黃鳳英

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 金屬及化學(xué)研究所，北京　100081)

由于輪軌滾動(dòng)接觸，鋼軌軌頭踏面容易產(chǎn)生疲勞損傷，嚴(yán)重危害鋼軌的使用壽命。在役鋼軌軌頭踏面常見(jiàn)斜裂紋形貌如圖1所示。由圖1可見(jiàn)：軌頭踏面裂紋一般分布在工作邊的軌距角側(cè)。萌生初期的表面裂紋普遍與鋼軌頂面呈約10°～40°的夾角，其中部分裂紋向鋼軌內(nèi)部擴(kuò)展，并改向成水平走向或沿表面擴(kuò)展形成剝離掉塊；另一部分裂紋沿軌面向下擴(kuò)展，會(huì)突然以較大角度約60°～70°向內(nèi)部深處和橫向擴(kuò)展，導(dǎo)致鋼軌橫向斷裂[1-4]。通過(guò)研究鋼軌表面裂紋深度的定量評(píng)估方法以判定裂紋的嚴(yán)重程度，對(duì)后續(xù)處理措施的選擇具有重要意義，并可實(shí)現(xiàn)鋼軌傷損的早期預(yù)警。

對(duì)在役鋼軌采用人工目視進(jìn)行傷損檢查，很容易產(chǎn)生漏檢，且無(wú)法判定鋼軌裂紋的嚴(yán)重程度。采用磁粉、滲透等常規(guī)無(wú)損檢測(cè)方法進(jìn)行鋼軌探傷時(shí)，不但會(huì)造成污染，而且檢測(cè)效率都比較低，需要進(jìn)行表面預(yù)處理以及一定的光照條件，尤其是滲透檢測(cè)只能檢測(cè)已開(kāi)口的表面缺陷。王平等[5]研究了鋼軌表面缺陷的漏磁三維磁場(chǎng)分析，采用三維磁場(chǎng)測(cè)量以及有限元方法對(duì)缺陷漏磁場(chǎng)的三維分布情況進(jìn)行了分析；王凌云等[6]研究了重軌表面缺陷機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，包括缺陷的紅外成像處理、多CCD組合采集、缺陷提取等；劉洋等[7]根據(jù)激光超聲波在鋼軌表面激發(fā)時(shí)會(huì)同時(shí)產(chǎn)生縱波、橫波和表面波，而表面波可用于檢測(cè)表面微裂紋的原理，研究了激光超聲技術(shù)在鋼軌探傷中的應(yīng)用。以上將漏磁、紅外和激光超聲等檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于鋼軌，在目前還僅限于實(shí)驗(yàn)室研究，未見(jiàn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)用的報(bào)道；另外，這3種檢測(cè)方法雖然不需要耦合劑即可實(shí)現(xiàn)非接觸檢測(cè)，但是，漏磁檢測(cè)方法需要保證探頭與檢測(cè)面的間隙恒定，否則漏磁場(chǎng)變化很大，且漏磁檢測(cè)方法還需要對(duì)鋼軌進(jìn)行磁化，然而磁化設(shè)備較笨重；紅外檢測(cè)設(shè)備成本高，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)缺陷深度的評(píng)估；激光超聲檢測(cè)方法目前主要應(yīng)用于高溫狀態(tài)下的遠(yuǎn)距離檢測(cè)，屬于微損檢測(cè)，需要的設(shè)備功率大，且設(shè)備壽命短、成本也較高。目前，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院在鋼軌探傷車原有超聲檢測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究增加脈沖渦流技術(shù)用于檢測(cè)鋼軌表面裂紋，但是也僅限于試驗(yàn)階段。

渦流檢測(cè)作為常規(guī)的無(wú)損檢測(cè)方法之一，其檢測(cè)原理是當(dāng)渦流檢測(cè)線圈通入交變電流時(shí)，線圈周圍就會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，將金屬導(dǎo)體置于該交變磁場(chǎng)中，金屬導(dǎo)體的表面就會(huì)感應(yīng)出渦流，而此渦流又會(huì)產(chǎn)生1個(gè)磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)與原線圈磁場(chǎng)相互作用，阻礙原磁場(chǎng)的變化。當(dāng)金屬導(dǎo)體的表面或近表面有缺陷時(shí)，就會(huì)引起渦流的畸變，使感應(yīng)的渦流發(fā)生變化，導(dǎo)致檢測(cè)線圈的阻抗或電壓發(fā)生變化，分析該電壓或阻抗的變化就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬導(dǎo)體表面和近表面的缺陷檢測(cè)。由于在役鋼軌的檢測(cè)只能在“天窗點(diǎn)”進(jìn)行，而且是夜間作業(yè)，時(shí)間緊，光照條件有限，因此，具有非接觸、無(wú)污染、不需要耦合劑、檢測(cè)速度快等特點(diǎn)的渦流檢測(cè)方法適宜用于在役鋼軌表面缺陷的檢測(cè)。

