鋼軌探傷車70°探頭反射點(diǎn)群分析及判傷應(yīng)用

夏 浪，王 品，曹經(jīng)緯，李紅梁

（株洲時(shí)代電子技術(shù)有限公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

隨著中國鐵路系統(tǒng)的多次提速，列車行駛速度不斷提高，行車頻度和運(yùn)營負(fù)荷也越來越大，中國鐵路正在向高速、重載的方向快速發(fā)展。利用大型鋼軌探傷車對在役鋼軌進(jìn)行快速檢測已成為鐵路維護(hù)的重要手段之一［1-5］。大型鋼軌探傷車檢測作業(yè)時(shí)，通過車下不同角度的超聲波探頭發(fā)射超聲波來實(shí)現(xiàn)對鋼軌內(nèi)部缺陷的檢測，但對于系統(tǒng)識別出的疑似鋼軌傷損信息，卻需技術(shù)人員進(jìn)行復(fù)核確認(rèn)［6］。探傷車B顯數(shù)據(jù)是以超聲探頭在鋼軌軌面入射點(diǎn)為基準(zhǔn)，在聲束傳播方向上的對應(yīng)聲程位置顯示反射點(diǎn)圖形。為了促進(jìn)鋼軌傷損檢測應(yīng)用水平的提升，石永生等［7］分析了鋼軌探傷車實(shí)際應(yīng)用B顯數(shù)據(jù)中鋼軌接頭處不明反射點(diǎn)；馬運(yùn)忠等［8］分析了鋼軌探傷車偏斜70°探頭反射點(diǎn)群；Anish Poudel［9］開展了基于CIVA-UT 技術(shù)對鋼軌傷損缺陷的仿真研究；Kim G等［10］開展了鋼軌缺陷相控陣檢測技術(shù)研究，并基于CIVA軟件進(jìn)行了仿真模擬實(shí)驗(yàn)和分析。

實(shí)際探傷作業(yè)時(shí)，為實(shí)現(xiàn)對鋼軌的高速超聲掃查，探傷系統(tǒng)需要采用較高的超聲激發(fā)重復(fù)頻率以獲得較高的檢測精度。然而，高重復(fù)頻率激發(fā)下相鄰兩次超聲激發(fā)間隔時(shí)間變短，有可能前一個(gè)周期激發(fā)所產(chǎn)生的超聲回波信號未充分衰減完，從而進(jìn)入下一個(gè)激發(fā)周期（或后續(xù)激發(fā)周期）的超聲監(jiān)視閘門內(nèi)，形成“幻象波”，造成鋼軌缺陷誤判［11-13］。高速探傷時(shí)，有時(shí)在鋼軌接縫螺孔兩側(cè)一定距離內(nèi)會(huì)出現(xiàn)多處70°探頭的疑似傷損回波信號，但實(shí)際為“幻象波”［14］。

針對鋼軌探傷車中心70°探頭在軌頭處異常出波而影響鋼軌傷損判別的問題，本文對鋼軌探傷車中心70°探頭在軌底橫向裂紋附近的幻象波信號進(jìn)行了理論分析與計(jì)算，并總結(jié)了其特點(diǎn)，可用于探傷系統(tǒng)的激發(fā)控制時(shí)序優(yōu)化及實(shí)際的傷損判別分析。

1 幻象波產(chǎn)生原理

目前，國內(nèi)鋼軌探傷車持續(xù)探傷檢測速度最高達(dá)80 km/h。車輛配備了30 路超聲通道用于鋼軌內(nèi)部缺陷的高速掃查，掃查角度包含有0°、37.5°、70°陣列、偏斜70°及側(cè)打等，如圖1 所示。其中，70°陣列探頭包含內(nèi)/中/外3個(gè)70°探頭，中心70°探頭覆蓋軌頭中心區(qū)域（發(fā)射的超聲波可通過軌頭進(jìn)入軌腰和軌底區(qū)域），內(nèi)/外70°探頭覆蓋軌頭內(nèi)外側(cè)區(qū)域。

