大準鐵路快速相控陣鋼軌探傷技術研究

邵輝

（神華準能集團有限責任公司，內蒙古鄂爾多斯 017100）

準能集團鐵路運營總里程為502 km，是國家能源集團路網的重要組成部分。準能集團大準（大同—準格爾）鐵路作為國家煤炭系統專用鐵路之一，全長為448 km，承擔著我國西煤東運的重要任務［1］。自1995年運營以來，大準鐵路累計發送貨物8.5 億t，2015 年年運量首次突破1 億t。作為全國首開萬噸列車的鐵路，大準鐵路依靠其獨特的區位優勢，在國家能源集團一體化發展和國家交通網戰略部署中占據著重要地位。

隨著大準鐵路運量逐年增加，該重載線路因軸重大、行車密集，軌頭區域極易產生核傷等病害［2-3］，危及行車安全。目前，大準鐵路主要采用基于常規超聲的手推式數字超聲波探傷儀，利用列車間隔或天窗點進行作業。未來隨著大準鐵路重載運輸的進一步發展，人工作業方式已無法滿足鋼軌探傷需求，亟需一種新型探傷設備代替大部分人工作業，改變人工探傷作業效率低、成本高、風險高的現狀［4-5］，實現鐵路鋼軌探傷機械化、現代化和信息化。

1 大準鐵路鋼軌檢測現狀

大準鐵路鋼軌探傷目前采用邢臺先鋒超聲電子有限公司生產的GCT-8C型數字超聲波探傷儀進行作業。該探傷儀基于常規超聲技術，有9個檢測通道，具備超聲波A 型脈沖和B 型圖像同屏、同步、分區顯示，探頭自動檢測，GPS 缺陷定位等功能。

探傷作業人員分為內外2 部分。內部有3 個探傷班組，探傷人員共計30 人；委外的有7 個班組，探傷人員共計65 人。依據設備故障的“浴盆曲線”規律安排探傷周期，對大修換軌初期和超過大修周期的鋼軌進行加密探傷。以大準鐵路為例，單線地段正線及道岔上行線探傷密度為52 次/年（每周1 次），下行線為26次/年（每2 周1 次）；大修完成地段上下行線的探傷密度分別為18 次/年。自2006 年鋪設無縫線路以來，共發現重傷鋼軌3 320 處。其中鋼軌核傷約占鋼軌傷損的60%，螺孔裂紋約占21%，軌頭掉塊占16%，其他傷損約占3%。軌頭缺陷是主要傷損類型。

大準鐵路過度依賴人工探傷，檢測速度慢，僅2～3 km/h，檢測周期長，且需投入大量人力，增加探傷成本。此外，天窗點和年運量矛盾日趨增加，而利用列車間隔作業亦存在安全隱患。因此，為保證運營安全，節約探傷成本，須引入大型探傷車替代人工檢測。

2 國內外探傷車對比

2.1 國內探傷車

我國鐵路自20 世紀90 年代初開始引進大型鋼軌探傷車。目前全國高速鐵路、客運專線等200 km/h 以上的高等級線路已全面采用美國進口的大型鋼軌探傷車進行檢測［6］，且國內各鐵路企業（包括朔黃鐵路公司、神朔鐵路公司）也逐漸引進了該大型鋼軌探傷車，并取得了一定的使用效果。截至到2016年底，我國鐵路在役鋼軌探傷車57 臺，其中40 km/h 等級1 臺，60 km/h等級24臺，80 km/h等級32臺。

對鐵路總公司所屬鐵路以及開行重載列車的地方鐵路的調研發現，國內大型鋼軌探傷車均采用常規超聲波探傷技術。雖然此類設備在現場實際運用中對軌腰縱向水平裂紋、螺栓孔裂紋等傷損檢出率基本能夠達到70%～80%，但受現有常規超聲波探傷技術及探頭布置的局限以及對中不良等因素的制約，該類探傷車對重載線路鋼軌軌頭核傷檢出率較低，尤其是對于75 kg/m 鋼軌檢出率普遍只能達到30%～40%。在役探傷車只能作為人工探傷的輔助和補充手段，主要存在4 點因素制約其在鐵路的發展與運用，分述如下。

