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钢轨探伤中的无损探伤技术应用李方君

发表时间：2020/5/15 来源：《基层建设》2020年第3期作者：李方君

[导读] 摘要：在各种工程应用中，大量应用了各种各样的材料，其中应用最多的是金属材料，由于金属材料在交变应力的作用下可能会产生金属疲劳，从而产生了断裂现象，最终产生了许多灾难性的事故，涉及到舰船、飞机、轴类、压力容器、宇航器、核设备、电梯、起重机等。

        绥化工务段黑龙江省绥化市 152000
        摘要：在各种工程应用中，大量应用了各种各样的材料，其中应用最多的是金属材料，由于金属材料在交变应力的作用下可能会产生金属疲劳，从而产生了断裂现象，最终产生了许多灾难性的事故，涉及到舰船、飞机、轴类、压力容器、宇航器、核设备、电梯、起重机等。如何定期的对这些设备进行检测，从而判断可能出现的缺陷，最终避免可能产生的灾难性的事故的发生是质检部门的重要责任。合理的使用无损探伤技术能够高效率、高精度的发现钢轨中存在的缺陷，不仅降低了施工人员的工作强度，还能有效降低安全风险和经济损耗，为铁路交通安全出行提供有力保障。
        关键词：钢轨探伤；无损探伤；技术；应用；分析
        1导言
        近年来，我国经济突飞猛进，极大地推进了铁路交通运输，铁路网覆盖面积日渐扩大。铁路交通运输作为推动我国经济高速发展的重要运输途径，是我国交通运输的大动脉，我国铁路系统坚持自立创新、结合科技的发展道路，铁路总里程现已跻身于世界第一。钢轨是铁路交通运输的基石，由于近年来铁路运输的承重量大以及运输密度频繁，再加上外在环境的影响，引起钢轨疲劳以及内部组织损伤，若不及时发现和解决，钢轨轻则产生裂纹，重则产生断裂，就可能造成重大的铁路交通事故。随着科技水平和信息化水平的发展，钢轨无损探伤方法不断提升，在不影响钢轨性能的情况下完成对钢轨内部组织的检测。
        2无损探伤的方法及分类
        无损探伤是无损检测（包括探伤、测量、评价）的一个重要组成部分，是对材料、工件或组件进行非破坏性检测和分析，以发现材料和构件中非连续性宏观缺陷（如裂纹、夹杂、气孔等）为主要目的的检测。无损探伤方法种类较多，据美国国家宇航局调研分析，可分为六大类约70余种，但在实际应用中较为普遍的无损探伤方法有：超声波探伤检测法、射线探伤检测法、磁粉探伤检测法、渗透探伤检测法、涡流探伤检测法五种常规探伤方法。除此之外，还有红外线监测、声振检测、激光全息摄影、微波探伤、同位素射线示踪等非常规探伤技术。
        2.1超声波检测
        物质本身或者缺陷都有一定的声学特性，利用这种声学特性对超声波传播产生的影响来检测物质的物理特征或者缺陷，是超声波检测法的应用原理。
        2.2射线检测
        X射线是一种波长很短的电磁波，是一种光子，穿透性X射线能穿透一般可见光所不能透过的物质。射线检测法的应用原理是通过射线的直线性和穿透性来进行物质缺陷的检测。
        2.3磁粉检测
        磁粉检测法是一种主要面对铁磁性物质的检测方法，检测的主要对象是物质表面或者近表面，在检测过程中，当物质磁化时，如有缺陷存在则会形成一定的磁场，此时磁粉就会在缺陷处显现出来，以此确定缺陷的位置和形状。这种检测方法使用的设备简单易于操作，测试速度快，也比较灵敏，同时应用范围也比较广。
        2.4渗透检测
        渗透探伤法的使用原理是通过物质的毛细现象进行检测。渗透检测是一种设备操作简单方便，投资小，效率高的检测方法，对于复杂试件也只需一次检验，并且适用范围广，对于表面缺陷，一般不受试件材料种类及其外形轮廓的限制。
        2.5新型无损探伤技术
        随着现代科学技术的发展和新兴材料的出现，现在已经有微波检测法、声阻检测法以及红外检测法等多种新型的无损探伤检测技术出现，这些新技术的出世，不仅体现了现在科技的发展，同时为质检部门人员的检测工作提供了更大的帮助。
        3钢轨无损探伤技术的应用
        目前，钢轨无损探伤技术主要有超声波无损探伤、射线无损探伤、激光无损探伤、渗透无损探伤、目视无损探伤、涡流无损探伤等（我国钢轨无损检测主要以超声波探伤技术为主）。

