楊帆

（中車廣東軌道交通車輛有限公司，廣東 江門 529100）

1 前言

軌道車輛的零部件或焊縫在運(yùn)行中失效，將帶來(lái)重大的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失，因此對(duì)易發(fā)生缺陷部位進(jìn)行定期檢測(cè)是至關(guān)重要的。隨著我國(guó)自動(dòng)化技術(shù)、電子技術(shù)以及傳感技術(shù)等領(lǐng)域飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的無(wú)損檢測(cè)手段精度不斷提高，越來(lái)越多的新興無(wú)損檢測(cè)手段被應(yīng)用于軌道車輛制造或檢修中。無(wú)損檢測(cè)技術(shù)本質(zhì)上是利用物理學(xué)方法，在不損壞被檢測(cè)對(duì)象的條件下，分析并發(fā)現(xiàn)被檢測(cè)對(duì)象表面或內(nèi)部存在的缺陷（裂紋、脫粘或腐蝕等）。根據(jù)交通運(yùn)輸部《城市軌道交通設(shè)施設(shè)備運(yùn)行維護(hù)管理辦法》（交運(yùn)規(guī)〔2019〕8號(hào)）的相關(guān)規(guī)定，車輛系統(tǒng)架修間隔應(yīng)不超過(guò)5年或80萬(wàn)車公里、大修間隔應(yīng)不超過(guò)10年或160萬(wàn)車公里。

近年來(lái)，在5大常規(guī)無(wú)損檢測(cè)手段（超聲檢測(cè)、滲透檢測(cè)、渦流檢測(cè)、射線檢測(cè)和渦流檢測(cè)）的基礎(chǔ)上，發(fā)展出許多新興檢測(cè)手段，其實(shí)際應(yīng)用效果有待進(jìn)一步驗(yàn)證。本文對(duì)軌道車輛中常用檢測(cè)手段與新興檢測(cè)手段的應(yīng)用情況進(jìn)行了綜述。

2 無(wú)損檢測(cè)簡(jiǎn)史

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)起源于20世紀(jì)的技術(shù)。因?yàn)楣I(yè)生產(chǎn)要求，迫切尋求一種不需要破壞物體表面即可判斷是否合格品的技術(shù)，利用物理方法進(jìn)行檢測(cè)的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。這項(xiàng)技術(shù)在20世紀(jì)初出現(xiàn)，40年代高速發(fā)展，1941年美國(guó)無(wú)損檢測(cè)學(xué)會(huì)成立，1955年，第一屆無(wú)損檢測(cè)國(guó)際會(huì)議召開(kāi)，這項(xiàng)技術(shù)在世界范圍內(nèi)確立。

無(wú)損檢測(cè)技術(shù)除了用于探傷外，還可以用于進(jìn)行應(yīng)力、黏度、流量以及濃度等物理量的測(cè)定。如今無(wú)損檢測(cè)技術(shù)再次拓寬為“無(wú)損評(píng)估”，根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的缺陷情況、材質(zhì)等條件進(jìn)行使用壽命預(yù)測(cè)，可進(jìn)一步在生產(chǎn)安全的條件下壓縮生產(chǎn)成本。

在無(wú)損檢測(cè)技術(shù)教育上，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家通常具有較完善的教育體系，在課程中可選修無(wú)損檢測(cè)相關(guān)課程，并建立有無(wú)損檢測(cè)操作人員培訓(xùn)考證體系。目前主流的無(wú)損檢測(cè)儀器品牌通常源于這些國(guó)家，它們不僅從事無(wú)損檢測(cè)技術(shù)研究時(shí)間早，如今仍在研究前沿的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，如工業(yè)CT、激光超聲等。1979年，美國(guó)為確保其科技優(yōu)勢(shì)，政府主導(dǎo)成立的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)中心是新成立的六大中心之一。同時(shí)，全美超過(guò)100所高校開(kāi)設(shè)了無(wú)損檢測(cè)與評(píng)價(jià)課程，

我國(guó)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)從20世紀(jì)30年代有小范圍應(yīng)用，從20世紀(jì)50年代開(kāi)展，主要引入國(guó)外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，仿制國(guó)外探傷儀器。但從古至今，書中記載不少和無(wú)損檢測(cè)相關(guān)的故事。1982年，為提升軍工武器裝備生產(chǎn)質(zhì)量與可靠性，南昌航空工業(yè)學(xué)院（現(xiàn)為南昌航空大學(xué)）創(chuàng)辦了國(guó)內(nèi)首個(gè)“無(wú)損檢測(cè)”本科專業(yè)（軍（0602）（試辦）），充實(shí)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)人才隊(duì)伍，將無(wú)損檢測(cè)技術(shù)人才培養(yǎng)規(guī)范化。

