高速鐵路鋼軌探傷車動態(tài)靈敏度設置探討

石永生，張玉華，李 培，劉 峰，周鈺威，鐘艷春，馬運忠

(中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，北京 100081)

1 概述

我國鋼軌傷損檢測主要采用探傷車和探傷儀。探傷車作業(yè)速度快、適應性強，但靈活性差，探傷后需要人工復查。探傷儀靈敏度高，靈活性好，但效率低。隨著鐵路運輸?shù)陌l(fā)展，鋼軌探傷車承擔起越來越多的探傷檢測任務。在高速鐵路、高原線路上，由于區(qū)間長、環(huán)境惡劣等原因造成人工探傷作業(yè)困難，主要采用探傷車。因此，探傷車探傷結(jié)果的可靠性非常重要。

在發(fā)達國家探傷車早已替換人工探傷設備，成為檢測在役鋼軌傷損的主要裝備。北美地區(qū)探傷車檢測速度為25～40 km/h，絕大多數(shù)采用停頓式檢測作業(yè)方式，即探傷車發(fā)現(xiàn)可疑傷損后立即停車，由探傷車操作員現(xiàn)場復核，確認后做標記并通知鐵路維修部門，然后繼續(xù)檢測，因此平均檢測速度在10 km/h左右，單車年檢測里程約2 000 km。歐洲和日本采用連續(xù)檢測模式，即對探傷車獲得的數(shù)據(jù)進行事后處理，可疑傷損由人工復核。日本的最高檢測速度為40 km/h，歐洲的最高檢測速度達到 80 km/h［1-2］。

對探傷車的靈敏度調(diào)整國內(nèi)和國外都沒有明確的規(guī)定，主要由操作員人工調(diào)整或設備自動增益控制。但在我國自動增益控制效果并不理想，主要靠人工調(diào)整。英國探討了用試塊標定探傷靈敏度，探傷檢測過程中不允許調(diào)低標定后的探傷靈敏度。

我國從20世紀80年代開始引進探傷車，至2013年底已擁有43輛，檢測速度有40，60和80 km/h 3種。2013年探傷車檢測里程超過41萬km，投入運用的探傷車單車年平均檢測里程超過1.4萬km。各鐵路局都設有人工傷損標定線，探傷車在出車前先在標定線上調(diào)整靈敏度，使鋪設的人工傷損檢出率≥80%，誤報率≤20%，以此標準作為傷損檢測標準［3-4］。這種方式的優(yōu)點是能夠真實反應現(xiàn)場靈敏度調(diào)整情況(含有耦合影響、對中影響等)，但也存在缺點:①需要在動態(tài)下對每一個探輪進行標定，比較繁瑣;②探輪現(xiàn)場維修后就失去了標定值;③傷損標定線的鋪設受經(jīng)濟條件和線路條件的限制，用于評定設備狀態(tài)可以，但標定周期較長，不能實時反映其標定狀態(tài)。實際檢測中因耦合、換輪等影響，往往使用最大能力標準，即將通道調(diào)出雜波再減3 dB作為檢測靈敏度。一些經(jīng)驗豐富、技能水平較高的操作員能夠有效識別雜波和傷損波，但有些操作員不能有效識別鋼軌頂面斜裂紋與雜波的波形而減小靈敏度，造成檢測能力不足［5］。目前，探傷車單獨承擔高鐵的周期探傷檢測任務，為實現(xiàn)對檢測質(zhì)量的可知可控，需要對探傷車傷損動態(tài)靈敏度設置標準進行研究。

2 高鐵線路傷損監(jiān)控實例分析

依據(jù)原鐵道部要求，GTC-301號鋼軌探傷車2011年9月—2012年1月，完成了對一高鐵線路的三次周期檢測。檢測時間分別為2011年9—10月、2011年11月、2011年12月—2012年1月。

2.1 周期檢測數(shù)據(jù)

2.1.1 三次周期檢測及復核數(shù)據(jù)

三次檢測中，沒有較強反射報警，均只報告了一級傷損，無二級傷損和三級傷損。第一次和第二次均沒有復核出傷損，第三次復核出一個輕傷。周期檢測和復核數(shù)據(jù)見表1。

表1 周期檢測及復核傷損數(shù)量

2.1.2 線路岔心傷損周期檢測對比

對線路K1120+934處傷損進行了三個周期的檢測監(jiān)控，第一周期探傷車有輕微反射，形成了傷損走勢，報告一級傷損，但探傷儀復核未能確認傷損;第二周期探傷車沒有形成傷損報警反射，同時探傷儀的監(jiān)控也未能確認該傷損;第三周期探傷車檢測前探傷儀已經(jīng)確認該傷損并且做了換軌處理，探傷車未能對該傷損進行檢測。該傷損的監(jiān)控數(shù)據(jù)如表2所示。2.1.3 線路5#道岔鋼軌焊縫傷損情況

表2 K1120+934傷損監(jiān)控數(shù)據(jù)

