張俊嶺 王子成 陳 瀟 孫 驥 韓志雄閔 力 于國(guó)龍 耿 明

1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢，4300632.武漢中科創(chuàng)新技術(shù)股份有限公司，武漢，4300703.武漢大型養(yǎng)路機(jī)械運(yùn)用檢修段，武漢，430010

0 引言

目前，我國(guó)鐵路總里程約為13萬(wàn)千米，其中高速鐵路營(yíng)業(yè)里程2.5萬(wàn)千米?！惰F路“十三五”發(fā)展規(guī)劃》中提出，到2020年，全國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)到15萬(wàn)千米，因此，鋼軌安全檢測(cè)的工作總量將越來(lái)越大[1-2]。

鋼軌在列車的運(yùn)行過(guò)程中不斷受到碾壓和沖擊，容易產(chǎn)生疲勞裂紋，從而導(dǎo)致安全事故。國(guó)內(nèi)針對(duì)鋼軌裂紋早前常采用手推小車的方式進(jìn)行人工探傷，而發(fā)達(dá)國(guó)家均已采用車載的超聲探傷系統(tǒng)[3]。相比人工探傷，車載探傷系統(tǒng)具有效率高、掃查全面、操作安全、探傷記錄完整可靠等優(yōu)點(diǎn)[4]。隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，人工探傷方式已完全不能滿足系統(tǒng)工程安全的要求，因此我國(guó)引進(jìn)了美國(guó)SPERRY Rail Service公司的車載探傷系統(tǒng)[5]并應(yīng)用于各個(gè)大型養(yǎng)路機(jī)械工務(wù)段，以保障軌道交通安全運(yùn)營(yíng)。目前國(guó)家高速和普速鐵路交通系統(tǒng)的大型養(yǎng)路機(jī)械工務(wù)段運(yùn)行探傷機(jī)制已基本建立，探傷車設(shè)備可常規(guī)化實(shí)施車載探傷。但現(xiàn)有車載自動(dòng)探傷設(shè)備尚無(wú)法滿足應(yīng)用要求：檢測(cè)可靠性偏低，誤報(bào)率高，存在漏報(bào)隱患。隨著鐵路和城市軌道交通市場(chǎng)規(guī)模的增大，對(duì)現(xiàn)有鋼軌探傷車和軌道探傷超聲檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行更新?lián)Q代，提高檢測(cè)效率和可靠性，成為當(dāng)務(wù)之急。

目前，針對(duì)在役鋼軌的檢測(cè)多采用自動(dòng)探傷列車和探傷小車組合使用的方式[6]，即先通過(guò)高速探傷車粗檢，定位缺陷位置，之后通過(guò)探傷小車對(duì)缺陷進(jìn)行細(xì)檢。無(wú)論是探傷小車還是自動(dòng)探傷列車，均針對(duì)鋼軌的軌頭和軌腰部分進(jìn)行超聲探傷。探傷小車作業(yè)多采用水膜耦合組合式探頭實(shí)施檢測(cè)[7]。檢測(cè)軌頭部分時(shí)，沿鋼軌前、后、左、右布置大角度(70°)橫波探頭，探頭沿鋼軌表面相對(duì)中心線偏斜10°左右，在軌顎反射產(chǎn)生二次反射波，可覆蓋到軌頭的上表面區(qū)域。對(duì)軌腰部分的檢測(cè)，通過(guò)沿鋼軌前后布置較小角度(37°)的橫波探頭，在鋼軌表面正對(duì)鋼軌中心線進(jìn)行檢測(cè)，能掃查軌頭的中間部分、軌腰部分和軌底中間部分[8]。與探傷小車類似，自動(dòng)探傷列車通過(guò)采用輪式組合探頭檢測(cè)鋼軌，自動(dòng)探傷列車的70°橫波探頭不采用10°的偏斜角和二次波檢測(cè)上表面，只采用一次波生成檢測(cè)，并在鋼軌的左、中、右布置3個(gè)探頭覆蓋軌頭寬度范圍。典型的輪式組合探頭由1個(gè)0°晶片、1個(gè)40°晶片和3個(gè)70°晶片組成，兩個(gè)輪式探頭能前向和后向布置[9]。

