超声波在钢轨探伤中的应用

超声波在钢轨探伤中的应用

李盼

中国铁路北京局集团有限公司石家庄工务段 河北 石家庄 050091

摘要：在电子技术快速发展下，以及对超声波技术深入研究，超声波探伤技术现已成为无损检测的主要方法。超声波钢轨探伤主要是一门重视理论和实践的学科，超声波钢轨探伤仪应用就成为钢轨探伤的主要发展，也是必然结果。从事钢轨探伤工作人员还需要抱着强烈的求知欲望，对钢轨探伤知识的学习，熟悉有关规范，进而不断积累经验，在超声波钢轨探伤过程中创造出更加宽广的天地。本文主要从作者实际工作经验入手，分析超声波在钢轨探伤阶段的应用，希望对有关从业人员带来帮助。

关键词：超声波；无损检测；钢轨探伤

前言：超声波的探伤主要是钢轨上线运营之后内部质量监测的主要手段，在地铁和铁路开通里程不断增长下，运输密度不断提升，对于钢轨使用状态要求更加严格。监控轨道交通线路钢轨内部质量，还需要对其钢轨探伤技术不断改进，采用先进的探伤设备。下面就对其进行分析。

1钢轨探伤技术在铁路运输中的重要性
        随着铁路事业的发展,运用总里程目前14万公里以上，其中高铁3.7万多公里居世界第一,但一些线路钢轨已严重疲劳,这样对铁路线路日常维护和保养提出了更高的要求,尽管正线已更换为60kg/m无缝钢轨,但种种因素导致线路上的钢轨在超期服役,给行车安全带来了极大地挑战。如何解决钢轨超期服役与运输生产、乃至行车安全之间的矛盾,其中最有效的一个办法就是对钢轨进行定期的探伤检查。钢轨探伤技术的应用,能够及时了解铁路潜在的安全问题,避免行车事故的发生,对于我国铁路事业的发展具有重要的推动意义。超声无损探测技术由于其对缺陷的定位定量准确,检测灵敏度高等特点,在当前铁路探伤工作中得到了广泛的应用。
2 钢轨常见伤损及其成因
2.1 钢轨核伤
        钢轨核伤又称黑核或白核，大多数发生在钢轨轨头内，它是各类伤损中危害最大的钢轨伤损之一。
        核伤形成原因:由于钢轨本身存在白点、气泡和非金属夹杂物或严重偏析等，在列车动荷载的重复作用下，这些微细疲劳源逐步扩展，使这些疲劳断面具有平坦光亮的表面、通常称作白核。当白核发展至轨面时，疲劳斑痕受氧化逐渐发展成了黑核。除去材质因素外还有其他因素产生的核伤:接触疲劳形成的核伤、轨面剥离形成的核伤、擦伤(焊补)形成的核伤、鱼鳞伤损形成的核伤、焊接不良形成核伤。
2.2 钢轨接头伤损
        钢轨接头是线路上最薄弱的环节，车轮作用在钢轨接头上的最大惯性冲击力比其他部位大60%左右，钢轨接头的主要伤损是螺孔裂纹，其次是下颚裂纹、接头掉块、马鞍形磨耗等。
        第一，螺孔裂纹产生的主要原因有:轨道结构不合理，接头冲击过大，养护状态不良等。
        第二，下颚裂纹形成主要原因是:轨头长期受到过大的偏载，水平推力以及轨头挠曲应力的复合作用等。
         第三，接头掉块、马鞍形磨耗形成主要原因是:钢轨淬火层与钢轨母材间硬度相差很大，而且没有均匀过渡，大轨缝部位轨端承受车轮冲击力大、线路暗坑吊板等，促使钢轨掉块、压陷和不均匀磨耗。
2.3 钢轨的水平、垂直、斜向裂纹
       第一，钢轨在制造过程中工艺不良，没有切除铸锭中带有的严重偏析、缩孔、夹杂物等，使之在轨头或轨腰中形成水平、垂直(纵向)或鼓包等裂纹。
      第二，在无缝长轨地段，长期受到大的偏心负载、水平推力及轨头挠曲应力的复合作用，在焊接接头下颚会产生水平裂纹。
       第三，高硬度、耐磨的合金钢轨、含碳量较高的淬火钢轨因车轮的辗压，在轨头表面形成鱼鳞斜向裂纹。
2.4 钢轨轨底裂纹
        轨底裂纹的表现形式大体有三种:轨底坑洼(或划痕)发展形成的轨底横向裂纹，轨腰纵向裂向下发展形成的轨底裂纹，焊接工艺不良造成的轨底横向裂纹。在轨底热影响区极容易产生轨底横向裂纹。
2.5 钢轨焊接接头伤损
        第一，铝热焊焊缝缺陷有夹渣、气孔、夹砂、缩孔、疏松、未焊透和裂纹等，其中夹渣、气孔可产生在焊缝中的任何部位，夹砂等多存在于轨底两侧，疏松多存在于轨底三角区，裂纹多产生在焊缝与母材之间。
        第二，接触焊焊缝缺陷有灰斑、裂纹、烧伤，其中灰斑可存在于钢轨中的任何部位，特别是轨底边居多，裂纹存在于轨腰和热影响区，烧伤存在于离焊缝130~133 mm的区域。
        第三，气压焊常见缺陷有光斑、过烧、未焊透，其中光斑存在于轨头或轨底部位，过烧存在于轨底两侧和轨头与轨腰结合处的凸出部位，未焊透存在于焊缝的任何部位。
3 钢轨探伤技术检测中的应用
3.1 对钢轨中出现的裂纹进行检测
3.1.1 37°探头探测方法
        37°探头也不是仅仅检测螺孔斜裂纹，而是检测Ⅱ区的倾斜裂纹和轨底垂直裂纹； 在无缝线路检测过程中应特别注意将37°通道螺孔小闸门进行锁闭，避免产生盲区漏掉轨腰斜的裂纹。月牙伤是钢轨防断的重伤，伤损小但对断轨的危害性大，因此作业中应注重B显拼图，在确保经过螺孔时校对拼图圆顺的情况下，如果前后37°探头在轨底同一点发现有回波，且B显为正“八”字时，可以确定该点有垂直裂纹。

