浅谈地铁钢轨探伤技术修订稿

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浅谈地铁钢轨探伤技术
孔翎
【摘要】城市轨道交通中钢轨的质量、工作状态对整个线路的质量以及行车安全有着直接的影响。

钢轨伤损主要以表面掉块等疲劳性损伤为主。

城市轨道交通有针对性地提出了钢轨伤损防治对策,如提高钢轨焊接质量、缩短探伤周期、引进新的探伤方法及先进设备和做好钢轨探伤检查工作。

【关键词】钢轨伤损;安全分析;防治
一、概述
钢轨是线路上部建筑中直接承受机车车辆各种荷载的部分。

铺设在线路上的钢轨，在机车车辆作用下，又由于养护和气候条件等不同，钢轨在使用过程中极易发生各种各样的伤损。

因此，加强探伤检查，及时更更换伤损钢轨，是综合机电工建部门保证行车安全的一项重要措施。

地下铁道作为城市轨道交通的一种重要形式，具有行车密度大、载重较小、通过总量大、乘客舒适度要求高、安全系数要求高等特点；地铁线路绝大部分都处于隧道中，埋深较大，情况复杂；正线基本上采用整体道床，变形较小。

作为线路重要组成部分——地铁里的钢轨，比起普通铁路来，具有许多不同的特点。

钢轨探伤是线路月检的重要内容之一，是保障钢轨情况正常，确保地铁行车安
全的重要手段之一。

虽然普通铁路的钢轨探伤工作开展时间长，经验丰富，模式较为成熟，但由于地铁钢轨探伤与普通铁路情况大为不同，单纯地照搬、硬套，不能很好地指导地铁的钢轨探伤工作；因此，结合现有的地铁线路钢轨探伤资料和积累的经验，对其方法、模式进行分析和讨论，就显得十分重要和必要。

二、地铁线路钢轨常见伤损
核伤、鱼鳞纹、表面掉块、螺孔裂纹、水平裂纹、横向裂纹等是钢轨常见的伤损，作为地下铁道的轨道，自然也不例外。

但由于地铁具有前面所描述的诸多特点，“大同”里也有不少“小异”：
1、由于地铁车辆载重较轻，加上整体道床良好的稳定性，钢轨发生核伤、折断的概率非常小；
2、由于地铁运营具有行车密度大的特点，往复频繁的轮轨摩擦，导致钢轨表面的疲劳伤损（如鱼鳞纹、表面掉块等）较为严重；
3、由于地铁目前正处于快速扩张的阶段，线路建设工期赶，加之成都地区地下水丰富，部分线路区段防水工程质量不过关，导致隧道漏水，一些地方甚至直接滴水到钢轨面，导致钢轨下颌、轨腰部位锈蚀严重；
4、地铁站间距离短，列车启动、制动较频繁，车轮对
钢轨焊接接头的冲击力大，导致钢轨焊接接头高低超限较
多等。

三、常用钢轨探伤方法
无损检测是一门综合性的应用科学技术,它是在不改变
或不影响被检对象使用性能的前提下,检验和分析材料,零
件和构件的一种非破坏检测方法。

无损检查是提高产品质量,确保安全的重要手段。

钢轨探伤仪具有特殊的技术条件,环境适应性强工作温度范围在-15°C～45°C。

钢轨探伤
是无损检测的一个重要组成部分，而无损检测的种类、方
法十分丰富，应用于钢轨探伤的一般有超声波探测、涡流
探测、磁粉探测、射线探测等方法。

超声波探伤（Ultrasonic Inspection）是利用超声能透入金属材料的深处，并由一截面进入另一截面时，在界
面边缘发生反射的特点来检查零件缺陷的一种方法；当超
声波束自零件表面由探头通至金属内部，遇到缺陷与零件
底面时就分别发生反射波束，在荧光屏上形成脉冲波形，
根据这些脉冲波形来判断缺陷位置和大小。

该方法利用材
料及其缺陷的声学性能差异对超声波传播的影响来检验材
料内部缺陷的无损检验方法，现在广泛采用的是观测声脉
冲在材料中反射情况的超声脉冲反射法，此外还有观测穿
过材料后的入射声波振幅变化的穿透法等，常用的超声波
频率在～5MHz 之间。

该方法具有如下优点:穿透能力强，探测深度可达数米；灵敏度高，可发现与直径约十分之几毫米的空气隙反射能力相当的反射体；在确定内部反射体的位向、大小、形状及性质等方面较为准确；仅须从一面接近被检验的物体；可立即提供缺陷检验结果；操作安全，设备轻便等。