以渦流檢測(cè)為例，法國(guó)國(guó)鐵使用渦流檢測(cè)技術(shù)對(duì)導(dǎo)管和軸承進(jìn)行探傷，俄羅斯制造筆式差動(dòng)探頭，英國(guó)Staveley公司推出商用渦流檢測(cè)儀器。軌道交通車輛中超聲檢測(cè)的研究進(jìn)展迅速，日本新干線采用全自動(dòng)挪動(dòng)式超聲探傷設(shè)備，對(duì)車軸進(jìn)行檢測(cè)，完成一根車軸檢測(cè)時(shí)間小于3min。

3 常用無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)與常見(jiàn)缺陷

3.1 無(wú)損檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)概述

針對(duì)軌道車輛無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域，國(guó)外制定了系列標(biāo)準(zhǔn)與質(zhì)量體系，以往我國(guó)在這方面主要參照國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織ISO、歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN、法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NF、德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)DIN等，例 如，ISO 9001：2015、DIN 6701、EN 15085、EN1291：2002《焊縫磁粉探傷驗(yàn)收等級(jí)》、NF F00-090《鐵路制件磁粉探傷》。

國(guó)內(nèi)軌道交通車輛生產(chǎn)質(zhì)量安全法律法規(guī)主要有《中華人民共和國(guó)產(chǎn)品質(zhì)量法》《中華人民共和國(guó)鐵路法》等，此外，還有《強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證管理規(guī)定》等法規(guī)，《鐵路機(jī)車車輛設(shè)計(jì)制造維修進(jìn)口許可辦法》等行業(yè)規(guī)章，但這些都是產(chǎn)品質(zhì)量把關(guān)的綜合性文件。

如今國(guó)內(nèi)也陸續(xù)建立相關(guān)鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，諸如GJB9001、TB/T 3256-2011《機(jī)車在役零部件無(wú)損檢測(cè)》、TB/T 2047-2011《鐵路用無(wú)損檢測(cè)材料技術(shù)條件》《鐵路客車輪軸組裝檢修及管理規(guī)則》等。2021年10月，我國(guó)主導(dǎo)的ISO鐵路車輛系統(tǒng)部件國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 22752:2021《鐵路應(yīng)用-機(jī)車車輛車體側(cè)窗》）正式實(shí)施。

3.2 常見(jiàn)缺陷位置

軌道交通車輛車體通常使用鋁合金材質(zhì)達(dá)到輕量化結(jié)構(gòu)，端墻、側(cè)墻等均采用焊接加工連接，因此，在車體制造過(guò)程中存在大量的焊縫需要無(wú)損檢測(cè)。焊縫中最常見(jiàn)的是氣孔和裂紋缺陷，除此之外，未焊透、錯(cuò)邊等均是常見(jiàn)缺陷。此外，轉(zhuǎn)向架承載著列車的重量，且運(yùn)行時(shí)還承受著振動(dòng)與列車的制動(dòng)功能，因此容易出現(xiàn)缺陷。輪軸在運(yùn)行過(guò)程中容易擦傷和磕傷等。

4 軌道車輛常用無(wú)損檢測(cè)方法

4.1 目視檢測(cè)

目視檢測(cè)（Visual testing, VT）是針對(duì)肉眼可見(jiàn)缺陷的檢測(cè)，是所有行業(yè)中最常用的無(wú)損檢測(cè)方法，但它高度依賴操作人員的技能水平。檢測(cè)可見(jiàn)缺陷類型例如結(jié)構(gòu)變形、焊接表面缺陷和內(nèi)外表面腐蝕。在檢測(cè)過(guò)程中可以使用輔助工具，例如尺子、放大鏡和相機(jī)等，復(fù)雜結(jié)構(gòu)下可使用內(nèi)窺鏡。

一般情況下，目視檢測(cè)不需要額外的設(shè)備，對(duì)于檢測(cè)過(guò)程來(lái)說(shuō)非常高效。該檢測(cè)手段適用于全車任何區(qū)域，成本低廉，易操作。

4.2 滲透檢測(cè)

滲透檢測(cè)（Penetrant testing，PT）是利用滲透劑在毛細(xì)管作用下，滲入表面開(kāi)口微小缺陷內(nèi)。在對(duì)工件表面多余的滲透劑清潔后，通過(guò)顯象劑的毛細(xì)管作用將缺陷內(nèi)的滲透劑吸附到工件表面形成痕跡，從而達(dá)到“放大”缺陷顯示的效果。

這意味著車輛檢測(cè)采用該手段是最有效的檢測(cè)工件表面是否有開(kāi)口缺陷的方法，對(duì)表面點(diǎn)狀和線狀缺陷的發(fā)現(xiàn)有重大幫助。表面裂紋在使用過(guò)程中容易擴(kuò)展延伸導(dǎo)致失效，因此對(duì)表面裂紋的檢出極其重要，滲透檢測(cè)對(duì)該類缺陷易檢出。但其使用的滲透劑在生產(chǎn)車間中存在清潔困難的問(wèn)題，適用于涂裝前的無(wú)損檢測(cè)需求。檢測(cè)對(duì)象無(wú)材質(zhì)要求，要求表面狀態(tài)良好，適用于車體焊縫、轉(zhuǎn)向架、緊固螺栓螺紋等。