2012年1月11日，GTC-301號探傷車按計劃檢測該高鐵上行線，傷損反射報警位于K535+497(線路5#道岔基本軌后第一處鋼軌焊縫)，12日天窗點內(nèi)用CTS—1003型探傷儀復核，確認此處傷損為鋁熱焊約2 mm夾雜傷損，距離軌面11.2 mm，判為輕傷，用無損加固方式處理。經(jīng)過2012年1—12月的監(jiān)控，確定該傷損沒有發(fā)展。該傷損的檢測和復核數(shù)據(jù)見表3。

表3 K535+497處傷損周期檢測、復核數(shù)據(jù)

2.2 周期檢測數(shù)據(jù)分析

2.2.1 因靈敏度高造成誤報率高

從三次周期檢測數(shù)據(jù)來看，探傷車形成的傷損圖形都不大，并且在探傷儀復核后均未能確認傷損，造成誤報率高。

這個誤報也可以從另一個角度理解:因探傷車靈敏度設置沒有用標定量值作為參考依據(jù)而用了設備最大能力，其檢測結(jié)果未達到傷損的定性或定量標準卻給出了報警;但能檢出達不到判廢標準的小缺陷和方向不佳的大缺陷，能盡可能地減少漏檢。

在鋼軌的材質(zhì)缺陷和焊縫中的焊接缺陷檢測中，如果不設置傷損門限，則必存在傷損。因為任何材料和任何焊接工藝都不是絕對完美，總會因晶粒粗大等原因或多或少存在一些缺陷。因此在材質(zhì)缺陷檢測和焊接缺陷檢測中都必須規(guī)定一個判廢量值，如規(guī)定鋼軌中φ2 mm平底孔當量和鋼軌焊縫中φ3 mm平底孔當量作為檢測標準［5］。

從這個角度來說探傷車檢測出的一級傷損都不是誤報，只不過復核時傷損反射波低于鋼軌材質(zhì)或鋼軌焊縫中設定的傷損缺陷判定標準，即傷損過小。如表2中的道岔傷損第一次探傷儀未能有效復核出來，表3中的焊縫傷損復核為φ2 mm而未能判為傷損，就是這個原因。

上述分析說明，按設備的最大能力設置檢測靈敏度能夠有效減少漏檢，但同時也會帶來不便，使得檢測中失去了門限的設置依據(jù)。這樣雖然會把本不應判廢的鋼軌焊縫缺陷、鋼軌材質(zhì)小缺陷和取向不佳的大缺陷檢出來，但是提高了誤報率，增加了傷損復核工作量。

表2中的鋼軌傷損，第一周期探傷車檢出，但第二周期探傷車未能有效檢出?？梢酝茢嘣诘诙芷跈z測時該處傷損肯定不比第一周期檢測時小，但第二周期檢測時探傷儀也未能判定該傷損，說明此處傷損在第二周期檢測時仍是較小傷損，也說明第二周期檢測時探傷車的靈敏度同第一周期檢測時不一致造成了探傷車在第二周期檢測時對該小傷損漏檢。

在表3中的鋼軌焊縫傷損，第一周期和第二周期檢測中均未能發(fā)現(xiàn)，在第三周期中發(fā)現(xiàn)，但隨后一年的監(jiān)控結(jié)果表明此處傷損沒有加重。說明在第一周期和第二周期檢測時該處傷損的大小同第三周期檢測時傷損的大小，也與一年后傷損的大小相同。進一步說明探傷車在第一周期和第二周期使用的檢測靈敏度不同于第三周期的檢測靈敏度，造成了這三個周期檢測中對該處小傷損檢測結(jié)果不一致。

綜合前兩項分析，認為按探傷車最大能力設置檢測靈敏度能夠檢出足夠小的傷損，但因每次檢測時靈敏度的不一致，造成對小傷損的檢測不具重復性，增大了傷損復核工作量。

3 探傷車動態(tài)靈敏度設置標準分析

3.1 試驗平臺

3.1.1 傷損試塊

在GTS-60試塊的基礎上，將鋼軌軌頭人工傷損改為直徑為3 mm的橫通孔，保留了直徑為30 mm的標準螺孔、模擬水平裂紋的長5 mm螺孔水平刻線、模擬螺孔上裂的37.5°長3 mm刻線和模擬螺孔下裂37.5°長3 mm刻線。

3.1.2 搭建試驗平臺

由于鋼軌探傷儀的發(fā)射電壓同鋼軌探傷車探傷系統(tǒng)的發(fā)射電壓不同，為能夠正確獲取數(shù)據(jù)，超聲傳感器、超聲發(fā)射接收及處理系統(tǒng)均采用探傷車超聲檢測系統(tǒng)。同時，使用HT-1型探輪標定臺。試驗平臺搭建時系統(tǒng)中各通道同探輪各對應通道相連。