現(xiàn)有的無(wú)縫鋼軌焊接工藝易造成垂直于鋼軌長(zhǎng)度方向的平面缺陷，采用0°縱波和小角度(40°)橫波探頭檢測(cè)難以發(fā)現(xiàn)。針對(duì)高鐵鋼軌焊接接頭，常采用0°直探頭、70°橫波斜探頭、45°橫波斜探頭等單晶回波探頭檢測(cè)和45°橫波斜探頭一發(fā)一收K型掃查相結(jié)合進(jìn)行檢測(cè)。前者易操作，但對(duì)垂直鋼軌方向的內(nèi)部缺陷不敏感，后者理論上可檢測(cè)垂直鋼軌方向的內(nèi)部缺陷，但掃查操作要求高，難以實(shí)施。有一種采用多通道陣列，通過(guò)電子切換輪流掃查的檢測(cè)設(shè)備能獲得較好的效果，但多探頭陣列相對(duì)復(fù)雜，不易攜帶和操作[10]。

本研究采用相控陣超聲成像技術(shù)，根據(jù)鋼軌特殊結(jié)構(gòu)的缺陷特征，研制專用檢測(cè)儀器、探頭、楔塊和掃查裝置，對(duì)鋼軌焊接接頭的軌頭和軌腰部分實(shí)現(xiàn)超聲衍射信號(hào)成像，全面檢測(cè)鋼軌焊接接頭的各種缺陷和尺寸分布，提高檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性。所研制的高速鐵路鋼軌超聲探傷檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)探傷，數(shù)據(jù)采集、記錄和智能化分析功能等。

1 鋼軌超聲探傷檢測(cè)系統(tǒng)

1.1 高速記錄多通道數(shù)字探傷儀

為適應(yīng)高鐵軌道的高效運(yùn)作時(shí)間要求，高速鐵路探傷機(jī)車須采用較高的檢測(cè)速度。而在60 km/h以上的檢測(cè)速度下，超聲檢測(cè)波形數(shù)據(jù)的采集和記錄是世界性難題。目前，國(guó)內(nèi)外所有檢測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)全部波形記錄，缺陷特征識(shí)別和認(rèn)定可靠性是其中的主要技術(shù)瓶頸。針對(duì)此，本項(xiàng)目研制了高速記錄多通道數(shù)字化探傷儀和檢測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在高速檢測(cè)條件下實(shí)時(shí)采集全波形的超聲回波信號(hào)，能夠直觀顯示掃查圖像，可有效提高缺陷識(shí)別能力和自動(dòng)識(shí)別能力。

高速軌道探傷和識(shí)別的核心技術(shù)在于高重復(fù)頻率下超聲檢測(cè)波形的采集和記錄，當(dāng)探傷車運(yùn)行速度達(dá)到80 km/h，要求每隔6 mm至少進(jìn)行一次超聲檢測(cè)時(shí)，超聲重復(fù)頻率應(yīng)超過(guò)3.7 kHz，由于超聲波在鋼軌中的傳播速度為5.9 km/s，通過(guò)計(jì)算可知，檢測(cè)超聲縱向范圍不能超過(guò)797 mm。重復(fù)頻率越高，檢測(cè)范圍越小。實(shí)際上，40°橫波檢測(cè)軌腰和軌底部分時(shí)，檢測(cè)范圍要求達(dá)到430 mm，70°二次橫波檢測(cè)軌頭部分時(shí)檢測(cè)范圍要求達(dá)到530 mm，超聲重復(fù)頻率應(yīng)不超過(guò)5 kHz。要實(shí)現(xiàn)全波形記錄，每個(gè)波形需有500個(gè)數(shù)據(jù)，每通道的數(shù)據(jù)量達(dá)到2.5MByte/s，龐大的數(shù)據(jù)通信量成為系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸。