圖1 探傷車超聲探頭配置Fig.1 Probe configuration of RFD vehicle

由于超聲波在鋼軌內(nèi)的傳播速度（橫波聲速為5 900 m/s，縱波聲速為3 230 m/s）遠(yuǎn)大于探傷車的檢測速度，超聲波探頭發(fā)射的超聲波在遇到鋼軌內(nèi)反射體經(jīng)多次反射后仍可能被探頭接收，當(dāng)接收到的回波信號幅值超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)的傷損報(bào)警閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)實(shí)時(shí)記錄回波信息并以相應(yīng)圖形方式進(jìn)行顯示。如圖2所示，當(dāng)超聲探頭發(fā)射出的超聲波傳播時(shí)間T大于重復(fù)激發(fā)周期T0且接收到的回波剛好能夠進(jìn)入下一周期（或后續(xù)n周期）的超聲波通道監(jiān)視閘門范圍并且幅值超過系統(tǒng)預(yù)設(shè)報(bào)警閾值時(shí)，探傷檢測系統(tǒng)會(huì)提取超聲通道監(jiān)視閘門內(nèi)的回波信號相對于下一周期（或后續(xù)n周期）激發(fā)脈沖的時(shí)間T1，同時(shí)計(jì)算出該反射點(diǎn)在鋼軌內(nèi)部的對應(yīng)埋藏深度信息，并以B 顯圖形方式顯示對應(yīng)反射點(diǎn)圖標(biāo)。然而實(shí)際上此時(shí)鋼軌此位置并無傷損。

圖2 幻象波產(chǎn)生原理Fig.2 Principle of ghost echo

探傷系統(tǒng)的超聲激發(fā)形式為等間距激發(fā)（低速下為等時(shí)激發(fā)），即一定速度范圍內(nèi)的激發(fā)間隔距離為定值。當(dāng)檢測速度動(dòng)態(tài)變化時(shí)，T0會(huì)相應(yīng)變化，而超聲信號在鋼軌內(nèi)的傳播時(shí)間T不變，這樣T1會(huì)隨速度變化而同步變化，使得幻象波信號在B顯圖形上的顯示位置也會(huì)變化。

2 中心70°探頭反射點(diǎn)群數(shù)據(jù)特征

本文以某鋼軌探傷車出廠標(biāo)定測試時(shí)（鋼軌類型為60 kg/m，里程為95.887 km，檢測速度V車為79.10 km/h）B顯數(shù)據(jù)中的中心70°探頭異?；夭c(diǎn)數(shù)據(jù)為分析對象，如圖3所示。圖3中，在軌底橫向裂紋回波信號點(diǎn)（藍(lán)色圓圈標(biāo)注）兩側(cè)軌頭區(qū)域出現(xiàn)了前后中心70°探頭回波信號點(diǎn)群，疑似軌頭核傷為重傷（紅色圓圈標(biāo)注）。兩處70°探頭信號點(diǎn)群為2個(gè)探輪的中心70°探頭信號，與軌面有一定的傾斜角度且走向一致。已知標(biāo)定線傷損軌在該處未設(shè)置軌頭核傷，僅在中心70°探頭回波信號點(diǎn)群中間的軌底處設(shè)置了軌底橫向裂紋傷損，故初步推斷為中心70°探頭發(fā)射的超聲波在遇到軌底橫向裂紋后形成的回波信號被中心70°通道接收，且進(jìn)入了對應(yīng)的監(jiān)視閘門，形成所謂的幻象波信號，進(jìn)而被系統(tǒng)識別為疑似傷損。

