利用钢轨晶粒度回波实现自动灵敏度在钢轨探伤仪上的应用

2015-12-02许世军成都铁路局工务处四川成都610081

江西建材 2015年21期

■许世军 ■成都铁路局工务处，四川成都 610081

安全是铁路运输永恒的主题。如何保证钢轨探伤仪及时发现伤损是工务系统的重要课题，近年来新一代钢轨超声波探伤仪利用数字和回放技术，大幅度提高了钢轨伤损检出能力。但是，作为钢轨探伤仪最重要的现场探伤灵敏度控制技术指标，还在使用较为原始的方法，即:利用接头和螺栓孔等反射体校对现场灵敏度。由于跨区间无缝线路无钢轨接头以及接头螺栓孔等反射体的反射当量的不一致性，造成探伤仪灵敏度调整差别较大，由此导致的伤损漏检屡屡发生。利用钢轨晶粒度回波幅度实现钢轨探伤自动灵敏度，有效地解决了探伤灵敏度调整控制难题。

如何准确控制“现场探伤灵敏度”的调整?是当前钢轨探伤管理工作首要解决的难题，也是广大铁路探伤管理和技术人员探讨的一个重要课题。多年来，诸多无损检测专家、工程技术人员、生产厂家对此进行了大量的探索和实验，但均未见应用与报道。

我局位于全国路网的西南地区。全年管内最高气温45.6℃，极端最低气温-20.3℃，钢轨受自然环境的影响，尤其冬季钢轨及焊缝长时间处于低温环境使得钢轨的脆性进一步增加，钢轨折断机率加大。据统计，2007 年至2014 年间每年11 月至翌年2 月发生伤损漏检引发钢轨折断占断轨总数的61.7%;通过分析发现钢轨伤损漏检的主要因素是探伤人员现场调整灵敏度不当所致。

近几年我局通过利用SZT-800 仪器检测钢轨晶粒反射波幅度控制现场探伤灵敏度，监督钢轨探伤作业质量，收到较好的效果。

1 钢轨探伤灵敏度调整简要分析

以往钢轨探伤作业调整仪器灵敏度的方法:一是探伤作业前在GTS-60 试块上检出人工缺陷为各通道的探伤灵敏度;二是在作业过程中利用钢轨接头断面、螺栓孔等参照反射体校准现场探伤灵敏度。

1.1 现场探伤灵敏度调整存在的问题

⑴试块上校准的灵敏度在现场得不到实时的验证，只有通过接头、螺栓孔的反射回波高度凭借操作人员的经验进行估计。

⑵钢轨制造工艺及使用条件对灵敏度的影响。接头断面、螺栓孔等自然反射体因加工工艺、锈蚀、外力作用(如接头低塌、椭圆孔)等因素，对超声波的反射当量离散性影响较大，对这些反射体的使用也无细致的工艺标准。经现场试验，淬火钢轨接头与热轧钢轨接头及锈蚀的螺栓孔与完好的螺栓孔反射回波幅度差异可达12dB;直接影响现场探伤灵敏度的标定。

⑶无缝线路找不到参考反射体。跨区间无缝线路无钢轨接头，在此区段探伤时无法验证现场探伤灵敏度设置是否合理，只凭经验值或利用焊筋部位反射点验证现场探伤灵敏度。

⑷人员素质。探伤人员的操作水平、技术业务的差异，导致调整现场探伤灵敏度的高低参差不齐。

1.2 探伤灵敏度的三个概念

为了说明探伤灵敏度对探伤作业的影响，本文提出灵敏度示值、实际探伤灵敏度、最优探伤灵敏度三个概念。

⑴灵敏度示值。是指探伤作业过程中操作人员设定的可视灵敏度，可以通过指示旋钮或数字，显示到仪器的面板或显示屏上。以前我们的探伤作业及管理中关注的往往是灵敏度示值，它指示了当前探伤仪器灵敏度设定的分贝数，但不能完全反映仪器状态是否可以检测到伤损。

⑵实际探伤灵敏度。是指仪器发射的超声波入射到钢轨中经反射体反射，被仪器接收放大，实际显示到显示屏上的回波强度。实际探伤灵敏度可以让我们实时的确认仪器保持在收发正常的状态。评价一台探伤仪的实际探伤灵敏度需要参照反射体的验证.

