鋼軌探傷儀計(jì)量檢定注意事項(xiàng)分析

黃 榮

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)鐵路運(yùn)營(yíng)公司礦山鐵路分公司，山西 大同 037001）

超聲波鋼軌探傷儀主要是用于對(duì)鐵路鋼軌進(jìn)行探傷檢測(cè)的重要儀器，是保證鐵路安全運(yùn)行的重要設(shè)備，是鐵路專用計(jì)量器具的重要組成部分[1]。目前，我國(guó)常見(jiàn)的鋼軌超聲波探傷主要有兩類模式，其一是借助手推式鋼軌超聲探傷儀，這類儀器探傷的速度為每小時(shí)2 km，主要特征是上下道方便，能夠迅速發(fā)現(xiàn)損傷，但是存在著檢測(cè)效率偏低的缺陷；其二是應(yīng)用進(jìn)口大型鋼軌超聲波探測(cè)車，極大地提升了檢測(cè)速度，實(shí)現(xiàn)了每小時(shí)探傷60 km，但是這種探傷模式存在著不能發(fā)現(xiàn)部分軌底橫向裂紋的缺陷，因此常常還需要借助手推式探傷儀復(fù)核[2]。

1 鋼軌探傷儀概述

1.1 鋼軌探傷儀含義

鋼軌探傷儀主要是用于對(duì)鋼軌表面的細(xì)小裂紋或者內(nèi)部的暗傷進(jìn)行探查的專業(yè)儀器，并且還能夠探查出被夾板掩蓋處的鋼軌損傷。根據(jù)鋼軌探傷儀工作原理的差異，又可以將其劃分成電磁探傷和超聲波探傷兩類[3]。

1.2 GT-20鋼軌探傷儀簡(jiǎn)介

GT-20鋼軌探傷儀屬于新興的第三代鐵路輕便手推式、全數(shù)字式超聲波探傷儀器，GT-20鋼軌探傷儀的誕生充分滿足了TB/T 2340－2012 《鋼軌超聲波探傷儀》中提出的對(duì)應(yīng)要求，適用于探測(cè)43 kg/m～75 kg/m的鋼軌探傷中，能夠迅速地檢測(cè)出鋼軌軌頭、軌腰、軌底存在的各種損傷，當(dāng)前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)高鐵、普鐵、地鐵等各種鋼軌中[4]。

1.3 GT-20鋼軌探傷儀系統(tǒng)組成

GT-20鋼軌探傷儀應(yīng)用超聲主機(jī)聯(lián)合操作終端的模式，同時(shí)通過(guò)連接無(wú)線WIFI，賦予了擴(kuò)充器互聯(lián)網(wǎng)+功能，具備人機(jī)監(jiān)測(cè)分離、GSP定位、數(shù)據(jù)在線、數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)、離線實(shí)時(shí)存儲(chǔ)等諸多功能。GT-20鋼軌探傷儀擁有10個(gè)通道，其中1個(gè)為校對(duì)通道，剩下的均為探傷通道。

1.4 GT-20鋼軌探傷儀的功能特點(diǎn)

歸納起來(lái)，GT-20鋼軌探傷儀主要具備以下功能特點(diǎn)：1）小車車架結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、布局緊湊，方便維護(hù)；2）配備了大容量一體式的工具箱水箱；3）采用一體式探頭架，方便拆卸更換單個(gè)探頭；4）儀器的體積小，方便攜帶，采用工業(yè)三防觸摸平板；5）性能指標(biāo)良好，滿足鋼軌探傷的標(biāo)準(zhǔn)；6）擁有數(shù)據(jù)云存儲(chǔ)、支持GPS定位、自動(dòng)語(yǔ)言識(shí)別等功能。

