基于鋼軌探傷試驗標定線的設計研究

張琦，金振山，傅強，郝晉斐

（1.中國鐵路北京局集團公司地下直徑線工程項目管理部，北京 100016；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 100089）

1 背景介紹

截至2019年年底，目前全國鐵路運營總里程已達13.9萬km，其中高鐵運營里程為3.5萬km，中國鐵路總公司頒布的《普速鐵路線路修理規則》中規定了正線線路和道岔（調節器）的鋼軌探傷周期，定期開展探傷檢測。

在現有探傷體系中，高速高速鐵路采用探傷車為主，探傷儀為輔的檢測模式，而普速鐵路采用探傷儀為主、探傷車為主的檢測模式，隨著鐵路建設里程的不斷增加，鋼軌探傷需求總里程也隨之增加，同時，隨著國鐵集團提出“減員增效”的理念，探傷任務的增加和投入人員減少的矛盾愈發突出，從2015年起國鐵集團開始研究鋼軌探傷車在普速鐵路上的適用能力并考慮在普速鐵路周期替代鋼軌探傷儀的可能性。

截至2020年年初統計，國內鋼軌探傷車生產廠家（如金鷹重工、寶雞中車時代）建設了18條滿足不同標定速度的試驗標定線。這些標定線在設置的人工傷損種類和數量上都較路局鋼軌探傷車標定線有了很大的提升，但仍存在線路條件設定理想和人工傷損軌鋪設在直線段等問題，無法對鋼軌探傷車在實際工況條件下線路的傷損檢測能力進行評價。

2 鋼軌探傷試驗標定線的建設現狀與設計要求

2.1 現行關于鋼軌探傷車超聲檢測系統性能的規定

根據目前印發的《鋼軌探傷車運用管理辦法》（TG/Gw218-2017）和《大型鋼軌探傷車》（GB/T 28426-2012）中對于鋼軌探傷車超聲檢測系統性能的規定，目前，國內在役使用鋼軌探傷車可以分為GTC-40型、GTC-60型和GTC-80型，檢測項目一般包含軌頭橫向裂紋、軌頭軌腰縱向裂紋、螺孔裂紋、閃光焊、氣壓焊接頭軌頭核軌腰疲勞傷損等。探傷車采取動態標定的方法，對試驗線路的人工傷損進行連續不間斷10次檢測，統計平均檢出率、誤報率。平均檢出率大于80%且平均誤報率小于20%，則動態標定合格。

2.2 試驗標定線建設的必要性

鐵科院目前擁有一臺鋼軌探傷車，在承擔全路鋼軌探傷監督檢測任務的同時還負責全路探傷檢測系統的年檢評定、探傷車運用檢查等工作，在對全路鋼軌探傷工作進行技術指導同時卻并沒有配備全路最先進的鋼軌傷損試驗標定線。

一方面，國內目前現有的傷損試驗標定線中人工傷損的設置模擬尺寸較大，位置也多為平坡直線段，探傷系統實際線路所設置的參數很難應用到標定線上，指導作用有限，功能相對單一，無法進行預期的探索鋼軌探傷車能力的試驗。

另一方面，目前在環行鐵道基礎設施檢測試驗室旁的調車線鋪設2組人工傷損軌最高試驗速度小于10km/h。人工傷損的種類、數量和試驗速度均與標準存在較大差距。

因此，建設一條具備各類常見傷損、各種尺寸傷損、符合現場線路幾何條件的傷損試驗線，為驗證各類鋼軌探傷新技術的檢測性能，并對現有鋼軌探傷技術提供改進方向，是十分必要的。考慮到未來各類新技術的應用和探傷要求的持續提高，傷損試驗線的建設要求必須充分借鑒國內外現有傷損標定線、試驗線的經驗，具備超前性。

2.3 試驗標定線的設計要求

依據《大型鋼軌探傷車》（GB/T 28426-2012）結合現有鋼軌探傷車超聲檢測系統的年檢評定工作，鋼軌探傷試驗標定線要滿足在檢測運營時速達到80km/h，人工傷損種類和數量要滿足國標中的要求。

