嵌入式軌道鋼軌傷損檢測方法重點(diǎn)講義

1、嵌入式軌道鋼軌傷損檢測方法目錄1、鋼軌傷損11.1常見鋼軌傷損11.2 鋼軌傷損的處理41.3鋼軌傷損及大修周期預(yù)測52、鋼軌傷損檢測52.1鋼軌傷損檢測手段52.2我國目前鋼軌傷損檢測現(xiàn)狀63、嵌入式軌道鋼軌傷損檢測63.1嵌入式軌道鋼軌特征63.2將現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用于嵌入式軌道鋼軌傷損檢測的可行性63.3對嵌入式軌道鋼軌探傷的注意事項(xiàng)81、鋼軌傷損鋼軌是作為一根支撐在連續(xù)彈性基礎(chǔ)或點(diǎn)支撐的無限長梁進(jìn)行工作的。它主要承受輪載作用下的彎曲應(yīng)力，同時(shí)還要承擔(dān)輪軌接觸點(diǎn)上的接觸應(yīng)力，以及軌腰與軌頭或軌底連接處可能產(chǎn)生的局部應(yīng)力和溫度變化作用下的溫度應(yīng)力。在輪載和溫度力的作用下，鋼軌產(chǎn)生復(fù)雜的變形，如壓

2、縮、伸長、彎曲、扭轉(zhuǎn)、壓潰、磨耗等。正是在這些復(fù)雜作用下鋼軌會發(fā)生傷損。鋼軌傷損又稱鋼軌失效是指鋼軌發(fā)生折斷、裂紋或其他影響和限制鋼軌使性能、危及行車安全的情況。1.1常見鋼軌傷損在役鋼軌在運(yùn)用中發(fā)生的傷損主要可分為：鋼軌冶金質(zhì)量和表面缺陷引起的傷損；無縫線路焊接接頭的傷損；有縫線路鋼軌接頭和螺栓孔裂紋傷損；曲線線路鋼軌的傷損；淬火鋼軌的傷損；接觸疲勞傷損；其他情況傷損。傷損的原因不同，相應(yīng)的傷損狀態(tài)也不盡相同。分析傷損的目的是為了防止傷損的再次發(fā)生。鋼軌傷損情況較多，下面對一些常見的情況進(jìn)行舉例。軌頭磨耗是鋼軌與車輪接觸式軌頭表層金屬發(fā)生磨損和塑性變形，使軌頭斷面的幾何形狀發(fā)生變化。軌頭磨耗

3、傷損主要有曲線鋼軌軌頭磨耗以及直線鋼軌的交替不均勻側(cè)面磨耗。圖1 軌頭嚴(yán)重磨耗軌頭壓潰是指鋼軌全長軌頭踏面表面金屬發(fā)生塑形變形，踏面被碾平，軌頭兩側(cè)出現(xiàn)不同程度的輾邊。同時(shí)，軌頭壓潰還會伴隨出現(xiàn)明顯的剝離裂紋和淺層狀的剝離掉塊等接觸疲勞傷損。圖2 鋼軌壓潰斷面波浪磨耗是指鋼軌軌頭踏面沿長度方向出現(xiàn)周期性的不均勻塑性變形和磨耗，使鋼軌全長呈現(xiàn)波浪形狀的不平順。波浪磨耗的波谷有明顯的塑性變形，使踏面輾寬或出現(xiàn)輾邊，輪軌接觸光帶變寬。波峰處的踏面塑性變形小于波谷，光帶較窄。圖3 波浪磨耗示意圖軌頭踏面在輪軌接觸應(yīng)力作用下形成沿鋼軌全長密集分布的表面裂紋稱為輪軌接觸疲勞裂紋，又稱剝離裂紋。剝離裂紋在疲