2.1.1 對中效果不佳

在不平順及磨耗嚴重線路探傷時，探輪會產生上下跳動和左右晃動，伴隨A 顯示波器的界面波、監視波、底波等劇烈抖動，導致出現對中不良現象，造成核傷漏檢。根據核傷檢測原理，前后偏斜70°探頭主要通過二次波在軌顎的反射覆蓋軌距角處核傷。如果探輪對中發生偏離，則聲束在軌面入射點位置發生變化，導致二次波在軌顎的反射點發生偏移，無法覆蓋到軌距角等區域，造成核傷漏檢。不同偏移量下超聲波傳播如圖1所示。

圖1 不同偏移量下超聲波傳播示意

2.1.2 兼容性差

重載鐵路上行線為75 kg/m 鋼軌，而下行線大多為60 kg/m 鋼軌。不同軌型的軌顎傾斜角和軌頭高度不同，其中60 kg/m 鋼軌軌顎傾角18.4°，軌頭高度42.6 mm；75 kg/m 鋼軌軌顎傾角 14.0°，軌頭高度50.5 mm。針對不同軌顎傾角和軌頭高度，探頭須采用不同傾斜角進行檢測方能達到最佳效果。而既有探傷車探頭被固定在探輪上，其傾斜角是固定的，無法適應不同軌型、不同磨耗鋼軌的探傷。70°探頭晶片傾斜角為17.5°，當檢測60 kg/m 鋼軌時效果較好；而檢測75 kg/m 鋼軌時超聲波經鋼軌下顎部位反射后，二次波不能有效覆蓋軌距角范圍，造成漏檢，如圖2所示。

圖2 不同軌型及打磨量下超聲波傳播示意

2.1.3 檢測速度受限

我國現有探傷車多數采用輪式探頭進行探傷，超聲波在探輪和鋼軌內傳播時，超聲波聲程由探輪聲程L1和鋼軌聲程L2（一次波或二次波）組成。輪式結構聲束傳播如圖3所示。

圖3 輪式結構聲束傳播示意

根據75 kg/m 鋼軌高度和探軌高度計算輪式結構超聲波傳播時間，結果見表1。可知37°通道具有最大聲程，時間為250.0μs。

表1 輪式結構超聲波傳播時間 μs

為避免相鄰2 次超聲波發射周期之間產生干擾，超聲波換能器連續發射時，最小發射間隔時間應大于250 μs，則超聲波發射的最大重復頻率為4 000 Hz。為滿足我國探傷車靈敏度要求，國家標準規定超聲波發射重復頻率應滿足掃查間距不大于6 mm。因此，輪式探頭在6 mm 采樣間隔下理論最大檢測速度為86.4 km/h。探輪內聲程占探傷總聲程近2/5，嚴重浪費聲束能量和有效探傷時間，制約輪式探傷車提速，無法達到我國探傷車理想檢測速度80～100 km/h。

2.1.4 信號易串擾

探輪內部包含多種角度和頻率的超聲波換能器，外部包裹透聲的橡膠外膜，輪內充滿用于超聲波傳輸的耦合液。當探輪高速旋轉時，液體會強烈擾動并伴隨發熱現象，形成干擾信號。當耦合良好時，探頭發射的超聲波經耦合液、探輪外膜順利進入到鋼軌內部，在鋼軌與探輪界面發生反射的聲束較少。當耦合不佳時，在鋼軌與探輪界面發生反射的聲束增多且被相鄰晶片接收到從而形成干擾；或在等距觸發模式下，當探傷速度發生突變時，因在鋼軌與探輪界面發生反射的聲束沒有足夠衰減時間，從而導致相同晶片接收到幻影波形成干擾。

2.2 國外探傷車

國際上主流的大型超聲波鋼軌探傷車主要來自于歐美、俄羅斯等國家或地區，依據探頭不同的布局和安裝方式分為滑靴式、輪式和皮帶輪式3種。

傳統的滑靴式鋼軌探傷車其探頭布局方式簡單，但不適用于普通線路，對接頭錯牙要求高，且硬接觸造成軌面包裹性差。輪式鋼軌探傷車與滑靴式相比，在保護探頭晶片的同時對鋼軌表面的包裹性更佳，但長期使用中發現該探傷車受探頭布局及安裝方式的局限，存在對中不良、易扎輪等問題。瑞士Speno 公司從20 世紀60 年代開始生產大型鋼軌探傷車，在滑靴式探傷車領域處于行業領先地位；如今兼顧滑靴式與輪式優勢而研制開發了新型皮帶輪式鋼軌探傷車，該探傷車不會出現扎輪停車等問題，同時采用自動伸縮軸式機械對中方式，從而在高速運動過程中保持對中效果穩定。

