馬運忠

中國鐵道科學研究院集團有限公司 基礎設施檢測研究所， 北京 100081

隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，運營里程及速度大幅提升，輪軌關系日漸惡化，鋼軌缺陷不容忽視。鋼軌探傷車開展在役鋼軌周期檢測，對保障線路運營安全起到越來越重要的作用［1-2］。國內相關學者在鋼軌探傷車自主化技術、探傷車數(shù)據分析等方面開展了廣泛研究。張玉華等［3］開展80 km/h 鋼軌探傷車自主化超聲檢測系統(tǒng)的關鍵技術研究，填補了國內鋼軌高速探傷的技術空白。李培等［4］研究了高速輪式鋼軌探傷變距式超聲波發(fā)射模式，縮小了高速探傷超聲波掃查間距。鐘艷春［5］研究了鋼軌探傷車激光自動對中系統(tǒng)，解決了探傷車高速檢測下探輪橫向對中難題。馬運忠等［6-7］研究了鋼軌探傷車檢測數(shù)據中接頭處中心70°通道及2 孔側上方偏斜70°通道的出波特點，為探傷車數(shù)據分析提供指導。王品等［8］對高速鋼軌超聲波探傷中螺孔70°幻象波進行了分析識別。

螺孔裂紋是運營線路鋼軌的主要傷損類型［9］，尤其1 孔裂紋危害大，容易導致軌端揭蓋，造成嚴重后果。黎連修等［10］研究了鋼軌螺孔裂紋的檢測方法，分析了裂紋的反射規(guī)律。張勤等［11］統(tǒng)計分析了鋼軌螺孔裂紋的傷損特點，總結了裂紋的發(fā)生規(guī)律，提出了裂紋的防治措施。李錦等［12］對1處鋼軌螺孔裂紋的漏檢原因進行了分析，并提出了應對措施。

鋼軌探傷車的探輪采用柔性外膜，相比滑靴式探頭，通過有縫接頭時超聲耦合更好［13］，在檢測螺孔裂紋方面更有優(yōu)勢。接頭1 孔是螺孔裂紋多發(fā)區(qū)域，且靠近軌縫軌面，狀態(tài)一般較差，常伴隨剝離掉塊、接頭低塌等病害［14-15］。探傷車數(shù)據中疑似1 孔軌身上裂傷損報警較多，但探傷儀復核確認無傷，給傷損判定帶來了困擾。

目前尚未掌握探傷車在接頭疑似1孔軌身上裂傷損報警的出波原因，且該接頭區(qū)域容易存在1 孔軌身上裂，二者極易混淆，容易導致誤判或漏判。因此，分析該疑似1 孔上裂傷損報警的形成原因，掌握其出波特點，對于提升探傷車傷損判定水平具有指導意義。

本文基于鋼軌探傷車探輪37°通道螺孔裂紋檢測技術，分析探傷車檢測60 kg/m 鋼軌接頭螺孔及裂紋出波情況；開展接頭低塌狀態(tài)下37°通道檢測1孔聲學幾何解算，明確疑似1孔軌身上裂的出波原因，并結合典型案例和現(xiàn)場反饋進行進一步驗證。

1 探傷車37°換能器

1.1 布置及功能

鋼軌探傷車采用超聲波探輪作為檢測傳感器，單側鋼軌布置了3 個探輪，見圖1。前向、后向探輪的37°換能器主要用來檢測螺孔裂紋、軌腰斜裂紋、軌底橫向裂紋等。

圖1 鋼軌探傷車超聲換能器布置

1.2 主要參數(shù)

37°換能器發(fā)射的超聲波在探輪耦合液中為縱波，在踏面處折射進入鋼軌中為折射橫波。在耦合液中超聲波指向角θ0= 70λ液/D，其中λ液為耦合液中超聲波波長，D為換能器長度。鋼軌中橫波折射角（β）滿足折射定律：v液/sinα=v鋼/sinβ，其中v液為耦合液中縱波聲速，α為耦合液中入射角，v鋼為鋼軌中橫波聲速。

37°換能器發(fā)射的超聲波在耦合液和鋼軌中均存在擴散，見圖2。在耦合液中縱波入射角在(α1，α2），在鋼軌中的橫波折射角在（β1，β2）。入射角上邊界α1=α+θ0，入射角下邊界α2=α-θ0，推導得出折射角上邊界β1= arcsin [(v鋼/v液)sinα1]，折射角下邊界β2= arcsin [(v鋼/v液)sinα2]。

