多探測點超聲檢測在60 kg/m鋼軌缺陷的波形分析

戴雨馨 ，王月明

（1.內蒙古科技大學 信息工程學院，包頭 014010；2.內蒙古包鋼鋼聯股份有限公司 軌梁軋鋼廠，包頭 014010）

鐵路發展迅速，鋼軌在軋制缺陷和重載荷接觸下缺陷類型的特點也在發生變化，出現了大量傷損缺陷因軋制和滾動接觸疲勞導致的鋼軌穿孔和裂紋。

目前，國內外鋼軌探傷主要采用超聲波法線路鋼軌檢測，檢測儀器主要是探傷小車和大型鋼軌探傷車，對未出廠的鋼軌超聲波在線檢測技術略有空白[1]。鋼軌內部缺陷的各種不規則界面使超聲波在傷軌中傳播時傳播路徑變化雜亂，由于超聲波的特性會產生反射、折射、繞射和衍射[2]，最終在超聲波檢測鋼軌的探頭上以多種傳播頻率、波幅和波長的震動而疊加成一個新的超聲波信號，造成超聲波畸變。常用的鋼軌超聲波檢測使用 0°，37°，45°和 70°探頭，對不同部位和不同缺陷的鋼軌進行檢測。結果表明缺陷越大，超聲波畸變越明顯，缺陷的程度越嚴重[3]。

現階段，鋼軌檢測以超聲波脈沖法為主要手段，以振幅、AVG曲線和鐵道部頒發的60 kg/m鋼軌判傷標準TB/T2344—2012做出傷軌評價[4]，而反射回波的實際波形與增益變化規律的研究卻很少。大批量鋼軌生產表明，僅用振幅、AVG曲線和鐵道部頒發的鋼軌判傷標準評判鋼軌尚存在不足，有必要利用實測波形和增益變化進行輔助評判[5]。

60 kg/m鋼軌對稱性好，軋制表面光滑，便于在不同的地區鋪設，覆蓋率廣，實用性強。在此利用MU-11多探測點超聲波鋼軌在線檢測系統，對60 kg/m鋼軌各個探測點的缺陷波形、波長周期的理論波形與實際波形，以及該系統在60 kg/m鋼軌生產的增益調整進行總結分析，以避免對在線探傷的鋼軌造成誤判，為60 kg/m鋼軌的生產和質量控制提供相關經驗。

1 多探測點超聲波鋼軌在線檢測系統

MU-11多探測點超聲波鋼軌在線檢測系統，在60 kg/m鋼軌的在線探傷最大聯機通道數可以達到256通道，其單機最大通道數為24通道，由于60 kg/m鋼軌形狀的原因，實際探傷中采用20個通道檢測。生產探傷時預留2個編碼器接口，帶有8入/8出數字I/O接口。系統界面如圖1所示；系統功能見表1，其中各功能模塊界面如圖1（b）所示；根據60 kg/m鋼軌的特性與系統性能，系統對于60 kg/m鋼軌在線檢測的靈敏度調整見表2。

圖1 MU-11多探測點超聲波鋼軌在線檢測系統界面Fig.1 Interface of ultrasonic rail on-line detection system with MU-11 multiple detection points

表1 多探測點鋼軌在線檢測系統A掃主界面布局與功能Tab.1 Layout and function of A-scan main interface of on-line rail detection system with multiple detection points

表2 60 kg/m鋼軌各個探測點的報傷增益Tab.2 Damage gain of each detection point in 60kg/m rail

2 鋼軌缺陷對回波的影響

超聲波是穿透能力強，方向性好，易獲得較集中的聲能的波[6]。在有缺陷鋼軌中傳播時，頻率不同的超聲波的衰減程度不同，低頻超聲波在鋼軌檢測是表面波在鋼軌表面的散射，激發超聲波高頻部分導致衰減嚴重。因此，回波衰減值是頻率的表征[7]，接收波的向低端移動，頻率改變，通過回波的波形下降情況分析可輔助判斷缺陷的程度，通過現場檢測發現，回波頻率越低，鋼軌的缺陷愈嚴重。

2.1 回波波形

現階段表明，超聲波鋼軌檢測的回波畸變程度應以接收波的第1，第2周期的波形為主要參考依據，可在一定程度上反映鋼軌的質量情況[8]。當聲波在合格成品鋼軌中傳播時，后續超聲波回波與發射波一樣具有高頻率高聲幅的特點，整個波形規則有序，排列緊密。通常認為后續波的波形畸變是由鋼軌缺陷和其他夾雜缺陷不同類型波的疊加導致，作為誤報而反復探測直至誤報消除。經過生產的成品鋼軌缺陷中超聲波傳播的多次研究發現后續回波的波形對缺陷的反映更好。

2.2 常見60 kg/m鋼軌缺陷的A掃波形

60 kg/m鋼軌的常見缺陷有軌底裂紋、內部穿孔、白點夾層及其他軋制缺陷。在多探測點超聲波鋼軌在線檢測的應用通常以A掃為標準。A掃是點線方式掃描，是利用波的粒子性，將波看成一個點，通過水耦合，多探測點超聲波鋼軌檢測遇到傷時，反射回來的信號是一種波形。被檢鋼軌內部完好，超聲波傳播只有發射脈沖和底面反射回波；被檢鋼軌內部有傷損，反射回波有傷損反射，A掃在顯示屏幕上將顯示出鋼軌傷損波形、波高及傷損所在位置。在此，以多探測點超聲波檢測對60 kg/m鋼軌為例，對各個通道波形進行分析。