同時，為滿足鋼軌探傷技術發展驗證需要，為以后更加全面地評價鋼軌探傷車不同工況、線路條件下的超聲檢測能力，還應在以上傳統試驗標定線要求基礎上增加以下設置。

（1）設置更加豐富的人工傷損，更好地評判鋼軌探傷車檢測能力。其中，設置多種類型不同尺寸的人工傷損用來模擬軌頭核傷、螺孔裂紋、軌顎傷損和軌底傷損等，對超聲檢測系統的檢測能力進行探索和分析。

（2）增加自然傷損設置，自然傷損取材現有從各鐵路局中發現并保存下來的，難以加工、無法模擬的傷損，使探傷檢測更為貼近現實情況。

（3）傷損區的設置不同于其他傷損線，除了直線段外，在曲線段也要設置傷損區段，用以評價鋼軌探傷車在曲線段的檢測能力。

（4）設置軌道不平順模擬實際線路狀況。其中設置軌距、軌向、高低、三角坑等模擬真實的檢測線路條件，對超聲探頭對中效果進行評價。

（5）設置有縫區段和無縫區段。

3 鋼軌探傷試驗標定線的建設研究方法

3.1 線路選取

目前，鐵科院東郊分院小環復線處于停用狀態，符合《標準軌距鐵路機車車輛限界》（GB 146.1）的車輛均可在小環復線上開展相關試驗，可用來建設鋼軌探傷試驗標定線。圖1為國鐵集團鋼軌探傷車示意圖，虛線輪廓所示范圍滿足GB 146.1限界要求。

圖1 國鐵集團鋼軌探傷車滿足GB146.1限界

小環復線的起止里程為K5+113.92和K7+717.91，線路總長2.604km。其半徑R350m 曲線區段超高125mm，限速70km/h；半徑R600m曲線區段超高80mm，限速80km/h。滿足鋼軌探傷車最高檢測速度控制在曲線半徑1/10范圍內的要求，可分別在R350m和R600m曲線段鋪設傷損軌。

獨立軌道長度2.419km，全線平坡，軌道結構為60kg/m-25m標準鋼軌。夾直線長度為1473m。直線長度滿足80km/h試驗速度的要求，可在直線段鋪設傷損軌。小環復線及試驗傷損布置示意如圖2所示。

圖2 小環復線和試驗標定線選址示意圖

因此，對小環復線對相關線路進行維修作業，更換失效零部件，開展道床清篩及補砟、線路沉落修整等線路整備施工后，使線路軌道靜態幾何尺寸不平順容許偏差管理值滿足《普速鐵路線路修理規則》（TG/GW 102-2019）中“80km/h＜υmax≤120km/h正線”速度等級的作業驗收值標準。

3.2 線路整備

（1）線路病害設置。預設軌道不平順等線路病害來模擬實際線路，全面考察鋼軌探傷車的檢測能力。按照預設要求計劃在小環復線的K5+400～K7+100范圍預設靜態軌道幾何大值不平順。

（2）無縫改造。通過將小環復線的部分有縫線路采用現場焊的方式改造為無縫線路，實現對無縫線路的工況模擬，考察鋼軌探傷車在無縫線路的檢測能力。計劃在小環復線的K6+100～K5+700范圍改造成無縫線路，改造后的無縫線路長度400m。

（3）線路探傷。小環復線上的鋼軌來源于大環線上的服役軌，其使用年限不詳；線路上可見多處鋁熱焊縫、存在軌面磕損等病害（見圖3）。應對小環復線的線路開展探傷，以掌握線路中存在的傷損，并根據傷損嚴重程度，進行換軌和傷損加固等作業，確保非傷損設置區域內無不可控傷損存在。

圖3 軌面病害類型圖

（4）安裝射頻標簽。小環復線設置有公里標和百米標，未設置里程定位標簽。考慮到后續鋼軌探傷車的標定和試驗，應在小環復線的起止端和中間位置（K5+200、K6+300、K7+500）共設置3處射頻標簽。

（5）設置標識。對于鋪設完傷損軌的區段，應設置相關標識，便于區分。應對直線段和曲線段的3處傷損設置區域進行軌枕涂色（如涂刷白漆）和樹立標識牌等，方便區分傷損區域和控制標定速度。

