钢轨核伤的超声检测.pdf

无损检测2023年第45卷第5期64DOI:10.1197c202305012实践经验钢轨核伤的超声检测陈永明（国能新朔铁路有限责任公司大准铁路分公司，鄂尔多斯0 10 30 0）摘要：利用相控阵超声检测技术来检测钢轨核伤，首先建立钢轨核伤检测模型并分析，发现探头折射角、轨面偏斜角以及距轨面中心线的偏移量是影响核伤检测的主要因素。然后将理论计算与仿真分析相结合，得到适用于钢轨核伤检测的相控阵探头最佳参数。最后基于该参数进行相控阵探头设计，分别在6 0 轨和7 5轨上加工多种类型的损伤并利用相控阵探头进行检测。结果表明，该相控阵超声探头对所有损伤的检出信噪比均大于12 dB,即基于相控阵探头的钢轨核伤检测技术可以适应不同轨型高度、轨鄂倾角的变化，实现轨头区域的超声全覆盖。关键词：钢轨核伤；相控阵超声；超声传播路径中图分类号：TG115.28文献标志码：B文章编号：10 0 0-6 6 56（2 0 2 3)0 5-0 0 6 4-0 5Ultrasonic testing of rail transverse defectCHEN Yongming(Guoneng Xinshuo Railway Co.,Ltd.Dazhun Railway Branch,Erdos 010300,China)Abstract:Phased array ultrasonic technology was used to detect rail transverse defects.First,the rail transversedefect detection model was established and analyzed.It is found that refraction angle,the inclination angle andtransverse position of the probe on rail surface are the main factors that affecting the defect detection.Then,bycombining the theoretical calculation and simulation analysis,the optimal parameters of phased array probe for railtransverse defect detection were obtained.Finally,based on the parameters above,the phased array probe wasdesigned and tested on various types of damages on 60 rail and 75 rail respectively.The experimental results showthat the signal-to-noise ratio of the phased array ultrasonic probe for all defect detection is greater than 12 dB,thatis,the rail transverse defect detection method based on the phased array probe can adapt to the changes of theheights of different rail types and the change of rail jaw angle,and the rail head area was fully covered by ultrasonic.Key words:rail transverse defect;phased array ultrasonic;ultrasonic propagation path钢轨是铁路轨道的重要组成部件，其主要功能为引导机车车辆的车轮前进，同时承载车轮的作用力并将力传递到轨枕上门。随着我国铁路向重载、高速以及高密度方向快速发展，钢轨在使用过程中表现出来的滚动接触疲劳损伤越来越频繁和严重。