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        3.1超声波无损探伤技术
        超声波是超过人耳听觉，其频率高于20 k Hz的机械波，超声波由于具备良好的指向性、传播性、在物质中衰减性和在界面上的反射、折射特性，而广泛用于锻件、轧制件的探伤。利用超声波进行钢轨探伤时，利用功率放大器对激励信号放大，由导波传感器在钢轨的一端发出超声波，超声波在没有损伤的钢轨，导波的相速度基本保持不变；在钢轨中遇到损伤就会发生反射、散射等信号，通过信号传递进行分析，就能高效率、高精度的找到损伤部位及损伤程度。用超声波无损探伤可以检测出钢轨中裂缝、白点、分层、气孔、未焊透等不良缺陷。优点在于穿透能力强、指向性好、适用面广、操作安全、设备轻便、测量精度高、高灵敏度和获得结果快等，此技术已经在钢轨探伤中广泛应用。但是超声波探伤技术也有自身的局限性，例如检测结果显示不直观、探伤结果不易保存等，还需要探索合适的处理方法将超声波反馈的信号数字化或者模态化，以便有效提取数据、分析数据和保存数据。
        3.2超声波探伤技术在重载钢轨的应用
        铁路正朝着高速、重载的方向发展，铁路网覆盖范围广大，所需要的钢轨数量也随着增加，钢轨在铁路运输中承担着繁重的载荷，长时间的磨损、腐蚀及其他因素的影响，钢轨会发生肉眼无法观察到的缺陷，例如裂纹、锈蚀、剥离掉块等。超声波无损探伤在重载钢轨中的应用随着技术的成熟越来越普遍，下面介绍超声波无损探伤技术在检测重载钢轨底部和头部的应用。现使用的钢轨探伤仪以GCT-8C型为主。一是对于钢轨顶面至钢轨底部轨腰竖切投影部位缺陷的检测，主要应用的是0°+37°探头，在利用0°探头对钢轨顶面至钢轨底部探伤检测时，可利用0°探头纵波反射式探伤或穿透式探伤进行，超声波无损探伤仪反射式探伤时，超声波由晶片发射出纵波会从钢轨的头部经过钢轨腰部发送到钢轨底部，在钢轨底部经界面发射后，被另一晶片接收。当钢轨中存在裂纹、缩孔以及夹杂物时，都会阻断超声波纵波信号的传输，然后根据回波显示的刻度，对钢轨中出现缺陷的类型和位置进行判断，并能够对发生裂纹的长度进行测量。穿透式探伤时，由一个晶片发射的纵波从钢轨头部顶面经轨腰到轨底，被轨底面反射后，由另一晶片接收，为使轨底波不报警，仪器设有反报警方门，如果钢轨内有纵向或斜裂纹时，超声波在传播过程中改变方向，使探头接收不到轨底波而报警。二是使用37°探头对钢轨的轨头顶面至钢轨底部及钢轨腰部投影范围的螺孔裂纹、斜裂纹和特殊部位水平裂纹，以及轨底横向裂纹。三是钢轨头部进行检测时，需使用70°探头采用横波在钢轨轨头内进行反射式探伤，主要探测钢轨轨头核伤和钢轨焊缝轨头的夹渣、气孔和裂纹等。为了全方位无盲区探测钢轨头部所有缺陷，探头在轨面的位置分别设置0°-20°倾角探头前进的方向成一定的斜角，目的是利用一次波和二次波，让钢轨中的横波从钢轨头部至下颚反射到轨面上扩大探测范围。在钢轨的头部检测过程中，如果钢轨的头部完好无损，就不会存在回波信号。如果钢轨的头部存在损伤，就会有回波反射回来。根据回波显示的情况，对损伤的大小、类型以及位置进行判断。例如钢轨头部生锈，就会出现间断的报警声，但用砂纸进行打磨后，跳跃波就会减弱；当钢轨侧面有剥落掉块时，也会发生超声波反射的情况，说明钢轨内部产生凸凹不平的水平裂缝，钢轨内部存在着严重的损伤，需仔细进行检查。
        4结语
        随着我国经济的迅猛发展，铁路系统的不断扩展，一方面加强了我国的交通运输能力；另一方面由于钢轨可能出现某些损伤，影响铁路运输过程的安全问题。无损探伤技术的运用，在钢轨的探伤中起到了重要的作用。从现有的导轨无损探伤技术来看，各个有各自的优势特点，企业还需要结合导轨的自身情况以及现代化技术，有效的将上述的无损探伤技术相融合，继续探索更为优化的无损探伤技术，提供更为高效率、高准确度的缺陷检测。另外，还需要加强对于无损探伤技术的仿真模拟，利用有限元的方法对钢轨损伤进行预测，更为有效、节省成本的方式来检测和预防缺陷。
        参考文献：
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        [4]王炜，袁奇，顾俊杰，邰能灵.X射线无损探伤技术在检测输电线路压接金具中的应用[J].上海交通大学学报，2018，52（10）：1189-1194.