鋼軌核傷的檢測原理和方法

徐平軍 上海鐵路局新長工務段

鋼軌核傷的檢測原理和方法

徐平軍 上海鐵路局新長工務段

鋼軌核傷是引起鋼軌折斷的主要傷損類型之一。根據現場探傷實際將鋼軌核傷按照形成原因分為三大類，論述了核傷檢測的原理、方法和設備。重點分析了一次波和二次波檢測的優缺點，比較了目前兩種探傷模式的各自優勢，提出了解決現場探傷的路徑。

鋼軌核傷；一次波；二次波

鋼軌核傷是鋼軌頭部的主要傷損，系軌頭橫向疲勞裂紋。一般呈橢圓形，長短軸之比約為3：2。核傷的面積擴展到軌頭面積超過10%，鋼軌的強度下降90%，容易引起突發性鋼軌折斷，嚴重影響鐵路運輸安全。

上海鐵路局近年來探傷發現的核傷按照形成機理可以分為三大類。

（1）表面魚鱗傷剝落掉塊等發展形成。因為疲勞源與空氣接觸，發生氧化，裂紋表面呈黑色，形成黑核。

（2）鋼軌制造或焊接過程中一些非金屬夾雜物沒有去除干凈，在鋼軌內部形成疲勞源，不與空氣接觸，裂紋表面呈銀白色，形成白核。

（3）現場焊接工藝不良如溢流飛邊、推瘤不良導致早期微細裂紋，慢慢發展形成鋼軌下顎核傷，一般位于焊縫邊緣（分別見圖1、圖2、圖3）。

圖1 魚鱗傷下的黑核

圖2 閃光焊縫中間形成的白核

1 檢測原理和方法

核傷是軌頭橫向裂紋，采用超聲波脈沖反射法進行檢測。目前鋼軌探傷主要有兩種設備：大型鋼軌探傷車和小型鋼軌探傷儀。對核傷均采用折射角為65°～70°的超聲橫波探頭進行探傷。其中大型鋼軌探傷車直打70°探輪使用一次波法，小型鋼軌探傷儀根據核傷早期多出現在軌頭內側上角的特點，多年來一直采用二次波法，即將探頭向內側偏轉14°～20°，利用經軌顎反射后的二次波進行檢測，如圖4所示。

圖3 溢流飛邊形成的下顎核傷

圖4 核傷及其小型鋼軌探傷儀的探測方法

一次波法是超聲波由晶片發射直接傳播到傷損面上，根據回波進行判傷。二次波則指超聲波經過軌顎反射后再傳播到傷損上，二次波產生必須將探頭偏角放置，根據檢測效果，60 kg/m鋼軌一般與鋼軌縱向偏角18°。

2 探頭

目前我國鋼軌探傷設備分別采用滑靴式和輪式探頭。其中小儀器基本采用滑靴式探頭。晶片加上玻璃楔塊戴上保護膜在鋼軌表面滑動。一般用一組晶片或兩組晶片組合。優點：制造簡單，方便使用。缺點：鋼軌表面存在波浪性磨耗以及一些擦傷掉塊使得耦合不是很好；小儀器使用的探頭晶片尺寸小，聲波覆蓋范圍小。一般采用如圖5所示機構組成小儀器的小車架。

圖5 小型探傷儀探頭架的一般布局

輪探頭是將多個晶片組合安裝在輪中，在鋼軌表面滾動。輪式探傷優點：耦合好，聲波覆蓋范圍大，指向性好。缺點：制造復雜，必須裝備對中系統才能使用（見圖6）。

圖6 輪探頭布局

我國鋼軌探傷早期受到儀器制造水平限制，采用滑靴式探頭組合進行鋼軌探傷。鋼軌探傷儀有一個漫長的發展過程，隨著我國的科技和制造水平的不斷提高，逐漸從單通道發展到目前的9通道。用來檢測鋼軌核傷的探頭也從一個探頭增加到目前的4個探頭標配。偏角18°朝前朝內和朝后朝外各一只，無偏角朝前朝后各一只。沒有探到的區域通過隔月掉向來彌補。也有直接使用6只探頭，這樣在一個探傷周期覆蓋整個區域和不同趨向的核傷。但由于小車架的間距只有1 m，考慮到推行方便和避免探頭之間的干擾，一般不這樣安排。

3 為什么滑靴式探頭對鋼軌核傷的檢測往往使用二次波

滑靴式探頭與鋼軌表面直接接觸。由于探頭近場區的干擾不利于核傷檢測,現在都采用雙晶片探頭。雙晶片探頭雖然減少發射波附近的雜波，但近表面探測區域卻是比較窄，因為必須是兩晶片的聲場重合部分。從計算和實驗都可證明，一次波覆蓋范圍20%，二次波約為45%。一般來說，二次波范圍包括了一次波，而一次波范圍則不能包括二次波。因此，在當時的儀器制造條件下，有限的通道達到更大范圍的核傷檢測，往往采用二次波探傷。但圖7中的CD區仍是盲區。所以后來增加了無偏角70°。在實際應用中，二次波探傷在理論上覆蓋了內側上角區域，但該區域核傷的形成主要是鋼軌輪軌接觸后塑性變形魚鱗傷發展成剝落掉塊或向下形成核傷。魚鱗傷或剝落掉塊的走波和核傷的走波重疊。在儀器設計中，為了發現該區域傷損，遠距離增加了放大補償，這就造成了魚鱗傷、剝落掉塊的回波也很強，很難區分核傷波和魚鱗傷波。我局在沒有裝配無偏角70°的探傷檢查中幾乎沒能發現魚鱗傷下的核傷，而這種核傷斷軌發生了很多起，都定性為探傷漏檢。在裝配了無偏角70°探頭以后，尤其是進入數字化儀器以后，根據B超圖譜來判傷，陸續發現了不少魚鱗傷下核傷。這是因為核傷擴展到鋼軌頭部中間，無偏角70°出現回波，為我們判傷增加了重要依據。二次波的使用是有歷史原因的，認為只有二次波才能檢查內側上角核傷是有一定片面性的。

