1、 - 13 -鐵路探傷研究摘要鋼軌的完整性是行車安全的重要保障，在役鋼軌的缺陷直接威脅到人們的人身安全，定期對鋼軌進行準確高效的檢測是消除隱患的必要手段。鋼軌探傷是保障列車安全運行的必要工作。我國鐵路部門制定了鋼軌探傷管理規則，并投入了大量人力物力實施鋼軌探傷。當前鋼軌探傷依賴于傳統超聲波檢測技術，但該技術存在探傷盲區，而且容易受到表層損傷干擾。由此引起的漏探和誤判，成為我國鋼軌斷軌的首要原因。超聲導波具有適用于細長型構件長距離檢測的技術特點，若能應用于鋼軌探傷中，將有利于減少漏探誤判并提高探傷效率。基于超聲波檢測技術的大型鋼軌探傷車的引入和發展，提高了勞動效率，節省了人工，是鋼軌檢測發展的方

2、向，但也存在核傷和下顎裂紋檢出率不高、小半徑曲線對中不良和破輪漏探等現象，成為探傷車高效優質工作中亟待解決的技術問題。關鍵詞:探傷技術，鐵路鋼軌，應用前言隨著科技的發展和人們生活質量的提高，安全快速舒適的鐵路運輸越來越受到人們的關注。鋼軌作為鐵路運輸的重要支撐，在長期運輸過程中不可避免的會產生各種損傷，嚴重威脅到行車安全。超聲波檢測作為一種重要的無損檢測方式在交通運輸、機械制造、航天航空、國防工業等領域已得到了廣泛的應用。鐵路運輸由于受氣候影響小、運輸能力強、節省能源的優點，已成為現代運輸的主要方式之一。在配置得當的情況下，鐵路運輸可比公路運輸節省50%70%的能量。目前，我國國內大部分的長距

3、離貨物運輸、中長途旅客運輸主要由鐵路承擔。研究發現造成鋼軌缺陷和失效的主要原因有制造缺陷（硫、磷、氮、等有害元素,使鋼軌在特定的溫度和應力條件下發生脆斷）以及疲勞傷損5。這些缺陷及損傷如不及時發現，可能導致顛覆、脫軌等事故隱患，嚴重危急行車安全。由于超聲波探測具備靈敏度高、指向性好、穿透力強、對人體無害等特點，目前在世界范圍內鋼軌無損檢測都以超聲波探傷技術為主2。定期對在役鋼軌進行超聲波探傷檢測，及時發現缺陷及傷損并對超過傷損標準的鋼軌進行更換，可達到安全行車的目的。1鋼軌探傷簡介1.1鋼軌超聲波探傷技術發展雖然實時生產過程檢測裝置和維護過程建模系統快速發展，但其可靠性和精度不足以消除在役車軌

4、非破壞性傷損檢查的必要性。火車脫軌的發生和列車的不斷提速運行讓人們更強烈認識到開發鋼軌無損評價的重要性和必要性。為了實現有效且全面的檢查,鋼軌無損檢測的關鍵技術在于高速的情況下保持合理的靈敏度和高分辨率并避免漏檢和錯誤報警。隨著工業探傷技術的不斷創新和行車安全面臨的嚴峻形勢，手持式人工超聲波探傷技術和自動化鋼軌檢測技術迅猛發展。在許多實際應用中都以自動檢測為主，人工檢測為輔的方式對鋼軌進行全面有效的檢測。大型鋼軌檢測設備在歐美發達國家的實際應用已有四五十年的歷史。美國的SPERRY公司、瑞士的SPENO公司、英國的EURAILSCOUT公司、日本的TOKIMEC公司都有自己的探傷車和手持式超聲

5、波檢測設備2。1.2鋼軌超聲波探傷檢測系統的原理超聲波是頻率范圍是2*1041010Hz的聲波，而用于超聲波探傷的頻率一般為2*1052*107Hz，超聲波屬于機械波，所以超聲波必須具備兩個條件：要有一個作頻率很高的超聲源；其次要有超聲波傳輸介質。之所以能用超聲波進行探傷，是因為其獨特的優勢：（1）穿透性：超聲波具有比其它機械波、電磁波都更容易在物體內部傳播，質點振動位移小，振速快，其傳播距離遠，在一些碳鋼材料中，其穿透能力可達數米之深。（2）方向性：超聲波用于鋼軌探傷時，其縱波在傳播時其波長為0.6mm12mm，其方向性具有光的直線傳播，頻率越高，方向性越好，更容易分析鋼軌內部的缺陷信息。（