4、勞擴(kuò)展過程中發(fā)生的掉塊成為剝離掉塊。剝離裂紋發(fā)展為軌頭橫向疲勞裂紋或?qū)е落撥墮M向疲勞斷裂時(shí)，稱為核傷。圖4 魚鱗狀剝離裂紋和掉塊圖5 由剝離掉塊引起橫向疲勞斷裂鋼軌內(nèi)部裂紋是指鋼軌內(nèi)部的制造缺陷在運(yùn)行載荷的作用下形成和擴(kuò)展的疲勞裂紋或脆性裂紋。圖6 熱處理缺陷引起的縱橫裂核傷閃光焊接頭踏面?zhèn)麚p主要表現(xiàn)為接頭區(qū)域踏面局部壓陷、表面裂紋和碎裂掉塊。其傷損主要與焊后熱處理質(zhì)量有關(guān)。軌頭硬度偏低時(shí)將在踏面形成表面裂紋、局部碎裂和掉塊。圖7 焊縫處踏面壓陷和輾邊焊接接頭內(nèi)部存在灰斑夾雜、疏松、和馬氏體組織等缺陷都有可能形成裂紋并發(fā)生橫向斷裂。圖8 疏松引起的鋼軌斷裂1.2 鋼軌傷損的處理根據(jù)傷損的宏觀形

5、貌特征，傷損起始位置、傷損發(fā)展過程以及發(fā)展規(guī)律，結(jié)合傷損原因?qū)麚p進(jìn)行分類。具體鋼軌傷損分類可以詳見TB 1778-2010 鋼軌傷損分類。鋼軌傷損程度不同所采取對應(yīng)的處理措施也不同。鐵路線路修理規(guī)則對出現(xiàn)不同鋼軌病害時(shí)的處理措施已經(jīng)作出明確規(guī)定。圖9 鋼軌生命周期圖1.3鋼軌傷損及大修周期預(yù)測鋼軌傷損是一個(gè)隨著列車通過逐漸積累的一個(gè)過程，因此鋼軌的傷損狀態(tài)可以通過運(yùn)量進(jìn)行預(yù)測，從而確定合理的換軌周期。北方交通大學(xué)在上世紀(jì)80年代就利用威布爾概率分析，建立了鋼軌疲勞失效概率和運(yùn)量之間的關(guān)系，為鋼軌疲勞壽命和傷損趨勢的預(yù)測提供依據(jù)?；谕紶柲Ｐ?，他還分別對鋼軌平均壽命、可靠度壽命及傷損趨勢和線

6、路大修周期鋼軌剩余壽命及其可靠度進(jìn)行了預(yù)測。合理的預(yù)測鋼軌傷損發(fā)展?fàn)顟B(tài)和換軌大修周期可以有效降低維護(hù)成本2、鋼軌傷損檢測由于鋼軌傷損的存在將影響旅客乘車的舒適性，嚴(yán)重還將會影響列車運(yùn)行安全，因此有必要掌握鋼軌傷損狀況，及時(shí)對傷損進(jìn)行處理避免危機(jī)行車安全。鋼軌的傷損在鋼軌表面和內(nèi)部都有分布，有些僅從視覺上是無法判斷，并且人工判斷起來效率低下，不能滿足鐵路需求，所以應(yīng)當(dāng)發(fā)展相應(yīng)的機(jī)械，對鋼軌進(jìn)行快速傷損檢測。2.1鋼軌傷損檢測手段傳統(tǒng)鋼軌檢測方法采用人工查看和敲打聽音等方法，不僅檢測效率低，還需大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。隨著無損檢測技術(shù)的發(fā)展，人們開始把多種無損檢測(NDT, Non-Destructive

7、 Testing)方法應(yīng)用于鋼軌檢測，取得了很好的效果并已廣泛應(yīng)用于實(shí)際檢測中。目前，鋼軌無損檢測的主要方法有射線檢測、超聲檢測、電磁檢測等。（1）射線檢測(RT, Radiographic Testing)是利用射線對不同密度的物體有著不同透過能力的原理來實(shí)現(xiàn)的。由于透過有缺陷部位的射線強(qiáng)度高于無缺陷部位，因此可以通過分析透過試件后射線的差異來判斷被檢測材料中是否存在裂紋等缺陷。目前主要采用的是射線照相法，它用感光膠片檢測射線強(qiáng)度來實(shí)現(xiàn)缺陷的判斷。由于設(shè)備復(fù)雜、不易實(shí)現(xiàn)在線檢測等原因，該方法不適于軌道在線檢測，而主要應(yīng)用于鋼軌生產(chǎn)加工時(shí)的前期缺陷檢測。（2）超聲檢測(UT, Ultrason

