（四川攀研技術(shù)有限公司，四川 攀枝花 617000）

超聲波探傷在高速鋼軌檢測(cè)中的應(yīng)用

陳太榮

（四川攀研技術(shù)有限公司，四川 攀枝花 617000）

為了滿足鋼軌生產(chǎn)的需要，開發(fā)了攀鋼鋼軌在線超聲波探傷系統(tǒng)。本文簡(jiǎn)要介紹了這套設(shè)備的主要組成部分：探頭、試塊、起落架和測(cè)控系統(tǒng)，以及系統(tǒng)各組成部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并結(jié)合系統(tǒng)調(diào)試及生產(chǎn)運(yùn)行情況，著重分析了系統(tǒng)的誤報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象以及可采取的解決措施。

鋼軌超聲波探傷；雙晶探頭；探頭距離—波幅曲線；起落架跟隨性；測(cè)控系統(tǒng)

鋼軌生產(chǎn)過程中，如果內(nèi)部存在超過標(biāo)準(zhǔn)允許的缺陷，列車運(yùn)行時(shí)就有可能引發(fā)斷軌事故。為避免鋼軌內(nèi)部缺陷帶來的安全隱患，采用超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)對(duì)鋼軌進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢測(cè)，是目前世界上鋼軌生產(chǎn)廠家采取的主要技術(shù)手段。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，高速重載鐵路運(yùn)輸在國(guó)內(nèi)外迅速發(fā)展起來。為適應(yīng)市場(chǎng)需求，2005年攀鋼軌梁廠開始生產(chǎn)200km/h客運(yùn)專線鋼軌和350km/h客運(yùn)專線鋼軌，該公司研發(fā)的高速軌超聲波探傷系統(tǒng)也同期投入使用。

1 鋼軌超聲波自動(dòng)探傷系統(tǒng)介紹

1.1 技術(shù)要求

根據(jù)TB/T2344-2003 《43～75 kg /m熱軋鋼軌訂貨技術(shù)條件》和《350km/h客運(yùn)專線60kg/m鋼軌暫行技術(shù)條件》有關(guān)超聲波探傷的規(guī)定，鋼軌超聲波檢測(cè)覆蓋區(qū)域應(yīng)滿足：（1）軌頭≥70%；（2）軌腰≥60% ；（3）軌底檢測(cè)應(yīng)覆蓋圖1陰影部位。

圖1 軌底探傷部位

1.2 檢測(cè)原理

系統(tǒng)采用接觸式A型脈沖超聲波，以自來水為耦合介質(zhì)，檢測(cè)過程鋼軌通過傳送輥道驅(qū)動(dòng)做直線運(yùn)動(dòng)，超聲波探頭安裝在相對(duì)靜止的起落架上緊貼鋼軌軌面實(shí)施全長(zhǎng)檢測(cè)。

1.3 系統(tǒng)基本構(gòu)成

系統(tǒng)主要包括六部分。（1）鋼軌輸送輥道：使鋼軌在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)保持勻速移動(dòng)，其速度可調(diào)。（2）導(dǎo)向約束機(jī)構(gòu)：對(duì)鋼軌進(jìn)入檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行導(dǎo)向約束，使鋼軌保持穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。（3）測(cè)距機(jī)構(gòu)：檢測(cè)鋼軌長(zhǎng)度及其位置，用于探頭起落控制及缺陷定位與標(biāo)識(shí)。（4）探頭耦合機(jī)構(gòu)：用于承載探頭，具有良好的隨動(dòng)性。（5）探頭調(diào)整機(jī)構(gòu)：用于不同軌型的鋼軌探頭耦合機(jī)構(gòu)的調(diào)整。（6）多通道數(shù)字式超聲波探傷儀。

1.4 探頭布局、選用及其參數(shù)

