàn)以來(lái)人們就對(duì)這一技術(shù)的應(yīng)用方法進(jìn)行不斷創(chuàng)新和挖掘，目前已經(jīng)將更多的探傷方法應(yīng)用到鋼軌探傷工作中。脈沖反射式超聲波探傷儀應(yīng)用最廣泛，一般在均勻的材料中，缺陷的存在將造成材料的不連續(xù)，這種不連續(xù)往往又造成聲阻抗的不一致，由反射定理我們知道，超聲波在兩種不同聲阻抗的介質(zhì)的交界面是將會(huì)發(fā)生反射，反射回來(lái)的能量的大小與交界面兩波介質(zhì)聲阻抗的差異和交界面的取向大小有關(guān)，超聲波探傷儀器就是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。而鋼軌探傷的工作模式是由探傷人員操作探傷儀發(fā)射超聲波，如果鋼軌中存在傷損，那么超聲波在傷損邊緣部分會(huì)發(fā)生反射，探頭將機(jī)械能向電能轉(zhuǎn)化，并通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)將所得到的信息繪制成圖像，探傷人員需要對(duì)屏幕上的波形、圖像進(jìn)行認(rèn)真觀察和分析，秉持著“一看波形顯示，二看探頭位置，三看接頭狀態(tài)”的工作要領(lǐng)，做到“不漏檢、不誤判”，找出鋼軌設(shè)備的異樣，對(duì)損傷位置進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。鋼軌大部分的損傷部位之間都存在較大的差異，所以不同的位置對(duì)于探頭的傾斜角有不同的要求，例如，鋼軌軌頭應(yīng)用70°探頭進(jìn)行檢測(cè)。鋼軌軌腰部分、道岔螺栓孔探測(cè)需要應(yīng)用37°探頭。軌頭至軌底的投影面可應(yīng)用0°探頭。

4 超聲波探傷技術(shù)在鋼軌探傷領(lǐng)域應(yīng)用存在的不足

4.1 主觀因素

超聲波探傷技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，部分超聲波可能不會(huì)發(fā)生反射，而是直接穿透損傷位置，所以超聲波在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)發(fā)生一定的損耗，也可能導(dǎo)致探測(cè)結(jié)果出現(xiàn)一定的誤差。在超聲波對(duì)鋼軌進(jìn)行探傷時(shí)，還可能會(huì)由于移到其他的位置從而發(fā)生反射，例如，木軌和鋼軌的交界處也可能會(huì)導(dǎo)致超聲波出現(xiàn)反射。計(jì)算機(jī)通過(guò)反射信息所繪制而成的圖像過(guò)于復(fù)雜和混亂，工作人員難以對(duì)損傷的準(zhǔn)確位置進(jìn)行有效辨別。例如，將超聲波發(fā)射到一個(gè)具有很多缺口的金屬材料中，在金屬材料與空氣的交界位置超聲波也會(huì)發(fā)生反射的情況，并且這一反射聲波與損失聲波混合到一起無(wú)法進(jìn)行有效辨認(rèn)。而且超聲波探傷儀器探頭的耦合劑沒有足夠的黏度，從而導(dǎo)致檢測(cè)物體與探頭之間存在較大的縫隙，導(dǎo)致大部分的超聲波都損耗在空氣中，無(wú)法有效反射回到探頭位置。超聲波和大部分的聲波相類似，在固體中的傳播速度最快，在氣體中的傳播速度最慢。所以對(duì)鋼軌進(jìn)行探測(cè)過(guò)程中需要盡可能地選擇液體和固體作為介質(zhì)，以此來(lái)提高超聲波的反射效果，能夠提高探測(cè)的準(zhǔn)確性。耦合劑的主要作用就是減少物體與探頭之間的空隙，盡可能地將空氣排除，保障探測(cè)的質(zhì)量。但是，如果耦合劑的黏度不足，就無(wú)法對(duì)孔隙進(jìn)行有效填充，從而導(dǎo)致對(duì)探測(cè)結(jié)果造成一定的影響。

4.2 客觀因素

目前，超聲波鋼軌探傷仍然需要人工進(jìn)行操作，沒有完全實(shí)現(xiàn)智能化。但是，人工操作出現(xiàn)失誤的概率較大，可能由于操作人員對(duì)于探傷儀器沒有充足的了解和準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí)，也可能由于操作人員沒有良好的操作技能，從而導(dǎo)致工作質(zhì)量下降，降低檢測(cè)的準(zhǔn)確性。目前，在超聲波探傷技術(shù)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，沒有統(tǒng)一的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，所以每個(gè)操作人員都根據(jù)自身的理解進(jìn)行操作，由于不同的人員對(duì)檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)的理解不同，會(huì)出現(xiàn)較大的偏差，從而導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果存在差異。

5 鋼軌的常見缺陷

鋼軌主要可以分為兩種，分別為無(wú)縫鋼軌和有縫鋼軌。其中無(wú)縫鋼軌是通過(guò)焊接技術(shù)制成的，有縫鋼軌主要是通過(guò)兩軌道相連。鋼軌中出現(xiàn)缺陷主要存在于軌底、軌頭和軌腰三部分。而鋼軌損傷指其使用性能遭到破壞，例如，產(chǎn)生裂縫和折斷等。鋼軌損傷可分為垂直劈裂、水平裂紋、接頭傷損等諸多類型。