2 GT-20鋼軌探傷儀檢定內(nèi)容分析

2.1 檢定GT-20鋼軌探傷儀的衰減器

當(dāng)前是應(yīng)用串聯(lián)替代式的方法檢定GT-20鋼軌探傷儀標(biāo)準(zhǔn)衰減器的。檢定準(zhǔn)確度主要由標(biāo)準(zhǔn)衰減器的誤差決定。因此選擇2 MHz～5 MHz每12 dB誤差范圍不超過(guò)0.1 dB的標(biāo)準(zhǔn)衰減器，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中明確提出：在檢定儀內(nèi)衰減器的所有量程每12 dB檢定一點(diǎn)，若其中某一個(gè)點(diǎn)的誤差超過(guò)了0.3 dB時(shí)，提示檢定不合格，同時(shí)需要確保檢定每一個(gè)分度點(diǎn)。需要注意的是：衰減器衰減量跟回波的相對(duì)幅度大小二者是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，在回波相同的前提下，衰減器衰減量越高，那么顯示在顯示屏上的回波高度下降，即衰減量增加，回波高度降低。在開(kāi)展衰減器項(xiàng)目準(zhǔn)備工作時(shí)，發(fā)現(xiàn)GT-20鋼軌探傷儀在48 dB～60 dB這一區(qū)段中衰減器的誤差進(jìn)行檢定工作時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的衰減器能夠提供減少的衰減量不足。

2.2 GT-20鋼軌探傷儀在頻率檢定中的應(yīng)用

GT-20鋼軌探傷儀脈沖信號(hào)源形成的脈沖波主要有兩種形式，最常見(jiàn)的是模仿鋼軌探傷儀發(fā)射的脈沖波形，波形為衰減振動(dòng)波，在讀取時(shí)不宜應(yīng)用頻率計(jì)直接讀取，需要借助示波器測(cè)量法。在檢定時(shí)，需要將脈沖信號(hào)發(fā)射器連接至檢定儀，再連接至示波器的Y1端，而示波器校準(zhǔn)儀時(shí)標(biāo)輸出則連接Y2端，脈沖信號(hào)發(fā)生器屬于能夠調(diào)節(jié)幅度的脈沖信號(hào)源，作用是觸發(fā)檢定儀信號(hào)源，檢定示波器上讀出脈沖的頻率。從表面上分析，檢定儀的頻率誤差不超過(guò)5%，要求檢定儀器的精準(zhǔn)度不能超過(guò)1.6%，傳統(tǒng)的示波器顯然是無(wú)法達(dá)到這一要求的。并且并非所有的示波器都可以當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)器使用，需要建標(biāo)考核，當(dāng)誤差達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)器的要求后才可以被當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)器使用。而GT-20鋼軌探傷儀的誕生，配備的數(shù)字式示波器的誤差在10-4級(jí)別內(nèi)，便實(shí)現(xiàn)了將測(cè)量誤差控制在5%的范圍內(nèi)[5]。

2.3 檢定時(shí)基線性誤差

在應(yīng)用鋼軌探傷儀檢定時(shí)基線性誤差時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)十一個(gè)波在最終共有九個(gè)出現(xiàn)在探傷儀中的顯示屏上，其中不能被顯示的波分別是第一個(gè)和最后一個(gè)。第一個(gè)波無(wú)法被顯示出來(lái)可能是因?yàn)樗幍奈恢脼樘絺麅x阻塞范圍內(nèi)，當(dāng)鋼軌探傷儀的阻塞范圍和時(shí)基上的零位置越靠近時(shí)，從而抑制了該范圍接收到的波形，最終無(wú)法將其顯示出來(lái)。而最后一個(gè)波不能被顯示出來(lái)的原因可能是波形的位置處于鋼軌探傷儀顯示屏以外。針對(duì)這類現(xiàn)象，建議在檢定時(shí)基線性誤差項(xiàng)目時(shí)，只需將信號(hào)發(fā)生器輸出波的數(shù)量設(shè)置成九個(gè)即可。這樣的話，顯示出的第一波對(duì)應(yīng)的位置便是原本的第二個(gè)波，而第二波實(shí)際是原本第三個(gè)波所在位置，以此類推。另外，根據(jù)檢定的技術(shù)要求和規(guī)范，其中明確提出顯示屏上獲得的信號(hào)幅度應(yīng)當(dāng)是垂直刻度的80%，但是在剛剛開(kāi)始鑒定時(shí)，常常出現(xiàn)顯示屏九個(gè)波幅度不一的現(xiàn)象，不能確保顯示出的每一個(gè)波幅度均符合上述規(guī)定。之所以會(huì)出現(xiàn)這一現(xiàn)象，可能是因?yàn)榫嚯x振幅修正（DAC）功能未關(guān)閉，引起每個(gè)信號(hào)在顯示屏不同時(shí)基線位置顯示的幅度不同。解決措施為：首先嘗試將鋼軌探傷儀檢定過(guò)程中的DAC功能關(guān)閉，再實(shí)施檢定，顯示屏上顯示的波形便可以符合要求[6]。

