多探測點超聲檢測在60 kg/m鋼軌缺陷的波形分析

戴雨馨 ，王月明

（1.內蒙古科技大學 信息工程學院，包頭 014010；2.內蒙古包鋼鋼聯(lián)股份有限公司 軌梁軋鋼廠，包頭 014010）

鐵路發(fā)展迅速，鋼軌在軋制缺陷和重載荷接觸下缺陷類型的特點也在發(fā)生變化，出現(xiàn)了大量傷損缺陷因軋制和滾動接觸疲勞導致的鋼軌穿孔和裂紋。

目前，國內外鋼軌探傷主要采用超聲波法線路鋼軌檢測，檢測儀器主要是探傷小車和大型鋼軌探傷車，對未出廠的鋼軌超聲波在線檢測技術略有空白[1]。鋼軌內部缺陷的各種不規(guī)則界面使超聲波在傷軌中傳播時傳播路徑變化雜亂，由于超聲波的特性會產(chǎn)生反射、折射、繞射和衍射[2]，最終在超聲波檢測鋼軌的探頭上以多種傳播頻率、波幅和波長的震動而疊加成一個新的超聲波信號，造成超聲波畸變。常用的鋼軌超聲波檢測使用 0°，37°，45°和 70°探頭，對不同部位和不同缺陷的鋼軌進行檢測。結果表明缺陷越大，超聲波畸變越明顯，缺陷的程度越嚴重[3]。

現(xiàn)階段，鋼軌檢測以超聲波脈沖法為主要手段，以振幅、AVG曲線和鐵道部頒發(fā)的60 kg/m鋼軌判傷標準TB/T2344—2012做出傷軌評價[4]，而反射回波的實際波形與增益變化規(guī)律的研究卻很少。大批量鋼軌生產(chǎn)表明，僅用振幅、AVG曲線和鐵道部頒發(fā)的鋼軌判傷標準評判鋼軌尚存在不足，有必要利用實測波形和增益變化進行輔助評判[5]。

60 kg/m鋼軌對稱性好，軋制表面光滑，便于在不同的地區(qū)鋪設，覆蓋率廣，實用性強。在此利用MU-11多探測點超聲波鋼軌在線檢測系統(tǒng)，對60 kg/m鋼軌各個探測點的缺陷波形、波長周期的理論波形與實際波形，以及該系統(tǒng)在60 kg/m鋼軌生產(chǎn)的增益調整進行總結分析，以避免對在線探傷的鋼軌造成誤判，為60 kg/m鋼軌的生產(chǎn)和質量控制提供相關經(jīng)驗。

1 多探測點超聲波鋼軌在線檢測系統(tǒng)

MU-11多探測點超聲波鋼軌在線檢測系統(tǒng)，在60 kg/m鋼軌的在線探傷最大聯(lián)機通道數(shù)可以達到256通道，其單機最大通道數(shù)為24通道，由于60 kg/m鋼軌形狀的原因，實際探傷中采用20個通道檢測。生產(chǎn)探傷時預留2個編碼器接口，帶有8入/8出數(shù)字I/O接口。系統(tǒng)界面如圖1所示；系統(tǒng)功能見表1，其中各功能模塊界面如圖1（b）所示；根據(jù)60 kg/m鋼軌的特性與系統(tǒng)性能，系統(tǒng)對于60 kg/m鋼軌在線檢測的靈敏度調整見表2。

圖1 MU-11多探測點超聲波鋼軌在線檢測系統(tǒng)界面Fig.1 Interface of ultrasonic rail on-line detection system with MU-11 multiple detection points

表1 多探測點鋼軌在線檢測系統(tǒng)A掃主界面布局與功能Tab.1 Layout and function of A-scan main interface of on-line rail detection system with multiple detection points