6 超聲波探傷技術(shù)在鋼軌探傷領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用

6.1 制定檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)當(dāng)前超聲波探傷技術(shù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中還存在一定的局限因素，這些因素會(huì)對(duì)超聲波探傷工作造成一定的影響，也會(huì)降低探傷工作的質(zhì)量和準(zhǔn)確性，想要對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行有效解決，就需要制定較為完善的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在實(shí)際制定過(guò)程中需要提高對(duì)鋼軌中各種損傷的了解，并且還要根據(jù)不同的鋼軌傷損情況和傷損問(wèn)題制定有針對(duì)性的策略，并且根據(jù)不同的傷損情況應(yīng)用不同的角度探頭。對(duì)于探頭的使用時(shí)間和使用期限也需要有明確規(guī)定，以此來(lái)有效保障超聲波探傷技術(shù)的有效性和準(zhǔn)確性，保障鋼軌的安全性，也能夠保障地鐵乘客的安全。

6.2 加強(qiáng)探傷人員培訓(xùn)

與傳統(tǒng)的鋼軌檢測(cè)技術(shù)相比，超聲波探傷技術(shù)操作更加簡(jiǎn)單，而且實(shí)施更加方便，也能夠?qū)ο鄳?yīng)設(shè)備的應(yīng)用潛力進(jìn)行深入挖掘。探傷人員的專業(yè)能力和綜合素養(yǎng)是鋼軌探傷工作中的重要內(nèi)容和重要因素。所以在對(duì)超聲波探傷技術(shù)進(jìn)行應(yīng)用和管理過(guò)程中，需要對(duì)探傷人員的工作目的、工作要求、工作內(nèi)容、工作情況都需要具有明確的標(biāo)準(zhǔn)，以此來(lái)保障鋼軌探傷工作能夠順利完成，保障鋼軌的安全和地鐵的運(yùn)行安全。

6.3 朝著智能化方向發(fā)展

與其他兩種策略性相比，這種方法具有更大的操作難度。主要由于人受到不同環(huán)境和情緒的影響會(huì)對(duì)工作效果和工作情況造成一定的影響，但是機(jī)器不同，機(jī)器比人類工作更加穩(wěn)定，而且儲(chǔ)存概率較低，在不發(fā)生故障的情況下都能夠穩(wěn)定運(yùn)行。但是，目前鋼軌探傷技術(shù)沒有實(shí)現(xiàn)全面智能化，仍然需要應(yīng)用人工進(jìn)行操作。但是，隨著我國(guó)科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在不久的將來(lái)一定能夠?qū)崿F(xiàn)超聲波探傷技術(shù)智能化，以此來(lái)保障探傷工作的準(zhǔn)確性。

7 超聲波探傷體系和試驗(yàn)結(jié)果

7.1 超聲波發(fā)射裝置

在應(yīng)用激光脈沖裝置進(jìn)行脈沖實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際工作需求和探傷車的工作速度，不斷地提高激光脈沖的使用頻率。通過(guò)光纖能夠?qū)⒓す饷}沖的光束輸送到檢測(cè)位置，二者之間的最大距離不能超過(guò)400mm。在鋼軌探傷檢測(cè)過(guò)程中，可能由于外部環(huán)境較為復(fù)雜和惡劣，通過(guò)應(yīng)用光纖能夠使激光發(fā)射裝置位于室內(nèi)，較容易控制和較干凈。

7.2 超聲波接收裝置

激光檢測(cè)超聲波主要是通過(guò)對(duì)激光進(jìn)行一定干涉，從而使材料發(fā)生散射和反射的情況，為了能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行準(zhǔn)確分析和研究，就要對(duì)接激光光束與干涉儀器中的光束進(jìn)行有效疊加。通過(guò)干涉儀器能夠?qū)⒐馐南辔蛔兓饾u向振幅變化方向發(fā)展，使結(jié)果能夠通過(guò)模擬放大器進(jìn)行有效采集和記錄。在這一組成部分中，具有光學(xué)干涉儀器和教育的激光源，在應(yīng)用過(guò)程中激光頻率與脈沖激光頻率的差異較大。

7.3 信號(hào)處理和控制

在超聲波檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)信號(hào)進(jìn)行控制和處理的重要環(huán)節(jié)中，需要應(yīng)用到計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)技術(shù)、光學(xué)和電學(xué)之間的轉(zhuǎn)化技術(shù)以及信號(hào)貯存技術(shù)。在光學(xué)和電學(xué)之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化過(guò)程中，對(duì)光學(xué)進(jìn)行有效檢測(cè)所應(yīng)用的是電子技術(shù)，同時(shí)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步控制和儲(chǔ)存。

應(yīng)用光電探測(cè)儀器接收的信號(hào)較小，而且信號(hào)還與噪聲共同傳輸，想要從中有效分辨出信號(hào)并進(jìn)行及時(shí)處理，就需要先做好預(yù)處理工作，以此來(lái)過(guò)濾大部分的噪聲，同時(shí)，用放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大直到能夠達(dá)到電壓需求。

8 結(jié)語(yǔ)

總體而言，目前，我國(guó)大部分城市都已建設(shè)地鐵，是重要的交通工具之一。各城市地鐵線開通越來(lái)越多，也促進(jìn)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和建設(shè)。本文針對(duì)超聲波探傷技術(shù)的基本原理、探傷儀器的結(jié)構(gòu)、鋼軌中的常見問(wèn)題以及超聲波探傷技術(shù)在鋼軌探傷領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用等內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)分析，給探傷工作者帶來(lái)進(jìn)一步的學(xué)習(xí)和指導(dǎo)。所以，超聲波鋼軌探傷技術(shù)應(yīng)用在鋼軌探傷工作中，對(duì)保障、監(jiān)控鋼軌質(zhì)量起到了很大作用，從而保障了地鐵的安全運(yùn)營(yíng)，保障了乘客的人身安全。