超声波钢轨探伤的工作原理及应用

林国旺

摘要：广州地铁目前对在役钢轨无损检测的方法主要是超声波脉冲反射探法伤，具体工作内容包括正线线路钢轨探伤月检、车辆段线路探伤季检、焊接接头探伤年检，还有铝热焊接头探伤半年检。

关键词：无损检测，超声波，钢轨探伤

一 引言

我们在选购西瓜的时候会用手拍打西瓜外皮，听其发出的声响以及凭拍打的手感，大致判断西瓜的生熟，这可谓最早的“无损检测”的手段了。现如今，超声波探伤作为无损检测中的明星，是钢轨上线运营后内部质量监测的唯一手段。随着广州地铁开通里程的不断增长，运输密度不断的提高，对钢轨使用状态的要求也是极端的严格。要监控这不断发展的轨道交通线路钢轨内部质量，就得不断提高改进钢轨探伤技术，开发应用先进探伤设备。介于超声波探伤的优越性，我们有必要对其原理及具体工作内容进行了解。

二 超声波探伤的基本原理及探伤仪器的构造

2.1超声波探伤的基本原理

能引起人听觉反应的声波频率范围是20Hz到20kHz，频率低于20Hz的称为次声波，高于20kHz的稱为超声波。声波是机械波，波的频率越高，传播的直线性越好。超声波易于在固体中传播，遇到两种不同介质形成的界面时遵循反射原理直线反射回来。

探伤仪用配备的探头与工件良好的接触，向工件内部发射超声波，并接收声波遇到工件界面或缺陷反射回来的回波，回波被转换成电信号，在仪器显示屏上以图像显示出来，根据超声波在介质中的传播速度和探头发射到接收这一段时间，可以定位出缺陷的位置。工件的缺陷越大，其反射回来的声波能量也越大，通过图像的回波情况可以知道缺陷的大小。

探头表面使用了一类特殊的晶体，该晶体在交变拉压应力作用下，其表面会产生交变电压。这种效应被称为压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。反过来，压电晶体材料受到交变电压的作用时产生交变应变的现象则称为逆压电效应。

2.2探伤仪探头结构

探头与工件接触的一面装有压电晶片，探伤仪内的高频电脉冲发射电路通过探头向晶片发出高频脉冲电压，与工件接触的晶片向工件发射相同频率的超声波；探头接收到超声波时，压电晶片发生正压电效应，探头产生相同频率的脉冲电压，电压经过放大等处理，即可在显示屏显示出反射波形图。

常用的探头有直探头和斜探头。直探头也称为0°探头，即其发射的声波与工件接触面的垂线成0°角，发射与接收均由同一探头完成，主要用于检测与探测面平行的缺陷，如钢轨水平、纵向和斜裂纹等。

斜探头有纵波斜探头、横波斜探头和表面波斜探头等，最常用的是横波斜探头。斜探头发射的声波与工件接触面垂线成一定角度（45°、68.2°、37°和70°等），主要用于探测与探测面垂直或成一定角度的缺陷，如各表面裂纹、核伤、焊接缺陷等。

三 探伤仪的显示说明及校准

3.1探伤仪的显示说明

超声波探测显示的方式有多种，常用的有A型显示和B型显示。A型显示用一根时基线表示某处的回波对应的声波深度（即工件深度），波形的高度表示了回波的强度。B型显示可以同时观测多个通道的回波，并在纵向上直观显示了回波的位置。

缺陷处在同一深度（一般指声波传播的声程）情况下，面积越大反射的回波强度越高。缺陷大小相同，但处在不同的深度，此时在显示屏上该缺陷的回波高度也有可能是一样的，只是显示的时基线位置不同。

在检测的时候探测到了缺陷回波，结果要以量计的情况下，必须使用已经精确校准过的仪器进行探伤，比如使用CTS-9008HT数字探伤仪对无缝线路焊接接头进行年检探伤。

3.3探头的校准及DAC曲线含义

校准探伤仪需要用到标准试块，试块上有若干个大小一致的人工制造的孔洞，作为已知缺陷。用已校准前沿、零点并已知K值（即探头的发射角度）的探头，从试块表面到底面依次探测所有孔洞，并记录下每个孔洞回波的峰值，然后用一条平滑曲线把各峰值点连起来，就形成了DAC曲线。