圖2 37°換能器聲束擴散

37°換能器聲場參數(shù)見表1?？芍?7°換能器在鋼軌中折射橫波的主聲束中心線角度為36.7°，其主聲束角度在30.6°～ 43.2°。

表1 37°換能器聲場參數(shù)

2 螺孔裂紋檢測

鋼軌探傷車檢測60 kg/m 鋼軌正常接頭時，B 顯數(shù)據出波形態(tài)如圖3所示。

圖3 正常接頭處探傷車B顯數(shù)據出波形態(tài)

2.1 接頭2孔、3孔B顯出波形態(tài)及出波過程

鋼軌探傷車檢測接頭2孔、3孔的B顯出波形態(tài)一般為：前向、后向37°通道反射點群顯示在軌腰所對應的螺孔處，與0°通道螺孔的反射點群一起拼合成A字形。

以前向37°通道為例，分析接頭2 孔、3 孔的出波過程，如圖4 所示。鋼軌探傷車檢測時，前向37°通道發(fā)射超聲波到達1#位置（對應擴散角上邊界），經螺孔反射后被接收，在B顯數(shù)據中對應①處呈現(xiàn)反射點；前向37°發(fā)射超聲波依次到達2#位置（對應主聲束中心）、3#位置（對應擴散角下邊界）時，在B 顯數(shù)據中對應②、③處呈現(xiàn)反射點。

2.2 接頭2孔、3孔螺孔上裂出波特征

鋼軌探傷車檢測接頭2孔、3孔螺孔上裂的B顯數(shù)據，均在螺孔A 字形出波形態(tài)的基礎上，增加了對應上裂區(qū)域處的37°通道出波，如圖5所示。

圖5 2孔、3孔螺孔上裂出波形態(tài)

2.3 接頭1孔螺孔B顯出波形態(tài)及出波過程

60 kg/m 鋼軌接頭處軌縫和1 孔間的距離使探傷車檢測接頭1孔時呈現(xiàn)不同于接頭2孔、3孔的特點。

37°通道發(fā)射的超聲波主聲束入射點A0至軌縫的水平距離|OA0|=L-Htanβ≈ 3.7 mm，導致只有部分聲束覆蓋接頭1 孔軌端側螺孔上壁，見圖6。其中，接頭1 孔中心至軌縫的水平距離L= 76 mm，1 孔中心至軌面的豎直距離H= 97 mm。

圖6 37°通道檢測接頭1孔

鋼軌探傷車B 顯數(shù)據中接頭1 孔出波形態(tài)仍近似為A 字形，1 孔軌端側的37°通道出波由兩部分而成：上部分（Ⅰ區(qū)）為本側1 孔軌端上壁側出波；下部分（Ⅱ區(qū)）為對側1孔軌端上壁處的倒打出波。受接頭軌縫寬度的影響，Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的孔壁出波可能不在同一條線上，見圖7。

圖7 接頭1孔螺孔出波形態(tài)

以前向37°通道為例，分析接頭1 孔螺孔出波過程，見圖8。探傷車檢測時，前向37°通道發(fā)射超聲波到達1#位置（對應擴散角上邊界），經接頭左側1 孔軌端側孔壁反射后，被再次接收，在B顯檢測數(shù)據中接頭右側1孔①處呈現(xiàn)反射點（Ⅱ區(qū)）；前向37°通道發(fā)射超聲波依次到達2#位置（對應主聲束中心）、3#位置（對應擴散角下邊界）時，經接頭右側1 孔的軌端孔壁反射后，被再次接收，在B 顯數(shù)據中對應②、③處呈現(xiàn)反射點（Ⅰ區(qū)）。

圖8 接頭1孔螺孔出波過程

2.4 接頭1孔螺孔軌身上裂出波特征

接頭軌面狀態(tài)良好時，探傷車檢測1 孔螺孔上裂與2 孔、3 孔螺孔上裂出波形態(tài)一致，均為在螺孔A 字形出波形態(tài)上增加對應37°通道在上裂區(qū)域出波，易于開展傷損判定。