本文首先通過(guò)仿真計(jì)算，擬合鋼軌表面裂紋深度與磁感應(yīng)強(qiáng)度之間的函數(shù)關(guān)系。然后按照該函數(shù)關(guān)系得到鋼軌表面裂紋深度與渦流檢測(cè)信號(hào)電壓幅值的關(guān)系式，實(shí)現(xiàn)對(duì)在役鋼軌表面裂紋的有效檢測(cè)及深度的定量評(píng)估。

1　鋼軌表面裂紋渦流檢測(cè)的定量仿真分析

根據(jù)渦流檢測(cè)原理，被測(cè)導(dǎo)體中感應(yīng)的渦流密度為

(1)

其中，

ω=2πf

式中：J為渦流密度；Z為距離導(dǎo)體表面的距離；J0為面電流密度；ω和f分別為渦流激勵(lì)信號(hào)的角頻率和頻率；μ和σ分別為被測(cè)導(dǎo)體的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。

渦流滲透深度為

(2)

式中：δ為渦流滲透深度。

由式(1)和式(2)可見(jiàn)：被測(cè)導(dǎo)體表面的渦流密度隨著檢測(cè)深度的增加成指數(shù)衰減，但隨著頻率、電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的增大而增大；雖然頻率、電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率越大，導(dǎo)體表面渦流的密度也越大，但是渦流的趨膚效應(yīng)也越顯著、滲透深度也越??；由于趨膚效應(yīng)，渦流檢測(cè)只能實(shí)現(xiàn)被測(cè)導(dǎo)體表面或近表面深度的缺陷檢測(cè)。

1.1　渦流檢測(cè)鋼軌表面裂紋深度的定量仿真分析

采用ANSYS軟件，以1塊表面帶有裂紋的鋼板模擬鋼軌，建立渦流檢測(cè)模型，進(jìn)行鋼軌表面裂紋渦流檢測(cè)響應(yīng)的仿真計(jì)算分析。該模型主要由含有裂紋的鋼板、渦流線圈(絕對(duì)式)和空氣組成。由于渦流滲透深度的限制，且鋼軌的長(zhǎng)、寬尺寸與渦流線圈直徑比大于5、鋼軌厚度與渦流滲透深度比例大于4，則可認(rèn)為鋼軌對(duì)線圈阻抗的影響與其無(wú)限長(zhǎng)時(shí)一致。在鋼板中心刻有槽形裂紋，將線圈置于鋼板中心線上，從左至右逐點(diǎn)掃查，如圖2所示。

圖2　模型及線圈掃查示意圖

線圈模型耦合至外接電路，仿真時(shí)裂紋長(zhǎng)×寬為9.0 mm×0.2 mm、深度分別為0.1，0.2，0.5，1.0，1.5，2.0和5.0 mm。仿真模型中線圈和鋼板的幾何尺寸及材料性能參數(shù)見(jiàn)表1。鋼軌屬于鐵磁性材料，其相對(duì)磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于1；由于實(shí)際檢測(cè)在不施加磁化的條件下進(jìn)行，而線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)導(dǎo)致鋼板的磁滯效應(yīng)也非常微弱，因此可將鋼板相對(duì)磁導(dǎo)率設(shè)為定值。

表1　仿真模型參數(shù)

仿真模型中，裂紋附近的網(wǎng)格按等比例劃分，其余部分使用不大于1/3的過(guò)渡尺寸網(wǎng)格進(jìn)行劃分，如圖3所示。鋼板整體模型的外圍覆蓋了其尺寸5倍的空氣層以及10倍的遠(yuǎn)場(chǎng)空氣層，模擬電磁場(chǎng)在無(wú)限遠(yuǎn)處的耗散問(wèn)題。線圈通過(guò)場(chǎng)—路耦合供電。當(dāng)線圈處于裂紋正上方時(shí)，鋼板具有對(duì)稱的渦流分布，因此求解計(jì)算完成后，當(dāng)線圈處于裂紋正上方時(shí)，提取鋼板中心線-4～4 mm(以裂紋中心為原點(diǎn))范圍內(nèi)的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

