相控阵超声检测在起重机轨道探伤中的应用

相控阵超声检测在起重机轨道探伤中的
应用
摘要
随着我国船舶工业的快速发展，大型造船起重机也迅速增长，其具有结构庞大，工作环境复杂等特点，因此在使用过程中极容易发生事故。

轨道作为承载起重机的重要部件，常规超声可对用于轨道的检测，但存在检测效率低、检测工艺复杂、漏检误判等缺点。

本文从试块选用、参数选择、结果展示等方面系统研究了相控阵技术。

根据轨道焊接工艺，结合轨道使用特点及常见缺陷类型，制定了轨道相控阵超声检测工艺。

结果表明，该检测工艺能够有效检出模拟试块上的人工缺陷，且结构信号明显，工艺基本满足轨道检测需求。

关键词：轨道检测；相控阵超声；缺陷
一、引言
随着我国工业的快速发展，大型起重机也迅速增长，其结构庞大，工作环境复杂，因此在使用过程中极容易发生事故[1]。

起重机轨道作为承载起重机的重要部件，轨道可靠性直接影响着起重机的安全运行。

随着起重机的起重量及跨度等参数不断增加，轨道间距不断加宽，轨道长度不断加长，这些对起重机轨道安装、使用及检测提出了更高的要求[2]。

轨道焊接接头处应力集中，承受交变载荷和循环数逐渐增大，容易过早发生失效。

可靠而快速的无损检测技术对提早发现缺陷，排除潜在事故隐患具有重要意义。

常规超声可对用于轨道的检测，但存在检测效率低、检测工艺复杂、漏检误判等缺点。

常规超声可对用于轨道的检测，但存在检测效率低、检测工艺复杂、漏检误判等缺点。

随着相控阵技术的发展，由于其有的可控声束角度、可变聚焦深度等特点，逐步替代传统超声检测[3-5]。

本文从试块选用、参数选择、结果
展示等方面研究相控阵超声检测在轨道探伤中的应用，根据轨道焊接工艺特点及
常见缺陷类型，制定了轨道相控阵超声检测工艺。

二、起重机轨道
起重机轨道主要分为大车运行轨道和小车运行轨道，大车运行轨道依据国标GB/T 2585-2021生产，小车轨道通常选用按德标DIN 536生产。

起重机轨道有别
于火车轨道，起重机轨道需要考虑连续性与接头的平滑过渡以保证起重机运行的
稳定，因此，起重机轨道通常需要焊接。

考虑到强度原因，通常均用碳、锰含量
较高的U71Mn钢轧制而成。

起重机轨道截面多为工字形，轨道的顶部是凸状的，
底部具有一定宽度的平板以增加与基础的接触面，具有良好的抗弯强度，但由于
U71Mn钢属于高碳中锰钢，焊接性能较差，且由于轨道截面的特殊性，其焊接难
度较大。

手工焊接性能较差，焊缝接头容易产生裂纹、夹渣等缺陷。

闪光焊其特
点是焊接速度快，接头质量稳定，对于提高起重机产品轨道焊接质量及效率具有
重要的意义。

灰斑是轨道接触焊工艺中一种特有缺陷，也是该工艺中的主要缺陷[6]。

在轨道的底面、两侧面位于母材与焊缝交接的熔合线位置常发现裂纹；轨
道两侧面常出现夹渣等缺陷[7]。

运行阶段由于轨道受到交变应力，且焊缝位置
处于应力集中区域，更易出现垂直轨道长度方向的裂纹（纵向裂纹）。

三、试块选用
制作TCG曲线采用NB/T 47013.15-2015《相控阵超声检测》中PRB系列试块。

轨道形式与铁路用轨道相近，验证检测工艺参照铁道部行业标准TBT 2658.21-2007《工务作业第21部分：轨道焊缝超声波探伤作业》中GHB系列试块，GHB系
列试块尺寸及人工缺陷如图3-1。

图3-1a GHT-1a 图3-1b GHT-1b
GHB-1系列试块平底孔深≥40mm，平底孔底部至试块另一端长度≥450mm，且同一位置平底孔的反射波高相差不超过±2dB。

图3-1c GHT-5试块分区示意图
图3-1d GHT-5试块0°探头区(A区)
图3-1e GHT-5试块轨头和轨腰探头区 (B区)
图3-1f GHT-5试块轨底探头区 (C区)
GHB-5系列试块同一位置横通孔或竖孔的反射波高相差不超过±1.5dB。