2.4 檢定垂直線誤差

檢定過(guò)程中，需要應(yīng)用鋼軌探傷儀的顯示屏將恰好是滿幅度的波形顯示出來(lái)，再借助標(biāo)準(zhǔn)的衰減器逐步將其衰減至2 dB，前后衰減的次數(shù)共八次，并將每一組的數(shù)據(jù)記錄好，最后再計(jì)算出每一組數(shù)據(jù)和理論值之間的誤差。在開(kāi)展檢定工作時(shí)，建議提前調(diào)好函數(shù)號(hào)發(fā)生器上的信號(hào)延遲時(shí)間，確保波形在顯示屏水平基線的第四格至第八格中間顯示，盡可能讓波形前沿跟柵欄縱向分割線靠近，從而確保清晰且準(zhǔn)確地讀取信號(hào)幅度百分比，降低讀數(shù)不準(zhǔn)確帶來(lái)的誤差。另外，還需要注意在衰減開(kāi)始之前，還應(yīng)當(dāng)確保標(biāo)準(zhǔn)衰減器余量不低于20 dB，以免發(fā)生衰減余量不足而不能獲得完整的八組數(shù)據(jù)的情況[7]。

2.5 檢定保護(hù)膜衰減值

在開(kāi)展保護(hù)膜衰減值檢定工作時(shí)，首先需要調(diào)節(jié)主機(jī)衰減，保證A-1號(hào)試塊的底面或者半徑值為10 cm的圓弧面最高反射波為垂直滿刻度的80%。但是結(jié)合檢定實(shí)際工作來(lái)看，發(fā)現(xiàn)GT-20鋼軌探傷儀衰減器衰減量達(dá)到最大值時(shí)，其最高反射波的波幅依然超過(guò)100%，不滿足降低至80%波幅的要求。針對(duì)這一問(wèn)題，建議在使用GT-20鋼軌探傷儀檢定保護(hù)膜衰減值時(shí)，可以將固定衰減器連接至探頭與探傷儀中間，從而保證GT-20鋼軌探傷儀顯示屏上的最高波幅降低至垂直滿刻度的80%，最終符合相關(guān)規(guī)定中提出的最高波幅幅度達(dá)到80%時(shí)讀取衰減器讀數(shù)的測(cè)試要求。

2.6 檢定探傷儀的最小觸發(fā)電壓

對(duì)觸發(fā)電壓檢定主要目的是確保檢定器中的信號(hào)能夠可靠觸發(fā)，相關(guān)規(guī)定指出，最小觸發(fā)電壓應(yīng)當(dāng)≤100 V。檢定儀器中脈沖信號(hào)發(fā)生器的脈沖幅度是可以調(diào)整的，在檢定過(guò)程中，脈沖信號(hào)發(fā)生器輸出幅度使觸發(fā)器剛好被觸發(fā)，從而在檢定儀上輸出穩(wěn)定的脈沖，此時(shí)便將示波器上的觸發(fā)脈沖信號(hào)的幅值稱為檢定儀的最小觸發(fā)電壓。鋼軌探傷儀檢定的相關(guān)規(guī)程還對(duì)脈沖的最大間隔、最小間隔檢定與單波延時(shí)范圍進(jìn)行了規(guī)定。但是負(fù)載阻抗會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生影響，因此需要注重評(píng)估不同檢定儀對(duì)不同輸入阻抗的鋼軌探傷儀正常檢測(cè)能力。

2.7 檢定響應(yīng)時(shí)間

檢定響應(yīng)時(shí)間時(shí)，需要借助一個(gè)裝置來(lái)形成一個(gè)和探傷儀的發(fā)射脈沖擁有同步單周期的正弦波測(cè)試脈沖，將該脈沖送至發(fā)射器中，把信號(hào)發(fā)射器的頻率調(diào)節(jié)至鋼軌探傷儀頻帶的上限截止頻率fu。然后把儀器的增益增加到其被允許的最大增益與最小增益的平均值，從而確保該儀器的顯示屏上顯示出一個(gè)幅度占全屏幅度比例為80%的回波信號(hào)。并將該儀器發(fā)生的第一個(gè)發(fā)射脈沖時(shí)間點(diǎn)記作t0，需要注意的是鋼軌探傷儀屏幕上擁有一個(gè)完整的全屏幅度80%的回波信號(hào)的時(shí)刻，記錄該時(shí)間點(diǎn)鋼軌探傷儀第二個(gè)發(fā)射脈沖時(shí)刻，將其記作t1，而t1至t0時(shí)刻表稱為數(shù)字探傷儀的響應(yīng)時(shí)間tr。也可以借助計(jì)數(shù)器將t0至t1時(shí)刻內(nèi)鋼軌探傷儀的發(fā)射脈沖數(shù)準(zhǔn)確記錄下來(lái)[8]。

