馬運(yùn)忠
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
隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展,運(yùn)營(yíng)里程及速度大幅提升,輪軌關(guān)系日漸惡化,鋼軌缺陷不容忽視。鋼軌探傷車(chē)開(kāi)展在役鋼軌周期檢測(cè),對(duì)保障線(xiàn)路運(yùn)營(yíng)安全起到越來(lái)越重要的作用[1-2]。國(guó)內(nèi)相關(guān)學(xué)者在鋼軌探傷車(chē)自主化技術(shù)、探傷車(chē)數(shù)據(jù)分析等方面開(kāi)展了廣泛研究。張玉華等[3]開(kāi)展80 km/h 鋼軌探傷車(chē)自主化超聲檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究,填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)鋼軌高速探傷的技術(shù)空白。李培等[4]研究了高速輪式鋼軌探傷變距式超聲波發(fā)射模式,縮小了高速探傷超聲波掃查間距。鐘艷春[5]研究了鋼軌探傷車(chē)激光自動(dòng)對(duì)中系統(tǒng),解決了探傷車(chē)高速檢測(cè)下探輪橫向?qū)χ须y題。馬運(yùn)忠等[6-7]研究了鋼軌探傷車(chē)檢測(cè)數(shù)據(jù)中接頭處中心70°通道及2 孔側(cè)上方偏斜70°通道的出波特點(diǎn),為探傷車(chē)數(shù)據(jù)分析提供指導(dǎo)。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。
螺孔裂紋是運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路鋼軌的主要傷損類(lèi)型[9],尤其1 孔裂紋危害大,容易導(dǎo)致軌端揭蓋,造成嚴(yán)重后果。黎連修等[10]研究了鋼軌螺孔裂紋的檢測(cè)方法,分析了裂紋的反射規(guī)律。張勤等[11]統(tǒng)計(jì)分析了鋼軌螺孔裂紋的傷損特點(diǎn),總結(jié)了裂紋的發(fā)生規(guī)律,提出了裂紋的防治措施。李錦等[12]對(duì)1處鋼軌螺孔裂紋的漏檢原因進(jìn)行了分析,并提出了應(yīng)對(duì)措施。
鋼軌探傷車(chē)的探輪采用柔性外膜,相比滑靴式探頭,通過(guò)有縫接頭時(shí)超聲耦合更好[13],在檢測(cè)螺孔裂紋方面更有優(yōu)勢(shì)。接頭1 孔是螺孔裂紋多發(fā)區(qū)域,且靠近軌縫軌面,狀態(tài)一般較差,常伴隨剝離掉塊、接頭低塌等病害[14-15]。探傷車(chē)數(shù)據(jù)中疑似1 孔軌身上裂傷損報(bào)警較多,但探傷儀復(fù)核確認(rèn)無(wú)傷,給傷損判定帶來(lái)了困擾。
目前尚未掌握探傷車(chē)在接頭疑似1孔軌身上裂傷損報(bào)警的出波原因,且該接頭區(qū)域容易存在1 孔軌身上裂,二者極易混淆,容易導(dǎo)致誤判或漏判。因此,分析該疑似1 孔上裂傷損報(bào)警的形成原因,掌握其出波特點(diǎn),對(duì)于提升探傷車(chē)傷損判定水平具有指導(dǎo)意義。
本文基于鋼軌探傷車(chē)探輪37°通道螺孔裂紋檢測(cè)技術(shù),分析探傷車(chē)檢測(cè)60 kg/m 鋼軌接頭螺孔及裂紋出波情況;開(kāi)展接頭低塌狀態(tài)下37°通道檢測(cè)1孔聲學(xué)幾何解算,明確疑似1孔軌身上裂的出波原因,并結(jié)合典型案例和現(xiàn)場(chǎng)反饋進(jìn)行進(jìn)一步驗(yàn)證。