⑶最优探伤灵敏度。仪器及探头实时保持较高的灵敏度，超声波波束进入钢轨中遇到规定的最小缺陷，其回波能以规定的幅度显示到显示屏上。如何找到一种不受现场条件和人员因素限制的参照反射体，用来实时监控和评价钢轨探伤仪保持最优探伤灵敏度，是保证探伤质量、防止漏检的关键。

2 钢轨晶粒度与草状波量化分析

(1)钢轨金相组织结构特性。众所周知，钢轨材料由随机排列的粗晶体材料构成，并具有“各向同性”的物理特性(图1)。工业中常用的细晶粒有7-8 级，晶粒尺寸为0.022mm 左右。

图1

(2)钢轨晶粒反射回波特性。超声波在波长与晶粒度接近的材料中传播时会发生透射、反射和散射现象，部分能量被晶粒反射原路返回，并被探头接收转换成连续回波信号，形成被检材料噪声背景，称“晶粒回波”(图2)，本文称为草状波。

图2

(3)草状波与探伤灵敏度的关系。在探伤仪不加抑制的情况下，我们发现:在检测到规定的最小缺陷时，缺陷回波总是伴随着草状波出现，而且草状波幅度与回波幅度都随dB 值线性衰减或增加，那么草状波与钢轨探伤灵敏度有着确切的关系吗?答案是肯定的，以下通过实验证明。

(4)草状波动态试验。将钢轨探伤仪放置在GTS-60C 试块上校对好各通道探伤灵敏度，然后将探伤仪在试块无伤处推行，在不加抑制的情况下，显示屏上的各条扫描线上即可看到动态波形。其特点类似波浪，有前后的滚动性，波幅始终围绕满幅度的15%至20%随机上下波动，如果调整探伤灵敏度示值，草状波幅度也随之变化。如果调整灵敏度降低草状波的幅度(不加抑制)，GTS-60C 试块上的缺陷便不能发现。同时草状波是一种廉价的参照反射体，不受场合的限制，如果能对草状波量化进行控制，就可以用它来标定探伤灵敏度。

图3

(5)草状波幅度的量化。探伤仪在推行时由于草状波幅度是波动的，操作人员不便于读出它的幅度值。我们采用对一帧草状波进行积分的方法进行量化，得到VJF(图3)，再对n 个(n≥100)VJ 取多次平均值得到VJP，这时发现VJP 是一个基本稳定的值，在探伤作业时VJP 的波动不会超过±2dB。我们把VJP 称之为积分值，VJP 的值与草状波高度有关，也就是说草状波高度可以通过VJP 量化，量化值由探伤仪进行记录并且和GTS-60C 试块上的缺陷回波进行对比给出最佳检测灵敏度。

(6)钢轨草状波幅度与积分值试验。我们对草状波进行积分得到了积分值VJP，由于VJP 是一个无量级的数值，比较抽象，操作人员通常采用草状波的幅度来衡量探伤灵敏度，为了找到回波幅度和积分值的关系，经过多次在50kg/m、60kg/m 钢轨进行实际推行试验。推行方法:将单通道草状波调整到5%、10%、15%、20%依次推行500m，采集积分值数据组，再换另一台仪器重复上述推行试验。经过平均值计算后，得出草状波幅度与积分值的大致关系。