4 試驗標定線的傷損設置和實施

鋼軌探傷試驗標定線的設置傷損分為人工傷損和自然傷損。為了更好地模擬實際線路狀況，更直觀地反映探傷車超聲檢測系統對傷損的檢出能力，在本條設計的試驗標定線上，區別于目前現有的傷損試驗標定線，在兩端曲線段也設計安裝了人工傷損軌，人工傷損用來模擬軌頭核傷、螺孔裂紋、軌顎傷損和軌底傷損等。自然傷損，用來實現對難以加工、無法模擬傷損的覆蓋。

4.1 人工傷損設置

人工傷損設置類型包括軌頭橫孔、軌頭斜孔、螺孔斜切槽、軌頭平底孔、軌顎切槽、螺孔水平切槽和軌底切槽等人工傷損類型，用來模擬軌頭、軌腰和軌底的傷損。計劃設置3組相同的人工傷損軌，分部在曲線350m（K5+400～K5+300）、直線（K6+400～K6+300）和曲線600m（K7+200～K7+100）區段。每組人工傷損軌設置194個人工傷損，每組人工傷損軌由8根傷損軌組成（左右各4根25m鋼軌），圖4為人工傷損示意。人工傷損的設置除了滿足國標中對于人工傷損的尺寸和類型要求外，還考慮在現有國標傷損類型下，增加設置尺寸更小的人工傷損，進一步探索鋼軌探傷車在不同工況下的檢測能力和不同超聲檢測設備試驗考察的能力。同時，在曲線處設置人工傷損，也有利于進一步測試鋼軌探傷車在不同速度條件下通過小半徑曲線時的傷損檢測能力，同時增加對超聲探頭對中效果進行評價的能力。

圖4 裂紋位置定義圖

與原來國標中的人工傷損相比，增加了考察的數量、種類和不同的規格，可以更好地區分不同探傷車超聲檢測系統的差異，同時，為了更加貼合實際線路檢測情況，不同于其他傷損試驗線路把人工傷損基本設置在平直線路的做法，在環鐵傷損試驗線路兩端的曲線上也設置了兩組人工傷損，用以模擬在高鐵線路探傷時，經過曲線時的檢測效果。R600曲線基本滿足高速線路探傷檢測要求，R350曲線基本可以滿足既有線路的探傷檢測要求。人工傷損線段也是從有鋼軌傷損模具制作資質的廠家處購買，進行鋪設。

4.2 自然傷損設置

自然傷損類型包括焊縫傷損、軌頭淺表層傷損、軌頭核傷和軌底傷損等。自然傷損軌計劃設置在直線段K6+500～K7+000。自然傷損軌收集鐵路局集團公司的包含典型傷損的在役鋼軌和現存于小環復線的典型傷損鋼軌，可實現對鋼軌探傷車就人工傷損軌無法模擬的傷損檢測能力試驗和驗證。已收集自然傷損軌為自然傷損的現場截取鋼軌，兩端采用螺栓孔和試驗標定線連接。計劃設置4根母材自然傷損和4根焊縫自然傷損，其中，母材自然傷損示意圖見圖5，焊縫自然傷損示意圖見圖6。

圖5 母材軌頭核傷

圖6 焊縫軌頭核傷

需要說明的是，自然傷損的選取，還需要經過靜態狀態確認，需要有探傷資質的人員，用探傷小車、手動探傷儀等精度較高的超聲探傷設備進行人工確認復核，并對每個自然傷損出具對應探傷報告。

5 結語

隨著我國鐵路運營里程的不斷增加，需要進一步發揮鋼軌探傷車檢測速度快、效率高的特點，提高其適用范圍和使用頻率，以代替日益緊張的探傷人員短缺問題，而貼合實際線路情況，更好地指導鋼軌探傷車搭載的超聲檢測系統的設置、探索鋼軌探傷車不同工況。線路條件下的檢測能力就顯得尤為重要，更高標準的探傷試驗標定線的建設和使用，為解決上述問題提供了試驗的平臺和可能。同時，進一步統一檢測標準還需要后續探傷試驗標定線的檢測數據作為支撐，人工傷損的大小和類型也需要進一步細化和改進。