超聲波探傷在高速鋼軌檢測中的應(yīng)用

（四川攀研技術(shù)有限公司，四川 攀枝花 617000）

超聲波探傷在高速鋼軌檢測中的應(yīng)用

陳太榮

（四川攀研技術(shù)有限公司，四川 攀枝花 617000）

為了滿足鋼軌生產(chǎn)的需要，開發(fā)了攀鋼鋼軌在線超聲波探傷系統(tǒng)。本文簡要介紹了這套設(shè)備的主要組成部分：探頭、試塊、起落架和測控系統(tǒng)，以及系統(tǒng)各組成部分的設(shè)計要點，并結(jié)合系統(tǒng)調(diào)試及生產(chǎn)運行情況，著重分析了系統(tǒng)的誤報和漏報現(xiàn)象以及可采取的解決措施。

鋼軌超聲波探傷；雙晶探頭；探頭距離—波幅曲線；起落架跟隨性；測控系統(tǒng)

鋼軌生產(chǎn)過程中，如果內(nèi)部存在超過標(biāo)準(zhǔn)允許的缺陷，列車運行時就有可能引發(fā)斷軌事故。為避免鋼軌內(nèi)部缺陷帶來的安全隱患，采用超聲波自動探傷系統(tǒng)對鋼軌進行內(nèi)部缺陷檢測，是目前世界上鋼軌生產(chǎn)廠家采取的主要技術(shù)手段。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，高速重載鐵路運輸在國內(nèi)外迅速發(fā)展起來。為適應(yīng)市場需求，2005年攀鋼軌梁廠開始生產(chǎn)200km/h客運專線鋼軌和350km/h客運專線鋼軌，該公司研發(fā)的高速軌超聲波探傷系統(tǒng)也同期投入使用。

1 鋼軌超聲波自動探傷系統(tǒng)介紹

1.1 技術(shù)要求

根據(jù)TB/T2344-2003 《43～75 kg /m熱軋鋼軌訂貨技術(shù)條件》和《350km/h客運專線60kg/m鋼軌暫行技術(shù)條件》有關(guān)超聲波探傷的規(guī)定，鋼軌超聲波檢測覆蓋區(qū)域應(yīng)滿足：（1）軌頭≥70%；（2）軌腰≥60% ；（3）軌底檢測應(yīng)覆蓋圖1陰影部位。

圖1 軌底探傷部位

1.2 檢測原理

系統(tǒng)采用接觸式A型脈沖超聲波，以自來水為耦合介質(zhì)，檢測過程鋼軌通過傳送輥道驅(qū)動做直線運動，超聲波探頭安裝在相對靜止的起落架上緊貼鋼軌軌面實施全長檢測。

1.3 系統(tǒng)基本構(gòu)成

系統(tǒng)主要包括六部分。（1）鋼軌輸送輥道：使鋼軌在檢測區(qū)域內(nèi)保持勻速移動，其速度可調(diào)。（2）導(dǎo)向約束機構(gòu)：對鋼軌進入檢測區(qū)域進行導(dǎo)向約束，使鋼軌保持穩(wěn)定的運動狀態(tài)。（3）測距機構(gòu)：檢測鋼軌長度及其位置，用于探頭起落控制及缺陷定位與標(biāo)識。（4）探頭耦合機構(gòu)：用于承載探頭，具有良好的隨動性。（5）探頭調(diào)整機構(gòu)：用于不同軌型的鋼軌探頭耦合機構(gòu)的調(diào)整。（6）多通道數(shù)字式超聲波探傷儀。

1.4 探頭布局、選用及其參數(shù)

探頭數(shù)量最多可以安裝13只（在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的探傷覆蓋率前提下，生產(chǎn)不同規(guī)格鋼軌時可對探頭數(shù)量進行增減調(diào)整）。其中1、2、3、4、5號探頭檢測軌頭；6、7、8、9、10、11號探頭檢測軌腰；12號探頭檢測軌底縱向裂紋；13號探頭檢測軌底。探頭布置見圖2。

圖2 探頭布置圖

經(jīng)過多次手工探傷試驗和長期現(xiàn)場生產(chǎn)驗證，各型探頭主要設(shè)計參數(shù)如表1。

表1 鋼軌探傷使用的各型探頭晶片設(shè)計參數(shù)

本系統(tǒng)大量采用雙晶探頭，主要考慮鋼軌各部位檢測深度不大，可以充分利用TR探頭盲區(qū)小、分辨力高的特點。通過手工探測鋼軌對比試驗，雙晶探頭相對于單晶探頭檢測靈敏度更高，缺陷檢出效果更好。

探頭距離—波幅曲線：雙晶探頭距離—波幅曲線特性與晶片傾斜角度、晶片間距、晶片大小和有機玻璃楔塊高度等參數(shù)有關(guān)，適當(dāng)選擇這些參數(shù)，可以獲得較小的探傷盲區(qū)，在檢測深度區(qū)間獲得比較平緩變化的距離—波幅特性曲線，這樣有利于超標(biāo)缺陷的自動報警。國內(nèi)制造的探頭，靈敏度余量至少控制在35dB以上，檢測盲區(qū)控制在2mm以內(nèi)，檢測深度范圍波幅變化控制在5dB以內(nèi)，一般即可滿足正常的自動探傷要求。

