高速铁路钢轨焊缝核伤的探测方法

高速铁路钢轨焊缝核伤的探测方法

陶利辉

中国铁路呼和浩特局集团有限公司包头工务段内蒙古自治区包头市014040

摘要：近年来，我国高速铁路的发展取得了辉煌成就，在旅客享受安全、高速、绿色出行的同时，也对铁路部门提出了更高的设备安全技术检修要求。钢轨是高铁轨道结构重要组成部分，在列车高速运行强大动能的不断冲击下，很容易在轨头内部形成横向裂纹（俗称核伤）。核伤如不能及时探测发现，容易发生钢轨折断事故，严重威胁列车安全。焊缝是无缝钢轨框架结构的主要联接方式，因强度低于钢轨母材，更易形成核伤。本文论述的主要目的是研究高铁钢轨焊缝核伤的特点，并探讨在探伤工作中有效的超声波探测方法。

关键词：高速铁路；钢轨焊缝；核伤；探测方法

前言

我国高铁钢轨焊缝超声波探伤工作主要采用三种模式，一是大型钢轨探伤车探测；二是小型数字式钢轨探伤仪探测；三是数字通用型探伤仪专项探测。我们在此主要探讨核伤特征及后两种探伤模式探伤方法。

1轨头核伤特征及探测影响因素

1.1核伤形成原因

轨头疲劳伤损中危害最大的是轨头横向裂纹，俗称核伤。高铁钢轨核伤形成的主要原因，一是钢轨在制造过程中工艺缺陷导致钢轨内部存在白点、气泡、非金属夹杂物、偏析等缺陷，上线后在列车重复载荷作用下，缺陷逐步形成疲劳源后不断发展扩大形成核伤；二是轮轨长期硬性接触产生的疲劳裂纹逐渐向轨头内部延伸扩展形成核伤；三是钢轨焊接工艺不良在焊缝中存在灰斑、裂纹、烧伤、未焊合、气孔、夹渣、缩孔等缺陷发展形成核伤。

1.2核伤特点及影响探测质量因素

核伤主要产生在轨头内侧上角（距轨顶面及侧面5～15mm）、轨头内侧中部、轨头中部、轨鄂部四个区域。核伤取向是多与轨面纵向成15°左右夹角，并向列车运行方向倾斜。我国高铁采用百米60kg/m钢轨进行焊接，焊缝核伤产生几率大于钢轨母材，因此焊缝核伤的探测是防控重点。焊缝核伤探测难度在于，一是焊筋波对伤波形成干扰，不易识别；二是轨面鱼鳞伤损回波干扰大，增加了缺陷判定难度；三是核伤表面状态较复杂，回波变化多，对探测技术要求高；四是探伤人员对回波分析不准确，易造成伤损漏检。

2小型数字钢轨探伤仪探测方法

2.1探伤仪配置要求

探伤仪应具备超声波A型与B型同显功能，能够记录和下载作业数据，同时要装配1只前后直发70°、2只内发70°、2只外发70°探头。内发、外发探头采用20°偏角，探伤灵敏度应达到φ4mm平底孔当量80%波高不低于40dB，现场根据轨面状态、气温环境、耦合条件等因素对灵敏度进行2～6dB的修正。

2.2作业技术要求

动态探测中，各探头处于轨面中心线保证声束扫查范围对轨头的全覆盖。5只70°探头扫查时应本着区域分配明确、波形易于识别的原则，按“先直—后内—再外”顺序进行探测，探测速度≤3km/m。曲线地段探测时应加大耦合水量，将偏角探头横向位置向轨头内侧少量调节，修正曲线曲率对扫查效果的影响。遇焊缝必须站停盯波检查，确认回波有无异常，同时应对焊缝回波进行仪器标注。作业后，下载探伤数据进行微机探伤分析，扑捉异常回波。

2.3焊筋回波分析

高铁焊缝类型有厂焊、现场闪光焊、铝热焊。焊筋轮廓对比：铝热焊＞现场闪光焊＞厂焊，由于焊筋轮廓几何形状不一，回波显示的位移量和波幅差异较明显。轨头焊筋回波A显在基线3.0～6.0刻度范围内，多数回波显示于4.5刻度左右；B显在轨鄂线上下范围。偏角70°探头探测时显示轨鄂部焊筋波，直发70°探头显示轨鄂部与轨腰连接三角区焊筋波。因接触焊焊筋推凸除瘤工艺导致焊筋轮廓不对称，两侧焊筋波大小、强弱表现不同；铝热焊焊筋轮廓形状较对称，两侧焊筋波大小、强弱较相同。

