鋼軌探傷車增加串列式探頭的探討

呂宏輝 中國鐵路上海局集團有限公司工務部

1 引言

隨著我國鐵路的飛速發展，線路鋪設范圍的不斷延長，鋼軌探傷已越顯重要。特別是在重載快速行車條件下，軌腰垂直裂紋問題已經成為目前安全的一大隱患，圖1 是現場發現的由軌腰垂直裂紋引發的鋼軌斷裂。如何對現有鋼軌探傷工藝進行改進，增加檢測手段和功能，已成為鋼軌防斷工作急待解決的技術問題。

圖1 軌腰垂直裂紋

2 現有探傷工藝概述及存在的問題

長期以來，鋼軌探傷一般采用著傳統的探傷方法，對鋼軌母材進行超聲波檢測，鐵路上一般用低速手推式的有JGT-10 型或JGT-6M 型等儀器，高速的有國外引進的sperry 高速鋼軌探傷車和中國鐵道科學研究院自主研發設計的高速鋼軌探傷車。它們都配備有若干個70°、37°和0°探頭，可以實現超聲波投影范圍內軌頭、軌腰和軌底裂紋的檢測，除效率差別外，受儀器既有功能的限制、軌腰垂直裂紋取向因素的影響，軌腰垂直裂紋反射的超聲波并不能直接被斜探頭接收，即母材探傷中是不能及時檢出鋼軌軌腰部位的垂直裂紋。在焊縫探傷中，可以通過焊縫鋼軌探傷儀在軌頂放置兩個或多個探頭，利用掃查架同時縱向移動探頭的方式，實現對焊縫軌腰部位垂直裂紋的檢測，但是焊縫探傷的周期是有限的，最多的一年只有兩遍，像高速鐵路上的廠焊接頭五年才只有一遍。

3 串列式探頭檢測軌腰垂直裂紋的原理及實現

3.1 串列式檢測原理

串列式探傷與K 型探傷有異曲同工之妙，不同的是使用兩個探頭放在同一個探測面（鋼軌踏面），利用軌底面反射作用來探測軌腰中的缺陷。如圖2所示，兩個探頭一發一收，縱向排列置于鋼軌頂面中線（軌腰投影面），通過旋轉掃架上的調節輪盤，使兩個探頭以相同速度相對移動，可檢出鋼軌軌腰投影范圍內的垂直缺陷。

圖2 雙探頭串列式反射法檢測

3.2 鋼軌探傷車增加串列式探頭可行性研究

參照目前國內外各種無損檢測方法，在分析鋼軌傷損發展的基礎上，對串列式探傷技術的適用性及工藝等方面進行了研究，以達到對鋼軌軌腰垂直裂紋精確檢出的目的。故建議在鋼軌探傷車上增加串列式探測功能，確保在役鋼軌的安全運行。因為，我局鋼軌探傷車對在役鋼軌探測的年覆蓋率已達到8 遍/年以上，京滬、滬昆、隴海、京九等干線鋼軌探傷車檢測12 遍/年，那么串列式探測功能若在鋼軌探傷車上實施，可以大大提高對軌腰垂直裂紋的檢出能力，對鋼軌防斷有著十分重要的意義。

圖3 串列式探頭布置示意圖

圖4 無缺陷時

圖5 有缺陷時

初步設想在鋼軌探傷車上左右股各增加一組如圖3所示串列式晶片（探頭），其折射角選擇為K0.8，因K 值小相對水平距離也小些，便于在輪探頭中安裝，同時在機內單獨設立一個通道專門供該探頭使用。該探頭的工作原理是：前面的一組（4 塊晶片）用作發射；后面的一組（4 塊晶片）用作接收，在實際運用工作時若無垂直裂紋傷損存在，如圖4，發射聲波通過軌底向前傳送，此時顯示屏上也無任何回波。當軌腰有垂直裂紋存在時，如圖5，在一號晶片幅射區域聲波經缺陷表面折射至軌底，再由軌底折射至四號晶片接收，此時顯示屏上就在相應的位置（刻度）處顯示缺陷A 超回波（A 顯圖像），此時該回波信號經機內模數電路轉換成數字信號（B顯圖像）送到顯示屏顯示并自動記錄。當缺陷再往下時，在二號晶片輻射區域內，聲波同樣經缺陷表面折射至軌底，再由軌底折射至三號晶片接收，顯示屏上顯示的位置靠近始波位置近一些；三號發就二號收；四號發就一號收，回波也就慢慢靠近“0”點。也就是說只要把該組探頭（通道）的靈敏度調整好，在實際作業中該通道應該始終沒有回波顯示。那么，只要一但出波及時進行校對即可確定有無軌腰垂直裂紋。

3.3 實驗驗證

為了驗證設想的可行性，選取一塊現場發現在焊縫軌腰部位存在垂直裂紋的對比試塊進行串列式檢測實驗。儀器工作狀態設置為：工作方式“雙”；阻尼“400”，發射能量“強”，探頭頻率“2.5 MHz”，探測范圍“300 mm”，探頭型式“斜”。探傷靈敏度調整在GHT-1a 試塊上，距軌底40 mm 的4 號平底孔反射波高調整到滿幅度的80%，然后根據鋼軌狀態適當補償2 dB-4 dB 作為實際探傷靈敏度，結果如圖6 所示，在深度175.8 mm 處存在一缺陷回波顯示，這與解剖確定的缺陷位置一致，即串列式檢測對于軌腰垂直裂紋的檢測是有效的。

圖6 實際缺陷試塊與波形圖

4 結論

綜上所述，是我對鋼軌軌腰垂直裂紋檢測的一點思索，也是設想為鋼軌安全防斷工作開創一個新的思路。期望能解決當前軌腰垂直裂紋受控難的技術問題，為實現總公司“十四五”工務工作意見的目標要求作出應有貢獻；為我局鋼軌安全防斷“爭零控零”目標的實現。