表2 60 kg/m鋼軌各個探測點的報傷增益Tab.2 Damage gain of each detection point in 60kg/m rail

2 鋼軌缺陷對回波的影響

超聲波是穿透能力強，方向性好，易獲得較集中的聲能的波[6]。在有缺陷鋼軌中傳播時，頻率不同的超聲波的衰減程度不同，低頻超聲波在鋼軌檢測是表面波在鋼軌表面的散射，激發(fā)超聲波高頻部分導致衰減嚴重。因此，回波衰減值是頻率的表征[7]，接收波的向低端移動，頻率改變，通過回波的波形下降情況分析可輔助判斷缺陷的程度，通過現(xiàn)場檢測發(fā)現(xiàn)，回波頻率越低，鋼軌的缺陷愈嚴重。

2.1 回波波形

現(xiàn)階段表明，超聲波鋼軌檢測的回波畸變程度應以接收波的第1，第2周期的波形為主要參考依據(jù)，可在一定程度上反映鋼軌的質量情況[8]。當聲波在合格成品鋼軌中傳播時，后續(xù)超聲波回波與發(fā)射波一樣具有高頻率高聲幅的特點，整個波形規(guī)則有序，排列緊密。通常認為后續(xù)波的波形畸變是由鋼軌缺陷和其他夾雜缺陷不同類型波的疊加導致，作為誤報而反復探測直至誤報消除。經(jīng)過生產(chǎn)的成品鋼軌缺陷中超聲波傳播的多次研究發(fā)現(xiàn)后續(xù)回波的波形對缺陷的反映更好。

2.2 常見60 kg/m鋼軌缺陷的A掃波形

60 kg/m鋼軌的常見缺陷有軌底裂紋、內部穿孔、白點夾層及其他軋制缺陷。在多探測點超聲波鋼軌在線檢測的應用通常以A掃為標準。A掃是點線方式掃描，是利用波的粒子性，將波看成一個點，通過水耦合，多探測點超聲波鋼軌檢測遇到傷時，反射回來的信號是一種波形。被檢鋼軌內部完好，超聲波傳播只有發(fā)射脈沖和底面反射回波；被檢鋼軌內部有傷損，反射回波有傷損反射，A掃在顯示屏幕上將顯示出鋼軌傷損波形、波高及傷損所在位置。在此，以多探測點超聲波檢測對60 kg/m鋼軌為例，對各個通道波形進行分析。

2.2.1 軌頭直徑2 mm孔傷的探測波形

鋼軌軌頭小角度孔傷，是指裂紋與水平方向夾角為 5°～25°的孔傷斜裂紋。鋼軌理論軌頭孔傷如圖2所示。

圖2 60 kg/m鋼軌理論軌頭孔傷Fig.2 60 kg/m rail theoretical rail head hole injury

A掃回波顯示于基準位置的刻度4～5之間，孔傷距軌頭越近，回波位置刻度越大。軌頭孔傷對超聲波反射較強，回波高，造成原因如縫隙、氣孔；非金屬夾雜物的鋼軌傷損，超聲波透射強，回波弱且高度低。實際軌頭孔傷如圖3所示。

圖3 60 kg/m鋼軌軌頭孔傷Fig.3 60 kg/m rail head hole injury

2.2.2 軌底中心橫向裂紋的判別

軌底是極易產(chǎn)生橫向裂紋的部位，大多數(shù)的橫向裂紋存在傾斜裂，使入射超聲波被阻礙，于是失去底波而報警。此時，直探頭探傷中失去底波報警或底波減弱報警，為避免因軌底嚴重銹蝕而產(chǎn)生干擾，軌底左右探頭應適當增加靈敏度。

典型裂紋缺陷波幅、波寬變化大，裂紋本身在軌底激勵的導波含有多個模態(tài)，在復雜機理的作用下，回波在缺陷之間來回反射，導波的多模態(tài)和頻散現(xiàn)象愈加嚴重，加之能量衰減，導波的多模態(tài)和頻散特性使得信號變得復雜，波形變化激烈，缺陷的回波容易被淹沒在特征結構回波和其他模態(tài)的波中。

通常軌底銹蝕和劃痕是造成軌底橫向裂紋的原因。軌底A掃波形達到平底孔反射波高滿幅度的80%而與基線重合，60 kg/m鋼軌理論軌底裂紋如圖4所示，實際軌底裂紋波形如圖5所示。