6、3）反射性：超聲波在鋼軌內部進行傳播時，一旦遇到缺陷，由于超聲波在不同介質上具有聲阻抗不同，超聲波便會在缺陷面上反射回來，通過接收回波信號來分析缺陷的位置、大小等信息。當然，超聲波的探傷頻率不是越高越好。頻率太高，在鋼軌內衰減就會愈大，故探傷的頻率一般選用2.5MHz，在鋼軌中其波長很短，與波長相近或者更大的缺陷，通過返回的回波信號就可以找出缺陷所在位置，從而防范安全事故發生。根據超聲波的傳播模型分析其傳播的基本理論：系統觸發產生的高壓脈沖激勵探頭晶片形成的超聲波，透射過耦合層在工件中衰減后，遇到工件端面或缺陷界面發生反射、折射和散射，其傳播過程和返回信號幅度與聲速、聲壓及聲阻抗密切相關。圖1

7、-1超聲波傳播模型中的基本原理與物理量1.2鋼軌超聲波探傷方式鋼軌超聲波探傷的工作方式分滑靴式和輪式兩種，方式的特點及應用，見表 1-2 所示。表1.2不同超聲檢測的特點目前鋼軌超聲波檢測小車廣泛采用滑靴式結構，最多可支持 10 各通道，可實現對鋼軌的全斷面檢測8，滑靴式探頭排列常見形式如 所示：1.3鋼軌超聲波檢測系統的組成鋼軌超聲波探傷儀主要由數據采集模塊、系統控制模塊、數據處理模塊、數據識別模塊、自動報警模塊組成。系統的控制模塊是系統的重要組成部分。對鋼軌超聲波探傷過程的分析，系統控制模塊可以控制超聲波的頻率以及數據采集卡的采集頻率，完成與上位機的通信。并且完成其它一些輔助功能，如探傷速

8、度的檢測，水箱水位的報警等功能。它控制并協調其他主要模塊的運行，完成系統的各項功能。2鋼軌損傷的主要原因及鋼軌探傷的重要性2.1地鐵線路鋼軌常見傷損核傷、魚鱗紋、表面掉塊、螺孔裂紋、水平裂紋、橫向裂紋等是鋼軌常見的傷損，作為地下鐵道的軌道，自然也不例外。但由于地鐵具有前面所描述的諸多特點，“大同”里也有不少“小異”：1、由于地鐵車輛載重較輕，加上整體道床良好的穩定性，鋼軌發生核傷、折斷的概率非常小；2、由于地鐵運營具有行車密度大的特點，往復頻繁的輪軌摩擦，導致鋼軌表面的疲勞傷損（如魚鱗紋、表面掉塊等）較為嚴重；3、由于地鐵目前正處于快速擴張的階段，線路建設工期趕，加之成都地區地下水豐富，部分線

9、路區段防水工程質量不過關，導致隧道漏水，一些地方甚至直接滴水到鋼軌面，導致鋼軌下頜、軌腰部位銹蝕嚴重；4、地鐵站間距離短，列車啟動、制動較頻繁，車輪對鋼軌焊接接頭的沖擊力大，導致鋼軌焊接接頭高低超限較多等。2.2探傷方法及原理2.2.1方法及原理無損檢測是一門綜合性的應用科學技術，它是在不改變或不影響被檢對象使用性能的前提下，檢驗和分析材料，零件和構件的一種非破壞檢測方法。無損檢查是提高產品質量，確保安全的重要手段。鋼軌探傷儀具有特殊的技術條件，環境適應性強工作溫度范圍在-15C45C。鋼軌探傷是無損檢測的一個重要組成部分，而無損檢測的種類、方法十分豐富，應用于鋼軌探傷的一般有超聲波探測、渦流

10、探測、磁粉探測、射線探測等方法。超聲波探傷（UltrasonicInspection）是利用超聲能透入金屬材料的深處，并由一截面進入另一截面時，在界面邊緣發生反射的特點來檢查零件缺陷的一種方法；當超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內部，遇到缺陷與零件底面時就分別發生反射波束，在熒光屏上形成脈沖波形，根據這些脈沖波形來判斷缺陷位臵和大小。該方法利用材料及其缺陷的聲學性能差異對超聲波傳播的影響來檢驗材料內部缺陷的無損檢驗方法，現在廣泛采用的是觀測聲脈沖在材料中反射情況的超聲脈沖反射法，此外還有觀測穿過材料后的入射聲波振幅變化的穿透法等，常用的超聲波頻率在0.55MHz之間。該方法具有如下優點:穿透能

11、力強，探測深度可達數米；靈敏度高，可發現與直徑約十分之幾毫米的空氣隙反射能力相當的反射體；在確定內部反射體的位向、大小、形狀及性質等方面較為準確；僅須從一面接近被檢驗的物體；可立即提供缺陷檢驗結果；操作安全，設備輕便等。2.2.2渦流探傷渦流探傷（EddyCurrentInspection）是利用電磁感應原理，檢測導電構件表面和近表面缺陷的一種探傷方法。其原理是用激磁線圈使導電構件內產生渦電流，借助探測線圈測定渦電流的變化量，從而獲得構件缺陷的有關信息。按探測線圈的形狀不同，可分為穿過式(用于線材、棒材和管材的檢測)、探頭式(用于構件表面的局部檢測)和插入式(用于管孔的內部檢測)三種。2.2.