本項(xiàng)目通過(guò)采用模塊化設(shè)計(jì)、分布式系統(tǒng)，將多通道超聲檢測(cè)儀設(shè)計(jì)為每4個(gè)通道1個(gè)模塊，配置86系列嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，達(dá)到千兆以太網(wǎng)的通信能力，平衡了數(shù)據(jù)處理速度和數(shù)據(jù)通信瓶頸，并能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和分析處理要求。檢測(cè)系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)5 kHz重復(fù)頻率超聲檢測(cè)信號(hào)全波形實(shí)時(shí)記錄和存儲(chǔ)，可為高速軌道探傷記錄詳細(xì)信息，解決了目前在役高速軌道探傷車只能記錄二值化的回波信號(hào)的局限。

圖1 高速記錄多通道數(shù)字探傷儀系統(tǒng)框圖Fig.1 Block diagram of high-speed track detector

1.2 鋼軌焊接接頭相控陣超聲檢測(cè)系統(tǒng)

1.2.1軌頭部位的檢測(cè)

針對(duì)鋼軌軌頭部位，常采用大角度(70°)橫波檢測(cè)進(jìn)行核傷。其中，一次波檢測(cè)采用3個(gè)大角度探頭沿寬度方向并排，沿軌長(zhǎng)方向檢測(cè)軌頭的左、中、右部，但聲束寬度及軌面邊緣部位的曲面結(jié)構(gòu)限制了探頭的聲耦合效果。二次波檢測(cè)在軌頂中部用2個(gè)大角度探頭，分別以-10°和10°左右的偏斜角布置，利用聲束在軌顎產(chǎn)生的反射波檢測(cè)軌頭的兩側(cè)部分，利用聲束的擴(kuò)散角，能夠覆蓋大部分軌頭部位。但是在掃查時(shí)，探頭偏斜角的調(diào)整產(chǎn)生的波動(dòng)將會(huì)引起漏檢。在鋼軌焊縫檢測(cè)時(shí)，也利用大角度橫波檢測(cè)軌頭部位的焊縫截面，單晶聲束的覆蓋不完整局限了檢測(cè)可靠性。為了更有效地檢測(cè)焊縫中垂直鋼軌的平面狀缺陷，有學(xué)者研發(fā)了串列式和K型布置的雙探頭或多探頭陣列檢測(cè)技術(shù)。這種方法的局限性在于掃查機(jī)構(gòu)較單探頭復(fù)雜，在應(yīng)用中難以保證聲束對(duì)準(zhǔn)和耦合穩(wěn)定。

本文提出采用橫裝楔塊的相控陣超聲成像技術(shù)，如圖2所示，大角度折射橫波在軌頂中部入射，并且橫向連續(xù)偏轉(zhuǎn)，一次聲波連續(xù)覆蓋軌頭中部，連續(xù)的偏轉(zhuǎn)角分布使軌顎的二次反射波能覆蓋軌頭截面的絕大部分區(qū)域。探頭對(duì)鋼軌長(zhǎng)度方向進(jìn)行掃查時(shí)，能較全面檢測(cè)軌頭部位，同樣也能檢測(cè)全部鋼軌焊縫的軌頭截面。采用超聲相控陣成像技術(shù)，能圖像化記錄和顯示檢測(cè)數(shù)據(jù)，有利于檢出不垂直于聲束方向的焊縫缺陷。本研究通過(guò)試驗(yàn)證實(shí)了橫裝楔塊的相控陣超聲扇掃成像對(duì)軌頭部位的聲束覆蓋和檢測(cè)能力。

圖2 橫裝楔塊相控陣檢測(cè)焊縫軌頭部位示意圖Fig.2 Detection of weld rail head position by phased array with transverse wedge block

1.2.2軌腰部位檢測(cè)

針對(duì)軌腰部位的檢測(cè)，常將37°或40°橫波探頭置于軌頂中心位置，沿鋼軌長(zhǎng)度方向檢測(cè)軌腰和軌底部位缺陷；同時(shí)將0°縱波探頭置于軌頂中心位置，利用垂直入射聲束檢測(cè)軌腰和軌底部位缺陷。對(duì)于鋼軌焊縫中垂直鋼軌的平面狀缺陷，采用串列式雙探頭或多探頭陣列檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。