圖3 B 顯數(shù)據(jù)回波信號點(diǎn)Fig.3 Echoes in B-scan

圖4 超聲波傳播路徑示意Fig.4 Ultrasonic propagation path

2.1 超聲波傳播路徑分析

探傷車上配備的70°陣列探頭（含內(nèi)、中心、外直70°）主要用于檢測鋼軌頭部及軌腰頂部的傷損，其對應(yīng)的監(jiān)視閘門可以覆蓋鋼軌軌頭（中心70°探頭監(jiān)視閘門含一部分軌顎）區(qū)域。系統(tǒng)前/后中心70°探頭所發(fā)射的超聲波在鋼軌內(nèi)傳播方向呈對稱形式，能夠通過軌面到達(dá)軌底，因此推斷疑似傷損點(diǎn)為幻象波，其由前/后中心70°探頭發(fā)射的超聲波擴(kuò)散聲束經(jīng)過軌底橫向裂紋反射后原路返回，在下一周期內(nèi)被中心70°探頭接收且進(jìn)入其監(jiān)視閘門而形成的，如圖 4 所示。圖中，黃色及綠色矩形框?yàn)橐伤苽麚p位置，紅色箭頭線為擴(kuò)散聲束，黃色及綠色線為系統(tǒng)計(jì)算聲束。此外，由于超聲波具有一定的聲束擴(kuò)散角度，聲程越遠(yuǎn)，聲束反射點(diǎn)越多，所以此類幻象波信號點(diǎn)群顯示比實(shí)際反射體更大。

2.2 聲程計(jì)算

國內(nèi)的大型鋼軌探傷車探傷系統(tǒng)超聲激發(fā)采用定時(shí)激發(fā)和定距激發(fā)相結(jié)合的方式，即車速低于某一速度時(shí)，采用定時(shí)激發(fā)；車速超過某一速度時(shí)，則針對不同的檢測速度范圍，采用等間距激發(fā)。如表1所示，ΔL為不同檢測速度區(qū)間內(nèi)超聲的發(fā)射間隔距離。鑒于圖3中的兩個(gè)中心70°探頭幻象波的產(chǎn)生原理相同，本文僅列出其中一個(gè)幻象波的計(jì)算驗(yàn)證過程。

表1 不同速度下的掃查間隔Table 1 Scan intervals at different speeds

圖5為幻象波聲程示意。圖中，L1為探頭擴(kuò)散聲束在遇到軌底橫向裂紋后返回探頭聲波的聲程（單程），L2為系統(tǒng)實(shí)際計(jì)算時(shí)的聲程（L2=L1），L3為幻象波距離軌底橫向裂紋的水平距離，L4為探頭入射點(diǎn)與幻象波的水平距離，H1為幻象波距離鋼軌表面的深度，H2為60軌軌高，β為鋼軌內(nèi)主聲束折射角，θ為半擴(kuò)散角。

圖5 幻象波聲程示意圖Fig.5 Ultrasonic path of ghost echo

1個(gè)周期內(nèi)超聲波聲程（單程）L聲的計(jì)算如下：

式中：V鋼——鋼軌內(nèi)橫波聲速（V鋼=3 230 m/s）。

L1的計(jì)算如下：

通過計(jì)算可得：L聲=472.5 mm，L2=L1=540 mm，H1=25.28 mm，L3=448.56 mm。

根據(jù)圖3 所示的實(shí)際B 顯數(shù)據(jù)測量可得：幻象波距鋼軌表面的深度為28 mm，幻象波與軌底橫向裂紋的水平距離為450 mm。

綜上，L3、H1的計(jì)算值、實(shí)測值及其誤差值如表2所示。這表明圖3所示鋼軌軌頭中心70°探頭幻象波的計(jì)算驗(yàn)證結(jié)果（L3和H1）與檢測數(shù)據(jù)B顯圖中的測量結(jié)果（見圖3測量結(jié)果）基本吻合。

表2 L3、H1的計(jì)算值、實(shí)測值和誤差值Table 2 Calculated，measured，and error values of L3 and H1