鋼軌探傷車(chē)采用超聲波探輪作為檢測(cè)傳感器,單側(cè)鋼軌布置了3 個(gè)探輪,見(jiàn)圖1。前向、后向探輪的37°換能器主要用來(lái)檢測(cè)螺孔裂紋、軌腰斜裂紋、軌底橫向裂紋等。
圖1 鋼軌探傷車(chē)超聲換能器布置
37°換能器發(fā)射的超聲波在探輪耦合液中為縱波,在踏面處折射進(jìn)入鋼軌中為折射橫波。在耦合液中超聲波指向角θ0= 70λ液/D,其中λ液為耦合液中超聲波波長(zhǎng),D為換能器長(zhǎng)度。鋼軌中橫波折射角(β)滿(mǎn)足折射定律:v液/sinα=v鋼/sinβ,其中v液為耦合液中縱波聲速,α為耦合液中入射角,v鋼為鋼軌中橫波聲速。
37°換能器發(fā)射的超聲波在耦合液和鋼軌中均存在擴(kuò)散,見(jiàn)圖2。在耦合液中縱波入射角在(α1,α2),在鋼軌中的橫波折射角在(β1,β2)。入射角上邊界α1=α+θ0,入射角下邊界α2=α-θ0,推導(dǎo)得出折射角上邊界β1= arcsin [(v鋼/v液)sinα1],折射角下邊界β2= arcsin [(v鋼/v液)sinα2]。
圖2 37°換能器聲束擴(kuò)散
37°換能器聲場(chǎng)參數(shù)見(jiàn)表1??芍?7°換能器在鋼軌中折射橫波的主聲束中心線(xiàn)角度為36.7°,其主聲束角度在30.6°~ 43.2°。
表1 37°換能器聲場(chǎng)參數(shù)
鋼軌探傷車(chē)檢測(cè)60 kg/m 鋼軌正常接頭時(shí),B 顯數(shù)據(jù)出波形態(tài)如圖3所示。
圖3 正常接頭處探傷車(chē)B顯數(shù)據(jù)出波形態(tài)
鋼軌探傷車(chē)檢測(cè)接頭2孔、3孔的B顯出波形態(tài)一般為:前向、后向37°通道反射點(diǎn)群顯示在軌腰所對(duì)應(yīng)的螺孔處,與0°通道螺孔的反射點(diǎn)群一起拼合成A字形。
以前向37°通道為例,分析接頭2 孔、3 孔的出波過(guò)程,如圖4 所示。鋼軌探傷車(chē)檢測(cè)時(shí),前向37°通道發(fā)射超聲波到達(dá)1#位置(對(duì)應(yīng)擴(kuò)散角上邊界),經(jīng)螺孔反射后被接收,在B顯數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)①處呈現(xiàn)反射點(diǎn);前向37°發(fā)射超聲波依次到達(dá)2#位置(對(duì)應(yīng)主聲束中心)、3#位置(對(duì)應(yīng)擴(kuò)散角下邊界)時(shí),在B 顯數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)②、③處呈現(xiàn)反射點(diǎn)。
鋼軌探傷車(chē)檢測(cè)接頭2孔、3孔螺孔上裂的B顯數(shù)據(jù),均在螺孔A 字形出波形態(tài)的基礎(chǔ)上,增加了對(duì)應(yīng)上裂區(qū)域處的37°通道出波,如圖5所示。
圖5 2孔、3孔螺孔上裂出波形態(tài)
60 kg/m 鋼軌接頭處軌縫和1 孔間的距離使探傷車(chē)檢測(cè)接頭1孔時(shí)呈現(xiàn)不同于接頭2孔、3孔的特點(diǎn)。
37°通道發(fā)射的超聲波主聲束入射點(diǎn)A0至軌縫的水平距離|OA0|=L-Htanβ≈ 3.7 mm,導(dǎo)致只有部分聲束覆蓋接頭1 孔軌端側(cè)螺孔上壁,見(jiàn)圖6。其中,接頭1 孔中心至軌縫的水平距離L= 76 mm,1 孔中心至軌面的豎直距離H= 97 mm。
