钢轨核伤的检测原理和方法

徐平军 上海铁路局新长工务段

钢轨核伤的检测原理和方法

徐平军 上海铁路局新长工务段

钢轨核伤是引起钢轨折断的主要伤损类型之一。根据现场探伤实际将钢轨核伤按照形成原因分为三大类，论述了核伤检测的原理、方法和设备。重点分析了一次波和二次波检测的优缺点，比较了目前两种探伤模式的各自优势，提出了解决现场探伤的路径。

钢轨核伤；一次波；二次波

钢轨核伤是钢轨头部的主要伤损，系轨头横向疲劳裂纹。一般呈椭圆形，长短轴之比约为3：2。核伤的面积扩展到轨头面积超过10%，钢轨的强度下降90%，容易引起突发性钢轨折断，严重影响铁路运输安全。

上海铁路局近年来探伤发现的核伤按照形成机理可以分为三大类。

（1）表面鱼鳞伤剥落掉块等发展形成。因为疲劳源与空气接触，发生氧化，裂纹表面呈黑色，形成黑核。

（2）钢轨制造或焊接过程中一些非金属夹杂物没有去除干净，在钢轨内部形成疲劳源，不与空气接触，裂纹表面呈银白色，形成白核。

（3）现场焊接工艺不良如溢流飞边、推瘤不良导致早期微细裂纹，慢慢发展形成钢轨下颚核伤，一般位于焊缝边缘（分别见图1、图2、图3）。

图1 鱼鳞伤下的黑核

图2 闪光焊缝中间形成的白核

1 检测原理和方法

核伤是轨头横向裂纹，采用超声波脉冲反射法进行检测。目前钢轨探伤主要有两种设备：大型钢轨探伤车和小型钢轨探伤仪。对核伤均采用折射角为65°～70°的超声横波探头进行探伤。其中大型钢轨探伤车直打70°探轮使用一次波法，小型钢轨探伤仪根据核伤早期多出现在轨头内侧上角的特点，多年来一直采用二次波法，即将探头向内侧偏转14°～20°，利用经轨颚反射后的二次波进行检测，如图4所示。

图3 溢流飞边形成的下颚核伤

图4 核伤及其小型钢轨探伤仪的探测方法

一次波法是超声波由晶片发射直接传播到伤损面上，根据回波进行判伤。二次波则指超声波经过轨颚反射后再传播到伤损上，二次波产生必须将探头偏角放置，根据检测效果，60 kg/m钢轨一般与钢轨纵向偏角18°。

2 探头

目前我国钢轨探伤设备分别采用滑靴式和轮式探头。其中小仪器基本采用滑靴式探头。晶片加上玻璃楔块戴上保护膜在钢轨表面滑动。一般用一组晶片或两组晶片组合。优点：制造简单，方便使用。缺点：钢轨表面存在波浪性磨耗以及一些擦伤掉块使得耦合不是很好；小仪器使用的探头晶片尺寸小，声波覆盖范围小。一般采用如图5所示机构组成小仪器的小车架。

图5 小型探伤仪探头架的一般布局

轮探头是将多个晶片组合安装在轮中，在钢轨表面滚动。轮式探伤优点：耦合好，声波覆盖范围大，指向性好。缺点：制造复杂，必须装备对中系统才能使用（见图6）。

图6 轮探头布局

我国钢轨探伤早期受到仪器制造水平限制，采用滑靴式探头组合进行钢轨探伤。钢轨探伤仪有一个漫长的发展过程，随着我国的科技和制造水平的不断提高，逐渐从单通道发展到目前的9通道。用来检测钢轨核伤的探头也从一个探头增加到目前的4个探头标配。偏角18°朝前朝内和朝后朝外各一只，无偏角朝前朝后各一只。没有探到的区域通过隔月掉向来弥补。也有直接使用6只探头，这样在一个探伤周期覆盖整个区域和不同趋向的核伤。但由于小车架的间距只有1 m，考虑到推行方便和避免探头之间的干扰，一般不这样安排。

3 为什么滑靴式探头对钢轨核伤的检测往往使用二次波

滑靴式探头与钢轨表面直接接触。由于探头近场区的干扰不利于核伤检测,现在都采用双晶片探头。双晶片探头虽然减少发射波附近的杂波，但近表面探测区域却是比较窄，因为必须是两晶片的声场重合部分。从计算和实验都可证明，一次波覆盖范围20%，二次波约为45%。一般来说，二次波范围包括了一次波，而一次波范围则不能包括二次波。因此，在当时的仪器制造条件下，有限的通道达到更大范围的核伤检测，往往采用二次波探伤。但图7中的CD区仍是盲区。所以后来增加了无偏角70°。在实际应用中，二次波探伤在理论上覆盖了内侧上角区域，但该区域核伤的形成主要是钢轨轮轨接触后塑性变形鱼鳞伤发展成剥落掉块或向下形成核伤。鱼鳞伤或剥落掉块的走波和核伤的走波重叠。在仪器设计中，为了发现该区域伤损，远距离增加了放大补偿，这就造成了鱼鳞伤、剥落掉块的回波也很强，很难区分核伤波和鱼鳞伤波。我局在没有装配无偏角70°的探伤检查中几乎没能发现鱼鳞伤下的核伤，而这种核伤断轨发生了很多起，都定性为探伤漏检。在装配了无偏角70°探头以后，尤其是进入数字化仪器以后，根据B超图谱来判伤，陆续发现了不少鱼鳞伤下核伤。这是因为核伤扩展到钢轨头部中间，无偏角70°出现回波，为我们判伤增加了重要依据。二次波的使用是有历史原因的，认为只有二次波才能检查内侧上角核伤是有一定片面性的。