如圖3所示，本文采用縱波扇掃成像和機(jī)械線掃組合技術(shù)檢測(cè)鋼軌軌體或焊縫的軌腰和軌底中間部位。該技術(shù)采用一個(gè)相控陣探頭代替兩斜一直三個(gè)探頭，通過(guò)連續(xù)角度分布的縱波電子掃查，檢測(cè)±40°范圍內(nèi)所有取向的缺陷，并以圖像方式顯示。亦可采用35°到75°范圍電子扇掃橫波檢測(cè)軌腰和軌底中間部位。

圖3 相控陣組合成像技術(shù)檢測(cè)焊縫軌腰和軌底Fig.3 Phased array combination imaging technology to detect the weld rail waist and the bottom of the rail

2 試驗(yàn)研究

2.1 超聲檢測(cè)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)試驗(yàn)

鋼軌試塊如圖4所示。試驗(yàn)采用輪式探頭，包括3個(gè)70°橫波檢測(cè)探頭，1個(gè)40°橫波探頭和1個(gè)0°縱波探頭，對(duì)加工了人工反射體的高速旋轉(zhuǎn)的試樣軌道進(jìn)行檢測(cè)，以相對(duì)速度22 m/s進(jìn)行采集和記錄。其中，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間2 h，記錄里程超過(guò)200 km。采集的局部數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。根據(jù)圖5持續(xù)動(dòng)態(tài)檢測(cè)記錄中截取的數(shù)據(jù)可知，0°縱波探頭能檢出并記錄軌頭橫孔和軌腰橫孔、螺栓孔信號(hào)和螺栓孔周邊刻槽反射體信號(hào)以及軌底平底孔的反射體信號(hào)；40°橫波探頭能檢出并記錄軌頭橫孔、螺栓孔和周邊刻槽反射體的信號(hào)；70°橫波探頭能檢出并記錄軌頭橫孔信號(hào)。通過(guò)調(diào)節(jié)探傷閘門(mén)的位置，統(tǒng)計(jì)各通道對(duì)各個(gè)人工缺陷的記錄數(shù)據(jù)，結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)試塊42 000余周次的檢測(cè)數(shù)據(jù)高度重復(fù)。

圖4 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)鋼軌試塊圖Fig.4 Dynamic test rail test block diagram

(a)70°橫波探頭軌頭檢測(cè)記錄

(b)40°橫波探頭軌腰檢測(cè)記錄

(c)0°縱波探頭軌腰和軌底檢測(cè)記錄圖5 多通道鋼軌高速探傷試驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)Fig.5 Multi-channel high-speed inspection test record data

通道缺陷通道0°縱波探頭40°橫波探頭70°橫波探頭外中內(nèi)1(軌頭橫孔外)42 47742 47842 47842 46502(軌頭橫孔內(nèi))42 47542 478042 45342 4703(軌腰橫孔)42 47742 4750004(軌底平底孔)42 47742 4930005(螺栓孔刻槽1)042 4500006(螺栓孔刻槽2)042 3770007(螺栓孔刻槽3)024 577000

2.2 焊縫軌頭部位的檢測(cè)

試驗(yàn)采用2.5 MHz的16陣元線陣探頭，陣元間距1.5 mm，陣元尺寸1 mm×10 mm，楔塊角度41°，楔塊聲速2 330 m/s，開(kāi)發(fā)了專用的垂直和水平投影扇掃相控陣成像軟件。在鋼軌探傷試塊和焊縫試塊上掃查得到參考人工缺陷的缺陷記錄圖像。在檢測(cè)所有部位的人工缺陷時(shí)，探頭處于軌頂?shù)奈恢米兓?，只需沿長(zhǎng)度方向進(jìn)行掃查，無(wú)需偏轉(zhuǎn)和擺動(dòng)。

圖6 焊縫試塊人工反射體分布Fig.6 Artificial reflector distribution of weld test block

(a)焊縫軌頭中部和右側(cè)缺陷一次波

(b)焊縫軌頭右側(cè)缺陷二次波

(c)焊縫軌頭左側(cè)缺陷一次波圖7 鋼軌焊縫試塊軌頭檢測(cè)數(shù)據(jù)記錄Fig.7 Rail head test block rail head inspection data record