圖6 37°通道檢測(cè)接頭1孔
鋼軌探傷車(chē)B 顯數(shù)據(jù)中接頭1 孔出波形態(tài)仍近似為A 字形,1 孔軌端側(cè)的37°通道出波由兩部分而成:上部分(Ⅰ區(qū))為本側(cè)1 孔軌端上壁側(cè)出波;下部分(Ⅱ區(qū))為對(duì)側(cè)1孔軌端上壁處的倒打出波。受接頭軌縫寬度的影響,Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的孔壁出波可能不在同一條線(xiàn)上,見(jiàn)圖7。
圖7 接頭1孔螺孔出波形態(tài)
以前向37°通道為例,分析接頭1 孔螺孔出波過(guò)程,見(jiàn)圖8。探傷車(chē)檢測(cè)時(shí),前向37°通道發(fā)射超聲波到達(dá)1#位置(對(duì)應(yīng)擴(kuò)散角上邊界),經(jīng)接頭左側(cè)1 孔軌端側(cè)孔壁反射后,被再次接收,在B顯檢測(cè)數(shù)據(jù)中接頭右側(cè)1孔①處呈現(xiàn)反射點(diǎn)(Ⅱ區(qū));前向37°通道發(fā)射超聲波依次到達(dá)2#位置(對(duì)應(yīng)主聲束中心)、3#位置(對(duì)應(yīng)擴(kuò)散角下邊界)時(shí),經(jīng)接頭右側(cè)1 孔的軌端孔壁反射后,被再次接收,在B 顯數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)②、③處呈現(xiàn)反射點(diǎn)(Ⅰ區(qū))。
圖8 接頭1孔螺孔出波過(guò)程
接頭軌面狀態(tài)良好時(shí),探傷車(chē)檢測(cè)1 孔螺孔上裂與2 孔、3 孔螺孔上裂出波形態(tài)一致,均為在螺孔A 字形出波形態(tài)上增加對(duì)應(yīng)37°通道在上裂區(qū)域出波,易于開(kāi)展傷損判定。
以37°通道檢測(cè)1 孔軌身上裂為例,如圖9 所示,其折射主聲束中心入射點(diǎn)A1至軌縫的水平距離|OA1|=L+Rcosβ-(H-Rsinβ)tanβ≈23 mm,其中螺孔半徑R= 15.5 mm。
圖9 37°通道檢測(cè)接頭1孔軌身上裂
鋼軌探傷車(chē)B 顯數(shù)據(jù)中疑似1 孔軌身上裂的出波形態(tài)見(jiàn)圖10,易與1孔軌身上裂出波混淆,其出波特征主要包括:①前向、后向0°通道在1孔位置的軌腰處出波;②1 孔軌端側(cè)出波異常,表現(xiàn)為存在Ⅱ區(qū)37°孔波但Ⅰ區(qū)37°孔波消失;③在1孔軌身上裂出波區(qū)域存在37°通道出波。
圖10 接頭疑似1孔軌身上裂的出波形態(tài)
推斷疑似接頭1孔軌身上裂出波是由接頭低塌導(dǎo)致的。當(dāng)鋼軌接頭處存在低塌時(shí),踏面向軌縫端傾斜一定的角度,改變了超聲耦合面法線(xiàn)角度,致使37°通道在耦合液中入射角和鋼軌中折射角隨之變化,進(jìn)而影響探傷車(chē)B顯中1孔出波形態(tài)。
用低塌角度(δ)和低塌高度(Δ)描述接頭低塌。當(dāng)接頭低塌角度為δ時(shí),37°通道在耦合液中的縱波入射角變?yōu)棣?=α-δ,鋼軌中橫波折射角變?yōu)棣?=arcsin[(v鋼/v液) sinα']。
3.2.1 聲學(xué)幾何解算
如圖11 所示,建立以接頭1 孔中心O0為原點(diǎn)的坐標(biāo)系。設(shè)耦合面線(xiàn)段與軌端交點(diǎn)為A(x1,y1),與軌頂交點(diǎn)為B(x2,y2),則低塌高度Δ =y2-y1。
圖11 接頭低塌工況下以1孔中心為原點(diǎn)的坐標(biāo)系
低塌角度為δ,低塌高度為Δ 的超聲耦合面AB的直線(xiàn)方程為
