鋼軌踏面斜裂紋與軌頭核傷的B型圖對比分析

■ 石永生 李培 鐘旭峰 駱海波

1 核傷與斜裂紋的特點

鋼軌軌頭橫向疲勞裂紋俗稱軌頭核傷（簡稱核傷），呈橢圓形，長、短軸之比約3∶2。核傷疲勞源一般位于距踏面8~12 mm、距內側5~10 mm處。核傷方向與軌頭側面近乎垂直，與踏面多呈10°~25°夾角（單行線上）或近乎垂直（復行線上）。核傷在未發展到外表面時肉眼不可見，稱“白核”；已擴展到外表面時，因氧化變為黑色，稱“黑核”。核傷可導致鋼軌橫向折斷，嚴重影響鐵路線路的行車安全，按性質屬性劃分屬于重傷。多數國家在核傷面積超過軌頭面積30%以上時才要求換軌，法國甚至放寬到55%。我國比較嚴格，只要能確認是核傷，就要求馬上切除或更換。

鋼軌踏面斜裂紋（簡稱斜裂紋）是軌頭踏面在輪軌接觸應力作用下形成的在鋼軌全長上分布的呈斜線狀發展的輪軌接觸疲勞裂紋，按性質屬性劃分屬于輕傷，不會影響行車安全，通常需要進行修理性打磨和預防性打磨，在不重要的線路上或不具備打磨條件時一般不進行處理，只進行監控，防止繼續向下發展成核傷。

但這些斜裂紋和核傷的探傷車B型圖非常相近，不容易區分。探傷車檢測過程中，斜裂紋也被探傷車自動識別算法統一識別成核傷，造成探傷車核傷誤報嚴重，加大了傷損回放分析人員和傷損復核人員的工作量。因此，如何有效區分B型圖中的斜裂紋和核傷顯得尤其重要。

2 斜裂紋與核傷的B型圖對比分析

對比分析見表1。

3 核傷與斜裂紋的B型圖成因分析

3.1 核傷

鋼軌探傷車使用超聲探輪進行鋼軌傷損在線檢測。每個探輪內都有3個70°晶片，折射進入鋼軌的超聲橫波聲束折射角約70°。進入鋼軌的超聲橫波聲束有較大的擴散角，對同一點的軌頭傷損隨著車輛的運行會進行多次采樣，并且由于擴散角大，造成對核傷的取向不是特別敏感，甚至垂直的傷損也能夠發現。核傷反射見圖1。1點發射的超聲波在傷損的A1點反射并在B型圖中描繪在A1點，同樣2、3點處發射的超聲波也在B型圖的A2、A3處描繪一個點。這樣經過多個點超聲波發射和采樣，超聲檢測系統就完成了核傷的探傷檢測，并且B型圖中的傷損走勢和實際的傷損走勢基本一致。

3.2 斜裂紋

有的斜裂紋的B型圖深度幾乎達到軌顎部位，實際斜裂紋的深度非常小，往往不超過3 mm，因此推斷探傷車在核傷檢測過程中產生了表面波，并在GTS-60試塊上得到了驗證（驗證過程中發現同鋼軌表面波同時伴生一軌面下超聲波，其聲速同鋼軌表面波相同，但距離-能量值的變化與鋼軌表面波不同）。正是表面波檢測到斜裂紋，但超聲檢測系統不能識別鋼軌表面波，仍然按照既定的折射70°超聲橫波處理。斜裂紋反射見圖2。探輪在1、2、3、A點得到的均是A點的反射，傳播路徑為1、2、3、A點到A點的紅色箭頭線。由于超聲檢測系統不能識別波形是沿著表面傳播的，分別認為反射點來自A1、A2、A3、A點，所以繪畫出傷損形狀如圖2中的豎直藍虛線。核傷圖形不能表示實際深度，只表示虛擬深度，圖形的長短與檢測閘門的寬度、表面波反射能量的大小和表面斜裂紋的密度有關，圖形通道數與斜裂紋的長短有關。

表1 核傷與斜裂紋的B型圖對比

在單行線上，斜裂紋一旦發展成為真正核傷，其反射圖形會有所變化（向傾斜發展）。

4 現場考證

圖1 核傷反射示意圖

圖2 斜裂紋反射示意圖

根據對比分析結論，選取2處B型圖并做現場考察。單一斜裂紋傷損發展接近軌頂中心線，深度約2 mm，反射圖形從軌頂發展至軌顎，GC 70°產生反射（見圖3）。連續表面細裂紋傷損（比較密集）：軌頂面橫向發展約1/3，深度1~2 mm，反射圖形排列密集且較短，GC 70°2個通道有反射（見圖4）。通過這2處現場考證，驗證了對比分析結論，為核傷B型圖判別提供了理論依據。從示波器上看，高速檢測時斜裂紋的反射波形同噪聲非常類似，如果把它作為系統雜波處理，人為減低靈敏度，將會造成嚴重漏檢。

圖3 單一斜裂紋的B型圖及現場考證

圖4 連續斜裂紋的B型圖及現場考證

5 結論

斜裂紋對探傷車超聲檢測產生影響。在核傷的報警圖形中既可能是核傷，也可能是表面斜裂紋或斜裂紋下發展成的核傷，還可能是系統雜波，無疑給探傷車檢測人員、傷損分析回放人員帶來操作、調整和傷損分析的麻煩，也給信號處理技術和自動化探傷方面提出了新的課題。

通過GTS-60試塊簡要驗證了在鋼軌表面存在超聲表面波；通過鋼軌核傷和表面斜裂紋B型圖的詳細對比分析，總結核傷和斜裂紋特征、探討核傷和斜裂紋B型圖形成原理，為這2類傷損的判別提供了理論依據。不足之處是未能就探傷車檢測過程中產生的鋼軌表面波的具體參數及其特征進行詳細試驗，并且仍需信號處理和傷損自動化判別進行下一步工作。