草状波与积分值关系

从以上数据分析得出一个初步的结论:利用钢轨探伤仪中的超声波波束入射到钢轨，探伤仪接收到钢轨晶粒度反射回波监控灵敏度调整示值和仪器工作状态是有效的。

3 利用草状波灵敏度前后伤损准确率对比分析

(1)利用钢轨断面、螺栓孔、底波调整现场灵敏度。使用SZT-800型数字钢轨探伤仪在普通线路上找到一处钢轨接头，利用钢轨断面、螺栓孔、底波调整各通道现场灵敏度，草状波幅度较低，在此灵敏度下检测GTS-60C 试块人工伤损的结果看，轨头部伤损有反射波，螺栓孔波齐全;却不能发现较小的上斜裂纹，轨底伤损全部无反射。

(2)利用草状波调整各通道现场灵敏度。使用SZT-800 型数字钢轨探伤仪在钢轨的无伤部位检查，调整各通道草状波幅度达到20%波幅，结果发现用这个灵敏度检测GTS-60C 试块人工伤损，轨头、螺栓孔、轨底伤损全反射。

通过数据试验证明，现场利用草状波幅度变化监控现场探伤灵敏度调整范围是科学有效的，探伤灵敏度示值、耦合状态、草状波三者有着密切的联系。可以得出以下结论:⑴通过草状波的有无可以判定探头仪器状态是否良好;⑵通过草状波的波幅可以判定探伤灵敏度是否正常。

4 利用草状波动态灵敏度前后钢轨折断分析

我们对近几年因探伤漏检发生钢轨折断的实例进行分析、归类，查找探伤漏检原因。结果发现因探伤灵敏度调整不当造成检测质量不达标，导致漏检发生钢轨折断占总数的61.4%.

通过草状波调整探伤灵敏度前后对比不难看出，2007-2010 年累计共发生钢轨折断44 起，其中探伤漏检27 起，占总数的61.4%;2011-2014 年累计共发生钢轨折断24 起，其中探伤漏检4 起，占总数的17%，探伤漏检率下降了44%。由此可见，钢轨探伤仪传统的利用A型显示以钢轨断面、螺栓孔、底波为基准调整探伤灵敏度的方法造成的探伤漏检较多;现场使用SZT-800 自动探伤灵敏度对钢轨进行探伤，保证了探伤作业质量。

5 实行草状波调整探伤灵敏度成效显著

(1)利用晶粒波幅度监控探伤灵敏度，改变了传统的借助钢轨断面、螺栓孔、底波等反射体调整探伤灵敏度的做法，不受地域、环境的限制。

(2)使我局探伤灵敏度调整和钢轨探伤管理有了统一的标准和工艺要求，探伤人员可以实时准确地设置现场探伤灵敏度。

(3)通过自动灵敏度的实时控制，及时发现探头线损坏、气泡、与钢轨耦合不良，报警提示停止作业进行检修，避免漏检发生，实现了钢轨探伤作业全过程控制。

(4)使用草状波监控发现的新问题。自利用草状波幅度变化监控作业质量以来，我们发现了新钢轨(淬火、热轧)、再用轨晶粒度差异较大，比如在直线上调整好的灵敏度在曲线变低，因为曲线上采用淬火晶粒度较高，所以必须及时调整草状波幅度，才能保证每一根钢轨的探伤质量。通过仪器实时监控草状波幅度，还发现涂油、隧道地段、沙尘天气轨面具有污垢，引起探头耦合不良易漏检等问题。

(5)实现静态灵敏度向动态灵敏度转型。实行草状波幅度自动调整灵敏度后，探伤人员作为标定现场探伤扫查灵敏度的“参考值”，就是将试块各部位的人工伤损当量置入钢轨探伤仪中带到现场，判伤时可利用试块人工伤损基准反射体差值对伤损进行判定，提高了判伤的准确性，减少了人为因素对伤损判定结果的影响，这种静态灵敏度向动态可变灵敏度转型是科学的。

(6)钢轨母材伤损检出率增高。利用调整草状波幅度控制探伤灵敏度以来，发现钢轨母材伤损率逐渐上升，2013 年全局累计检出伤损2550 根2014 年检出伤损率比2013 年检出伤损率上升8%，而且伤损的当量逐渐变小，由原来的10mm 当量缩小到8mm 当量，大幅度减少断轨故障的发生。