核伤主要由钢轨滚动接触疲劳引起，是轨头踏面裂纹发展到一定深度或者轨面剥离掉块底部再次萌生裂纹到一定深度形成的，其中轨头横裂型核伤是危收稿日期：2 0 2 2-10-19作者简介：陈永明（197 3一），男，高级工程师，主要从事超声检测研究设计工作通信作者：邵伟，92 15937 8 7 害性最大的损伤形式之一，已成为影响铁路运输安全的主要损伤2 钢轨核伤一般呈椭圆形，长短轴之比约为3：2。核伤面积与轨头横截面面积之比超过10%，钢轨的强度下降90%，容易引起突发性钢轨折断，严重影响铁路运输安全3。根据核伤所在位置不同可分为“白核”和“黑核”。核伤在未发展到外表面时肉眼不可见，称“白核”；已扩展到外表面时，因氧化变为黑色，称“黑核”4。钢轨核伤断口外观如图1所示。使用相控阵探头对轨头核伤进行检测，首先基于声束传播路径和核伤分布特点得到超声折射角，然后基于轨道截面几何形状和声束击打在轨颚上的最佳位置来确定探头偏斜角和探头距轨面中心线的无损检测2023年第45卷第5期65钢轨核伤的超声检测陈永明：图1钢轨核伤断口外观偏移量。最后，基于上述参数设计相控阵探头并用于核伤检测。结果证明该技术可实现轨头区域的超声全覆盖检测。1理论分析1.1计算模型建立为分析声束传播路径，建立了钢轨三维模型，坐标系的原点设置在踏面中央（O），声波在轨鄂上的反射点为O1反射后的二次波与踏面交于O2，探头偏斜角（探头轴线与轴之间的夹角）为，折射角为,轨头高度为h，轨鄂与踏面之间的夹角为，探头人射点为A（O p，0），p=0 时表示探头在踏面中心线上。钢轨三维模型如图2 所示。之,B,h图2钢轨三维模型根据几何关系可得二次波与钢轨侧面（或zOz平面)的夹角为5=sin-l(sincoscos20-cossin20)(1)探头相对钢轨中心的横向偏移量力与探头纵向偏斜角及钢轨内部折射角的关系为p=(Ksinsin20+cos20)y。+s in 2(zo+h)Ksincos2Z。-2 K s in h cos?(2)式中：（yo，o）为探测点的坐标；K=tan。一次波与轨鄂交点O1（o 1，y o 1,）及二次波与踏面交点O2（o 2，y 0 o 2，0 2）的表达式为Kcosd(h-p:tan)01(3)1+K tano:sinKsin(h-p:tano)yo1+力(4)1+Ktang:sinh-p:tand2o1=1+K tano.sind(5)2Kcossine(h-p:tano)02(6)Ksin20sin+cos20(7)Ksin20sin+cos20202=0(8)1.2探头折射角的确定折射角的选择主要从利于核伤反射的角度考虑。核伤方向与轨头侧面近乎垂直，与踏面多呈102 5夹角（单行线上）或近乎垂直（复行线上)4。在信噪比允许的情况下，角的选取上限为657 0，这样可尽量减小声波在核伤上的入射角，从而利于声束反射。根据式(1)和(2)可以得到最佳折射角为7 0 1.3探头偏斜角和偏移量的确定钢轨横截面为左右对称的工字型（见图3，图中为钢轨高度，6 为轨头宽度，为轨头内高，g为轨底内高，d为轨底宽度，e为轨底边缘厚度），从上往下可分为轨头、轨腰和轨底3部分。各型号钢轨的高度、轨头等参数如表1所示6-7 （6 0 轨表示轨道参数为6 0 kg/m，7 0 轨表示轨道参数为7 0 kg/m）。a图3钢轨截面示意表1各型号钢轨的几何参数mm钢轨类型项目60轨75轨钢轨高度176192轨头宽度7375轨头内高48.555.3轨底内高30.532.3在实际检测中，除探头折射角外，探头偏斜角和偏移量力也对核伤检测有很大影响，只有选择合适的探头偏斜角和偏移量，才能减小核伤检测盲区。无损检测2023年第45卷第5期66钢轨核伤的超声检测陈永明：60轨探头对中时不同偏斜角与轨颚交点到侧边距离的关系如图4所示，探头偏斜角为12 时不同偏移量与轨颚交点到侧边距离的关系如图5所示。28放样结果24一理论计算12840-41124681012141618探头偏角）图46 0 轨探头对中时不同偏斜角与轨颚交点到侧边距离的关系20一放样结果一一理论计算161284-6-5-4-3-2-10123456探头位置/mm图560轨探头偏斜角为12 时不同偏移量与轨颚交点到侧边距离的关系由图4，5可知，探头偏斜角、探头偏移量力与轨颚交点位置的关系不是一一对应的，即探头人射点至轨颚交点之间有多条声束路径。