以37°通道檢測1 孔軌身上裂為例，如圖9 所示，其折射主聲束中心入射點A1至軌縫的水平距離|OA1|=L+Rcosβ-(H-Rsinβ)tanβ≈23 mm，其中螺孔半徑R= 15.5 mm。

圖9 37°通道檢測接頭1孔軌身上裂

3 疑似1孔軌身上裂分析

3.1 疑似1孔軌身上裂出波特征

鋼軌探傷車B 顯數(shù)據中疑似1 孔軌身上裂的出波形態(tài)見圖10，易與1孔軌身上裂出波混淆，其出波特征主要包括：①前向、后向0°通道在1孔位置的軌腰處出波；②1 孔軌端側出波異常，表現(xiàn)為存在Ⅱ區(qū)37°孔波但Ⅰ區(qū)37°孔波消失；③在1孔軌身上裂出波區(qū)域存在37°通道出波。

圖10 接頭疑似1孔軌身上裂的出波形態(tài)

推斷疑似接頭1孔軌身上裂出波是由接頭低塌導致的。當鋼軌接頭處存在低塌時，踏面向軌縫端傾斜一定的角度，改變了超聲耦合面法線角度，致使37°通道在耦合液中入射角和鋼軌中折射角隨之變化，進而影響探傷車B顯中1孔出波形態(tài)。

3.2 接頭低塌工況下37°通道檢測1孔

用低塌角度（δ）和低塌高度（Δ）描述接頭低塌。當接頭低塌角度為δ時，37°通道在耦合液中的縱波入射角變?yōu)棣?=α-δ，鋼軌中橫波折射角變?yōu)棣?=arcsin[(v鋼/v液) sinα']。

3.2.1 聲學幾何解算

如圖11 所示，建立以接頭1 孔中心O0為原點的坐標系。設耦合面線段與軌端交點為A(x1，y1)，與軌頂交點為B(x2，y2)，則低塌高度Δ =y2-y1。

圖11 接頭低塌工況下以1孔中心為原點的坐標系

低塌角度為δ，低塌高度為Δ 的超聲耦合面AB的直線方程為

式中：k1為斜率，k1=-tanδ；c為截距，c=H- Δ +Ltanδ。

假設37°通道發(fā)射的超聲波在耦合面AB上C(x3，y3)點入射至鋼軌內部，37°通道發(fā)射的超聲波經耦合面折射轉換為超聲橫波，其入射至1 孔軌端側孔壁且被反射接收，則線段O0C所在的直線方程為

式中：k2為斜率，k2= cot (δ+β')。

計算可得，x3=c/(k2-k1)。

為便于表述，將δ+β'寫成θ。

3.2.2 疑似1孔軌身上裂出波條件

接頭低塌工況下，探傷車37°通道檢測接頭1 孔時，檢測系統(tǒng)仍按照軌面狀態(tài)良好時接頭設定的入射點和折射角度計算B顯檢測數(shù)據出波。

當x3滿足x3≤x2，即Δ ≥tanδ(L-Htanθ)時，探傷車37°通道檢測接頭1 孔接收到螺孔回波，B 顯數(shù)據中其出波位置向軌身方向平移。若x3進一步滿足L-x3= 23 mm，即低塌高度Δ1=H+ 23tanδ- 53cotθ，探傷車B顯呈現(xiàn)37°通道疑似1孔軌身上裂出波。

不同低塌角度下，當鋼軌探傷車37°通道檢測接頭1孔時，滿足出波條件的最小低塌高度（Δ0）、滿足疑似1孔軌身上裂出波條件的低塌高度（Δ1）與低塌角度的關系曲線見圖12?？芍孩?7°通道檢測接頭1孔出波時，低塌角度越小時，要求滿足出波條件的最小低塌高度也越小。②37°通道檢測1 孔滿足疑似1 孔軌身上裂出波時，低塌角度越小，滿足疑似1孔軌身上裂出波條件的低塌高度越大。③當δ＞ 7.5°時，出現(xiàn)Δ1＜Δ0的情況，即隨著低塌角度進一步增大，不會再出現(xiàn)疑似1孔軌身上裂出波。

