鋼軌探傷車軌底閘門的靈敏度動態設置方法

趙波 陳東文 李培

（1.北京鐵科英邁技術有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司基礎設施檢測研究所，北京 100081）

軌底橫向傷損是鋼軌服役中的常見傷損，也是鋼軌防斷工作的重點。大型鋼軌探傷車采用37.5°超聲波通道對軌底橫向傷損進行檢測[1]。檢測時，動態增益調整操作一般按最大增益原則調整37.5°監視閘門，至出現雜波后降低3 dB，軌底閘門參照監視閘門增益進行設置[2]。實際操作時，沒有嚴格的增益設置標準，不同操作員對出現雜波這一標準的理解不同。調整增益太大會導致雜波增多，增大回放工作量，傷損誤判增多，嚴重時會導致死機而丟失數據；增益太小又容易出現漏檢。若輪式探頭的晶片發生老化，其增益控制更難把握。

本文從37.5°超聲波通道檢測原理及回波聲壓分析出發，提出了以正常螺孔的超聲波B型圖出波點數及對應增益值作為參考來調整37.5°超聲波通道軌底閘門增益的方法，并對有效檢出軌底橫向傷損時監視閘門和軌底閘門增益值的最小相對差值進行了分析。

1 檢測原理

1.1 37.5°超聲波通道在鋼軌中的聲場分布

GTC-80型鋼軌探傷車37.5°超聲波換能器沿鋼軌橫向長約13 mm，沿鋼軌縱向長約19 mm，安裝在前后2個探輪中。37.5°超聲波在探輪耦合液中為縱波，經探輪外膜/鋼軌界面折射后產生橫波進行探傷。37.5°超聲波換能器中心距離鋼軌入射點48 mm，入射到鋼軌后的主聲束折射角為37.5°，頻率為2.25 MHz。縱波在探輪液中的聲速為1.7 mm/μs，橫波在鋼軌中的速度為3.26 mm/μs。波長λ=1.45 mm。

沿縱向長4.0 mm的37.5°超聲波聲束從鋼軌踏面進入鋼軌，在鋼軌中的聲場分布見圖1。進入鋼軌后，主聲束折射角θ0=37.5°，主聲束下半擴散角θ1=31.3°，主聲束上半擴散角θ2=44.1°，顯然，θ2>θ1。鋼軌中不同深度的聲束覆蓋寬度不同。長度為L的螺孔下裂根部與鋼軌踏面的垂直距離x下為106.4 mm，超聲波聲束在該深度的有效覆蓋長度為52.3 mm

圖1 37.5°超聲波通道在鋼軌中的聲場分布（單位：mm）

1.2 軌底橫向傷損檢測原理

軌底橫向傷損一般由軌底垂直向鋼軌內部發展。檢測軌底橫向傷損時，37.5°超聲波通過端角反射方式接收到軌底橫向傷損反射的超聲波回波信號，檢測原理如圖2所示。超聲波橫波進入鋼軌軌底時，入射角為52.5°，大于鋼軌-空氣界面的第三臨界角33.16°。因此，在端角反射過程中，橫波為全反射[3]，即端角反射率為100%。圖2中，LF為橫波的有效反射面長度，L投為等效反射面長度，h為缺陷高度。

圖2 軌底橫向傷損檢測原理

2 軌底橫向傷損檢測方法

2.1 等效計算

GB/T 28426—2012《大型超聲波鋼軌探傷車》規定，鋼軌探傷車檢測的螺孔裂紋長度為8 mm。螺孔裂紋包括螺孔上裂和螺孔下裂。由于相同長度的螺孔下裂檢測時所需的增益較大，本文以螺孔下裂為參照，分析37.5°超聲波對高4 mm的軌底橫向傷損的檢測能力。