1.5 試塊

試塊的作用：標(biāo)定探傷靈敏度、檢測探傷儀和探頭性能、調(diào)整掃描速度、評判實際缺陷的當(dāng)量大小。試塊的設(shè)計體現(xiàn)計量的傳遞，是保障探傷有效性的重要標(biāo)志。針對鋼軌自動探傷，設(shè)計了專用的對比試塊，靜態(tài)樣塊和動態(tài)樣軌。試塊人工缺陷可參考TB/T2344-2003 《43～75 kg /m熱軋鋼軌訂貨技術(shù)條件》和《350km/h客運專線60kg/m鋼軌暫行技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。

專用對比試塊：用于試塊之間靈敏度的校正，材料為45＃鋼，并按鋼軌淬火工藝要求進行熱處理，控制晶粒度級別與鋼軌檢測部位基本一致。

靜態(tài)樣塊：用于動態(tài)樣軌人工缺陷當(dāng)量大小的標(biāo)定；測試探頭性能及探傷系統(tǒng)組合性能；矯正探傷系統(tǒng)各通道的探傷靈敏度。靜態(tài)試塊材料在無內(nèi)部缺陷的鋼軌成品上截取。

動態(tài)樣軌：在動態(tài)樣軌靜止?fàn)顟B(tài)下，調(diào)整起落架上各探頭具體的檢測部位；在動態(tài)樣軌運動狀態(tài)下，調(diào)整探傷系統(tǒng)各通道的探傷靈敏度，驗證探傷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。動態(tài)樣軌通常在探傷之前、探傷過程中或一批鋼軌探傷結(jié)束后調(diào)試，它是檢查探傷系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性的最主要工具。動態(tài)樣軌最小長度根據(jù)探傷線導(dǎo)向約束裝置間距確定，長度至少滿足4～5個約束點，樣軌太長不方便手工推動調(diào)試作業(yè)，一般要求動態(tài)樣軌動態(tài)檢測時不明顯跑偏為原則，通常取10～15m為宜。動態(tài)樣軌材料要求與被檢測鋼軌規(guī)格及材質(zhì)一致。動態(tài)樣軌缺陷布局見圖3。

圖3 動態(tài)樣軌缺陷布局圖

1.6 探頭起落架

探頭起落架是超聲波在線探傷系統(tǒng)開發(fā)的難點，它對探頭的耦合取決定性作用。由于鋼軌的平直度誤差以及振動等的影響，鋼軌在探傷送進過程常常出現(xiàn)跑偏和上翹等現(xiàn)象，為使探頭與鋼軌表面實現(xiàn)有效耦合，探頭與鋼軌斷面位置相對穩(wěn)定，一般要求起落架具有上下和水平方向的跟隨性（見圖4）。

圖4 起落架跟隨性示意圖

實踐證明，起落架跟隨性的好壞，對探傷結(jié)果有如下影響：（1）影響動態(tài)樣軌檢測的重復(fù)性。起落架跟隨性差，探頭檢測位置變動大，探頭動態(tài)樣軌調(diào)試?yán)щy，樣軌人工缺陷檢測重復(fù)性差。（2）影響系統(tǒng)信噪比。起落架跟隨性差，機構(gòu)不能及時響應(yīng)鋼軌的位置變動，探頭耦合水層變化大會使水雜波增加，減小信噪比，增加誤報機會，甚至無法探傷。（3）影響軌頭側(cè)面探傷。起落架跟隨性差，軌頭側(cè)面輪廓波會進入報警閘門引起誤報。

由于鋼軌的振動及平直度變化通常屬于低頻率變動信號，因此，在起落架設(shè)計上常常采用彈簧、氣缸等驅(qū)動元件即可滿足機械的跟隨響應(yīng)。

1.7 測控系統(tǒng)

測控系統(tǒng)由16通道數(shù)字式超聲波探傷儀(配高速數(shù)據(jù)采集處理模塊)、計算機系統(tǒng)以及自動控制系統(tǒng)等構(gòu)成。

測控系統(tǒng)工作原理：探傷儀激勵探頭發(fā)射晶片產(chǎn)生高頻超聲波脈沖，超聲波進入鋼軌內(nèi)部檢測到缺陷后反射回來使探頭接收晶片產(chǎn)生電信號，探傷儀將該弱電信號進行放大、檢波等處理后送入計算機，計算機系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置的探傷參數(shù)對采集到的數(shù)據(jù)進行各種相關(guān)的處理，并判斷出缺陷大小、位置、深度等參數(shù)，通過計算機界面自動繪制波形、記錄缺陷等；自動控制系統(tǒng)完成操作輥道、前后夾送裝置、測距裝置以及探頭起落架的自動與手動起落等控制。自動控制系統(tǒng)以PLC為核心，通過旋轉(zhuǎn)編碼器精確檢測鋼軌長度，光電開關(guān)定點控制起落架起落，保障了自動控制系統(tǒng)安全可靠運行。

2 系統(tǒng)調(diào)試及現(xiàn)場生產(chǎn)情況

系統(tǒng)投入生產(chǎn)運行前，采用60kg/m動態(tài)樣軌，連續(xù)進行50次檢測，檢測速度約為1m/s。試驗結(jié)果見表2。

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1671-0711（2017）04（上）-0082-03