圖3　鋼板和線圈有限元模型

1.2　仿真結(jié)果分析

鋼板中心線上不同深度裂紋對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布曲線如圖4所示。從圖4可以看出：磁感應(yīng)強(qiáng)度在缺陷附近出現(xiàn)“雙肩”現(xiàn)象；當(dāng)裂紋深度變化時(shí)，“雙肩”現(xiàn)象處由渦流變化導(dǎo)致的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化也較大；當(dāng)裂紋深度較淺時(shí)，裂紋附近磁感應(yīng)強(qiáng)度較大，隨著裂紋深度的逐漸加大，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸變小，且變化速率逐漸減緩。

圖4　鋼板中心線上的磁感應(yīng)強(qiáng)度曲線

取距裂紋中心0～0.6 mm范圍內(nèi)、間隔為0.1 mm的點(diǎn)，得到這些不同位置處不同裂紋深度對(duì)應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化關(guān)系，如圖5所示。從圖5可以看出：隨著裂紋深度的加深，磁感應(yīng)強(qiáng)度逐漸減?。划?dāng)裂紋深度大于2 mm時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎看不出變化。

圖5距裂紋中心不同位置處裂紋深度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化關(guān)系

其中，距裂紋中心0.3 mm處裂紋深度與磁感應(yīng)強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖6所示。從圖6可以看出：隨著裂紋深度的加深磁感應(yīng)強(qiáng)度減小，當(dāng)裂紋深度約為2 mm以上時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度變化越來(lái)越不明顯；且該深度值隨著激勵(lì)信號(hào)頻率的變化而改變；從圖中擬合曲線可以看出磁感應(yīng)強(qiáng)度與裂紋深度近似服從指數(shù)關(guān)系。

圖6距裂紋中心0.3mm處裂紋深度與磁感應(yīng)強(qiáng)度-深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系

從以上仿真結(jié)果可以得出：裂紋深度越深，鋼板表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化越??；當(dāng)裂紋深度增加到一定程度(大約2 mm)后，裂紋深度再增加時(shí)的磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎沒(méi)有什么變化。從仿真結(jié)果可以推斷，當(dāng)裂紋深度達(dá)到一定程度后，定量評(píng)估的誤差也會(huì)越來(lái)越大。

2　鋼軌試塊表面裂紋渦流檢測(cè)的定量評(píng)估試驗(yàn)

一般地，渦流檢測(cè)結(jié)果只能進(jìn)行定性判定，無(wú)法真正實(shí)現(xiàn)定量評(píng)估。目前主要采用當(dāng)量法，以人工缺陷的當(dāng)量表征缺陷的大小，這需要制作盡可能多的對(duì)比試塊。由于采用的人工試塊有限，通過(guò)當(dāng)量法實(shí)現(xiàn)定量分析會(huì)存在很大的誤差，難以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)試得到的不同表面裂紋深度所對(duì)應(yīng)的渦流檢測(cè)信號(hào)電壓幅值，結(jié)合上文仿真分析的結(jié)果，按照指數(shù)函數(shù)擬合相關(guān)度較高的表面裂紋深度與渦流檢測(cè)信號(hào)電壓幅值的關(guān)系式，據(jù)此計(jì)算裂紋深度，可減小完全依賴試塊進(jìn)行定量評(píng)估所帶來(lái)的誤差，適用于在役鋼軌檢測(cè)過(guò)程中裂紋深度的快速定量評(píng)估。

制作表面帶有不同傾角、不同深度垂直裂紋和斜裂紋的鋼軌試塊，帶有垂直裂紋鋼軌試塊上的裂紋深度分別取為0.5，1.0，2.0和5.0 mm；帶有斜裂紋鋼軌試塊的等效垂直深度分別取為1.0和2.0 mm，斜裂紋與踏面的夾角即傾角分別為15°，30°，45°和60°，斜裂紋的等效垂直深度根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系計(jì)算得到。圖7所示為等效垂直深度為2mm、帶有不同傾角的斜裂紋鋼軌試塊。

