戴英东 马岩
摘 要:近年来,我国高速铁路事业发展取得了辉煌的成就,相对应地,对安全问题也提出了更高的要求。其中,钢轨焊缝处最容易形成缺陷“核伤”,严重地会造成断轨事故,造成重大的生命和财产损失。本文以高速铁路钢轨焊缝核伤为主要研究对象,讨论探测方法的实用性,并提出合理的操作建议。
关键词:高速铁路;钢轨焊缝;核伤探测;探测方法
随着科学技术的发展,中国已经全面步入“高铁时代”。高速铁路的建设规模不仅在国内实现了普及,同时也积极地开拓国际市场,赢得了较大的社会经济效益。相对应地,高速铁路的建设在安全层面提出了更高的标准,相比一般铁路轨道建设,在焊缝施工、管理和探伤方面要求更加具体、严格。因此,积极开展高速铁路钢轨焊缝核伤的检测与维护是十分必要的。
1 高速铁路钢轨核伤概述
1.1 核伤形成原理 狭义地说,钢轨核伤指的是轨头及焊缝处产生的横向金属疲劳裂纹,从内部开始产生,在量变未完成之前具有较强的隐秘性,钢轨表面几乎看不出任何异常。但在内部已经出现了严重的断裂问题,是钢轨应用中最危险的一种缺陷和故障;通过长期的观察发现,核伤分为“白核”与“黑核”两种,“白核”只存在于钢轨内部,而随着白核的逐渐增加积累,触及外部空气后发生氧化反应,逐渐形成“黑核”。
一般而言,高速铁路钢轨出现核伤是客观作用、不可避免,钢轨与车轮之间的接触会造成复杂的应力分布,重力作用在钢轨上,从表面向四周分散,形成横向裂纹;具体的形成原理要参考钢轨的内部构造,特别是在焊缝处的衔接本身就存在缺陷,如气泡、杂质和细小裂纹等。在轴重、速度、负载等影响因素逐渐加剧的状态下,钢轨所承受的力量并非单纯地向下重力,而是在钢轨内部最先出现变化。
首先,复杂的盈利组合会导致裂纹成核,然后向钢轨四周扩散,为了阻止核伤的作用,钢轨四周的钢料会产生抵抗作用,这种对抗作用分布极不均匀,随时会产生猝然断裂。其次,核伤的产生是不可避免的,除了运力影响之外,还有钢材质自身的作用。当温度低于二百摄氏度的时候,氢气被封闭在钢材气孔中,内部压力很高,而在钢轨发生摩擦作用时,氢气得以释放并膨胀出细小的裂纹。这种作用越来越明显,为了抵抗氢气膨胀作用就形成越来越大的“核”,最终核伤会以观察形态出现。
1.2 焊缝核伤探测的必要性 随着科学技术的进步以及安全体制的完善,我国铁路运输行业中发生人为事故的概率越来越低,但相对应地,由于基础设备的故障导致的安全事故却呈现出上升局面。根据中国铁道年检数据显示,“十一五”期间我国发生“较大”铁路安全事故121起,其中三分之二与断轨事故相关,其中焊缝及热影响区部位是事故出现的主因,说明了展开焊缝核伤探测的必要性。
首先,进行焊缝核伤探测是过渡阶段的必要手段。近年来我国高铁发展迅速,火车设备运力增加,造成钢轨的负载力不断提升。但是,钢轨的更新与火车设备的更新是不同步的,根据原本的速度、负载设计,根本就无法满足现有的需求,客观上造成损伤的加速。其次,焊缝核伤的客观性要求。钢轨焊缝的探伤工作要比普通钢轨探伤更加困难,这是由于焊缝本身就比较复杂,几乎不存在相同的内部构造,体积、面积、疏松度等都是随机形成的,在外部很难看出缺陷,需要利用到特殊的设备和方法才能實现。
2 钢轨焊缝核伤的探测方法研究
合适的探测方法是解决核伤的关键,针对焊缝探伤存在的定位、定量困难,必须提出针对性的解决策略。近年来,随着钢轨数字类探伤仪的不断出现,市场上所提供的检测工具越来越多,总地来说包括渗透探伤、磁粉探伤、涡流探伤、射线探伤、超声波探伤五种。结合功能效果、经济性、操作性等对比,超声波探伤的类型具有较为明显地优势。
2.1 焊缝轨头探伤 轨头探测是最基本的核伤探测手段,可以采用纵向扫描和偏角扫描两种方法。其中,纵向扫描又称为“纵向移动扫查”,利用超声波探伤仪(K2.5探头)从中心位置开始,向左右固定距离平行移动,分别在16、26、36、46、56毫米处进行检测,主要偏角保持为零。而探头偏角纵向移动的方式,则是从轨道焊缝顶部开始,以15°的偏角进行扫查,用来解决纵向扫描接触面过小的问题。这两种方法可以交替使用,每次检测进行3-4次。
超声波探伤的优点主要是可以实现缺陷定位和缺陷定量,如缺陷回波波峰前言对准的刻度为10,保持探头入射点为水平,所得到的数据乘以10即可获得侧面的垂直距离,方便读数、规避了繁琐的计算。而缺陷定量则是利用适当的计算公式,根据荧光屏上的位移量直接独处的缺陷垂直高度,是非常简单的钢轨核伤校对方法。
2.2 焊缝轨腰探伤 焊缝轨腰的探测行为要使用特殊的探头,如K1型号的超声波探头,可以实现V形透视探测。在进行探伤扫查的过程中,一般会采取两个探头同时使用,声波射入点距离是钢轨高度的两倍,在中心线位置上,分别向上部纵向移动,声波会扩大进入V型焊缝的角度。除此之外,也包括穿透式的核伤探测法,可以根据声波最底的情况判断缺陷。
2.3 焊缝轨底探伤 焊缝轨底的核伤扫查较为困难,通常无法直接检测到这一部位,在选择仪器的过程中可以选用通用探伤仪。而扫查的过程中,轨底分为两个部分,一部分是轨底侧面(轨脚),另一部分是轨腰与轨底的连接处,呈现出一个凸显的三角区。因此,在进行检测的过程中,实际上是包括了两部分共6个探测面。
可以使用K2.5探头进行扫查,分别按照不同的偏角、水平方向移动,需要注意的是,在扫查轨底三角区的过程中,要将探头与轨腰形成30°的夹角。
3 结束语
结合实际情况分析,钢轨焊缝的核伤探测方法多样,但超声波的探测技术较为先进,在设备应用方面也更加成熟,投入少、操作简便,通过观察波形即可探测出核伤位置、形状,并进一步了解其损伤的规律和程度,采取相应地解决措施,对我国高铁事业发展具有重要的作用。
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