涡流探伤（Eddy Current Inspection）是利用电磁感应原理，检测导电构件表面和近表面缺陷的一种探伤方法。

其原理是用激磁线圈使导电构件内产生涡电流，借助探测线圈测定涡电流的变化量，从而获得构件缺陷的有关信息。

按探测线圈的形状不同，可分为穿过式(用于线材、棒材和管材的检测)、探头式(用于构件表面的局部检测)和插入式(用于管孔的内部检测)三种。

磁粉探伤（Magnetic Particle Inspection）是将钢铁等磁性材料制作的工件予以磁化，利用其缺陷部位能吸附磁粉的特征，依磁粉分布显示被探测物件表面缺陷和近表面缺陷的探伤方法。

该方法的特点是简便、显示直观。

其原理是将待测物体置于强磁场中或通以大电流使之磁化，若物体表面或表面附近有缺陷（裂纹、折叠、夹杂物等）存在，由于它们是非铁磁性的，对磁力线通过的阻力很大，磁力线在这些缺陷附近会产生漏磁。

将导磁性良好的磁粉（通常为磁性氧化铁粉）施加在物体上时，缺陷附
近的漏磁场就会吸住磁粉，堆集形成可见的磁粉迹痕，从而把缺陷显示出来。

磁粉探伤的优点是：对钢铁材料或工件表面裂纹等缺陷的检验非常有效；设备和操作均较简单；检验速度快，便于在现场对大型设备和工件进行探伤；检验费用也较低。

缺点是：仅适用于铁磁性材料；仅能显出缺陷的长度和形状，而难以确定其深度；对剩磁有影响的一些工件，经磁粉探伤后还需要退磁和清洗。

射线探伤（Radiographic Inspection）是利用射线穿透物体来发现物体内部缺陷的探伤方法，其原理是射线能使胶片感光或激发某些材料发出荧光，在穿透物体过程中按一定的规律衰减，利用衰减程度与射线感光或激发荧光的关系可检查物体内部的缺陷。

射线探伤分为X 射线探伤、γ射线探伤、高能射线探伤和中子射线探伤。

四、现行探伤模式分析
1、探伤方法及仪器
地铁钢轨探伤主要采用超声波探测法，使用的仪器是汕头超声波探测研究所生产的系列设备和邢台先锋超声电子生产的系列设备，即包括路轨探伤仪JGT-10型手推探伤车、8C型手推探伤车、CTS-9009焊缝探伤仪和升级版数字式通用仪CTS-2020 等。

JGT-10型手推探伤车用于普通钢轨探伤，该仪器具有5 路发射、接收系统，10 个报警闸门，功能齐全，可配用多
种探头同时进行探伤，目前我们采用的探头组合是：0°、37°、70°、70°、37°，分别探测轨底、轨腰、轨头位置的伤损，即使是这样的组合也存在探测盲区—轨鄂下部、轨腰中下部和轨底两侧。

接收通道配有高精度衰减器，方便缺陷定量；仪器水平线性好，各种轨型均可按比例直读缺陷的垂直距离或水平距离；第3、4、5 通道均具有螺孔固定回波识别功能，可实现缺陷报警而螺孔不报警，大大减少误报警次数，探伤灵敏度高，缺陷检出能力强。

第3、4 通道具有的同时与延迟二选一报警功能和第5 通道的进波与失波报警闸门等利于检出各种有害缺陷。

CTS-2020 采用嵌入式计算机系统和超大规模现场可编程集成电路设计，探伤灵敏度余量高达62dB，彩色TFT 液晶显示屏显示清晰，避免了误读误判，再配以DAC、大容量存储器、USB 接口等新技术、新功能，突出的电磁兼容设计技术使仪器的现场抗干扰能力大大加强。

最高采样速率240MHz，最小显示范围5mm；工作频率范围分1～4MHz，～10MHz 两档设置，分别突显高灵敏度和宽频带的优点；界面波跟踪功能，通过A、B 闸门间的逻辑关系，容易实现水浸法探伤或精确测厚；脉冲重复频率可调，避免在探伤过程中出现混响信号；完善的DAC曲线功能，方便进行回波评价；具有测量探头角度（K 值）的功能；大容量存储器可存储高达500 个数据集，包括波形、曲线、参数、探伤报
告等；.USB 接口可实现仪器内部存储数据、数据波形向U 盘的转存，打印探伤报告。

DAC 曲线是CTS-2020 新增的一项功能，它通过设定三条标准曲线构成三个区——标准区、超限区和判废区，将DAC曲线和回波比较功能，可快速、准确判断回波的性质，从而大大提高了接头探伤的速度和质量，在地铁新线验收中发挥了不可替代的作用。

