超声波钢轨探伤的工作原理及应用

超声波钢轨探伤的工作原理及应用
摘要：随着电子技术的发展，以及对超声波技术的深入研究，超声波探伤技术
已经成为无损检测的主要手段之一。

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。

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。

关键词：超声波；无损检测；钢轨探伤
超声波探伤是钢轨上线运营后内部质量监测的唯一手段。

随着地铁开通里程
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。

一、超声波探伤的原理
超声波是指频率范围超过 20KHZ 的机械振动波，它在介质中的传播遵循声学
规律。

其特点主要有：
束射特性：超声波具有某些光波的特性，具有良好的方向性，通过一定的手
段可以汇聚成束，向一定方向集中辐射；
传播特性：超声波在弹性介质中传播时，质点振动位移小，振速高，其能量
比一般声波大，传播距离远，具有较强的穿透能力。

在一些碳钢等材料中，其穿
透能力可达数米；
反射及波型转换特性：超声检测在弹性介质中传播时，遇到界面超声波将产
生反射、折射和波型转换。

反射特性正是超声波脉冲反射法的检测基础，而波型
的转换为超声波实现横波、表面波等不同波型的探伤提供了可能。

超声波探伤主
要是利用超声波的反射和透射特性，通过接收回波信号，以此进行缺陷评定。

当
超声波在均匀的介质中传播时，由于各方向的物理性质相同，声波会定向向前传播;而当超声波到达两种声速不同的介质界面时，或者说当超声波遇到不连续的介质时，两种介质在声学特性上的差异会使超声波的正常传播受到干扰，阻碍超声
波正常的穿透，这时就发生反射或折射。

当零部件或材料中存在一定的不连续区
域(也就是缺陷)时，采用相应的测量技术，将非电量的机械缺陷转换为电信号检出，并可以找出二者的内在关系。

超声波检测就是把介质中的信息带回并将这些
信号转换成图形或波形在仪器上显示出来，它正是利用超声波在介质中传播的性
质和参量(如:声速，声衰减等)随介质的物理状态变化来度量与检测介质有关的一
些非声学量，如密度、浓度、粘度、流量、料粒、固体的致密度、晶粒度或球化率、弹性、硬度、厚度、应力、距离以及温度等的测量来判断和评价工件的质量，这就是超声波检测。

超声波的形成离不开超声探伤仪和探头。

探伤仪产生电脉冲
激励探头中的压电晶片，压电晶片将其电能转换为机械能并产生机械振动，推动
晶片表面介质形成声场。

声波在晶片中转换成为电信号，在经过探伤仪内部电子
电路的分析和放大后把信号显示在荧光屏上。

当被检物体内部有一个裂纹缺陷，
将超声波探头放在被检物体的某一表面部位，探头向被检物体发射超声波信号，
超声波穿过界面进入被检物体内部，在遇到缺陷和两介质的界面时都会有反射，
反射信号被探头接收后，通过探伤仪内部的电路转换，就可以把缺陷信号和底波
信号形象地显示出来，根据超声波的声程推算，就可以轻易地将缺陷信号和底波信号区分开，然后通过超声波试块进行定标，就可以实现对缺陷的定位和定量。

二、探伤仪的显示说明及校准
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，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数字探伤仪对无缝线路焊接接头进行年检探伤。

2、探头的校准及 DAC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。

三、浅谈超声波探伤技术应用方法
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。

1、制定更加完备的检验标准。

从目前的情况来看，这一措施相对而言是容易实现并且很现实的解决超声波探伤局限性的方法。

检验标准应从钢轨具体的各种损伤入手，针对不同损伤具体要求探伤仪探头的倾斜角、探头更换期限等方面。

2、对现有操作人员进行严格培训。

相比较于技术上的改造，此方法比较容易实行的，有利于发掘已有设备的潜力。

操作人员的素质和技能无疑是探伤工作中的决定性因素。

一个合格的操作人员，应该拥有详尽的知识储备，熟练地掌握业务要求，掌握良好的工作习惯。

在管理中，在操作人员培训中应明确工作技能和工作要求，以保证整个钢轨探伤工作圆满的进行。

3、实现钢轨探伤全面智能化。

相比较前两种解决方法而言，该方法的实施难度更大。

由于人会受情绪、环境等可变因素的影响，不同的人工作的效果会大相径庭。

机器工作相比较于人类更加稳定，出错概率更低。

但由于现在钢轨探伤在
全国主要由人进行操作，智能化改造的规模便显得过于庞大。

但作为一种趋势，在不久的将来智能化一定会替代人工。

结语：
超声波探伤技术凭借其穿透能力好、可反射等优势得到了广泛的应用，尤其在钢轨探伤工作中受到了极大的重视。

利用超声波无损探伤技术，能够及时发现钢轨中的损伤所在并可以及时进行修理，保障了铁路运输和乘客的安全，为人类做出了极大的贡献。

但是该项技术由于耗未知等局限性，需要人们去探索有效的解决方法。

参考文献：
[1] 于威.钢轨超声波探伤信号的处理及分析 [D]. 哈尔滨理工大学 ,2017.
[2] 李锦,牟国义,马铁雷.钢轨探伤漏检螺孔裂纹的原因分析和应对措施 [J]. 铁道建筑 ,2019,11:14.。