钢轨超声探伤技术的现状与发展趋势

张兰栓 吕磊

【摘要】近年来我国国际地位不断提升，在铁路运输领域接连实现创举，目前我国建设的铁路运营路线已经达到了数十万公里。随着我国铁路运输能力的增强，随之而来的要解决的就是安全保障及维护工作，当前我国普遍使用在役钢轨无损探伤技术对铁路进行安全维护。以下是笔者对钢轨无损探伤技术的一些理解及简单分析了该技术目前的使用状况并对其以后的发展方向做出了浅薄的探讨。

【关键词】无损检测；探伤；钢轨

我国的钢轨超声探伤技术从上世纪到现在经历了从无到有，从突破到技术发展的一个过程。1954年，我国相关部门从瑞士的MATISA企业购买了首部探伤仪，它是一种声响指示的共振探伤仪，自此我国科研部门深入的对探伤仪仪器和探伤仪方法的研究。到二十世纪五十年代，我国自主研发的首部探伤仪问世，即手仗式钢轨探伤仪，在随后几年里，A型显示脉冲反射式钢轨探伤仪JGT_1型，具有两个通道以及多探头反射、穿透两用的JGT_2型探伤仪相继研发成功。1980年具有4个通道、5个探头的JGT-3型通过鉴定，该型号探伤仪的问世对我国后来各种手推式探伤仪都有深远影响。1989年后，不同型号的品种的超声探伤仪相继被研发制造，形成了个厂家竞争发展的格局。

1、目前钢轨超声波探伤技术的应用情况

在不同的无损检测方法中，超声检测是一种重要的方法，具有无可比拟的优势，在核电、国防、铁路等多个行业和领域得以充分应用。超声波本质是一种机械波，在弹性介质中它是靠振动传播的，其频率一般高于20kHz。超声波应用于无损检测时其工作频率为0.5MHz到10MHz，根据检测对象的材质不同，其工作的频率也不相同[1]。一方面探测目标灵敏度很高或者细晶材质需要运用很高频率的超声波，另一方面探测粗晶材质或者衰弱十分明显材质时要运用低频率的超声波。产生波钢轨探伤技术在实际运用中，包含了各个方面的知识，如光学中的折射，反射；物理学中的关于波及力的一些理论。

简单来说，超声波钢轨探伤技术是利用超声波在钢轨中其所受到影响情况可以反映钢轨结构的受损情况。

1.1钢轨常见伤损及其成因

随着我国高速铁路行业的飞快发展，对铁路钢轨的质量也相应有了极大提高，而钢轨在制作过程中现阶段还不可避免的存在一些缺陷，包含钢轨中的一些气泡、白点、缩孔和非金属夹杂等等。此外，还有在役钢轨的使用中也会造成诸如裂纹、断裂等导致钢轨无法使用或者使用性能受限的问题。使用中的钢轨的问题可能是由三个方面造成的：一钢轨出现垂直和纵向的裂纹，出现这种问题的原因可能在钢轨在生产过程中的工艺问题导致，在原料中的一些杂质残留到乳制后的钢轨中产生裂纹；二是钢轨内部的核伤，这种损伤是主要来自于其在制造过程中的技艺不精或材质不良，另外一方面是在使用过程中的高负荷导致应力集中，通常状况下核伤多数出现在钢轨头部，但是随着不断的使用，其承受能力减弱，从而致使事故发生；三是钢轨接触部门损伤，这是由于车轮在接头位置的惯性作用词其他位置处的都要大。

1.2超声回波对各种缺陷的不同表现

超声无损探伤的最基本原理就是利用超声回波对不同缺陷和伤损的表现不同来进行检测的。下面是集中典型情况：

1.2.1平面状缺陷 当出现平面状损伤时，回波信号能够根据前方方向不同则回波高度有所差异的特点。如果探测方向和损伤方向平行时回波就会出现低状态或者没有回波，如果探测方向和损伤方向不平行时，回波会很高。在探测过程中如果出现裂纹等缺陷，一般活剥会出现较大的幅度和多峰的情况。

1.2.2点状缺陷 点状缺陷包括钢轨重产生的点状废渣，单个气孔以及多个气孔。点状缺陷的超声波形状十分平稳，跟方向没有明显的关系。但是夹渣及气孔对超声波的回波的变化是有所不同的，气孔出现的回波会按照气孔大小而变化，夹渣的回波一般会很低且波形较宽。

1.2.3裂纹缺陷 超声回波探测到损伤处时会出现接连不断的反射波，波形高且宽。裂纹不但会出现在典型位置而且很大程度上会出现在焊缝的热影响区，因为大多数裂纹与焊缝呈垂直状态，所以需要在与焊缝平行的方向上筛查，比较容易出现裂纹。

1.2.4焊接缺陷 有时，在焊接的时候偶尔会导致未焊透现象的出现，这是因为使用的焊接金属不符合相关的要求[2]。焊接缺陷主要发生在焊根位置，探测仪在不断摆动时对缺陷的回波反映平稳，各个角度探伤的回波反映基本相同。

1.2.5未溶合缺陷 未熔合缺陷指的是熔焊过程中的不同材质逐渐没有完全熔化的部分，这一缺陷在实际操作中容易发生漏检现象，只有超声波以垂直角度探测伤损处时才有明显回波表现。对于此种缺陷，超声回波具有波形稳定的特点，但对两侧检测时可能只会有一侧反应。

2、高速钢轨探伤车的研发及运用是今后的主要方向

铁路是我国国民经济发展的命脉，当前我国的铁路运营路线已突破十万公里，受制于线路质量和管理维护的要求，全国共配备八千多名专职钢轨探伤作业人员。我国在进行钢轨探伤过程中大部分使用的都是手推式的，但它存在效率低下，易出错等缺陷，一旦发生错报的现象就很有可能出现严重的交通事故。随着我国经济的不断发展，高速铁路建设也已发生的巨大的变化，无缝线路应用越来越多，陈旧的设备已经远远不能够满足工作的需要[3]。我国第一台钢轨探伤车是二十世纪九十年代于澳大利亚购买的，后来又相继从美国等国家购买了一些。但我国在铁路运营里程和铁路发展需求上与别的国家有所不同，因此对钢轨探伤车的各方面要求也存在差异，所以我国在今后的发展过程中要十分重视对高速探伤车的研发。

以后在我国的主要线路干线上将会构成以不同种安全综合检测车及快速钢轨探伤车为主，以手推式钢轨探伤仪为辅的铁路安全监控网络，但是在各支线将继续运用手推式钢轨探伤仪进行检测，手推式钢轨探伤仪会在不久的将來发展成全数字化探伤仪。

参考文献

[1]史密斯.钢轨滚动接触疲劳的进一步研究[J].北京：中国铁道科学，2001，23（3）：6-10.

[2]马允先.钢轨接触疲劳裂纹的产生与防治[J].上海铁道科技，2002（4）：41-43.

[3]翟国富，汪开灿，米武军，等.一种电磁超声技术钢轨缺陷检测方法及其装置.中国：200810137487[P].2009（3）：04-01.