鋼軌表面細密裂紋渦流檢測評判方法

胡乾午，汪想兵，吳 穩，王鄧志，曾曉雁

（1.華中科技大學武漢光電國家研究中心，湖北武漢 430074；2.中國鐵路武漢局集團有限公司工務處，湖北武漢 4 300712；3.中國鐵路武漢局集團有限公司橋工段，湖北武漢 430061）

0 引言

疲勞和磨損是鋼軌的主要失效形式，重載情況下鋼軌表面的疲勞裂紋較多，磨損量也較大。鋼軌表面的細小裂紋可以通過磨耗去掉，不影響正常使用。按照現行鐵路養護規定，對于深度大于3 mm 的裂紋，必須進行打磨處理；對于磨耗超限又有深裂紋的鋼軌進行下道報廢處理。

激光淬火是提高鋼軌耐磨性的有效方法，國內外學者進行了深入研究[1-2]，目前比較好的方法是通過激光淬火在鋼軌表面形成硬化點陣，這樣可以在保證鋼軌韌性的基礎上提高其耐磨性。激光處理的硬化層深度通常為0.8～1 mm。實際應用中，硬化斑內會出現細小的疲勞裂紋。由于技術原因，目前難以根據渦流檢測信號，區分鋼軌表面存在的細密裂紋與單個裂紋。常規的渦流檢測法或測厚法對密集小裂紋的檢測誤差較大，容易將深度較淺的密集裂紋判定為深度大或超標的裂紋，其可靠性低。

本研究的目的是通過定速渦流探傷法，揭示單個裂紋與簇狀裂紋的波高曲線特征。通過分析不同裂紋檢測波高的變化規律，實現鋼軌表面細小裂紋和簇狀裂紋深度的定量檢測，為鋼軌的養護打磨和安全運行提供參考依據。

1 波高特征曲線研究

使用CTS-608 型數字化渦流檢測儀，配備BSD04D 型筆試探頭。采用優選的檢測參數，其中激勵頻率為500 kHz，增益為19 dB，掃查速度為1 m/min，掃查時探頭垂直于裂紋（夾角90°）。間距大于4 mm 的裂紋，其渦流檢測信號的等效電壓幅值不受相鄰裂紋的影響。黃鳳英[3]的研究也證實了這種現象，這種裂紋定義為單個裂紋。簇狀裂紋定義為間距小于4 mm 的裂紋，此時，相鄰裂紋對渦流檢測信號的等效電壓幅值的影響較大。

根據裂紋的類型不同，將裂紋分為3 類，即A 型單個裂紋，B 型等深度簇狀裂紋，C 型不同深度簇狀裂紋。采用U71Mn 鋼軌材料制作不同裂紋試塊，試塊尺寸為400 mm×70 mm×20 mm，單個裂紋的縫隙寬度為0.2 mm。A 型試塊上，裂紋深度分別為1 mm，2 mm，3 mm，4 mm 和5 mm，裂紋間距為50 mm，A 型單裂紋用A1×z表示，其中，z為裂紋深度。例如，A1×5mm表示深度為5 mm 的單個裂紋。B 型試塊模擬1 mm 深的簇狀裂紋，鋼軌上淬火硬化層的深度小于1 mm，裂紋間距1 mm。B 型簇狀裂紋用Bn×1表示，其中，n 為裂紋個數，例如，B3×1mm表示3 個1 mm 深的簇狀裂紋。C 型試塊模擬B 型密集裂紋的擴展情況，以3 個裂紋為基數，兩個1 mm 深的裂紋中間有一個擴展的裂紋。C 型簇狀裂紋用C2×1+1×z表示，中間裂紋的深度用z 表示。例如，C2×1mm+1×5mm表示兩個1 mm 深裂紋的中間有一個5 mm 深的裂紋。為了方便計算半波寬度，采用峰值擬合法得到不同類型裂紋的檢測波高與時基線的曲線，如圖1 所示。

圖1 不同裂紋探傷信號曲線

（1）A 型單裂紋波高信號特征。根據波高擬合曲線得到的A型單裂紋波高函數見式（1），擬合方差參數R2為0.999。

式中 A（z）——檢測波高

z——裂紋深度

隨著裂紋深度的增加，A 型單裂紋波高的增幅迅速降低。考慮探傷操作時的誤差，以波高導數低于5 為上限，A 型單裂紋探傷靈敏度上限為4.8 mm 深的單個裂紋。B 型裂紋為等深度的密集裂紋，是C 型密集裂紋的特例。