熒光滲透檢測(cè)是采用熒光滲透液，其物理基礎(chǔ)與普通滲透檢測(cè)類似，但其需要借助黑光燈觀察結(jié)構(gòu)，對(duì)更細(xì)微的裂紋有更明顯的指示性，但不適用于大部件檢測(cè)。

4.3 磁粉檢測(cè)

磁粉檢測(cè)（Magnetic particle testing, MT）用于檢測(cè)鐵磁材料（如鐵、鎳、鈷及其合金）中的表面和近表面磁場(chǎng)畸變。當(dāng)電流通過(guò)檢測(cè)對(duì)象，或施加在檢測(cè)對(duì)象外部，材料中會(huì)直接磁化。電流可以是交流電或直流電，磁力線總是垂直于電流方向。材料中存在表面或次表面不連續(xù)性會(huì)導(dǎo)致磁通泄漏，從而通過(guò)噴灑磁懸液時(shí)會(huì)使磁粉聚集，即磁粉被吸引到漏磁區(qū)域并形成缺陷指示，對(duì)其進(jìn)行記錄并確定其性質(zhì)。

由于只能檢測(cè)鐵磁性材料，磁粉檢測(cè)通常用于檢測(cè)車軸輪座、制動(dòng)盤箍等使用鋼材料的零部件。

4.4 超聲檢測(cè)

超聲檢測(cè)（Ultrasonic testing，UT）通常是指A型掃查脈沖反射法超聲檢測(cè)，是一種通過(guò)使用高頻聲波來(lái)表征試件厚度或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的方法。用于超聲檢測(cè)的頻率比人類聽(tīng)覺(jué)極限高出許多倍，最常見(jiàn)的范圍是500kHz～20MHz。高頻聲波具有很強(qiáng)的方向性，它們會(huì)穿過(guò)一種介質(zhì)（如鋼或塑料），直到遇到與另一種介質(zhì)（如空氣）的邊界，然后反射回其聲源。通過(guò)分析反射特征，可以對(duì)試件厚度進(jìn)行表征，或發(fā)現(xiàn)裂紋、其他內(nèi)部缺陷。

在超聲檢測(cè)中，連接到探傷儀器的超聲波換能器（探頭）發(fā)射聲波穿過(guò)被檢查的物體，但由于聲阻抗差異巨大，換能器通常通過(guò)耦合劑（例如油、水）檢測(cè)對(duì)象相隔，如水浸法超聲檢測(cè)。

對(duì)超聲波的接收方式有反射和衰減兩種。在反射（收發(fā)式）模式下，當(dāng)超聲波被反射回設(shè)備時(shí)，換能器執(zhí)行脈沖波的發(fā)送和接收。反射超聲波來(lái)自一個(gè)界面，例如，物體的后壁或來(lái)自物體內(nèi)的缺陷。探傷儀器以A掃信號(hào)顯示這些結(jié)果，信號(hào)的幅度代表反射強(qiáng)度，距離用反射到達(dá)時(shí)間表示。在衰減（一發(fā)一收式）模式下，發(fā)射器通過(guò)一個(gè)表面發(fā)送超聲波，而另一個(gè)接收器在檢測(cè)對(duì)象的另一面接收信號(hào)。發(fā)射器和接收器之間若存在缺陷或其他特殊情況會(huì)減少傳輸?shù)哪芰?，從而發(fā)現(xiàn)缺陷的存在。同樣的，無(wú)論哪種方法，都需要使用耦合劑。

該檢測(cè)方法被廣泛應(yīng)用于動(dòng)車組空心車軸、輪輞輪輻等位置。

4.5 射線檢測(cè)

射線檢測(cè)（Radiographic testing，RT）是使用 X射線和伽馬射線（使用放射性同位素）來(lái)檢查物體的內(nèi)部或表面缺陷，而不會(huì)造成任何損壞。然后生成一張射線照片或圖片，顯示厚度的任何變化、缺陷（內(nèi)部和外部）如裂縫和孔隙率以及被測(cè)樣品的組裝細(xì)節(jié)。與其他NDT技術(shù)相比，射線照相術(shù)具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它具有高度可重復(fù)性、用途廣泛，可用于多種材料，無(wú)須大量表面處理。