選用60 kg/m鋼軌進行計算。鋼軌高h0=176mm，軌腰寬w=16.5 mm；螺孔直徑Df孔=31 mm，螺孔中心距軌面深h孔=97 mm。

將螺孔反射聲壓等效為螺孔下裂（長度為L1）的反射聲壓[4]。螺孔下裂的反射聲壓P'f下表達式為

式中：P0為聲源的起始聲壓；FS為晶片波源面積；Ff下為螺孔下裂面積，Ff下=wL1。

螺孔反射聲壓Pf孔的表達式為

式中：lf孔為螺孔長度，lf孔=w；x孔為h孔在有效反射面上的投影長度，x孔=h孔/cos37.5°。

等效后，有

聯立式（1）—式（3），代入參數，即可求得L1=4.03 mm。因此，對于60 kg/m鋼軌，37.5o超聲波檢測時螺孔的反射聲壓可等效為長4.03 mm的螺孔下裂的反射聲壓。

同理，將高4 mm的軌底橫向傷損的反射聲壓等效為螺孔下裂（長度為L2）的反射聲壓，可求得L2=2.40 mm。因此，高4 mm的軌底橫向傷損可等效為長2.40 mm的螺孔下裂的反射聲壓。

2.2 軌底閘門與軌腰監視閘門的增益差

為檢測高4 mm的軌底橫向傷損，將橫向傷損的反射聲壓Pf底與長8 mm的螺孔下裂的反射聲壓Pf下進行對比。在忽略鋼軌中超聲波能量衰減的條件下，二者的增益差值Δ表達式為

代入參數，可算出Δ=-10.5dB。因此，檢測高4 mm的軌底橫向傷損所需增益值比檢測長8 mm的螺孔下裂所需增益值高10.5 dB。

2.3 軌底橫向傷損超聲回波顯示點數

在實際線路中，并不存在螺孔下裂可供動態調整靈敏度使用[5]，須通過螺孔超聲波反射形成的B型圖顯示點數判斷增益值是否合適。因此首先要明確在檢測長8 mm螺孔下裂時螺孔的超聲波B型圖顯示點數的特點。

鋼軌探傷車檢測速度不同時，超聲波掃查間距不同。低速檢測時，掃查間距為0.8 mm；高速檢測時，掃查間距最大為5.6 mm。

由37.5°超聲波聲束在鋼軌中的聲場分布（參見圖1）可知，長8 mm的螺孔下裂在水平方向的等效反射長度為12.7 mm。高速檢測時，按掃查間距5.6 mm計算，長8 mm的螺孔下裂最多被掃查的次數n1=（52.3+12.7）/5.6≈11次。

高速檢測時，等效為長4.03 mm的螺孔下裂的螺孔最多被掃查的次數n2=（52.3+6.4）/5.6≈10次。

考慮到現場檢測，軌腰監視閘門閾值一般設為40%，螺孔在超聲波B型圖上顯示出的點數最多為N=10×（1-40%）=6。因此，高速檢測時，螺孔在超聲波B型圖上顯示點數為6個時，可以檢測出8 mm的螺孔下裂，且螺孔下裂顯示點數為6個以上。

不同檢測速度下的掃查間距不同，相應的螺孔的B型圖顯示點數不同[6]。不同檢測速度下，螺孔、長8 mm的螺孔下裂、高4 mm的軌底橫向傷損的顯示點數見表1。

表1 不同檢測速度下各反射體可顯示的點數

2.4 37.5o超聲波通道軌底閘門的靈敏度動態設置

在鋼軌探傷車動態檢測過程中，可調整37.5°超聲波通道監視閘門的增益，使螺孔B型顯示中的點數符合表1中對應速度下的點數，此時監視閘門的增益可確保檢測到8 mm當量的螺孔下裂傷損。37.5o軌底閘門的增益需在監視閘門增益的基礎上增加10.5 dB，才可檢測高4 mm的軌底橫向裂紋傷損。由于現場鋼軌軌底存在不同程度的銹蝕，為避免過多誤報，可視雜波情況在理論計算值10.5 dB基礎上適當下浮，下浮最多不能超過3.0 dB。因此，實際線路檢測過程中，軌底閘門應比監視閘門高7.5～10.5 dB。

3 適用性及可靠性驗證

為驗證軌底橫向傷損檢測靈敏度動態設置方法對不同檢測線路的適用性及不同檢測速度下軌底橫向傷損在B型圖上顯示點數的可靠性，分別在低速實驗室、既有線路上的標定試驗線、高速鐵路實際線路上進行了測試試驗。