3.1.2遇到一孔向轨端向上裂纹应仔细鉴别
        有缝线路60kg/m钢轨探伤中，检测接头第一孔时，有些钢轨探伤仪A型显示第一螺孔波后会紧跟一个螺孔向上裂纹波，这支回波是由于螺孔顶面反射与螺孔向上裂纹波出波显示时间顺序不同，螺孔顶面反射波为螺孔回波出现后，紧跟着出现，而且在螺孔波消失前先消失；螺孔向上裂纹波则是螺孔回波出现后，快消失时出现，而且在螺孔回波消失前后消失。检测时应掌握出波前后顺序，认真分析，去伪存真。
3.1.3遇到斜裂纹
        对于斜裂纹，入射波形方向与裂纹方向成90度角，会出现比较明显的回波。如果斜裂纹角度不良，或者是弯曲形状，将会出现断续37度回波，当裂纹有一定长度时可结合0度探头进行综合认定，在测算裂纹长度时会有一定的偏差。
3.2 0°探头探测方法
        主要检测轨头顶面至轨底是否存在水平裂纹、垂直纵向裂纹及较大的斜裂纹；0°探头检测方式比较特殊，同时采用两种模式进行检测，因此在灵敏度设定方面必须综合考虑。作业中应注重两种模式设定灵敏度的折中使用；作业中发现反射报警后提高到反射灵敏度校对，发现失波报警降低到穿透灵敏度校对，同时注重观察钢轨顶面状态，例如这种轨顶面外观擦伤、压溃就不能利用轨底失波进行判伤，这是由于轨顶面材质方式改变引起的失波。
3.3 70°探头对鱼鳞纹下的核伤检测
        钢轨鱼鳞伤下的核伤检测：钢轨鱼鳞纹发展到钢轨顶面三分之一位置时，在探测过程中将不会显示鱼鳞回波，因为声波在一定程度上受到了鱼鳞纹的阻挡，如若出现回波，无论大小都必须采用轨头侧面或轨头部法进行校对，鱼鳞伤下的核伤又称为“帽状”核伤，一经发现都在20mm²以上。
        针对钢轨鱼鳞纹地段，检测中应采取以下方法：一控：控制推行速度不高于2km/小时；二调：调整探头、调大给水耦合量；三看：看波形、看位置、看状态；四结合：结合鱼鳞纹的发展方向、及通用探伤仪的轨头校对法。
结束语：
        总之，钢轨伤损检测关系到铁路能否安全高效运行，是工务部门技术含量最高的一种工种，因此准确、合理认定伤损程度尤为重要。漏判带来安全隐患，误判引起材料设备浪费，探伤工必须具备过硬业务技能水平，才能保证铁路线路的良好运行，促进我国铁路行业的可持续发展。
参考文献：
[1] 于威.钢轨超声波探伤信号的处理及分析 [D]. 哈尔滨理工大学 ,2017.
[2] 李锦,牟国义,马铁雷.钢轨探伤漏检螺孔裂纹的原因分析和应对措施 [J]. 铁道建筑 ,2019,11:14.

[3]王芬. 超声波探伤标尺面版在焊缝探伤中的应用[J]. 建材与装饰,2018,(31):216-217.

[4]曾祥照. X射线实时成像技术在焊缝探伤中的应用[J]. 无损探伤,1998,1-4.