式中:k1為斜率,k1=-tanδ;c為截距,c=H- Δ +Ltanδ。
假設(shè)37°通道發(fā)射的超聲波在耦合面AB上C(x3,y3)點(diǎn)入射至鋼軌內(nèi)部,37°通道發(fā)射的超聲波經(jīng)耦合面折射轉(zhuǎn)換為超聲橫波,其入射至1 孔軌端側(cè)孔壁且被反射接收,則線(xiàn)段O0C所在的直線(xiàn)方程為
式中:k2為斜率,k2= cot (δ+β')。
計(jì)算可得,x3=c/(k2-k1)。
為便于表述,將δ+β'寫(xiě)成θ。
3.2.2 疑似1孔軌身上裂出波條件
接頭低塌工況下,探傷車(chē)37°通道檢測(cè)接頭1 孔時(shí),檢測(cè)系統(tǒng)仍按照軌面狀態(tài)良好時(shí)接頭設(shè)定的入射點(diǎn)和折射角度計(jì)算B顯檢測(cè)數(shù)據(jù)出波。
當(dāng)x3滿(mǎn)足x3≤x2,即Δ ≥tanδ(L-Htanθ)時(shí),探傷車(chē)37°通道檢測(cè)接頭1 孔接收到螺孔回波,B 顯數(shù)據(jù)中其出波位置向軌身方向平移。若x3進(jìn)一步滿(mǎn)足L-x3= 23 mm,即低塌高度Δ1=H+ 23tanδ- 53cotθ,探傷車(chē)B顯呈現(xiàn)37°通道疑似1孔軌身上裂出波。
不同低塌角度下,當(dāng)鋼軌探傷車(chē)37°通道檢測(cè)接頭1孔時(shí),滿(mǎn)足出波條件的最小低塌高度(Δ0)、滿(mǎn)足疑似1孔軌身上裂出波條件的低塌高度(Δ1)與低塌角度的關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖12??芍孩?7°通道檢測(cè)接頭1孔出波時(shí),低塌角度越小時(shí),要求滿(mǎn)足出波條件的最小低塌高度也越小。②37°通道檢測(cè)1 孔滿(mǎn)足疑似1 孔軌身上裂出波時(shí),低塌角度越小,滿(mǎn)足疑似1孔軌身上裂出波條件的低塌高度越大。③當(dāng)δ> 7.5°時(shí),出現(xiàn)Δ1<Δ0的情況,即隨著低塌角度進(jìn)一步增大,不會(huì)再出現(xiàn)疑似1孔軌身上裂出波。
圖12 滿(mǎn)足1孔出波條件的低塌高度與低塌角度關(guān)系曲線(xiàn)
3.2.3 疑似1孔軌身上裂出波過(guò)程
以δ= 6°為例,分析疑似1 孔上裂出波過(guò)程。計(jì)算可知,δ= 6°時(shí),37°通道橫波主聲束折射角為24.07°,Δ0= 2.09 mm,Δ1= 7.88 mm。
37°通道入射點(diǎn)至軌縫距離l= 3.6 mm 時(shí),發(fā)射的超聲波經(jīng)軌面折射后,折射橫波入射至1 孔和軌端之間區(qū)域[圖13(a)],無(wú)法被螺孔反射回來(lái),B 顯數(shù)據(jù)中無(wú)37°通道螺孔顯示;當(dāng)l= 23.0 mm 時(shí),37°通道的折射橫波入射至螺孔上壁被反射接收[圖13(b)],B顯數(shù)據(jù)中呈現(xiàn)疑似1孔軌身上裂出波形態(tài)。
圖13 δ = 6°時(shí)37°通道檢測(cè)接頭1孔
目前對(duì)探傷車(chē)檢測(cè)傷損報(bào)警結(jié)果采用探傷儀復(fù)核確認(rèn)。與探傷車(chē)檢測(cè)傳感器采用探輪不同,探傷儀采用滑靴式探頭。當(dāng)鋼軌接頭處存在低塌角度為δ的傾斜時(shí),滑靴式37°換能器表面與耦合面貼合,其滑靴內(nèi)入射角不變,但耦合面法線(xiàn)變化,使得鋼軌中橫波折射角增大為β″ =β+δ。