选择和的目的就是要找出一条能够得到核伤最佳反射效果的声束路线。由于核伤与钢轨纵剖面近乎垂直，故在选择时，应设法使经轨鄂反射后的二次波与纵剖面平行，以得到核伤声波的最大反射。此外，当声束击打在轨颚中心时，二次波的有效利用率最高。在选择时，令式(1)中的为0,可得=sin-I(tan20/K)(9)由式(9)可知,仅与轨鄂的倾角和探头的K值有关，即对于不同钢轨，探头所需偏斜角是固定的，不随钢轨磨耗的变化而变化。不同折射角探头检测不同类型钢轨时的最佳偏斜角如表2 所示。p可由式(2)导出。设待检测区域的中心坐标为（yo，。），则偏移量p的表达式为力yo-ssin20.h(10)cos20由式（10)可知，p与。无关，因为声波平行于表2不同折射角探头检测不同类型钢轨时的最佳偏斜角(）探头折射角轨型（0）65666768697060轨(18.4)20.519.518.617.616.715.875轨(14)14.413.713.112.411.811.2纵剖面，在任何深度上检测到的横向位置都是一样的，但p与轨头高度有关，其会随轨头高度的变化而变化，当钢轨出现垂直磨耗时，轨头高度会减小，此时p应增大才能保证声波中心轴线经过待检测区域的中心点（y。，之。）。已知6 0 轨的轨鄂中间月牙缺陷坐标O1（39.4mm，2 7.15mm），假设6 0 轨探头偏斜角（探头轴线与轴之间的夹角)为14.5且折射角为7 0，根据几何模型，在OBO平面内分解倾斜7 0 的超声，其OB方向的速度分量VoB为3.0 4mms-;方向的速度分量V，为1.1mms-l；在Oy平面内分解VoB分量，其方向的速度分量V，为2.94mmus-1；y 方向的速度分量V，为0.7 6 mms-l。当飞行时间约为35.7s时，该主声束的水平分量和垂直分量恰好同时到达轨鄂中间位置（见图6）。图6 6 0 轨倾斜7 0 超声反射点位于轨鄂中间月牙时的声束示意偏斜角为12 时6 0 轨与7 5轨探头位置与轨颚交点到侧边距离的关系如图7 所示，探头对中时6 0 轨与7 5轨偏斜角与轨颚交点到侧边距离的关系如图8所示，6 0 轨和7 5轨7 0 折射角超声声束如图9所示。基于上述仿真放样和理论分析可得：当折射角为7 0 时，可获得最佳的核伤检测效果；对于60轨，探头偏移量为0、折射角为7 0 时，偏斜角为14.5可使主声束检测到轨鄂中间的月牙缺陷，该参数为6 0 轨核伤最佳检测参数；对于7 5轨，探头偏移量为0、折射角为7 0 时，偏斜角为12.5可使主声束检测到轨颚中间的月牙缺陷，该参数为7 5轨核伤的最佳检测参数；在超声人射点位置不变的无损检测2023年第45卷第5期67钢轨核伤的超声检测陈永明：1860轨1675轨E86420-5-4-3-2-1012345探头位置/mm图7偏斜角为12 时6 0 轨与7 5轨探头位置与轨颚交点到侧边距离的关系2860轨24+75轨201612840412468101214 1618扭角/）图8探头对中时6 0 轨与7 5轨偏斜角与轨颚交点到侧边距离的关系(a)60轨(b)75轨图960轨和7 5轨7 0 折射角超声声束示意情况下，若要倾斜7 0 的主声束检测到轨鄂中间的月牙缺陷，7 5轨7 0 折射角的声束偏斜角要比6 0 轨的小2.2；在超声折射角度不变的情况下，若要倾斜7 0 的主声束检测到轨鄂中间的月牙缺陷，7 5轨超声入射点位置要往远离轨鄂月牙缺陷方向横向平移 4.8 5 mm。2钢轨核伤检测试验利用7 0 折射角的超声二次波检测轨头核伤，最好使声束满足二次波与钢轨纵向平行且主声束的反射点恰好在轨鄂中部。根据理论分析可得结论：折射角为7 0 时，二次波与钢轨纵向平行时的探头偏斜角分别是15.8（6 0 轨），11.2（7 5轨）；折射角为7 0 时，二次波主声束在轨鄂的反射点恰好为轨鄂中部时，探头偏斜角分别是14.5（6 0 轨），12.3(75 轨)。为验证上述结论的准确性，在6 0 轨和7 5轨上设计不同类型的轨头损伤，包括轨头横孔（距轨面10,18,20mm，距轨侧5,10,35mm，g 3m m 当量）、轨头斜孔（轨面下斜2 6 钻孔，长为2 0 mm，4mm当量）、轨鄂月牙刻槽（半径为4mm，高为2 mm）和轨鄂锥孔（轨鄂向上斜钻12 0，长为5mm，直径为4mm），并分别将上述缺陷命名为缺陷16。