探頭數(shù)量最多可以安裝13只（在滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的探傷覆蓋率前提下，生產(chǎn)不同規(guī)格鋼軌時(shí)可對(duì)探頭數(shù)量進(jìn)行增減調(diào)整）。其中1、2、3、4、5號(hào)探頭檢測(cè)軌頭；6、7、8、9、10、11號(hào)探頭檢測(cè)軌腰；12號(hào)探頭檢測(cè)軌底縱向裂紋；13號(hào)探頭檢測(cè)軌底。探頭布置見圖2。

圖2 探頭布置圖

經(jīng)過多次手工探傷試驗(yàn)和長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)驗(yàn)證，各型探頭主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

表1 鋼軌探傷使用的各型探頭晶片設(shè)計(jì)參數(shù)

本系統(tǒng)大量采用雙晶探頭，主要考慮鋼軌各部位檢測(cè)深度不大，可以充分利用TR探頭盲區(qū)小、分辨力高的特點(diǎn)。通過手工探測(cè)鋼軌對(duì)比試驗(yàn)，雙晶探頭相對(duì)于單晶探頭檢測(cè)靈敏度更高，缺陷檢出效果更好。

探頭距離—波幅曲線：雙晶探頭距離—波幅曲線特性與晶片傾斜角度、晶片間距、晶片大小和有機(jī)玻璃楔塊高度等參數(shù)有關(guān)，適當(dāng)選擇這些參數(shù)，可以獲得較小的探傷盲區(qū)，在檢測(cè)深度區(qū)間獲得比較平緩變化的距離—波幅特性曲線，這樣有利于超標(biāo)缺陷的自動(dòng)報(bào)警。國(guó)內(nèi)制造的探頭，靈敏度余量至少控制在35dB以上，檢測(cè)盲區(qū)控制在2mm以內(nèi)，檢測(cè)深度范圍波幅變化控制在5dB以內(nèi)，一般即可滿足正常的自動(dòng)探傷要求。

1.5 試塊

試塊的作用：標(biāo)定探傷靈敏度、檢測(cè)探傷儀和探頭性能、調(diào)整掃描速度、評(píng)判實(shí)際缺陷的當(dāng)量大小。試塊的設(shè)計(jì)體現(xiàn)計(jì)量的傳遞，是保障探傷有效性的重要標(biāo)志。針對(duì)鋼軌自動(dòng)探傷，設(shè)計(jì)了專用的對(duì)比試塊，靜態(tài)樣塊和動(dòng)態(tài)樣軌。試塊人工缺陷可參考TB/T2344-2003 《43～75 kg /m熱軋鋼軌訂貨技術(shù)條件》和《350km/h客運(yùn)專線60kg/m鋼軌暫行技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。

專用對(duì)比試塊：用于試塊之間靈敏度的校正，材料為45＃鋼，并按鋼軌淬火工藝要求進(jìn)行熱處理，控制晶粒度級(jí)別與鋼軌檢測(cè)部位基本一致。

靜態(tài)樣塊：用于動(dòng)態(tài)樣軌人工缺陷當(dāng)量大小的標(biāo)定；測(cè)試探頭性能及探傷系統(tǒng)組合性能；矯正探傷系統(tǒng)各通道的探傷靈敏度。靜態(tài)試塊材料在無內(nèi)部缺陷的鋼軌成品上截取。

動(dòng)態(tài)樣軌：在動(dòng)態(tài)樣軌靜止?fàn)顟B(tài)下，調(diào)整起落架上各探頭具體的檢測(cè)部位；在動(dòng)態(tài)樣軌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，調(diào)整探傷系統(tǒng)各通道的探傷靈敏度，驗(yàn)證探傷系統(tǒng)的穩(wěn)定性。動(dòng)態(tài)樣軌通常在探傷之前、探傷過程中或一批鋼軌探傷結(jié)束后調(diào)試，它是檢查探傷系統(tǒng)穩(wěn)定性及可靠性的最主要工具。動(dòng)態(tài)樣軌最小長(zhǎng)度根據(jù)探傷線導(dǎo)向約束裝置間距確定，長(zhǎng)度至少滿足4～5個(gè)約束點(diǎn)，樣軌太長(zhǎng)不方便手工推動(dòng)調(diào)試作業(yè)，一般要求動(dòng)態(tài)樣軌動(dòng)態(tài)檢測(cè)時(shí)不明顯跑偏為原則，通常取10～15m為宜。動(dòng)態(tài)樣軌材料要求與被檢測(cè)鋼軌規(guī)格及材質(zhì)一致。動(dòng)態(tài)樣軌缺陷布局見圖3。