12、3 磁粉探傷磁粉探傷（MagneticParticleInspection）是將鋼鐵等磁性材料制作的工件予以磁化，利用其缺陷部位能吸附磁粉的特征，依磁粉分布顯示被探測物件表面缺陷和近表面缺陷的探傷方法。該方法的特點是簡便、顯示直觀。其原理是將待測物體臵于強磁場中或通以大電流使之磁化，若物體表面或表面附近有缺陷（裂紋、折疊、夾雜物等）存在，由于它們是非鐵磁性的，對磁力線通過的阻力很大，磁力線在這些缺陷附近會產生漏磁。將導磁性良好的磁粉（通常為磁性氧化鐵粉）施加在物體上時，缺陷附近的漏磁場就會吸住磁粉，堆集形成可見的磁粉跡痕，從而把缺陷顯示出來。磁粉探傷的優點是：對鋼鐵材料或工件表面裂紋等缺陷的檢

13、驗非常有效；設備和操作均較簡單；檢驗速度快，便于在現場對大型設備和工件進行探傷；檢驗費用也較低。缺點是：僅適用于鐵磁性材料；僅能顯出缺陷的長度和形狀，而難以確定其深度；對剩磁有影響的一些工件，經磁粉探傷后還需要退磁和清洗。2.2.4 射線探傷射線探傷（RadiographicInspection）是利用射線穿透物體來發現物體內部缺陷的探傷方法，其原理是射線能使膠片感光或激發某些材料發出熒光，在穿透物體過程中按一定的規律衰減，利用衰減程度與射線感光或激發熒光的關系可檢查物體內部的缺陷。射線探傷分為X射線探傷、射線探傷、高能射線探傷和中子射線探傷。2.3現行探傷模式分析2.3.1探傷儀器地鐵鋼軌探

14、傷主要采用超聲波探測法，使用的儀器是汕頭超聲波探測研究所生產的系列設備和邢臺先鋒超聲電子生產的系列設備，即包括路軌探傷儀JGT-10型手推探傷車、8C型手推探傷車、CTS-9009焊縫探傷儀和升級版數字式通用儀CTS-2020等。2.3.2JGT-10型手推探傷車JGT-10型手推探傷車用于普通鋼軌探傷，該儀器具有5路發射、接收系統，10個報警閘門，功能齊全，可配用多種探頭同時進行探傷，目前我們采用的探頭組合是：0、37、70、70、37，分別探測軌底、軌腰、軌頭位臵的傷損，即使是這樣的組合也存在探測盲區軌鄂下部、軌腰中下部和軌底兩側。接收通道配有高精度衰減器，方便缺陷定量；儀器水平線性好，各

15、種軌型均可按比例直讀缺陷的垂直距離或水平距離；第3、4、5通道均具有螺孔固定回波識別功能，可實現缺陷報警而螺孔不報警，大大減少誤報警次數，探傷靈敏度高，缺陷檢出能力強。第3、4通道具有的同時與延遲二選一報警功能和第5通道的進波與失波報警閘門等利于檢出各種有害缺陷。2.3.3 CTS-2020CTS-2020采用嵌入式計算機系統和超大規模現場可編程集成電路設計，探傷靈敏度余量高達62dB，彩色TFT液晶顯示屏顯示清晰，避免了誤讀誤判，再配以DAC、大容量存儲器、USB接口等新技術、新功能，突出的電磁兼容設計技術使儀器的現場抗干擾能力大大加強。最高采樣速率240MHz，最小顯示范圍5mm；工作頻率

16、范圍分14MHz，0.510MHz兩檔設臵，分別突顯高靈敏度和寬頻帶的優點；界面波跟蹤功能，通過A、B閘門間的邏輯關系，容易實現水浸法探傷或精確測厚；脈沖重復頻率可調，避免在探傷過程中出現混響信號；完善的DAC曲線功能，方便進行回波評價；具有測量探頭角度（K值）的功能；大容量存儲器可存儲高達500個數據集，包括波形、曲線、參數、探傷報告等；USB接口可實現儀器內部存儲數據、數據波形向U盤的轉存，打印探傷報告。DAC曲線是CTS-2020新增的一項功能，它通過設定三條標準曲線構成三個區標準區、超限區和判廢區，將DAC曲線和回波比較功能，可快速、準確判斷回波的性質，從而大大提高了接頭探傷的速度和質

