高速铁路钢轨焊缝核伤的探测方法

戴英东 马岩

摘 要：近年来，我国高速铁路事业发展取得了辉煌的成就，相对应地，对安全问题也提出了更高的要求。其中，钢轨焊缝处最容易形成缺陷“核伤”，严重地会造成断轨事故，造成重大的生命和财产损失。本文以高速铁路钢轨焊缝核伤为主要研究对象，讨论探测方法的实用性，并提出合理的操作建议。

关键词：高速铁路；钢轨焊缝；核伤探测；探测方法

随着科学技术的发展，中国已经全面步入“高铁时代”。高速铁路的建设规模不仅在国内实现了普及，同时也积极地开拓国际市场，赢得了较大的社会经济效益。相对应地，高速铁路的建设在安全层面提出了更高的标准，相比一般铁路轨道建设，在焊缝施工、管理和探伤方面要求更加具体、严格。因此，积极开展高速铁路钢轨焊缝核伤的检测与维护是十分必要的。

1 高速铁路钢轨核伤概述

1.1 核伤形成原理 狭义地说，钢轨核伤指的是轨头及焊缝处产生的横向金属疲劳裂纹，从内部开始产生，在量变未完成之前具有较强的隐秘性，钢轨表面几乎看不出任何异常。但在内部已经出现了严重的断裂问题，是钢轨应用中最危险的一种缺陷和故障；通过长期的观察发现，核伤分为“白核”与“黑核”两种，“白核”只存在于钢轨内部，而随着白核的逐渐增加积累，触及外部空气后发生氧化反应，逐渐形成“黑核”。

一般而言，高速铁路钢轨出现核伤是客观作用、不可避免，钢轨与车轮之间的接触会造成复杂的应力分布，重力作用在钢轨上，从表面向四周分散，形成横向裂纹；具体的形成原理要参考钢轨的内部构造，特别是在焊缝处的衔接本身就存在缺陷，如气泡、杂质和细小裂纹等。在轴重、速度、负载等影响因素逐渐加剧的状态下，钢轨所承受的力量并非单纯地向下重力，而是在钢轨内部最先出现变化。

首先，复杂的盈利组合会导致裂纹成核，然后向钢轨四周扩散，为了阻止核伤的作用，钢轨四周的钢料会产生抵抗作用，这种对抗作用分布极不均匀，随时会产生猝然断裂。其次，核伤的产生是不可避免的，除了运力影响之外，还有钢材质自身的作用。当温度低于二百摄氏度的时候，氢气被封闭在钢材气孔中，内部压力很高，而在钢轨发生摩擦作用时，氢气得以释放并膨胀出细小的裂纹。这种作用越来越明显，为了抵抗氢气膨胀作用就形成越来越大的“核”，最终核伤会以观察形态出现。

1.2 焊缝核伤探测的必要性 随着科学技术的进步以及安全体制的完善，我国铁路运输行业中发生人为事故的概率越来越低，但相对应地，由于基础设备的故障导致的安全事故却呈现出上升局面。根据中国铁道年检数据显示，“十一五”期间我国发生“较大”铁路安全事故121起，其中三分之二与断轨事故相关，其中焊缝及热影响区部位是事故出现的主因，说明了展开焊缝核伤探测的必要性。

首先，进行焊缝核伤探测是过渡阶段的必要手段。近年来我国高铁发展迅速，火车设备运力增加，造成钢轨的负载力不断提升。但是，钢轨的更新与火车设备的更新是不同步的，根据原本的速度、负载设计，根本就无法满足现有的需求，客观上造成损伤的加速。其次，焊缝核伤的客观性要求。钢轨焊缝的探伤工作要比普通钢轨探伤更加困难，这是由于焊缝本身就比较复杂，几乎不存在相同的内部构造，体积、面积、疏松度等都是随机形成的，在外部很难看出缺陷，需要利用到特殊的设备和方法才能實现。

2 钢轨焊缝核伤的探测方法研究

合适的探测方法是解决核伤的关键，针对焊缝探伤存在的定位、定量困难，必须提出针对性的解决策略。近年来，随着钢轨数字类探伤仪的不断出现，市场上所提供的检测工具越来越多，总地来说包括渗透探伤、磁粉探伤、涡流探伤、射线探伤、超声波探伤五种。结合功能效果、经济性、操作性等对比，超声波探伤的类型具有较为明显地优势。

2.1 焊缝轨头探伤 轨头探测是最基本的核伤探测手段，可以采用纵向扫描和偏角扫描两种方法。其中，纵向扫描又称为“纵向移动扫查”，利用超声波探伤仪（K2.5探头）从中心位置开始，向左右固定距离平行移动，分别在16、26、36、46、56毫米处进行检测，主要偏角保持为零。而探头偏角纵向移动的方式，则是从轨道焊缝顶部开始，以15°的偏角进行扫查，用来解决纵向扫描接触面过小的问题。这两种方法可以交替使用，每次检测进行3-4次。

超声波探伤的优点主要是可以实现缺陷定位和缺陷定量，如缺陷回波波峰前言对准的刻度为10，保持探头入射点为水平，所得到的数据乘以10即可获得侧面的垂直距离，方便读数、规避了繁琐的计算。而缺陷定量则是利用适当的计算公式，根据荧光屏上的位移量直接独处的缺陷垂直高度，是非常简单的钢轨核伤校对方法。

2.2 焊缝轨腰探伤 焊缝轨腰的探测行为要使用特殊的探头，如K1型号的超声波探头，可以实现V形透视探测。在进行探伤扫查的过程中，一般会采取两个探头同时使用，声波射入点距离是钢轨高度的两倍，在中心线位置上，分别向上部纵向移动，声波会扩大进入V型焊缝的角度。除此之外，也包括穿透式的核伤探测法，可以根据声波最底的情况判断缺陷。

2.3 焊缝轨底探伤 焊缝轨底的核伤扫查较为困难，通常无法直接检测到这一部位，在选择仪器的过程中可以选用通用探伤仪。而扫查的过程中，轨底分为两个部分，一部分是轨底侧面（轨脚），另一部分是轨腰与轨底的连接处，呈现出一个凸显的三角区。因此，在进行检测的过程中，实际上是包括了两部分共6个探测面。

可以使用K2.5探头进行扫查，分别按照不同的偏角、水平方向移动，需要注意的是，在扫查轨底三角区的过程中，要将探头与轨腰形成30°的夹角。

3 结束语

结合实际情况分析，钢轨焊缝的核伤探测方法多样，但超声波的探测技术较为先进，在设备应用方面也更加成熟，投入少、操作简便，通过观察波形即可探测出核伤位置、形状，并进一步了解其损伤的规律和程度，采取相应地解决措施，对我国高铁事业发展具有重要的作用。

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