3.1 低速檢測時的適用性及可靠性

在低速實驗室進行試驗，閘門設置為40%。檢測速度v=9.01 km/h時，螺孔和螺孔下裂在超聲波B型圖的顯示見圖3。其中螺孔的顯示點數是22個，螺孔下裂的顯示點數是24個，與表1的計算結果相符。可見，該靈敏度動態設置方法適用于低速檢測狀態，檢測結果可靠。

圖3 低速檢測時螺孔和螺孔下裂的B顯圖形

3.2 在既有線路上的適用性及可靠性

為了驗證軌底橫向傷損檢測靈敏度動態設置方法對高4 mm的軌底橫向傷損的檢出效果，在標定線上進行了試驗。采用軌腰監視閘門增益增加10.5 dB作為軌底監視閘門的增益，不同檢測速度下的軌底橫向傷損在超聲波B型圖的顯示見圖4。可知，各檢測速度下的軌底橫向傷損顯示點數均與表1計算結果相符。可見，該靈敏度動態設置方法適用于既有線路，檢測結果可靠。

圖4 不同檢測速度下高4 mm的軌底橫向傷損B顯圖形

3.3 在高速鐵路線路上的適用性及可靠性

為驗證軌底閘門的靈敏度動態設置方法在高鐵線路上的適用性并確定其參數設置的邊界條件，在某高速鐵路線路上進行了實際線路檢測，檢測出的一處軌底橫向傷損見圖5。檢測速度v=65.89 km/h。

圖5 高速鐵路軌底橫向傷損的B顯圖形

由圖5可知：附近螺孔顯示點數為7個，與表1計算結果相符；左側前后向37.5°都有顯示，且符合同一部位的反射信號在B型圖上的點一定交叉的規律。

回放時對檢測所用的增益值進行分析。

1）左前（紅色點）37.5°監視和軌底閘門增益差6.2 dB，B型圖上顯示點數為2個。由于大型探傷車的判傷原則中2個點不能確認是傷損走勢，所以認為增益差6.2 dB不能構成增益差的邊界值。

2）左后（白色點）37.5°監視和軌底閘門增益差7.7 dB，B型圖上顯示點數為3個。根據表1，檢測速度為65.89 km/h時應出現4個點，卻只出現了3個。這是因為增益值只增加了7.7 dB，沒有達到10.5 dB的要求。但是，7.7 dB已經能夠滿足判傷需要，且滿足10.5 dB下浮未超過3.0 dB的要求，增益值的差值和顯示的點數符合動態增益設置方法的推理要求。由于3個點可以認為傷損已經形成走勢，滿足判傷的最低要求，因此，7.7 dB的增益差可以構成參數設置的邊界條件。復核時所拍對應部位軌底照片（圖6）證實了檢測結果的可靠性。

圖6 實拍高速鐵路軌底橫向傷損

綜上，軌底閘門、監視閘門增益設置能夠檢測到軌底橫向傷損，探傷車報警傷損也經小探傷儀復核確認。對于高速鐵路線路，37.5°超聲波通道監視閘門、軌底閘門靈敏度動態設置方法有效可行。

4 結語

為解決鋼軌探傷車檢測過程中37.5°超聲波通道增益動態設置難題，本文分析了37.5°超聲波通道在鋼軌中的聲束分布及軌底橫向傷損的檢測原理，將螺孔、軌底橫向傷損等效為螺孔下裂，計算出超聲波B型圖上顯示的理論回波點數，得出高4 mm的軌底橫向傷損與8 mm螺孔下裂檢測時的增益差值，提出了37.5°靈敏度的動態設置方法，即以動態檢測時螺孔在不同檢測速度和掃查間距下出現合理回波點數時的增益值為基礎，增加7.5～10.5 dB作為軌底橫向傷損檢測時的增益值。

通過在低速實驗室、既有線路上的標定試驗線及高鐵實際線路進行應用試驗，驗證了該動態增益設置方法可行，能夠有效檢出實際線路中的軌底橫向傷損。