圖6所示為焊縫試塊人工反射體(人工缺陷)分布，包括軌頭部分平底孔，軌腰部分3個(gè)平底孔和軌底1個(gè)平底孔。圖7所示為鋼軌軌頭部分各個(gè)平底孔人工缺陷的檢出情況。

圖8顯示了鋼軌探傷試塊軌頭部位23°斜向平底孔人工缺陷檢測(cè)照片和缺陷檢出信號(hào)的圖像。圖9顯示了鋼軌探傷試塊軌頭側(cè)孔人工缺陷的檢測(cè)照片和缺陷檢測(cè)信號(hào)的圖像。由圖8、圖9結(jié)果可知，橫裝楔塊的相控陣投影扇掃技術(shù)對(duì)鋼軌探傷試塊軌頭人工反射體全部檢出，信號(hào)明顯，信噪比均超過(guò)12dB；對(duì)鋼軌焊縫試塊軌頭部位人工反射體全部檢出，信號(hào)明顯，信噪比均超過(guò)10dB。

圖8 軌頭內(nèi)側(cè)70°斜向/20 m深/φ3 mm平底孔人工反射體信號(hào)Fig.8 70° diagonally inside the rail head 20 m deep φ3 mm flat bottom hole artificial reflector signal

圖9 軌頭內(nèi)側(cè)10 mm埋深/20 mm長(zhǎng)/φ3 mm橫孔人工反射體信號(hào)Fig.9 Inside the rail head 10 mm depth 20 mm longφ3 mm horizontal hole artificial reflector signal

2.3 軌腰和軌底部位的檢測(cè)

采用橫波扇掃組合成像技術(shù)在軌頂中心部位對(duì)鋼軌焊縫試塊進(jìn)行掃查，檢測(cè)記錄如圖10所示，圖10能清晰顯示軌腰和軌底部位的垂直人工反射體。

圖10 橫波扇掃組合成像檢測(cè)焊縫軌腰和軌底垂直缺陷Fig.10 Scalar-wave fan-scanning combined imaging for detecting vertical defects at the waist and bottom of the weld seam

采用縱波扇掃組合和成像技術(shù)在軌頂中心部位對(duì)鋼軌試塊進(jìn)行掃查，檢測(cè)記錄如圖11所示，能清晰顯示軌腰通孔、螺栓孔及螺栓孔周邊刻槽人工反射體。

圖11 縱波扇掃組合成像檢測(cè)軌腰和軌底部位Fig.11 P-wave fan sweep combined imaging to detect rail waist and rail bottom position

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高速記錄多通道數(shù)字探傷儀和相控陣超聲檢測(cè)鋼軌焊接接頭展開(kāi)了研究，研制出新型鋼軌超聲探傷檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可高速進(jìn)行探傷數(shù)據(jù)的采集，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)探傷、記錄和智能化數(shù)據(jù)分析。其中，橫裝楔塊的相控陣投影扇掃技術(shù)既能用于鋼軌軌體的軌頭部位檢測(cè)，也可用于鋼軌焊縫的軌頭部位檢測(cè)；采用電子偏轉(zhuǎn)聲束實(shí)施掃查，覆蓋全面，信噪比高；通過(guò)投影圖像方式顯示和記錄，結(jié)果直觀可靠。

本研究通過(guò)采用縱波相控陣扇掃和機(jī)械線掃組合成像技術(shù)檢測(cè)軌腰和軌底部位，增大了聲束分布角度，提高了缺陷的檢出率，圖像化的顯示方式能更準(zhǔn)確地描述缺陷形態(tài)。

高速鐵路、重載鐵路、地鐵、輕軌等軌道交通的快速發(fā)展，使得軌道安全檢測(cè)的技術(shù)要求越來(lái)越高，超聲檢測(cè)技術(shù)需在檢測(cè)能力、檢測(cè)效率和可靠性等方面不斷創(chuàng)新，以滿足不斷提升的實(shí)際應(yīng)用的需求。