圖7　斜裂紋試塊圖(單位：mm)

利用渦流筆式探頭對(duì)上述試塊進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中盡量使線圈的提離高度一致，目的是去除由于提離高度不一致對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，并保持檢測(cè)頻率和增益不變。檢測(cè)步驟如下。

(1)先標(biāo)定對(duì)比試塊，這里假定以0.5 mm深的裂紋作為判廢標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)定報(bào)警閾值。

(2)使儀器設(shè)置的增益和檢測(cè)頻率不變，并記錄。

(3)檢測(cè)上述3種不同的試塊，記錄渦流檢測(cè)信號(hào)等效電壓的幅值和相位，每個(gè)裂紋重復(fù)檢測(cè)3次并記錄，得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。然后根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)制作等效電壓幅值與裂紋深度的對(duì)應(yīng)關(guān)系圖；根據(jù)關(guān)系圖按指數(shù)曲線函數(shù)進(jìn)行擬合。

由檢測(cè)數(shù)據(jù)得到的裂紋深度與等效電壓幅值關(guān)系如圖8所示。從圖8可以看出：裂紋的深度和渦流信號(hào)等效電壓幅值成一定的關(guān)系；隨著裂紋深度的加深，幅值呈上升趨勢(shì)，但裂紋深度增加到一定的值時(shí)，其幅值增加的速度趨緩。

將檢測(cè)數(shù)據(jù)按下式進(jìn)行擬合。

表2對(duì)比試塊裂紋深度與渦流檢測(cè)信號(hào)等效電壓幅值的關(guān)系

序號(hào)裂紋等效垂直深度/mm裂紋長(zhǎng)度/mm裂紋傾角/(°)渦流檢測(cè)信號(hào)等效電壓幅值1幅值2幅值3均值10505903941344121010905054515132020907370747345050901071021031035103915858891886102030697275727101445636462638101260575758579207715107105108107102040309210010010011202845848592851220236080838583

圖8　裂紋深度與渦流檢測(cè)信號(hào)等效電壓幅值的關(guān)系曲線

(3)

式中：x為裂紋深度；y為渦流檢測(cè)信號(hào)等效電壓幅值；y0和A1和t均為需要求解的系數(shù)。

(4)

圖9　指數(shù)擬合曲線

計(jì)算擬合曲線與真實(shí)數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)為0.975。從圖9可以看出：渦流檢測(cè)信號(hào)的等效電壓幅值隨著裂紋深度的增加逐漸增大，但隨著深度增加到一定值后，幅值增大的速度趨緩。

根據(jù)擬合曲線，可通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件程序?qū)崿F(xiàn)裂紋深度的自動(dòng)計(jì)算。需要注意的是如果更換探頭，需要重新取數(shù)據(jù)，并重新計(jì)算指數(shù)擬合曲線，因探頭的靈敏度參數(shù)會(huì)有差異，一般將探頭以工藝參數(shù)的形式設(shè)定好后就不需要改動(dòng)了。

3　鋼軌表面自然裂紋的試驗(yàn)研究

截取一表面帶自然裂紋的鋼軌軌頭進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，計(jì)算自然裂紋的深度。取5處裂紋做好標(biāo)記，然后進(jìn)行渦流檢測(cè)試驗(yàn)，得到渦流檢測(cè)信號(hào)的等效電壓幅值y，將y代入式(4)，得到鋼軌裂紋深度x的結(jié)果見(jiàn)表3。

將上述鋼軌軌頭處進(jìn)行縱向解剖截取，在截面上用著色方法進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)量標(biāo)記處的斜裂紋長(zhǎng)度，結(jié)果見(jiàn)表3，裂紋著色顯示如圖10所示，金相顯微圖像如圖11所示。從圖上清晰可見(jiàn)表面斜裂紋顯示。

表3　斜裂紋的定量計(jì)算深度及其與實(shí)測(cè)深度的誤差

圖10　鋼軌表面裂紋縱向解剖滲透檢測(cè)圖

從表3可以看出：實(shí)際測(cè)量的裂紋深度和檢測(cè)計(jì)算得到的裂紋深度存在一定的誤差，隨著裂紋深度加深，檢測(cè)誤差會(huì)變大。其主要原因是：①試塊裂紋制作精度存在一定誤差，特別是深裂紋的誤差更大，深度越深，其裂紋寬度越難控制；②裂紋深度通過(guò)擬合曲線計(jì)算得到，擬合曲線只能無(wú)限逼近真實(shí)值，不等于真實(shí)值；③裂紋深度達(dá)到一定深度后，感應(yīng)的渦流密度迅速衰減，且裂紋傾斜向下而渦流探頭的檢測(cè)面積有限，給定量工作造成更大的難度。