8、ic Testing)是目前廣泛應(yīng)用的鋼軌無損檢測方法，主要原理是利用超聲波在試件中的傳播和反射特性來實(shí)現(xiàn)缺陷的檢測。超聲檢測精度較高，但對環(huán)境要求很高而且檢測過程復(fù)雜；與此同時(shí)，由于超聲波在空氣中衰減很快，為使返回信號有足夠大的信噪比，需在探頭與試件間加入耦合劑，如純水等。由于耦合需要一個(gè)過程，這極大限制了超聲檢測速度的進(jìn)一步提升，從而限制了壓電超聲法在高速鋼軌檢測上的應(yīng)用。（3）電磁檢測(Electromagnetic Testing)主要有渦流和漏磁檢測兩種。其中渦流檢測(ET,Eddy Current Testing)是根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，利用變化的磁場或做切割磁感線運(yùn)動(dòng)的金屬導(dǎo)體

9、中感應(yīng)出的電流來實(shí)現(xiàn)檢測。由于渦流形成的條件，渦流檢測具有趨膚效應(yīng)，即渦流密度的分布隨離開導(dǎo)體表面的距離呈指數(shù)衰減。因此，渦流檢測只能探測表面和近表面的缺陷，且很難實(shí)現(xiàn)缺陷的定量分析，從而限制了它的應(yīng)用范圍。 （4）漏磁檢測(MFL, Magnetic Flux Leakage)利用鐵磁性材料的高導(dǎo)磁率特性，缺陷處會產(chǎn)生泄漏磁場，通過檢測泄漏磁場來實(shí)現(xiàn)對缺陷的判斷。由于漏磁檢測無需耦合劑、檢測方法簡單、靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)缺陷的初步量化、易實(shí)現(xiàn)在線檢測等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于鋼管、鋼板、鋼絲繩等鐵磁性材料的缺陷檢測中，為實(shí)現(xiàn)高速鋼軌檢測提供了一種有效的途徑。2.2我國目前鋼軌傷損檢測現(xiàn)狀目前我國鋼

10、軌仍以人工檢測為主、大型鋼軌檢測車為輔的綜合檢測方法。人工檢測法主要采用基于壓電超聲（PU, Piezoelectric Ultrasonic）原理的手推式檢測小車來實(shí)現(xiàn)。探傷小車成本較低，使用靈活，但檢測速度僅為25m/s，且需要多個(gè)探傷人員協(xié)同工作，效率低下，已越來越不適應(yīng)目前高速鐵路發(fā)展的要求；與之相比，大型鋼軌檢測車可實(shí)現(xiàn)高速、自動(dòng)化操作，能極大提高鋼軌的檢測效率。目前的大型鋼軌檢測車主要還是利用傳統(tǒng)的壓電超聲原理，需要在檢測儀器和鋼軌間加入耦合劑后才能實(shí)現(xiàn)有效檢測，極大限制了壓電超聲方法在高速自動(dòng)化檢測中的應(yīng)用。目前一些新的超聲波檢測技術(shù)得到了快速發(fā)展，比如激光超聲技術(shù)、相控陣列超聲

11、技術(shù)、電磁超聲技術(shù)、超聲導(dǎo)波技術(shù)等。3、嵌入式軌道鋼軌傷損檢測3.1嵌入式軌道鋼軌特征 嵌入式軌道作為一種新型軌道結(jié)構(gòu)形式，相應(yīng)的它的鋼軌與傳統(tǒng)所見到的鋼軌存在著一定的差異。這種差異主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是鋼軌受力特征發(fā)生了變化，另外一點(diǎn)是鋼軌周圍介質(zhì)發(fā)生了變化。嵌入式軌道采用無扣件系統(tǒng)連續(xù)支承方案，鋼軌通過楔形塊和降噪塊方案進(jìn)行固定，整體灌注高分子材料以達(dá)到減振降噪目的，結(jié)構(gòu)布置圖如圖10所示。傳統(tǒng)有扣件軌道結(jié)構(gòu)中鋼軌的受力為點(diǎn)支撐模型，這樣鋼軌的受力形式就會發(fā)生變化，隨之鋼軌的傷損狀況也會發(fā)生變化。另外，傳統(tǒng)的鋼軌的軌腰和軌底都是暴露在空氣中的，而嵌入式軌道結(jié)構(gòu)鋼軌的軌腰、軌底都被高分子材