2.2.1 軌頭直徑2 mm孔傷的探測波形

鋼軌軌頭小角度孔傷，是指裂紋與水平方向夾角為 5°～25°的孔傷斜裂紋。鋼軌理論軌頭孔傷如圖2所示。

圖2 60 kg/m鋼軌理論軌頭孔傷Fig.2 60 kg/m rail theoretical rail head hole injury

A掃回波顯示于基準位置的刻度4～5之間，孔傷距軌頭越近，回波位置刻度越大。軌頭孔傷對超聲波反射較強，回波高，造成原因如縫隙、氣孔；非金屬夾雜物的鋼軌傷損，超聲波透射強，回波弱且高度低。實際軌頭孔傷如圖3所示。

圖3 60 kg/m鋼軌軌頭孔傷Fig.3 60 kg/m rail head hole injury

2.2.2 軌底中心橫向裂紋的判別

軌底是極易產生橫向裂紋的部位，大多數的橫向裂紋存在傾斜裂，使入射超聲波被阻礙，于是失去底波而報警。此時，直探頭探傷中失去底波報警或底波減弱報警，為避免因軌底嚴重銹蝕而產生干擾，軌底左右探頭應適當增加靈敏度。

典型裂紋缺陷波幅、波寬變化大，裂紋本身在軌底激勵的導波含有多個模態，在復雜機理的作用下，回波在缺陷之間來回反射，導波的多模態和頻散現象愈加嚴重，加之能量衰減，導波的多模態和頻散特性使得信號變得復雜，波形變化激烈，缺陷的回波容易被淹沒在特征結構回波和其他模態的波中。

通常軌底銹蝕和劃痕是造成軌底橫向裂紋的原因。軌底A掃波形達到平底孔反射波高滿幅度的80%而與基線重合，60 kg/m鋼軌理論軌底裂紋如圖4所示，實際軌底裂紋波形如圖5所示。

圖4 軌底裂紋回波Fig.4 Rail bottom crack echo

圖5 60 kg/m鋼軌軌底中心橫向裂紋Fig.5 Transverse crack in the center of rail base of 60 kg/m rail

2.2.3 軌腰、踏面橫向直徑2 mm孔傷的判別

鋼軌踏面孔傷波形如圖6所示，踏面孔傷在達到滿幅80%程度上波形與基線基本重合，波形相似于軌頭，波長為半個刻度呈單波峰狀。軌腰孔傷一般由鉆螺栓孔后周邊產生較高的應力集中而產生。

圖6 60 kg/m鋼軌踏面孔傷Fig.6 60 kg/m rail tread injury

多探測點法超聲波檢測的6個軌腰探頭為37°斜探頭。由于鋼軌形狀的特殊性，當軌腰處存在部分銹蝕時，較深的銹蝕坑會使超聲波產生反射。如果用砂紙輕輕打磨軌腰，不規則跳躍的波會減弱或消失。鋼軌軌腰理論孔傷如圖7所示。根據60 kg/m鋼軌中心距鋼軌踏面中心約39.5 mm，軌腰探頭折射角 37°，標定比例 1∶2.5，回波波幅為

波長為一個刻度，實際軌腰孔傷波形如圖8所示。

圖7 軌腰銹軌回波Fig.7 Rail waist rust rail echo

圖8 60 kg/m鋼軌軌腰孔傷Fig.8 60 kg/m rail waist hole injury

鋼軌軌腰有孔型裂紋時，實際A掃對應基線刻度（聲程 1∶2.5）60 kg/m 軌應在 3 左右。

2.2.4 鋼軌內部夾雜的波形分析

鋼軌表面的魚鱗狀鐵皮，形成較薄的不規則層，多是由于鋼軌坯料的軋制和淬火鋼軌的熱處理不均所致，此時的超聲波在不規則層中經過多次反射后被探頭接收，A掃顯示會出現雜波峰、多波峰同時達到報警閘門的現象。

白點、夾層及軋制缺陷的接收波通常是一些雜波信號，由于鋼軌中這些介質或雜質和縮松或縮孔沒有聲阻抗或聲阻抗低，回波容易吸收，形成極大的衰減作用，在鋼軌內部的夾雜介質存在異同介質，可能造成超聲波傳播的漫反射，最終導致在缺陷鋼軌超聲波檢測的誤報。

3 結果分析

60 kg/m鋼軌探傷靈敏度在MU-11多探測點在線鋼軌在線檢測系統已成為一種規律，波形分析對鋼軌缺陷的規律也比較明顯。通過觀察波形變化，對實際檢測各個探測點A掃得出以下結果：

1）60 kg/m鋼軌軌頭和軌腰的缺陷波形為尖峰狀，軌頭裂紋呈單波峰；軌腰穿孔一般取第1周期波形為傷波標準且波幅在基準線4刻度左右，缺陷的波形寬度較小且基本不變，波幅先增大后變小，且變化程度大，鋼軌缺陷通常為氣孔、縫隙、非金屬夾雜等。

2）裂紋傷波的波峰與其他回波波幅相近，難以區分，由于波的多模態和頻散特性，導致信號和波形復雜且變化激烈。

3）60 kg/m鋼軌踏面穿孔呈單波峰形狀且重合于基線；軌底裂紋呈線狀與基準線重合，波幅波寬變化激烈。

4 結語

在鋼軌生產中，應嚴格控制硫、磷含量，從而控制鋼軌塑性、韌性。60 kg/m鋼軌缺陷波形分析，對不規則且無法識別的缺陷，可以進行影響因素的有效分析，從而為60 kg/m鋼軌的生產提供指導經驗，使鋼軌質量得到有效控制，彌補了生產和傷軌判別上的不足。