图7 滑靴式探头70度声波覆盖范围

轮探头一次波是能发现内侧核伤的。轮探头在橡胶轮里经过一次传播，在钢轨表面形成折射角为70°的方向传播到钢轨里面，在钢轨里是不存在近场区的。理论上钢轨表面以下都是检查区域。而且轮探头组合了6块70°晶片，向前向后各三块，分布内中外整个轨头区域。轮探头在轮中液体里以纵波形式传播到钢轨表面。以三组晶片，每组晶片直径15 mm，距轨面垂直距离120 mm为例。探头的入射角为32.3°。

理论计算结果，这时声波覆盖轨头60.4 mm。60 kg/m钢轨轨头宽度73 mm，两侧各6.3 mm是声波未进入区域。并且钢轨轨头内侧磨耗等影响超声波进入，根据实验结果，一般来说内侧深度8 mm，距边缘10 mm区域是轮探头一次波难以检查的范围（注：二次波能进入但受到鱼鳞伤波干扰引起误判）。（见图8：轮探头声波覆盖范围）从理论上分析轮探头的盲区比滑靴式探头要小。但同样的道理，声波覆盖范围并不代表能判定核伤，也是因为鱼鳞伤的干扰。只有当伤损发展一定大小，进入中间70°扫查范围，我们才能结合多个通道的波形综合判伤。

图8 轮探头70度声波覆盖范围

综上所述，最好的方式是一、二次波相互结合。本文在开头介绍的第三种核伤占目前核伤发生的大部分。一次波不能有效确认焊筋波，而二次波对焊筋有强烈反应。所以结合一、二次波的特点，由二次波确认焊缝，一次波能准确判伤。图9是我局蚌埠工务段发现的一处铝焊下颚核伤。判伤思路就是首先根据2、3通道偏角70°的波形确定这是一处焊缝，然后根据1通道的异常回波确定伤损。

图9 2013年2月21日检查发现京沪上行K891+472处德铝焊下腭核伤B显图谱

4 三种探伤设备

（1）手推小仪器。装配滑靴式探头的小车架。小仪器经过几十年的发展，对核伤的检测已经趋于成熟。由于受到人工推行速度，检测效率很低，每小时检查里程不能超过3 km。

（2）大型钢轨探伤车。装配轮式探头。大型探伤车经过近二十年的摸索，开始担任探伤生产的主力。由于是高速探伤，不能准确定位伤损，所以需要小仪器复核确认才能处理伤损钢轨。

随着铁路的高速发展，为了保障作业人员的人身安全，探伤作业也安排在天窗点内。天窗点一般在两个小时以内。两个小时内小仪器只能完成不超过5 km的任务，使用小仪器进行主要检查任务面临生产组织困难，任务不能及时完成的严峻局面。而大型钢轨探伤车在完成任务方面是胜任的，但不能保证质量。从我局最近的断轨和发现的伤损分析，探伤车对于曲线地段以及焊缝核伤发现能力存在缺陷，原因就是在高速运行过程中轮探头的钢轨对中状态不好。这就使得第三种探伤设备得到青睐。

（3）双轨探伤小车。装配轮式探头，作业速度是10 km/h～15 km/h。效率大大提高，又能保证检测能力，在15 km以下，机械对中系统能保证轮探头良好的对中状态。

根据我局的试用结果表明，双轨小车对于第一、二类核伤的检测和小仪器的能力一样，对于焊缝下颚核伤还存在难以识别的问题，原因在于没有组合二次波探头。

综上所述，双轨小车能够弥补大车和小车的不足，即提高了生产效率，又保证了伤损发现，也没有二次复核确认的过程。应用前景非常光明。

5 结论

钢轨核伤是严重威胁运输安全的伤损类型，在检查发现上存在多种手段方法，既不能强调一次波，也不能完全依赖二次波检查，要根据现有的技术水平综合使用，才能更好地发现钢轨核伤。

[1]黎连修,钱仁才,马青等.钢轨核伤超声波检测研究[J].无损检测,1993,15（3）：61－62.

[2]“超声波探伤”.中国机械工程学会无损检测学会编.

[3]“钢轨探伤工”.中国铁道出版社.南昌铁路局马跃平等编.

责任编辑：宋 飞

来稿时间：2016-08-03