12、料填充，這使得鋼軌周圍介質(zhì)發(fā)生了變化。 （a）楔形塊方案 （b）降噪塊方案圖10 無扣件系統(tǒng)鋼軌連續(xù)支承方案3.2將現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用于嵌入式軌道鋼軌傷損檢測的可行性鋼軌探傷根據(jù)鋼軌是否安裝可以分為新鋼軌探傷和在役鋼軌探傷兩種情況。嵌入式軌道結(jié)構(gòu)所使用的鋼軌與普通鋼軌完全相同，所以在新軌探傷方面，嵌入式軌道結(jié)構(gòu)所使用的鋼軌與傳統(tǒng)鋼軌完全一致，現(xiàn)有的鋼軌探傷技術(shù)也是適用的。圖11 新鋼軌超聲波探傷方法在役鋼軌探傷又可分為母材探傷和焊縫探傷。母材探傷主要檢查各種疲勞缺陷，其中最主要的軌頭核傷和其他方向的裂紋，另外還包括一些漏檢的材質(zhì)缺陷。在役鋼軌處于鋪設(shè)狀態(tài)超聲波探傷只能從踏面進(jìn)行。由于缺陷類型、位置、

13、取向等有很大區(qū)別，因而需要多只探頭或多種方向的聲束進(jìn)行掃查。常規(guī)做法是用70°探頭探測軌頭核傷，用37°(37°-45°間其他角度)探頭探測螺孔裂紋和其他部位的斜裂紋，而用0°探頭探測水平裂紋和某些材質(zhì)缺陷。圖12 核傷探測圖13 螺孔裂紋及其他斜裂紋檢測圖14 鋼軌探傷小車探傷方式鋼軌焊縫或焊接接頭是線路最薄弱環(huán)節(jié)，加強(qiáng)對焊縫區(qū)域探傷是減少斷軌、確保運(yùn)輸安全最簡單最直接最有效的技術(shù)措施。在役焊縫探傷以探測疲勞缺陷為主，同時(shí)也要探測新軌焊縫探傷時(shí)遺漏的缺陷。為對鋼軌焊縫進(jìn)行全面探查，一般將焊縫劃分為4個(gè)區(qū)域，以采用不同方式進(jìn)行掃查。1區(qū)軌頭及其

14、延伸部分，一般采用串列式進(jìn)行掃查，2區(qū)軌底部分一般采用K型掃查，3區(qū)軌底角部分一般用單探頭進(jìn)行掃查，用一次波掃查軌底角下部，用二次波掃查軌底角上部，4區(qū)軌頭部分可以從軌頭兩側(cè)用K型方式進(jìn)行掃查，也可用70°按探測核傷的方式進(jìn)行單探頭法進(jìn)行掃查。圖15 鋼軌焊縫分區(qū)掃查3.3對嵌入式軌道鋼軌探傷的注意事項(xiàng)嵌入式軌道結(jié)構(gòu)的鋼軌的軌頭外側(cè)、軌腰、軌底被高分子材料包覆。由于高分子材料與鋼軌聲傳播速度存在差異，在超聲波探傷時(shí)，鋼軌的反射界面依然明顯。但鋼軌與高分子材料都為固體，聲傳播速度的差異不如鋼軌與空氣的大，可能會使反射信號減弱，具體影響還需進(jìn)一步的研究。在用高分子材料進(jìn)行填充的同時(shí)也占用了鋼軌周圍空間。目前對在役鋼軌母材的探傷僅從踏面進(jìn)行，所以目前的探傷方式可以應(yīng)用于嵌入式軌道鋼軌的母材，探傷。目前對于在役鋼軌焊縫的探傷需要分區(qū)進(jìn)行，為了避免高分子材料占用周圍空間，在填充高分子材料時(shí)需要將焊縫段空出來，或者采用其他更先進(jìn)的探傷手段。俄羅斯的 VIGOR 公司研制成功了