上述國內外現有鋼軌探傷車主要采用常規超聲波探傷技術，由于聲束角度單一、覆蓋區域有限等原因，鋼軌傷損檢出率較低，尤其是對軌頭核傷的漏檢率較高。因此，目前基于常規超聲波探傷技術的鋼軌探傷車無法滿足我國重載鐵路鋼軌探傷的需求。

3 相控陣鋼軌探傷技術

相控陣超聲波探傷技術最早應用于醫學、軍事等領域，從21世紀開始逐漸應用到工業領域。該技術可實現多角度掃查、動態偏轉、聚焦等功能，相比常規超聲波探傷技術其檢測靈活性更好，掃查覆蓋區域更廣，缺陷檢出率更高，并已成熟運用于鐵路車輪、車軸、鋼軌焊縫等探傷領域［7-9］。圖4 為既有成熟車輪、車軸相控陣探傷設備。

圖4 既有成熟車輪、車軸相控陣探傷設備

2015 年，瑞士Speno 公司開展基于相控陣技術的大型鋼軌探傷車研發，并在澳洲Rio Tinto 鐵路公司成功運用。但由于澳洲與我國在重載線路氣候條件、運營狀態、主要檢測缺陷類型等方面均不相同，該探傷車無法滿足我國重載鋼軌檢測需求。因此亟需研發一款適應我國重載鐵路的高速（80 km/h）新型相控陣鋼軌探傷車。

相控陣探頭具備多角度多方向的掃查能力，如圖5 所示。其不必更換探頭即可同時滿足43，50，60，75 kg/m 等不同型號的有縫、無縫鋼軌探傷需求，提高探傷效率和缺陷檢出率，解決現有鋼軌探傷因對中不良、軌型無法兼容等造成的核傷漏檢問題。

圖5 相控陣探頭聲束掃查示意

經理論和試驗驗證，當相控陣探頭折射角為70°時，為保證檢測效果最佳，檢測60 kg/m 鋼軌時最佳偏轉角為15.8°，檢測75 kg/m 鋼軌時最佳偏轉角為11.2°，見表2。使用相控陣超聲波探傷技術可產生0°～30°范圍內任意偏轉角度，滿足現實中的檢測需求。

表2 不同折射角探頭檢測不同軌型鋼軌時最佳偏轉角 （°）

目前普通相控陣技術可以通過生成多個聲束而實現鋼軌軌頭全覆蓋檢測，但因數據處理硬件和系統脈沖觸發周期的限制，采用串行方式激發不同角度聲束時，若激發聲束越多則檢測周期越長，導致探傷速度很難達到40 km/h，難以滿足國內高速檢測的需求。為實現高速、高效、高檢出率的探傷目標，引入快速相控陣技術。快速相控陣技術聲束發射模式如圖6 所示，該技術通過相控陣探頭在1 個脈沖觸發周期內產生多個不同角度聲束，然后接收所有通道的缺陷回波信號進行并行實時處理，可將數據處理速度提高到普通相控陣技術的8 倍以上（快速相控陣技術激發8 個角度聲束的時間是普通相控陣技術激發8個角度聲束的時間的1/8），理論檢測速度可達110 km/h以上。

圖6 快速相控陣技術聲束發射模式

相比既有大型鋼軌探傷車，基于快速相控陣技術的新型相控陣鋼軌探傷車從檢出率、兼容性、探傷效率等各方面更具優勢和推廣價值。

基于快速相控陣技術的大型鋼軌探傷車可連續檢測350 km 及以上線路，檢測速度可達80 km/h 及以上。按檢測速度80 km/h計算，應配置30名操作人員，預計年節省成本600 萬元以上。此外，相控陣探頭掃查角度靈活可調，一套系統即可滿足不同需求，將帶來上千萬的附加價值。此外，系統具備自學習功能，可輔助人工探傷，提高數據分析效率，進一步縮短探傷時間。

4 結語

大準鐵路聯合國內優秀相控陣集成設備開發企業共同研發滿足我國重載鐵路鋼軌探傷需求的基于快速相控陣技術的探傷車，以解決現有鋼軌探傷車存在的傷損檢出率低、對中不良等問題，并兼顧重載鐵路60，75 kg/m 軌型的檢測需求，同時具備智能判傷、實時報警、直觀顯示等功能。通過使用該新型鋼軌探傷車可大大減少人工作業量，從而實現減少用工、降低探傷成本的目標。

本項目的成果可在國家能源集團鐵路系統及國內其他重載鐵路推廣應用，對提升我國重載鐵路行業裝備技術水平具有重要意義。