實(shí)際探傷作業(yè)中，中心70°探頭的監(jiān)視閘門時(shí)間范圍一般設(shè)置為18～83 μs。通過計(jì)算可得，對應(yīng)在鋼軌內(nèi)的深度為9.97～45.99 mm。根據(jù)上述聲程計(jì)算原理，中心70°探頭因軌底橫向裂紋原因在軌頭可能出幻象波的車輛檢測速度（單位km/h）大致在［18，20］、［36，40］、［54，60］及［72，88］范圍內(nèi)。由于車輛的輪徑及編碼器累計(jì)誤差等因素，速度范圍可能會(huì)有細(xì)微差異；可能出幻象波的位置與軌底橫向裂紋的水平距離范圍約為438～489 mm。由于超聲探頭實(shí)際聲束擴(kuò)散角與理論擴(kuò)散角不完全相同，同時(shí)，實(shí)際鋼軌中的內(nèi)部缺陷反射體與標(biāo)定線路模擬的人工傷損也會(huì)存在差異性，理論計(jì)算得出的幻象波出波位置與實(shí)際可能會(huì)有些許差異。另外，由于超聲傳播路徑較長，信號衰減嚴(yán)重，當(dāng)車輛檢測速度處于上述檢測速度范圍時(shí)，不一定都會(huì)出現(xiàn)幻象波。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本文超聲傳播路徑分析和聲程推導(dǎo)計(jì)算的有效性，本文利用CIVA2021 超聲仿真軟件進(jìn)行超聲缺陷動(dòng)態(tài)檢測仿真試驗(yàn)。軟件設(shè)置信息如下：

1）導(dǎo)入工件。軌型為60 kg/m鋼軌模型，如圖6。

圖6 CIVA 工件設(shè)置Fig.6 Specimen setting of CIVA software

2）設(shè)置探頭參數(shù)。尺寸為19 mm×19 mm、聚焦方式為平面，見圖7。

圖7 CIVA 探頭設(shè)置Fig.7 Probe setting of CIVA software

3）設(shè)置檢測參數(shù)。晶片角度為折射角68°，根據(jù)檢測需求設(shè)置掃查路徑，見圖8。

圖8 CIVA 檢測設(shè)置Fig.8 Inspection setting of CIVA software

4）設(shè)置缺陷。設(shè)置半徑為6 mm 的半圓形鋼軌軌底橫向裂紋，見圖9。

圖9 CIVA 缺陷設(shè)置Fig.9 Flaw setting of CIVA software

CIVA 仿真B 顯圖、超聲聲束圖及超聲回波圖如圖10～圖12所示。

圖10 CIVA 仿真B 顯圖Fig.10 B-scan of CIVA simulation

圖11 CIVA 仿真超聲聲束圖Fig.11 Ultrasonic beam diagram of CIVA simulation

圖12 CIVA 仿真超聲回波圖Fig.12 Ultrasonic echo diagram of CIVA simulation

從仿真結(jié)果可以看出，中心70°探頭發(fā)射的超聲波遇到軌底橫向裂紋后，有明顯的超聲回波信號，且回波時(shí)間為338.34 μs。

根據(jù)2.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果可知L1=540 mm，則超聲回波時(shí)間T1=2L1/V鋼，即334.36 μs。

綜上，仿真計(jì)算的回波時(shí)間與聲程計(jì)算的超聲回波時(shí)間基本一致，驗(yàn)證了本文對鋼軌軌頭中心70°探頭異常反射點(diǎn)群分析的有效性。

4 傷損判定應(yīng)用

大型鋼軌探傷車B顯數(shù)據(jù)中，因軌底橫向裂紋（或焊縫焊筋、軌底銹蝕等）引起中心70°探頭在軌頭處的信號點(diǎn)群形狀和位置基本確定。實(shí)際檢測中，當(dāng)出現(xiàn)前后中心70°探頭出現(xiàn)較強(qiáng)回波反射點(diǎn)群時(shí)，可利用2.2節(jié)中幻象波分析方法進(jìn)行軌底橫向裂紋、軌底銹蝕或焊筋出波的傷損判定分析。