圖12 滿足1孔出波條件的低塌高度與低塌角度關系曲線

3.2.3 疑似1孔軌身上裂出波過程

以δ= 6°為例，分析疑似1 孔上裂出波過程。計算可知，δ= 6°時，37°通道橫波主聲束折射角為24.07°，Δ0= 2.09 mm，Δ1= 7.88 mm。

37°通道入射點至軌縫距離l= 3.6 mm 時，發(fā)射的超聲波經軌面折射后，折射橫波入射至1 孔和軌端之間區(qū)域［圖13（a）］，無法被螺孔反射回來，B 顯數(shù)據中無37°通道螺孔顯示；當l= 23.0 mm 時，37°通道的折射橫波入射至螺孔上壁被反射接收［圖13（b）］，B顯數(shù)據中呈現(xiàn)疑似1孔軌身上裂出波形態(tài)。

圖13 δ = 6°時37°通道檢測接頭1孔

3.3 接頭低塌工況下探傷儀復核無出波的原因

目前對探傷車檢測傷損報警結果采用探傷儀復核確認。與探傷車檢測傳感器采用探輪不同，探傷儀采用滑靴式探頭。當鋼軌接頭處存在低塌角度為δ的傾斜時，滑靴式37°換能器表面與耦合面貼合，其滑靴內入射角不變，但耦合面法線變化，使得鋼軌中橫波折射角增大為β″ =β+δ。

同樣，當x3滿足x3≤x2，即Δ ≥tanδ(L-Htanθ)時，探傷儀37°通道檢測1孔才能接收到螺孔回波。不同低塌角度下，探傷儀37°通道檢測接頭1 孔時，滿足出波條件的最小低塌高度見表2。

表2 不同低塌角度下探傷儀37°通道檢測接頭1孔的Δ0

從表2 可知，滿足探傷儀37°通道檢測接頭1 孔出波的最小低塌高度均為負值，即探傷儀采用滑靴式37°探頭無法掃查到1孔軌端上壁（圖14），因此探傷儀B顯圖形中無37°通道1孔出波顯示。

圖14 接頭低塌工況下探傷儀檢測接頭1孔

4 傷損判定中的應用

探傷車檢測某線路，在里程K13 + 121處發(fā)生接頭1 孔軌身上裂傷損報警。如圖15（a）所示，接頭1 孔軌身上裂位置后向37°出波7個點，已滿足報告?zhèn)麚p報警的要求，但缺少1 孔Ⅰ區(qū)上壁出波。同時從B 顯數(shù)據中可以看到，1 孔軌身上裂側接頭軌縫處存在接頭不良導致的軌頭70°出波及0°底波消失等。經現(xiàn)場復核確認無螺孔上裂，該處探傷車疑似1 孔上裂實為接頭低塌導致，現(xiàn)場測量低塌角度約5°，如圖15（b）所示。

圖15 某處疑似1孔軌身上裂B顯形態(tài)及現(xiàn)場情況

通過上述案例，結合本文對接頭低塌工況下鋼軌探傷車檢測1 孔的情況分析，當探傷車檢測數(shù)據中發(fā)現(xiàn)1 孔軌身上裂形態(tài)時，數(shù)據分析人員應加強甄別分析。如接頭1 孔螺孔波出波良好，且存在1 孔軌身上裂區(qū)域37°出波，則應判定為1 孔軌身上裂傷損報警；如接頭1 孔處出波異常，表現(xiàn)為1 孔Ⅰ區(qū)孔壁波消失、且在1 孔軌身上裂區(qū)域處37°出波，則不將其報告為1孔軌身上裂傷損報警，進而減少探傷車誤報告，提高探傷車傷損報警的復核準確率。

5 結論及建議

1）探傷車報告疑似1孔軌身上裂傷損報警是接頭低塌導致的。接頭低塌造成探傷車37°通道在鋼軌中折射角度變小，引發(fā)孔壁波出波位置偏移。當滿足一定條件時，形成疑似1孔軌身上裂傷損報警。

2）對于探傷車B 顯數(shù)據中1 孔軌身上裂位置出現(xiàn)37°通道反射點群且伴隨孔壁波消失的疑似1 孔軌身上裂傷損報警的情況，建議加強分析、甄別。

3）加強對接頭狀態(tài)的維護，避免接頭低塌對探傷車檢測接頭B顯出波的影響。

利用本文方法可減少探傷車1孔軌身上裂傷損報警誤報，提高探傷車傷損報警的復核準確率，對于探傷車傷損判定具有實踐指導意義。