图1 为运用DAC 曲线探伤的情形：
图1 DAC 曲线
CTS-2020 使用斜探头探伤时，可对缺陷进行精确测试，通过数字仪器的强大功能，可以对缺陷进行精确定位。

图2 是来自斜探头探测距表面40mmΦ的波形；
图2 斜探头探测波形图
2、钢轨探伤周期
地铁现行探伤周期规定如下：
1）钢轨探伤周期应视线路繁忙程度和钢轨技术状态而定。

隧道内钢轨每月检查一遍，钢轨接头焊缝每半年检查一遍，为防止漏检，严禁以手工代替仪器检查。

车辆段线路和道岔每季度检查一遍。

2）连续两个探伤周期内都发现疲劳伤损（如核伤、鱼鳞伤、螺孔裂纹、水平裂纹、垂直裂纹、表面缺陷（的不良钢轨地段，应增加仪器探伤的检查遍数，缩短探伤周期。

3）在线路上焊接的接头，应焊接后马上抓紧全断面（包括热影响区）的探伤检查，上道前焊接的钢轨接头，严格执行“先探伤、后上道”的规定，认真把好质量关。

线路上
和线路外进行的焊接接头必须探伤。

不符合焊接质量的接头必须重焊。

现场新焊接接头，在办理验交时，应有完整的焊接探伤记录。

4）遇特殊情况，如伤轨数量出现异常，应缩短探伤周期；现场接触焊缝和铝热焊缝除按规定周期探伤外，要用专用仪器进行焊缝全断面探伤；现场接触焊每年不少于一次；铝热焊每半年不少于一次；大修换轨初期和现存的超大修周期地段的钢轨探伤周期，根据实际情况增加探伤次数。

3、分析
结合上述情况，可知地铁钢轨探伤具有如下特点：1）探伤手段单一，仅仅采用超声波探伤法；存在一定的探伤盲区，而且特殊位置如整铸道岔无法进行探伤；2）探伤周期搬套普通铁路的周期，不符合地铁实际；3）探伤人员水平参差不齐，缺少与外界交流、学习等。

五、优化探伤模式分析
1、丰富探伤手段
超声波探伤法作为最广泛的使用方法，自然有其不可替代的作用。

但考虑到地铁线路轨道的特点：道岔普遍采用高锰钢整铸道岔，由于其特殊的晶粒构造，用超声波无法对其进行有效探伤；地铁对乘客舒适度要求很高，加上地铁运营密度大，钢轨表面（0～8mm范围）的情况十分关键，
而现有的超声波探伤法无法有效地对该部位进行伤损探测，所以引进更多的探伤方法就显得十分必要了。

磁粉探伤是对高锰钢整铸道岔探伤的一种有效方法，道岔对于线路的重要性是不言而喻的，引进该方法，并制定合理的探伤形式和周期，能有效地与现有的探伤手段互补，不断完善探伤模式。

2、引进更先进的探伤设备
随着地铁线网的不断扩张，线网里程、范围越来越大，仅仅依靠人工探伤是无法满足要求，也不具有经济性。

这样，大型探伤车的采购是很有必要的，尽快实现探伤工作的机械化和自动化、精准化，是地铁钢轨探伤的下一步目标。

另外，随着科技的不断发展，新的探伤技术、手段不断出现和更新，优化现有的超声波探伤法，不断更新探伤作业方法、手段是我们日常应该注意的。

3、加强交流，提高探伤人员的水平
国有铁路的线路里程长，情况更加复杂，钢轨伤损类型、实例更多，其探伤工作人员的经验更加丰富。

因此，加强与国有铁路的探伤人员的交流，向他们学习经验，不断提高自身的探伤水平，对我们地铁的探伤工作具有积极的意义。

六、总结
地铁钢轨探伤工作十分重要，对于地铁追求的“安全、舒适”等有重要的影响，而地铁的该项工作仅仅出于起步的阶段，还有很大的空间去提效、挖潜；只有在国有铁路探伤丰富经验的基础上，结合地铁自身的特点，不断学习、分析、进步、完善，才能开创地铁探伤工作的一个又一个新局面。

参考文献
[1]李晓娜.一种无损检测方法;超声波探伤[J].现代焊接.
[2]胡金萍,任建平.钢轨超声波在探伤中的应用[J].山西电子技术.
[3]黄祖泽.钢轨探伤作业标准的探讨[J].铁道技术监督
[4]李东侠,张大勇.钢轨焊缝超声波探伤方法的研究与应用[J].铁道标准设计.。