钢轨无损检测中的超声导波技术分析

姬冠妮

（西安交通工程学院，陕西 西安 710065）

0 引言

超声导波技术在近几年来开始兴起，并逐渐成为了钢轨无损检测领域当中最为主要的应用技术之一。超声导波技术与常规的超声波检测技术相比，具有声波衰减程度低、传输距离远、检测速度快以及钢轨探伤准确等特点，能够很好的保障列车的平稳运行，对于维持铁路交通系统的稳定来说具有重要的价值，在下文中笔者将对超声导波技术在钢轨无损检测当中的应用做出细致的分析。

1 超声导波的定义及特点

超声导波的定义就是指频率在20kHZ以上的声波，这种超声导波和普通的超声波相比，具有如下特性，笔者将对此一一列举。

1.1 声波传导的特性

超声导波可以在固体、液体和气体当中以稳定高效的态势进行传播，这一点与普通超声波的传导特性所一致，但是在介质温度以及外界压力的环境影响下，超声导波的传导速度与普通超声波相比略有不同，一般来说，在外界环境稳定的状态下，超声导波在固体介质中的传导速度为常数，这一特点也就为超声导波在钢轨探伤中的应用打下了坚实的基础。

1.2 声波的反射特性

每一种介质的密度都存在着一定的差异，因此在超声导波的传输过程中，经过一种介质进入到另一种介质时，在介质之间的交界处就会产生一定量的反射现象。究其原因，是由于介质的交界处会对超声导波的传输方向造成一定的改变，超声导波与光波存在的最明显差异就是，超声导波从气体直接传输到固体或是液体当中时，受到这两种介质密度的影响，超声导波会有可能完全被反射回来，这一特性在钢轨无损检测中具有着重要的实用价值，这也是超声波物位计的工作原理所在。

1.3 声波的衰减原理

从能量的角度来看，超声波的本质仍然是一种能量，只要是能量就势必会产生衰减的现象，超声波在传输的过程当中会受到介质以及介质当中的杂质所影响，声波的强度便会便会在传输过程中被介质所吸收，从而逐渐衰减。声波的衰减特性也是超声波探测的局限性所在，无论是超声波流量计或是超声波都会受到此原理的制约[1]。因此，在使用超声波类探测时，声波的衰减是相关技术人员要去重点控制的问题之一，要将声波的衰减程度维持在一定标准之下，否则会极大地影响探测的精确度。

2 钢轨超声波探伤的重要意义

从性质上来讲，钢轨本身属于消耗品，在列车和货车运行所不断的给予负载压力下，钢轨在所难免地会出现各种损耗现象，例如轨头压溃、钢轨锈蚀、剥离掉块等。这些损耗现象都存在于钢轨表面，本身易于察觉，可以及时进行修复防止意外事故的发生，但是如果钢轨内部出现损伤的话，就会很难察觉，如果不能够及时处理的话，由于列车在运行过程中对轨道的长期施压就会产生更大安全隐患。另外，钢轨在制造和冶炼的过程中，内部所产生的如白点、裂纹等内部性的损伤，如果不能及时发现并解决，就会造成钢轨的段裂现象，这对于正在运行的列车来说后果是十分严重的。而这些内部的问题利用常规手段检测起来十分麻烦，而使用超声波钢轨无损探伤的方式，可以精确的找出钢轨内部所存在的问题，从而对问题进行妥善的解决，保证列车的平稳运行。

3 钢轨超声导波探伤原理分析

在钢轨超声导波的无损检测方式中，使用的同样是超声波在不同介质中的传输性质，一旦超声导波在传输的过程中遇到损伤的部分，那么就会产生声波反射现象，这样一来工作人员就可以根据声波的反射状况来确定钢轨损伤的类型以及程度。在声波规格的使用上，一般都是采用20万Hz的声波放射进入钢轨当中，并且为了保证反射声波的准确性，在探伤仪上会安装许多不同角度的探头，不同的角度都有着不同的作用，例如较为常用的50度角探头，就是为检测钢轨内部的核伤或横裂现象的；30度角的探头主要是用于检测钢轨轨腰以及螺旋孔的损伤；垂直探头则更多地用于检测轨腰底部的水平裂痕以及纵裂纹等，通过发射纵波的形式，来对钢轨损伤进行逐一排查。下图为钢轨超声导波探伤系统的基本原理