6 0 轨超声相控阵某一扫查角度的检测结果（超声折射角为7 0 如图10 所示。不同轨型的超声相控阵检测结果对比（超声折射角为7 0)如表3所示。表3不同轨型的超声相控阵检测结果对比（超声折射角为7 0)dB轨头60轨75轨损伤检测增益信噪比检测增益信噪比缺陷183.717.478.821缺陷278.82078.820缺陷382.820.579.521.2缺陷479.312.677.413缺陷578.213.775.714缺陷680.413.978.613.8由表3与图10 可知，6 0 轨和7 5轨所有损伤均可检出，且信噪比不低于12 dB，说明基于相控阵探头的钢轨核伤检测可以适应不同轨型高度和轨鄂倾角的变化，实现轨头区域超声的全覆盖检测，3结语首先对钢轨核伤进行建模分析，发现超声折射角、探头在轨面的偏斜角以及探头距轨面中心线的偏移量是影响核伤检测的主要因素，要实现核伤的最优检测需同时满足7 0 折射声波的二次波与钢轨纵向平行且主声束在轨鄂中部反射的条件，由此可得到适用于钢轨核伤检测的相控阵探头参数。然后在6 0 标定轨和7 5标定轨上设计了不同类型的损伤（包括轨头横孔、轨头斜孔、轨鄂月牙刻槽和轨鄂锥孔），并使用基于上述参数设计的超声相控阵探头在轨面进行横向偏转扫查，上述所有损伤均被检出且信噪比不低于12 dB。试验结果证明基于相控阵技术的钢轨核伤检测可以适应不同轨型高度和轨鄂倾角的变化，实现轨头区域的超声全覆盖无损检测2023年第45卷第5期68（上接第45页）钢轨核伤的超声检测陈永明：缺陷缺陷2005000100:00150:002000020:002300:003430(a)缺陷1(b)缺陷2缺陷3缺陷4950.00200.00290:00200.00200300:80242(c)缺陷3(d)缺陷4缺陷5缺陷620.005090100.0015080290.0000100.00150.00200.00250:00(e)缺陷5(f)缺陷6图1060轨超声相控阵某一扫查角度的检测结果（超声折射角为7 0)参考文献：1胡杰.钢轨轨头纵横裂型核伤的形成原因.机械工程材料，2 0 18,42(5)：8 2-8 6.2邢丽贤，邹定强，杜涵秋.钢轨核伤断裂原因检验分析J.铁路技术创新，2 0 16（2）：7 1-7 3.3徐平军.钢轨核伤的检测原理和方法J.上海铁道科技，2 0 16(3)：116-118.半定量风险评估技术可以在一定程度上预知储罐罐顶的腐蚀情况，该案例中半定量风险评估结果为高风险，因此检验比例和检验有效性要求较高，其次阵列脉冲涡流检测出的局部腐蚀最大深度达到校准厚度的50%，将半定量风险评估结果与阵列脉冲涡流检测结果相比较，可以看出两者的吻合度较高，在一定程度上可以相互验证，实现了理论计算与检验检测的结合。4丝结语提出了一种基于半定量风险评估和阵列脉冲涡流技术的罐顶评估和检测方法。试验结果表明半定量评估方法可操作性强，能为后续检验策略的制定4石永生.钢轨踏面斜裂纹与轨头核B型图对比分析J.铁路技术创新，2 0 12（1）：93-94.5涂占宽.7 0 探头声场在轨头中的分布J铁道建筑，2 0 0 3(10)：30-31.6石永生，罗国伟，徐其瑞.钢轨探伤车对轨头核伤检测能力的分析J.无损检测，2 0 14，36（9）：34-37，41.7任松斌.大型钢轨探伤车在朔黄铁路的运用D石家庄：石家庄铁道大学，2 0 17.提供科学依据；阵列脉冲涡流技术扫查效率高，检测灵敏高，可进行C扫成像，为后续罐顶修复提供可靠的数据支撑。参考文献：1赵彦修，田红岩，陈彦泽，等.在役常压储罐完整性管理技术及应用J.油气田地面工程，2 0 2 1，40（3）：7 0-7 5.2刘文才，樊建春，杨进.采用超声导波的储罐罐顶腐蚀深度检测方法J.光学精密工程，2 0 2 12 9（6)：146 8-148 1.3唐莺，潘孟春，罗飞路.阵列脉冲涡流腐蚀缺陷成像检测技术研究J.计算机测量与控制，2 0 0 7（9）：1151-1153.4田峻东.基于RBI的常压储罐风险评估的研究与应用D大庆：东北石油大学，2 0 2 2.5后雪冰.飞机多层金属铆接结构阵列脉冲涡流检测技术研究D.南昌：南昌航空大学，2 0 19.