圖3 動(dòng)態(tài)樣軌缺陷布局圖

1.6 探頭起落架

探頭起落架是超聲波在線探傷系統(tǒng)開發(fā)的難點(diǎn)，它對(duì)探頭的耦合取決定性作用。由于鋼軌的平直度誤差以及振動(dòng)等的影響，鋼軌在探傷送進(jìn)過程常常出現(xiàn)跑偏和上翹等現(xiàn)象，為使探頭與鋼軌表面實(shí)現(xiàn)有效耦合，探頭與鋼軌斷面位置相對(duì)穩(wěn)定，一般要求起落架具有上下和水平方向的跟隨性（見圖4）。

圖4 起落架跟隨性示意圖

實(shí)踐證明，起落架跟隨性的好壞，對(duì)探傷結(jié)果有如下影響：（1）影響動(dòng)態(tài)樣軌檢測(cè)的重復(fù)性。起落架跟隨性差，探頭檢測(cè)位置變動(dòng)大，探頭動(dòng)態(tài)樣軌調(diào)試?yán)щy，樣軌人工缺陷檢測(cè)重復(fù)性差。（2）影響系統(tǒng)信噪比。起落架跟隨性差，機(jī)構(gòu)不能及時(shí)響應(yīng)鋼軌的位置變動(dòng)，探頭耦合水層變化大會(huì)使水雜波增加，減小信噪比，增加誤報(bào)機(jī)會(huì)，甚至無法探傷。（3）影響軌頭側(cè)面探傷。起落架跟隨性差，軌頭側(cè)面輪廓波會(huì)進(jìn)入報(bào)警閘門引起誤報(bào)。

由于鋼軌的振動(dòng)及平直度變化通常屬于低頻率變動(dòng)信號(hào)，因此，在起落架設(shè)計(jì)上常常采用彈簧、氣缸等驅(qū)動(dòng)元件即可滿足機(jī)械的跟隨響應(yīng)。

1.7 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)由16通道數(shù)字式超聲波探傷儀(配高速數(shù)據(jù)采集處理模塊)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及自動(dòng)控制系統(tǒng)等構(gòu)成。

測(cè)控系統(tǒng)工作原理：探傷儀激勵(lì)探頭發(fā)射晶片產(chǎn)生高頻超聲波脈沖，超聲波進(jìn)入鋼軌內(nèi)部檢測(cè)到缺陷后反射回來使探頭接收晶片產(chǎn)生電信號(hào)，探傷儀將該弱電信號(hào)進(jìn)行放大、檢波等處理后送入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)根據(jù)用戶設(shè)置的探傷參數(shù)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種相關(guān)的處理，并判斷出缺陷大小、位置、深度等參數(shù)，通過計(jì)算機(jī)界面自動(dòng)繪制波形、記錄缺陷等；自動(dòng)控制系統(tǒng)完成操作輥道、前后夾送裝置、測(cè)距裝置以及探頭起落架的自動(dòng)與手動(dòng)起落等控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)以PLC為核心，通過旋轉(zhuǎn)編碼器精確檢測(cè)鋼軌長(zhǎng)度，光電開關(guān)定點(diǎn)控制起落架起落，保障了自動(dòng)控制系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

2 系統(tǒng)調(diào)試及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)情況

系統(tǒng)投入生產(chǎn)運(yùn)行前，采用60kg/m動(dòng)態(tài)樣軌，連續(xù)進(jìn)行50次檢測(cè)，檢測(cè)速度約為1m/s。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

TB517

A

1671-0711（2017）04（上）-0082-03