同樣,當(dāng)x3滿(mǎn)足x3≤x2,即Δ ≥tanδ(L-Htanθ)時(shí),探傷儀37°通道檢測(cè)1孔才能接收到螺孔回波。不同低塌角度下,探傷儀37°通道檢測(cè)接頭1 孔時(shí),滿(mǎn)足出波條件的最小低塌高度見(jiàn)表2。
表2 不同低塌角度下探傷儀37°通道檢測(cè)接頭1孔的Δ0
從表2 可知,滿(mǎn)足探傷儀37°通道檢測(cè)接頭1 孔出波的最小低塌高度均為負(fù)值,即探傷儀采用滑靴式37°探頭無(wú)法掃查到1孔軌端上壁(圖14),因此探傷儀B顯圖形中無(wú)37°通道1孔出波顯示。
圖14 接頭低塌工況下探傷儀檢測(cè)接頭1孔
探傷車(chē)檢測(cè)某線(xiàn)路,在里程K13 + 121處發(fā)生接頭1 孔軌身上裂傷損報(bào)警。如圖15(a)所示,接頭1 孔軌身上裂位置后向37°出波7個(gè)點(diǎn),已滿(mǎn)足報(bào)告?zhèn)麚p報(bào)警的要求,但缺少1 孔Ⅰ區(qū)上壁出波。同時(shí)從B 顯數(shù)據(jù)中可以看到,1 孔軌身上裂側(cè)接頭軌縫處存在接頭不良導(dǎo)致的軌頭70°出波及0°底波消失等。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核確認(rèn)無(wú)螺孔上裂,該處探傷車(chē)疑似1 孔上裂實(shí)為接頭低塌導(dǎo)致,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量低塌角度約5°,如圖15(b)所示。
圖15 某處疑似1孔軌身上裂B顯形態(tài)及現(xiàn)場(chǎng)情況
通過(guò)上述案例,結(jié)合本文對(duì)接頭低塌工況下鋼軌探傷車(chē)檢測(cè)1 孔的情況分析,當(dāng)探傷車(chē)檢測(cè)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)1 孔軌身上裂形態(tài)時(shí),數(shù)據(jù)分析人員應(yīng)加強(qiáng)甄別分析。如接頭1 孔螺孔波出波良好,且存在1 孔軌身上裂區(qū)域37°出波,則應(yīng)判定為1 孔軌身上裂傷損報(bào)警;如接頭1 孔處出波異常,表現(xiàn)為1 孔Ⅰ區(qū)孔壁波消失、且在1 孔軌身上裂區(qū)域處37°出波,則不將其報(bào)告為1孔軌身上裂傷損報(bào)警,進(jìn)而減少探傷車(chē)誤報(bào)告,提高探傷車(chē)傷損報(bào)警的復(fù)核準(zhǔn)確率。
1)探傷車(chē)報(bào)告疑似1孔軌身上裂傷損報(bào)警是接頭低塌導(dǎo)致的。接頭低塌造成探傷車(chē)37°通道在鋼軌中折射角度變小,引發(fā)孔壁波出波位置偏移。當(dāng)滿(mǎn)足一定條件時(shí),形成疑似1孔軌身上裂傷損報(bào)警。
2)對(duì)于探傷車(chē)B 顯數(shù)據(jù)中1 孔軌身上裂位置出現(xiàn)37°通道反射點(diǎn)群且伴隨孔壁波消失的疑似1 孔軌身上裂傷損報(bào)警的情況,建議加強(qiáng)分析、甄別。
3)加強(qiáng)對(duì)接頭狀態(tài)的維護(hù),避免接頭低塌對(duì)探傷車(chē)檢測(cè)接頭B顯出波的影響。
利用本文方法可減少探傷車(chē)1孔軌身上裂傷損報(bào)警誤報(bào),提高探傷車(chē)傷損報(bào)警的復(fù)核準(zhǔn)確率,對(duì)于探傷車(chē)傷損判定具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。