四、轨道焊缝检测工艺
轨道由于其截面呈“工”字形，上下宽而中间窄，轨道尺寸如图4-1。

从一个界面扫查声速无法实现全截面覆盖。

为尽可能大范围、多角度覆盖待检焊缝，将轨道分为轨头、轨腰、轨底分别检测。

考虑到在焊接过程中经常会有灰斑缺陷的存在，铺在线上很容易发展成疲劳伤损，形成核伤，严重危及行车安全，且由于它与探侧面垂直，与发射声束平行，面积很薄，超声反射率低，危害性较大，因此增加针对轨底焊缝灰斑的检测。

图4-1 轨道尺寸图
4.1轨头检测
轨道头部为了与轮部契合，外型较圆滑，可采用相控阵扇形扫查，检测参数如表4-1：
表4-1 轨头检测参数
探头在上表面平行和垂直于焊缝沿线分别扫查，声速覆盖如图4-2。

图4-2 轨头扫查声速覆盖示意图
由于探头表面和近表面存在盲区，轨道表面和近表面需补充其他检测方法。

探头垂直焊缝扫查时，在轨道边缘位置曲率较大导致耦合不良，难以实现声束全面覆盖，为解决以上问题，可更改为面阵探头，实现声束在空间偏转。

4.2 轨腰检测
轨腰部位扫查采用直接接触法相控阵扇形扫查，检测参数如表4-1：探头位置及声速覆盖如图4-3所示。

探头沿绿色箭头方向扫查，实现不同深度检测，探头沿红色箭头方向进位，实现宽度方向检测，从而实现轨腰部位的全覆盖检测。

图4-3 轨腰扫查声速覆盖示意图
4.3 轨底检测
轨底部位扫查采用直接接触法相控阵扇形扫查，检测参数如表4-1：轨底扫查示意图如图4-4，探头在四个位置分别沿绿色箭头方向扫查，实现不同深度检测，沿红色箭头方向进位，实现宽度方向检测，实现整个轨底焊缝区域100%覆盖。

图4-4 轨底扫查声速覆盖示意图
4.4 轨底焊缝灰斑检测
轨底部位灰斑检测扫查采用直接接触法相控阵扇形扫查，检测参数如表4-1。

轨底灰斑扫查示意图如图4-5，探头在四个位置分别沿绿色箭头方向扫查，沿红色箭头方向进位，以实现轨底焊缝的全面扫查。

图4-5 轨底焊缝灰斑扫查声速覆盖示意图
灰斑检测时探头放置在轨底面，检测过程中左右摇摆探头更利于缺陷检出。

如果探头位置放置在轨底斜面，检测覆盖由于探头楔块固有尺寸，轨底和轨腰过
度区域不能完全覆盖；轨底斜面放置探头时不能使用二次波检测，二次波反射后
定位偏差较大。

探头放置在轨底面时，探头声束方向需与焊缝垂直，偏角的出现，会使二次波定位出现误差。

五、检测结果
根据以上工艺，在专用对比试块上对以上工艺进行测试，测试结果显示结构
信号清晰，人工缺陷明显，位置准确，详细结果如图5-1。

图5-1a 轨头横通孔检测结果图5-1b 轨腰横通孔检测结果
图5-1c 轨底横通孔检测结果图5-1d GHT-5试块验证结果
六、检测结论
（1）相控阵超声检测方案能满足轨道焊缝检测的基本要求，且相对传统的
单探头脉冲反射法超声及K字形扫查方案缺陷检出率已显著提高，但由于声速覆
盖问题需分多次多方向扫查，检测效率较低。

（2）相控阵检测工艺仅针对轨道焊缝内部缺陷，由于探头盲区，轨道表面
及近表面区域还需补充其他检测手段。

（3）面阵探头、全聚焦等技术在其他行业已经广泛应用，以上技术应用在
起重机轨道检测中，可增大单次扫查的覆盖范围，在保证对焊缝全覆盖的前提下，可减少扫查次数。

同时，自动化工装及检测机器人的应用也可大幅提高检测效率。

参考文献
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生产科学技术,2011,7(5):163-166.
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[3]马骞,陈智发,云维锐.基于相控阵超声技术的重载铁路轨道焊缝检测方法[J].铁道建筑,2022,62(02):47-52.
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速铁路轨道超声探伤检测系统[J].中国机械工程,2019,30(03):339-344.
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械,2021(2):70-72.
[7]李森. U71Mn 起重机轨道焊接工艺[J]. 起重运输机械,2013(8):101-104.。