波形中最高的三个峰值点对应了试块中三个不同深度的人工缺陷，缺陷所处深度越深，其反射波的强度也越弱。假定标准试块的人工缺陷为轻伤标准，则实践中如果探测到工件有缺陷回波，其波峰低于标定好的虚线，则缺陷未达到轻伤标准，反之则达到或超过轻伤标准。具体程度可根本回波的高度判定，其位置也可以在时基线上确定。

焊接接头是无缝线路钢轨薄弱之处，需特别对其进行精确定量的探伤检测。接头检查周期为一年，具体工作内容为CTS-9008HT数字探伤仪依次对每个焊接接头处钢轨轨头、轨腰及轨底进行全面的探测，排除焊接接头任何可能存在的缺陷。

四 超声波探伤的优点和局限

超声波探伤的优点是很突出的，具体体现在以下几个方面。

1，穿透能力强。超声波在固体中传播时能量损失小，由其是在钢材中传播时，探测深度可达数米，能轻易胜任钢轨探伤的作业；

2，灵敏度高。超声波探伤能引起声波反应的缺陷大小一般约为声波波长的1/2，直径约十分之几毫米的缺陷就会出现反射回波，高灵敏度恰恰是钢轨探伤首要的要求；

3，检测速度快，效率高。超声波探伤能即时得出检测结果，若现场作业探测到伤损马上就能作出应对措施，组织抢险。检测的结果能存档、导出备案，便于核实复查；

4，设备轻便，操作简单，成本低。探伤小车和探仪器均可以一人操作便能完成探测任务，电池可连续使用数个工作日，用水作为耦合剂即可保证探测结果的可靠性。

上述超声波探伤的优越性决定了超声波探伤是在役钢轨探伤不二的选择，但即使如此，超声波钢轨探伤也有很明显的局限性。

超声波探伤对探测表面要求较高。超声波从探头发射出来，透过保护膜传到工件表面，中间有一层空气膜，极大的影响了声波的传播，所以超声探伤都需要在探测工件表面填充耦合介质，使得声波能正常透入被检工件，液体的流动性也能一定程度上填充被检表面的坑洼，减少探头保护膜的磨耗。但也正由于液体的流动性，使得探头与被检表面间的液态耦合介质要时时更新，因而连续推行的探伤小车使用导水管对探头前方钢轨连续洒水，而需要精确往复检测的焊接接头检测则使用黏度高的油作用耦合剂。

实践证明，使用液态耦合剂能很大程度上保证探测结果的可靠性，但是针对轨道交通在役钢轨探伤的情况，则存在一些不可避免的意外。比如钢轨表面不洁净，有锈蚀，或粘有水泥块，有磨耗等，引起探头推进时的震动，则很有可能出现杂波或者不真实的回波，目前除了及时判别重新探测之外，并无有效的手段能解决这一问题。

除此之外，超声波探伤无法对道岔辙岔心进行探测。道岔辙岔心是高锰钢整铸的，其晶粒较大，直径超过超声波波长，所以超声波不能对辙岔心探伤。目前综合工班对辙岔心的主要检测手段依然是原始的手工探伤，包括目测，锤敲，检查道岔的外观，有无透锈，有无变形等等。

总结

超声波钢轨探伤是一门重视理论与实践的学科。超声波钢轨探伤仪的运用，是钢轨探伤历史上一大飞跃的进步，也是必然的结果。作为“钢轨内科医生”、从事钢轨探伤工作的工作人员必须抱着强烈的求知欲，学习钢轨探伤知识，熟知探伤相关校准规范，牢固树立保安全、高质量的理念，不断积累探伤实践经验，善于总结，在超声波钢轨探伤中探出更广阔的一片天地。

参考文献：

[1]胡金萍，任建平.超声波在钢轨探伤中的应用.2006.3

[2]王铁楠，刘杰.超声波探伤仪在高速钢轨检测中的应用

[3]王铁楠.钢轨在线超声探伤仪探头工作机构的研究与开发

[4]梁炜.智能型超声波钢轨探伤仪