图1 轨道探伤系统的基本原理Fig.1 Basic principle of trajectory detection system

从上图中我们可以看出，钢轨探伤系统的组成部件主要有探头、超声波收发装置、耦合液喷射装置、探头伺服控制系统以及计算机控制平台等共同组成。探伤系统在运行的过程中，需要先在钢轨上均匀的喷射耦合液，这样可以充分的保证探头与钢轨之间实现无缝对接，探头发出的超声导波就可以准确无误的进入钢轨内部。在检测过程中，如果钢轨内部没有损伤，那么超声导波在到达钢轨底部之后，就会反射进入超声收发装置当中，从而获得底波。一旦导波传输的过程中在钢轨内部发现故障，那么超声导波就会在故障处产生一部分的反射，这种反射与底波之间会存在一定的差异，这样一来探伤系统内部的数据分析系统就会对反射所产生的波形图进行分析，以便掌握钢轨的损伤情况，并将故障情况及时上传到计算机控制平台当中，来进行进一步的分析与说明。

4 一种新型的探伤仪器 - B型扫查超声波探伤仪

现阶段，B型扫查超声波探伤仪在钢轨探伤工作中得到了极为广泛的应用，这种仪器的工作机理与医院的B超检测仪器相类似，是通过连续的单探头形成一条直线上的探头组合，这样排列的探头所发出的声波就会形成为一个切面，对于不同深度的回波就通过不同的颜色和深度来表示，这种声波的排列方式会使钢轨探伤的工作效率成倍的提升，同时也使钢轨探伤的精确度有了极大程度的提升。但是目前，线性探头由于钢轨形状的限制，因此无法使用线性探头来进行检测工作，更多地都是采用单探头模拟的方式来进行工作，这也是现阶段技术方面的一个重点问题。单探头检测的工作机理是通过单探头多次扫描的方式，从而得到一个切面式的扫描结果[2]，这种方式经过多次的改进与实践，其探测的结果已经与线性探头的探测结果没有差异。但是需要注意的是发射电路需要去遵循探头移动的定长距离来发射超声波，这样可以保证回波的间距保持在统一的长度之下，形成的图形也非常清晰明了。

另外，如果钢轨内部没有损伤情况的话，在探测的波形图上就只会显示主冲击峰，这是由于超声导波没有形成反射状况所形成的。但是一旦钢轨内部出现损伤的话，超声导波就会出现削弱或者是反射的状况，从而就会在主冲击波的顶峰之上形成一种由于轨道底部缺陷所产生的回波[3-5]。这样我们就可以通过波形图来直观的看出钢轨出现损伤的状况，如果轨道底部缺陷回波的波峰越高，那么就证明这种缺陷对钢轨强度的影响越大[6-7]。下图为B型扫查超声波探测所形成的波形图。

图2 B型超声波单探头的探测结果Fig.2 Detection results of B-type Ultrasonic Single Probe

同时我们还需要注意的是，如果探头的位置与既定的位置发生偏移，那么就会造成超声导波的检测工作无法按照既定的程序来进行，从而造成检测结果的不准确。另外，钢轨在恶劣的外部环境下，有可能会发生锈蚀的现象，这样一来钢轨和探头之间的耦合程度就会产生影响，使超声导波无法完全进入钢轨，这样测量的结果就会产生一定量的误差。这些情况需要相关工作人员在探伤工作中多加注意[8-10]。

5 结论

列车钢轨按照性质来讲属于消耗品，在列车的长期运行过程中难免会存在损伤，尤其是钢轨的内部损伤不易发觉，长此以往对列车的稳定运行会造成很大的影响。本文中笔者对钢轨无损检测中的超声导波技术进行了详细的分析，并结合实际提出了技术要点和注意事项，望相关部门及工作人员能够充分借鉴，并有效应用。