圖4 軌底裂紋回波Fig.4 Rail bottom crack echo

圖5 60 kg/m鋼軌軌底中心橫向裂紋Fig.5 Transverse crack in the center of rail base of 60 kg/m rail

2.2.3 軌腰、踏面橫向直徑2 mm孔傷的判別

鋼軌踏面孔傷波形如圖6所示，踏面孔傷在達到滿幅80%程度上波形與基線基本重合，波形相似于軌頭，波長為半個刻度呈單波峰狀。軌腰孔傷一般由鉆螺栓孔后周邊產(chǎn)生較高的應力集中而產(chǎn)生。

圖6 60 kg/m鋼軌踏面孔傷Fig.6 60 kg/m rail tread injury

多探測點法超聲波檢測的6個軌腰探頭為37°斜探頭。由于鋼軌形狀的特殊性，當軌腰處存在部分銹蝕時，較深的銹蝕坑會使超聲波產(chǎn)生反射。如果用砂紙輕輕打磨軌腰，不規(guī)則跳躍的波會減弱或消失。鋼軌軌腰理論孔傷如圖7所示。根據(jù)60 kg/m鋼軌中心距鋼軌踏面中心約39.5 mm，軌腰探頭折射角 37°，標定比例 1∶2.5，回波波幅為

波長為一個刻度，實際軌腰孔傷波形如圖8所示。

圖7 軌腰銹軌回波Fig.7 Rail waist rust rail echo

圖8 60 kg/m鋼軌軌腰孔傷Fig.8 60 kg/m rail waist hole injury

鋼軌軌腰有孔型裂紋時，實際A掃對應基線刻度（聲程 1∶2.5）60 kg/m 軌應在 3 左右。

2.2.4 鋼軌內部夾雜的波形分析

鋼軌表面的魚鱗狀鐵皮，形成較薄的不規(guī)則層，多是由于鋼軌坯料的軋制和淬火鋼軌的熱處理不均所致，此時的超聲波在不規(guī)則層中經(jīng)過多次反射后被探頭接收，A掃顯示會出現(xiàn)雜波峰、多波峰同時達到報警閘門的現(xiàn)象。

白點、夾層及軋制缺陷的接收波通常是一些雜波信號，由于鋼軌中這些介質或雜質和縮松或縮孔沒有聲阻抗或聲阻抗低，回波容易吸收，形成極大的衰減作用，在鋼軌內部的夾雜介質存在異同介質，可能造成超聲波傳播的漫反射，最終導致在缺陷鋼軌超聲波檢測的誤報。

3 結果分析

60 kg/m鋼軌探傷靈敏度在MU-11多探測點在線鋼軌在線檢測系統(tǒng)已成為一種規(guī)律，波形分析對鋼軌缺陷的規(guī)律也比較明顯。通過觀察波形變化，對實際檢測各個探測點A掃得出以下結果：

1）60 kg/m鋼軌軌頭和軌腰的缺陷波形為尖峰狀，軌頭裂紋呈單波峰；軌腰穿孔一般取第1周期波形為傷波標準且波幅在基準線4刻度左右，缺陷的波形寬度較小且基本不變，波幅先增大后變小，且變化程度大，鋼軌缺陷通常為氣孔、縫隙、非金屬夾雜等。

2）裂紋傷波的波峰與其他回波波幅相近，難以區(qū)分，由于波的多模態(tài)和頻散特性，導致信號和波形復雜且變化激烈。

3）60 kg/m鋼軌踏面穿孔呈單波峰形狀且重合于基線；軌底裂紋呈線狀與基準線重合，波幅波寬變化激烈。

4 結語

在鋼軌生產(chǎn)中，應嚴格控制硫、磷含量，從而控制鋼軌塑性、韌性。60 kg/m鋼軌缺陷波形分析，對不規(guī)則且無法識別的缺陷，可以進行影響因素的有效分析，從而為60 kg/m鋼軌的生產(chǎn)提供指導經(jīng)驗，使鋼軌質量得到有效控制，彌補了生產(chǎn)和傷軌判別上的不足。