3.2 試驗結(jié)果分析

3.2.1 軌頭核傷靈敏度設置建議

隨著徐州城市新區(qū)的快速發(fā)展，在其形成過程中，居住區(qū)快速增建，人口密度增大。城市新區(qū)的鄰里商業(yè)過于分散，而建筑布局密集，土地利用強度高，不適合傳統(tǒng)的零售商業(yè)的發(fā)展。而城市新區(qū)居民多，整體消費能力較強。商業(yè)綜合體業(yè)態(tài)豐富，服務種類多，集多功能為一體，可以滿足大部分城市新區(qū)居民的購物、娛樂休閑需求，帶動了新區(qū)商圈的發(fā)展。

小型多通道鋼軌探傷儀檢測核傷靈敏度，φ4平底孔當量時其超聲反射回的聲壓pa為

式中:p0為超聲發(fā)射時超聲晶片處的聲壓，Pa;A為超聲晶片的面積，mm2;s為反射超聲平底孔的面積，mm2;λ為超聲波長，mm;a為反射超聲的平底孔距離晶片的當量距離，mm。

鋼軌探傷車檢測核傷靜態(tài)校準標定靈敏度，φ3橫通孔當量時其超聲反射回的聲壓pb為

式中，d為橫通孔的當量距離，mm。

當平底孔或橫通孔距離晶片的當量距離相等時，取鋼軌超聲聲程(探輪內(nèi)聲程折算到鋼軌中)為100 μs，探頭頻率2.25 MHz，則統(tǒng)一到超聲檢測靈敏度為φ4平底孔當量時，探傷車直接檢測靈敏度補償滿足

考慮到探傷車為動態(tài)檢測，傷損在間隔采樣和自動識別時會降低檢測靈敏度，還需要補償識別靈敏度6 dB(試驗表明在最低標定靈敏度的基礎上增加6 dB時，探傷車在最高檢測速度下形成3點連續(xù)報警反射，能夠有效識別傷損)。此時按這個試塊測算出的靈敏度探傷車與探傷儀相同［6-8］。

因此探傷車在動態(tài)檢測時，理論上增益值應在試驗平臺各70°通道測試零點的基礎上補充10～16 dB，建議補充13～16 dB，動態(tài)靈敏度變化范圍不應該超過3 dB，并建議若零點的信噪比＜19 dB則將晶片判廢。

3.2.2 螺孔裂紋靈敏度設置建議

由于所用試塊的人工螺孔斜裂紋與探傷儀人工螺孔斜裂紋相同，因此探傷靈敏度直接補償為0?？紤]到探傷車為動態(tài)檢測，還需要補償識別靈敏度6 dB。因此探傷車在動態(tài)檢測時理論上增益值應在試驗平臺45°通道測試零點的基礎上補充0～6 dB，建議補充3～6 dB，動態(tài)靈敏度變化范圍不應該超過3 dB，并建議若零點的信噪比＜12 dB則將晶片判廢。

3.2.3 水平裂紋靈敏度設置建議

由于所用試塊的人工螺孔水平裂紋與探傷儀相同，因此探傷靈敏度直接補償為0。同前述分析，探傷車為動態(tài)檢測，還需要補償識別靈敏度6 dB。因此探傷車在動態(tài)檢測時理論上增益值應在試驗平臺0°通道零點的基礎上補充0～6 dB，建議補充3～6 dB。動態(tài)靈敏度變化范圍不應該超過3 dB，并建議若零點的信噪比＜12 dB則將晶片判廢。

4 結(jié)論及建議

我國探傷車的技術(shù)標準體系和管理體系在不斷完善，本文以某高鐵線路三個周期的探傷車傷損檢測和一年的探傷儀監(jiān)控數(shù)據(jù)為例分析探傷靈敏度設置問題。結(jié)論如下:

1)在我國探傷車的整個傷損管理體系下，傷損的最終確認應該只有一把尺子，即由探傷儀對傷損進行復核確認并最終定性與定量。因此，探傷車的探傷靈敏度設置應由探傷儀檢測標準確定。

2)通過試驗分析給出了探傷車靈敏度設置建議。這有利于檢測標準的統(tǒng)一，能夠有效減小傷損誤報率，提高傷損檢測的重復性，提高傷損檢出準確率，使傷損檢測可知可控，但新的檢測靈敏度設置標準比最大能力設置標準偏低。

統(tǒng)一檢測標準還應該有更多的線路實測數(shù)據(jù)予以支撐。建議開展探傷車檢測靈敏度設置標準研究，具體研究內(nèi)容為:

1)人工傷損標定線的試驗及驗證

建立高標準人工傷損標定線，設定傷損調(diào)整依據(jù)并進行試驗，測試鋪設的人工傷損檢出率和誤報率，驗證理論計算結(jié)論，并以此標準作為探傷車傷損動態(tài)檢測標準。

2)實際線路試驗及驗證

選一條運營線路，同時用探傷車和探傷儀進行周期檢測，用2～3年時間，在實際檢測中以探傷車傷損動態(tài)檢測標準為依據(jù)設置檢測靈敏度，以實際傷損檢出和鋼軌探傷儀的復核為依據(jù)進行實際驗證，以此判斷探傷車傷損動態(tài)檢測標準的適用性。

3)應用試點

選1～2個鐵路局做為探傷車新靈敏度標準應用的試點，進一步驗證新標準的實用效果。

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