最常用的可控射線來(lái)源于X光機(jī)，其主控器發(fā)出的脈沖信號(hào)，經(jīng)功率放大，產(chǎn)生高壓給射線管陽(yáng)極，同樣主控發(fā)出的脈沖信號(hào)經(jīng)放大給射線管燈絲，使射線管產(chǎn)生X射線。此時(shí)，被測(cè)物體放在X射線源與膠片之間，被曝光的底片經(jīng)洗片后即可出現(xiàn)圖像。

射線穿透工件后，由于缺陷部位和無(wú)缺陷部位透過(guò)射線強(qiáng)度不同，底片上相應(yīng)部位等會(huì)出現(xiàn)黑度差異。射線檢測(cè)人員通過(guò)對(duì)底片的觀察，根據(jù)其黒度的差異，便能識(shí)別缺陷的位置和性質(zhì)。

射線檢測(cè)對(duì)動(dòng)車金屬或非金屬結(jié)構(gòu)件都能進(jìn)行有效檢測(cè)，但由于其作業(yè)具有一定危險(xiǎn)性，作業(yè)需要相應(yīng)資質(zhì)和警戒，檢測(cè)速度較慢等問(wèn)題，因此并非動(dòng)車組檢測(cè)時(shí)首選。但其在動(dòng)車組無(wú)損檢測(cè)中，仍具有重要作用。

4.6 渦流檢測(cè)

渦流檢測(cè)（Eddy current testing, ECT）是一種非接觸式檢測(cè)手段，其物理基礎(chǔ)是源于法國(guó)物理學(xué)家Léon Foucault于1851年發(fā)現(xiàn)的渦電流，因此渦流有時(shí)被稱為Foucault電流。渦流通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生。當(dāng)導(dǎo)線施加交變電流時(shí)，在導(dǎo)體中及其周圍產(chǎn)變化磁場(chǎng)。當(dāng)交流電流到最大值時(shí)，該磁場(chǎng)最大，當(dāng)電流降至零時(shí)，磁場(chǎng)消失。如果在該變化磁場(chǎng)中存在另一導(dǎo)體，如被檢測(cè)試件，則該導(dǎo)體中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，即渦流。

若被檢測(cè)試件中存在缺陷，渦流場(chǎng)發(fā)生改變，渦流產(chǎn)生的次級(jí)磁場(chǎng)也會(huì)發(fā)生改變，這種變化會(huì)被磁傳感器或線圈捕捉，經(jīng)過(guò)放大電路等系列處理后，使用阻抗分析法分析缺陷。因渦流檢測(cè)技術(shù)無(wú)須耦合劑、靈敏度高等優(yōu)勢(shì)，在高速列車轉(zhuǎn)向架部件探傷中有廣泛的應(yīng)用。

變電流通過(guò)導(dǎo)線時(shí),電流在導(dǎo)線橫截面上的分布是不均勻的,導(dǎo)體表面的電流密度大于中心的密度,且交變電流的頻率越高,這種趨勢(shì)越明顯,該現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)。常規(guī)渦流檢測(cè)同樣受趨膚效應(yīng)影響，通常只能檢測(cè)表面或近表面缺陷。

5 新興無(wú)損檢測(cè)方法應(yīng)用

5.1 ACFM檢測(cè)

ACFM（Alternating current field measurement，交流電磁場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)）是基于電磁感應(yīng)的新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)。通交變電流的特殊線圈（激勵(lì)線圈）靠近導(dǎo)體時(shí)，交變電流在周圍的空間中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，被測(cè)工件（導(dǎo)體）表面的感應(yīng)電流由于集膚效應(yīng)聚集于工件的表面。當(dāng)工件中無(wú)缺陷時(shí)，感應(yīng)電流線互相平行，若存在缺陷，電流分布發(fā)生變化，表面磁場(chǎng)畸變，通過(guò)感應(yīng)磁場(chǎng)大小變化可檢測(cè)缺陷的存在性。

ACFM在軸承表面檢測(cè)已展現(xiàn)優(yōu)勢(shì)，且其不需要去除表面噴漆，數(shù)據(jù)可長(zhǎng)期存儲(chǔ)，便于質(zhì)量跟蹤。

5.2 其他檢測(cè)方法

動(dòng)車組無(wú)損檢測(cè)中有許多新技術(shù)，例如，磁記憶檢測(cè)、激光全息以及微波檢測(cè)等，這些檢測(cè)手段還沒(méi)有被生產(chǎn)廣泛使用，但是在實(shí)驗(yàn)室中均已展現(xiàn)出良好的檢測(cè)效果。例如，超聲相控陣和TOFD（超聲衍射時(shí)差法）憑借高精度、可視化、能檢測(cè)試件各類埋深缺陷等優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中已廣泛使用。

6 結(jié)語(yǔ)

隨著無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的檢測(cè)手段被用于軌道交通車輛中。無(wú)損檢測(cè)一直存在于車輛設(shè)計(jì)、制造等階段，發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，為我國(guó)軌道交通車輛制造及穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。