圖7 滑靴式探頭70度聲波覆蓋范圍

輪探頭一次波是能發現內側核傷的。輪探頭在橡膠輪里經過一次傳播，在鋼軌表面形成折射角為70°的方向傳播到鋼軌里面，在鋼軌里是不存在近場區的。理論上鋼軌表面以下都是檢查區域。而且輪探頭組合了6塊70°晶片，向前向后各三塊，分布內中外整個軌頭區域。輪探頭在輪中液體里以縱波形式傳播到鋼軌表面。以三組晶片，每組晶片直徑15 mm，距軌面垂直距離120 mm為例。探頭的入射角為32.3°。

理論計算結果，這時聲波覆蓋軌頭60.4 mm。60 kg/m鋼軌軌頭寬度73 mm，兩側各6.3 mm是聲波未進入區域。并且鋼軌軌頭內側磨耗等影響超聲波進入，根據實驗結果，一般來說內側深度8 mm，距邊緣10 mm區域是輪探頭一次波難以檢查的范圍（注：二次波能進入但受到魚鱗傷波干擾引起誤判）。（見圖8：輪探頭聲波覆蓋范圍）從理論上分析輪探頭的盲區比滑靴式探頭要小。但同樣的道理，聲波覆蓋范圍并不代表能判定核傷，也是因為魚鱗傷的干擾。只有當傷損發展一定大小，進入中間70°掃查范圍，我們才能結合多個通道的波形綜合判傷。

圖8 輪探頭70度聲波覆蓋范圍

綜上所述，最好的方式是一、二次波相互結合。本文在開頭介紹的第三種核傷占目前核傷發生的大部分。一次波不能有效確認焊筋波，而二次波對焊筋有強烈反應。所以結合一、二次波的特點，由二次波確認焊縫，一次波能準確判傷。圖9是我局蚌埠工務段發現的一處鋁焊下顎核傷。判傷思路就是首先根據2、3通道偏角70°的波形確定這是一處焊縫，然后根據1通道的異常回波確定傷損。

圖9 2013年2月21日檢查發現京滬上行K891+472處德鋁焊下腭核傷B顯圖譜

4 三種探傷設備

（1）手推小儀器。裝配滑靴式探頭的小車架。小儀器經過幾十年的發展，對核傷的檢測已經趨于成熟。由于受到人工推行速度，檢測效率很低，每小時檢查里程不能超過3 km。

（2）大型鋼軌探傷車。裝配輪式探頭。大型探傷車經過近二十年的摸索，開始擔任探傷生產的主力。由于是高速探傷，不能準確定位傷損，所以需要小儀器復核確認才能處理傷損鋼軌。

隨著鐵路的高速發展，為了保障作業人員的人身安全，探傷作業也安排在天窗點內。天窗點一般在兩個小時以內。兩個小時內小儀器只能完成不超過5 km的任務，使用小儀器進行主要檢查任務面臨生產組織困難，任務不能及時完成的嚴峻局面。而大型鋼軌探傷車在完成任務方面是勝任的，但不能保證質量。從我局最近的斷軌和發現的傷損分析，探傷車對于曲線地段以及焊縫核傷發現能力存在缺陷，原因就是在高速運行過程中輪探頭的鋼軌對中狀態不好。這就使得第三種探傷設備得到青睞。

（3）雙軌探傷小車。裝配輪式探頭，作業速度是10 km/h～15 km/h。效率大大提高，又能保證檢測能力，在15 km以下，機械對中系統能保證輪探頭良好的對中狀態。

根據我局的試用結果表明，雙軌小車對于第一、二類核傷的檢測和小儀器的能力一樣，對于焊縫下顎核傷還存在難以識別的問題，原因在于沒有組合二次波探頭。

綜上所述，雙軌小車能夠彌補大車和小車的不足，即提高了生產效率，又保證了傷損發現，也沒有二次復核確認的過程。應用前景非常光明。

5 結論

鋼軌核傷是嚴重威脅運輸安全的傷損類型，在檢查發現上存在多種手段方法，既不能強調一次波，也不能完全依賴二次波檢查，要根據現有的技術水平綜合使用，才能更好地發現鋼軌核傷。

[1]黎連修,錢仁才,馬青等.鋼軌核傷超聲波檢測研究[J].無損檢測,1993,15（3）：61－62.

[2]“超聲波探傷”.中國機械工程學會無損檢測學會編.

[3]“鋼軌探傷工”.中國鐵道出版社.南昌鐵路局馬躍平等編.

責任編輯：宋 飛

來稿時間：2016-08-03