（2）C 型簇狀裂紋波高信號特征。C 型密集裂紋檢測波高和波高導數的曲線如圖2 所示，波高函數見式（2），R2為0.996。波高導數的計算公式見式（3）。

圖2 C 型波高和波高導數的函數曲線

式中 A（z）——檢測波高

z——裂紋深度

A（z）'——波高導數

由圖2 可知，隨著裂紋深度的增加，C 型密集裂紋波高的增幅迅速降低。以波幅導數低于5 為上限，C 型密集裂紋探傷靈敏度上限為簇狀裂紋中有5.3 mm 深的裂紋。

2 裂紋類別區分及計算公式

定速探傷時，定義波高比例因子η 為波高與半波寬的比值。本文中的波高是指單向掃查時橫坐標以上的波高絕對值，剔除了來回掃查時橫坐標以下的參數。密集裂紋與單個裂紋之間的差異表現：一個3 mm 深的A3 型裂紋A1×3mm的波高（141）低于兩個1 mm深的B2 型密集裂紋B2×1mm的波高（147）。另外，隨著裂紋深度的增加，A 型單裂紋的半波寬度值從159.7 ms 逐漸增加到207.4 ms。B型密集裂紋從3 個1 mm 深的B3 裂紋開始，隨著裂紋個數的增加，檢測波高曲線的半波寬度值從221.2 ms 增加到378.7 ms，明顯大于A 型單裂紋的半波寬度值。波高比例因子η 的變化相反，從B3 型密集裂紋開始，隨裂紋數量的增加，η 值從0.84 降低到0.61。C 型密集裂紋從C2 型開始，波高比例因子值η 均大于0.97。

2.1 不同類型裂紋的區分方法

（1）A 型和B 型密集裂紋通過裂紋間距區分，裂紋間距≥4 mm為A 型單裂紋。

（2）A 型單裂紋波高A3≥141 時，裂紋深度≥3 mm。

（3）η≥0.9 為擴展的C 型密集裂紋，η＜0.9 為未擴展的B 型密集裂紋。C1 型密集裂紋就是B3 型密集裂紋，η 值為0.84。

（4）C 型簇狀裂紋C3≥228 時，裂紋深度≥3 mm。

2.2 不同類型裂紋的計算公式

A 型單裂紋深度的計算公式為式（4），C 型密集裂紋深度的計算公式為式（5）。

式中 A（z）——檢測波高

z——裂紋深度

3 細密裂紋檢測分析與探討

3.1 鋼軌表面魚鱗紋檢測

鋼軌魚鱗紋，渦流檢測波高為120，裂紋間距約5 mm，為A型單裂紋，根據式（4）計算出該裂紋深度為2.04 mm。鋼軌表面簇狀裂紋，渦流檢測波高為184，裂紋間距約2 mm，波高比例因子η＜0.9，為B3 或C1 型密集裂紋，根據式（5）計算出該裂紋的深度為1.11 mm。

3.2 鋼軌淬火斑裂紋檢測

如表1 所示，所檢測裂紋的深度均未超過3 mm，為不影響鋼軌使用的安全裂紋。

表1 裂紋檢測結果

4 結論

通過分析不同類型裂紋渦流檢測波高曲線的變化規律，結果表明，一個3 mm 深的A 型單裂紋的波高（141）顯著低于兩個1 mm 深B 型密集裂紋的波高（147），糾正了常規檢測方法中的認識誤區。在分析研究的基礎上，建立了裂紋種類的識別和分類方法。根據擬合函數曲線，得到了A 型單裂紋和C 型密集裂紋波高的計算公式，前者可以方便地計算單個裂紋深度，后者可以計算簇狀裂紋的深度。對激光強化鋼軌的裂紋進行渦流檢測，結果表明淬火斑中裂紋的最大深度為1.29 mm，金相切片分析結果證實裂紋最大深度為1.20 mm。

本研究提供的渦流檢測方法和計算公式，解決了鋼軌表面細小簇狀裂紋的定量檢測難題，對于提高鋼軌表面裂紋的檢測水平具有重要意義。