圖11　金相顯示圖

4　結(jié)　論

(1)通過(guò)仿真計(jì)算，求解具有高相關(guān)系數(shù)的渦流檢測(cè)信號(hào)幅值與裂紋深度的指數(shù)擬合曲線。仿真計(jì)算表明：隨著裂紋深度的加深磁感應(yīng)強(qiáng)度增大，但隨著深度加深，當(dāng)裂紋深度在約2 mm以上時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化越來(lái)越不明顯，該深度值隨著激勵(lì)信號(hào)頻率的變化而改變，磁感應(yīng)強(qiáng)度與裂紋深度近似服從指數(shù)關(guān)系。

(2)通過(guò)制作不同傾斜角度和深度的裂紋對(duì)比試塊，采用渦流檢測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行裂紋深度定量分析研究，以實(shí)現(xiàn)鋼軌表面自然裂紋深度的定量評(píng)估。試驗(yàn)結(jié)果表明：裂紋深度越深，定量評(píng)估的誤差越大；當(dāng)裂紋深度大于2 mm時(shí)定量評(píng)估誤差將大于10%，當(dāng)裂紋深度超過(guò)5 mm時(shí)，建議結(jié)合超聲檢測(cè)的方法進(jìn)行深度定量評(píng)估。

(3)渦流檢測(cè)方法能實(shí)現(xiàn)鋼軌表面裂紋的有效檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)裂紋深度的定量評(píng)估。

[1]鄒定強(qiáng). 鋼軌失效分析傷損圖譜[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2010：29-31.

[2]張玉華，許貴陽(yáng)，李培，等.鋼軌探傷車自主化超聲檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 中國(guó)鐵道科學(xué)，2015,36(5):131-136.

(ZHANG Yuhua,XU Guiyang, LI Pei,et al. Key Technology to Autonomous Ultrasonic Detection System of Rail Flaw Detection Car[J]. China Railway Science, 2015,36(5):131-136.in Chinese)

[3]黃鳳英，高東海，丁興和. 道岔尖軌表面缺陷檢測(cè)卡片式渦流傳感器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J]. 無(wú)損檢測(cè)， 2014, 36(2):63-66.

(HUANG Fengying, GAO Donghai, DING Xinghe. Design and Application of Card-Type Eddy Current Sensor for Testing the Surface Defects of Switch Rail[J]. Nondestructive Testing，2014, 36(2):63-66. in Chinese)

[4]高運(yùn)來(lái)，田貴云，丁松，等.鋼軌疲勞斜裂紋垂向磁化檢測(cè)仿真[J].無(wú)損檢測(cè)，2014,36(11)：18-23.

(GAO Yunlai, TIAN Guiyun, DING Song, et al.FEM Simulation on Electromagnetic NDT of Rail RCF Crack Using Vertical Magnetization[J]. Nondestructive Testing, 2014,36(11)：18-23. in Chinese)

[5]ROBIN Clark.Rail Flaw Detection: Overview and Needs for Future Developments[J]. Ndt & E International, 2004, 37(2):111-118.

[6]王平，趙颯，王海濤，等.鋼軌表面缺陷漏磁檢測(cè)的三維磁場(chǎng)分析[J]. 無(wú)損檢測(cè)，2010,32(9)：658-660.

(WANG Ping, ZHAO Sa, WANG Haitao, et al. 3D Magnetic Field Analysis for Rail Track Surface Defect Using Magnetic Flux Leakage Testing[J]. Nondestructive Testing，2010,32(9)：658-660. in Chinese)

[7]王凌云，黃紅輝，王雪，等.重軌表面缺陷機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)[J]. 重慶大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，30(9):27-31.

(WANG Lingyun, HUANG Honghui, WANG Xue，et al. The Study on Key Technology of Faults Detecting on Surface of Rail Steel Based on Machine Vision[J]. Journal of Chongqing University:Natural Science Edition, 2007，30(9):27-31. in Chinese)