3 鋼軌探傷儀計(jì)量檢定應(yīng)注意事項(xiàng)

3.1 優(yōu)化檢定環(huán)境與檢定條件

在應(yīng)用GT-20鋼軌探傷儀開(kāi)展檢定工作時(shí)，為了提高檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性，還需要將溫度控制在23 ℃±5 ℃的范圍內(nèi)，相對(duì)濕度不超過(guò)80%，四周無(wú)影響GT-20鋼軌探傷儀性能的磁場(chǎng)或者機(jī)械振動(dòng)。其原因是，如果環(huán)境的溫度過(guò)高，濕度過(guò)大時(shí)，會(huì)影響GT-20鋼軌探傷儀內(nèi)部的電路板，若情況嚴(yán)重時(shí)還可能引起電路短路被燒毀。而外界的磁場(chǎng)同樣也會(huì)影響GT-20鋼軌探傷儀的運(yùn)行，從而增大了檢定結(jié)果的誤差，因此在應(yīng)用GT-20鋼軌探傷儀時(shí)，需要注意將溫度與濕度控制在合理范圍內(nèi)。若條件許可時(shí)，可以在檢定室中安裝空調(diào)，更好地控制環(huán)境的溫度與濕度[9]。

3.2 合理選擇耦合劑

在GT-20鋼軌探傷儀檢定過(guò)程中，不管是探頭和工件耦合劑之間的厚度還是聲阻抗，二者均會(huì)影響檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。當(dāng)耦合劑不同時(shí)，產(chǎn)生的聲阻抗也不盡相同，結(jié)合聲壓反射率與聲壓透射率的計(jì)算公式可以得出：當(dāng)兩種不同的材料具備的聲阻抗水平越接近，那么超聲波的聲壓發(fā)射率越低，聲壓透射率越高，便于更多的聲音進(jìn)入試塊中，便于對(duì)損傷進(jìn)行探測(cè)。所以，在選擇耦合劑時(shí)，盡可能使用跟試塊聲阻抗接近的耦合劑，通常以機(jī)油最佳，因?yàn)槠錆駶?rùn)性、黏度以及附著力剛好，并且價(jià)格便宜，獲得方便，不會(huì)對(duì)試塊產(chǎn)生腐蝕作用。

3.3 合理控制探頭的施力大小

在GT-20鋼軌探傷儀檢定過(guò)程中，假如探頭施力的力度過(guò)小，便會(huì)導(dǎo)致探頭與試塊之間的耦合層厚度過(guò)高，引起探傷的靈敏度降低。假如施力的大小不同時(shí)，便會(huì)引起耦合層的厚度不同，致使穿透過(guò)的聲能大小也不盡相同，最終在探傷儀上顯示出的回波高度也出現(xiàn)一定的差異，最終影響檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性。而以人為的方式對(duì)探頭施力的大小進(jìn)行控制，難以確保每一個(gè)在探頭上施加的大小適當(dāng)、穩(wěn)定，從而影響最終的檢定結(jié)果。因此為了確保每次對(duì)探頭施加的力度合適且穩(wěn)定，避免會(huì)檢定結(jié)果復(fù)現(xiàn)產(chǎn)生不良影響，建議應(yīng)用壓塊施力的方式，例如：可以選用質(zhì)量為2 kg的探頭壓塊置于探頭上[10]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，GT-20鋼軌探傷儀的誕生極大地提升了鐵路鋼軌探傷的效率，但是在探傷過(guò)程中因?yàn)楦鞣矫嬉蛩氐挠绊?，GT-20鋼軌探傷儀探傷結(jié)果的精確度會(huì)受到影響。因此，必須高度重視GT-20鋼軌探傷儀的檢定工作，圍繞其檢定內(nèi)容，嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范的檢定流程，提升GT-20鋼軌探傷儀檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性，以更好地為現(xiàn)代鐵路運(yùn)輸行業(yè)服務(wù)，保證鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩?/p>