2.4焊缝核伤回波分析

核伤易产生在焊缝轨头横截面的四个区域，回波特征不同，探测时应注意区分。轨头内侧上角核伤，利用偏角70°探头二次波探测，伤损较小时，一般单通道在6.5刻度左右出现伤损回波，伤损较大且向轨头中部发展时，一般双通道均有回波，一个通道回波在一次波范围，另一通道在二次波范围，有时直打70°探头也有回波。轨头中部核伤用直打70°探头探测，伤损回波显示在基线1.0～3.0刻度，核伤较大时偏角70°探头亦有一次波显示。轨头内侧中部核伤，一般双通道均有回波显示，一个通道回波在一次波范围，另一通道在二次波范围。轨鄂部位核伤多见于两个位置，一是轨鄂主体部位，该位置使用偏角70°探头一次波探测，伤损回波由3.0刻度向小刻度方向位移；二是轨鄂部与轨腰连接部位，伤损位置隐蔽，易将伤波误认为轨腰焊筋回波，伤损判定的依据在于直打70°基线2.8刻度极限值位置，小于2.8多为伤损，另外可横移直打70°探头对比内外侧焊筋波变化，必要时手持70°探头在轨腰位置进行校对。

2.5焊筋波与核伤回波的关系特征

焊缝核伤探测难度在于焊筋波和核伤回波相互重叠，彼此干扰，探伤时应根据各自的回波规律仔细识别。它们之间的关系特征主要抓住三点，一是回波有先后，刻度有差别（时间关系）；二是焊筋轮廓位置固定，核伤非左即右（水平关系）；三是核伤浅，焊筋深（深度关系）。探测时，要灵活运用关系特征。

3数字通用型探伤仪探测方法

3.1探伤仪配置要求

主要用于对焊缝全断面专项探测和对异常焊缝回波进行复核探测，应具备超声波A型与B型显示功能。探头应配备1只2.5P13×13K2.5单晶探头，2只2.5P8×12K1探头。探伤灵敏度设定：K2.5探头是将CHT-5试块B区5号横孔反射波达到80%波高，双K1探头是将CHT-1b试块2号平底孔反射波达到80%波高。现场根据轨面状态、气温环境、耦合条件等因素对灵敏度进行2～6dB的补偿。

3.2探测注意事项

一是注意探伤扫查宽度和探测面的备制，扫查宽度遍及轨头全宽度，扫查长度不少于焊缝中心两侧各200mm，清除轨面锈蚀等异物，保证耦合条件；二是探头移动速度＜100mm/s，手压力适中且一致；三是扫查时注意灵敏度补偿；四是认真分析，回波定位要准确；五是注意轨头声束覆盖范围的相互补充。

3.3K2.5探头探测分析

K2.5探头在轨顶面应采用纵向移动和偏角移动两种方式扫查，探头纵向中心距轨边分别为16mm、26mm、36mm、46mm、56mm，偏角为0°纵向移动探头，用一次波探测核伤；纵向扫查完毕后再使用偏角法扫查，探头与轨面中心线呈15°偏角纵向移动，利用二次波扩大轨头声束扫查范围。探测中探头入射点距焊缝中心约80mm，会出现4.0刻度左右的焊筋轮廓波，探测中应注意识别。

3.4双K1探头探测分析

K型探伤法主要解决反射面与探测面垂直的核伤。探测时，将两个K1探头分别放置在轨头内外侧，同时同速向焊缝断面中心纵向移动，为确保完成轨头断面的整体扫查，两只探头应保持好前后间距。焊缝无伤时，只有始发波；有伤时，既在始波后出现伤波。

3.5焊缝缺陷波形特征分析

焊缝轨头缺陷成因不同，有着不同的波形特征。灰斑，波形单一稳定，波幅较低；裂纹，波形稳定，强烈，有一定位移量；未焊合，波幅不高或跳跃，有时呈多支波同时显示；气孔，波幅稳定位移小，不同的角度探测时，波形类似；夹渣，在不同的角度探测时，波幅变化较大；缩孔，回波松散，有时波峰呈树枝状。

结束语

提供高铁钢轨焊缝核伤的特征，归纳研究小型数字探伤仪的探伤技术和实践经验，可有效提高焊缝探测质量，保障高铁运输安全。研究的内容具有良好的推广意义，在应用过程中还能不断丰富伤损检测实例，建立探测数据库完善技术分析手段，进一步提高检测效率和质量。

参考文献：

[1]铁路探伤工.钢轨探伤.铁路职工岗位培训教材编审委员会编著.北京：中国铁道出版社，2014.10.

[2]TB/T2340—2012钢轨超声波探伤仪［S］．北京：中国铁道出版社．

[3]TB/T2658.21—2007工务作业第21部分：钢轨焊缝超声波探伤作业［S］．北京：中国铁道出版社.

[4]高速铁路有砟轨道线路维修规则.铁运［2013］29号．北京：中国铁道出版社，2013.4.

[5]钢轨探伤管理规则.铁运［2006］200号．北京：中国铁道出版社，2006.11.