17、量，在地鐵新線驗收中發揮了不可替代的作用。2.4鋼軌探傷周期1）鋼軌探傷周期應視線路繁忙程度和鋼軌技術狀態而定。隧道內鋼軌每月檢查一遍，鋼軌接頭焊縫每半年檢查一遍，為防止漏檢，嚴禁以手工代替儀器檢查。車輛段線路和道岔每季度檢查一遍。2）連續兩個探傷周期內都發現疲勞傷損（如核傷、魚鱗傷、螺孔裂紋、水平裂紋、垂直裂紋、表面缺陷（的不良鋼軌地段，應增加儀器探傷的檢查遍數，縮短探傷周期。3）在線路上焊接的接頭，應焊接后馬上抓緊全斷面（包括熱影響區）的探傷檢查，上道前焊接的鋼軌接頭，嚴格執行“先探傷、后上道”的規定，認真把好質量關。線路上和線路外進行的焊接接頭必須探傷。不符合焊接質量的接頭必須重焊。現場

18、新焊接接頭，在辦理驗交時，應有完整的焊接探傷記錄。4）遇特殊情況，如傷軌數量出現異常，應縮短探傷周期；現場接觸焊縫和鋁熱焊縫除按規定周期探傷外，要用專用儀器進行焊縫全斷面探傷；現場接觸焊每年不少于一次；鋁熱焊每半年不少于一次；大修換軌初期和現存的超大修周期地段的鋼軌探傷周期，根據實際情況增加探傷次數。結合上述情況，可知地鐵鋼軌探傷具有如下特點：1：探傷手段單一，僅僅采用超聲波探傷法；存在一定的探傷盲區，而且特殊位臵如整鑄道岔無法進行探傷；2：探傷周期搬套普通鐵路的周期，不符合地鐵實際；3：探傷人員水平參差不齊，缺少與外界交流、學習等。2.5探傷手段超聲波探傷法作為最廣泛的使用方法，自然有其不可

19、替代的作用。但考慮到地鐵線路軌道的特點：道岔普遍采用高錳鋼整鑄道岔，由于其特殊的晶粒構造，用超聲波無法對其進行有效探傷；地鐵對乘客舒適度要求很高，加上地鐵運營密度大，鋼軌表面（08mm范圍）的情況十分關鍵，而現有的超聲波探傷法無法有效地對該部位進行傷損探測，所以引進更多的探傷方法就顯得十分必要了。磁粉探傷是對高錳鋼整鑄道岔探傷的一種有效方法，道岔對于線路的重要性是不言而喻的，引進該方法，并制定合理的探傷形式和周期，能有效地與現有的探傷手段互補，不斷完善探傷模式。隨著地鐵線網的不斷擴張，線網里程、范圍越來越大，僅僅依靠人工探傷是無法滿足要求，也不具有經濟性。這樣，大型探傷車的采購是很有必要的，盡

20、快實現探傷工作的機械化和自動化、精準化，是地鐵鋼軌探傷的下一步目標。另外，隨著科技的不斷發展，新的探傷技術、手段不斷出現和更新，優化現有的超聲波探傷法，不斷更新探傷作業方法、手段是我們日常應該注意的。3、加強交流，提高探傷人員的水平國有鐵路的線路里程長，情況更加復雜，鋼軌傷損類型、實例更多，其探傷工作人員的經驗更加豐富。因此，加強與國有鐵路的探傷人員的交流，向他們學習經驗，不斷提高自身的探傷水平，對我們地鐵的探傷工作具有積極的意義。3鋼軌探傷技術的具體應用3.1傳感器轉向架安裝模與檢測小車模式是超聲傳感器的最主要的兩種安裝方式。其中轉向架安裝模式的檢測速度比較高，而檢測小車模式的傳感器對中機構

21、的要求比較低。在安全性能方面，處于檢測狀態時，轉向架安裝模式的防脫軌性比檢測小車模式要好；處于運行狀態時，檢測小車模式的安全性比轉向架安裝模式要高。3.2鋼軌探傷的管理模式3.2.1鋼軌的維護由鋼軌超聲波探傷的實踐可知，檢測結果很大程度上受到鋼軌狀況的影響。剝離掉塊、軌面裂紋可以阻擋超聲波的入射，出現檢測盲區；軌頭形態會因嚴重的側磨而發生變化，使探頭耦合破壞；操作人員對熱影響區傷損和焊縫傷損的判斷會受到焊筋反射的干擾。建議：對鋼軌防斷進行綜合治理，加強探傷檢測與鋼軌的維護。為了減少焊筋反射的干擾，進行鋼軌焊接時要做好焊筋打磨的工作；為了強化軌面超聲的入射效果，要對鋼軌進行適時的修理性打磨，清除鋼軌表面的輕微裂紋。3.2.2運用管理需要依據鋼的軌探傷周期，將探傷車的