圖13 所示為探傷車檢測某鐵路線路時(shí)，在線路302.322 km 母材處報(bào)告3 處疑似傷損，包括軌頭中心70°探頭兩處疑似核傷及一處軌底橫向裂紋。結(jié)合本文幻象波分析方法可知，其中兩處軌頭中心70°探頭的出波實(shí)際為軌底橫向裂紋引起的幻象波，避免了將這兩處出波報(bào)告為疑似軌頭核傷，也進(jìn)一步明確了軌底存在疑似橫向裂紋傷損，提高了傷損報(bào)警的準(zhǔn)確率，降低了誤報(bào)率，同時(shí)也減少了現(xiàn)場復(fù)核的工作量。

圖13 302.322 k m 里程處B 顯（母材）圖Fig.13 B-scan at 302.322 km(steel rail)

圖14 所示為探傷車檢測某鐵路線路時(shí)，在線路889.825 km 焊縫處的B 顯數(shù)據(jù)。焊縫兩側(cè)存在較強(qiáng)的中心70°探頭反射點(diǎn)群，疑似軌頭核傷。但根據(jù)本文的幻象波分析及軌底45°探頭的反射情況綜合分析可知，軌頭兩處反射點(diǎn)群為軌底焊縫焊筋的反射引起的幻象波，因此可以避免將這兩處反射點(diǎn)群當(dāng)作疑似軌頭核傷進(jìn)行報(bào)告，提高了傷損報(bào)警準(zhǔn)確率。

圖14 889.825 km 里程處B 顯（焊縫）圖Fig.14 B-scan at 889.825 km(weld seam)

5 結(jié)束語

本文對軌底橫向裂紋引起的軌頭中心70°探頭反射點(diǎn)群進(jìn)行了理論分析及仿真計(jì)算，并基于探傷車實(shí)際線路檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行了傷損判別分析，可以得出以下結(jié)論：

1）當(dāng)檢測車速（單位km/h）在［18，20］、［36，40］、［54，60］及［72，88］范圍內(nèi)時(shí)，該類中心70°探頭易出現(xiàn)異常反射點(diǎn)群，且出波位置距離軌底橫向裂紋的水平距離約為438～489 mm；

2）當(dāng)探傷車B顯數(shù)據(jù)中心70°探頭在鋼軌軌頭位置出現(xiàn)異常反射點(diǎn)群，且出波位置周邊一定距離范圍內(nèi)（438～489 mm）為鋼軌母材時(shí)，鋼軌軌底可能存在近似軌底橫向裂紋的傷損，應(yīng)引起重視并報(bào)告疑似傷損進(jìn)行現(xiàn)場復(fù)核確認(rèn)，同時(shí)不宜將鋼軌軌頭類似70°探頭反射點(diǎn)群當(dāng)作傷損報(bào)警進(jìn)行報(bào)告；

3）當(dāng)探傷車B顯數(shù)據(jù)中心70°探頭在鋼軌軌頭位置出現(xiàn)異常反射點(diǎn)群，且出波位置周邊一定距離范圍內(nèi)（438～489 mm）存在鋼軌焊縫時(shí)，在焊縫軌底出波正常時(shí)，不宜將鋼軌軌頭類似中心70°探頭反射點(diǎn)群當(dāng)作疑似傷損報(bào)警進(jìn)行報(bào)告。

該類70°探頭幻象波的論證計(jì)算結(jié)果，可為探傷車的激發(fā)控制及傷損判定提供參考依據(jù)，具有重要的實(shí)踐意義。下一步將研究如何在鋼軌探傷檢測中利用有效的技術(shù)方法減少類似的非實(shí)際鋼軌缺陷反射點(diǎn)群，以促進(jìn)鋼軌探傷車檢測數(shù)據(jù)質(zhì)量的提升。