探伤车超声波检测系统基准灵敏度确定方法

张玉华，马运忠，李培，钟艳春，熊龙辉

（中国铁道科学研究院集团有限公司 基础设施检测研究所，北京 100081）

0 引言

探伤车用于在役钢轨内部疲劳裂纹检测，检测速度最高可达80 km/h，伤损检出性能受检测灵敏度、钢轨表面状态、检测速度等因素影响，在检测过程中操作员需根据检测过程中超声波波形对检测灵敏度进行动态调整。检测灵敏度过高，检测数据中的杂波增加，伤损误报增加。检测灵敏度低于基准灵敏度，可能会漏检。在探伤车运用管理办法中，对探伤车在人工伤损标定线上的检测性能进行了规定，但由于标定线与实际线路表面状态的差异，导致标定线上的检测灵敏度难以准确地为实际线路检测灵敏度提供参考。因此，基准灵敏度的确定一直是困扰操作人员的难题。石永生等［1-2］提出了高速铁路探伤车动态灵敏度设置方法，将通道调出杂波再减3 dB作为检测灵敏度，并提出探伤车检测灵敏度设置应根据探伤仪检测标准进行确定。赵波等［3］提出了在动态检测时，以螺孔不同检测速度和扫查间距下出现的合理回波点数为标准的动态检测灵敏度设置方法。文献［4-5］也从应用角度对检测灵敏度设置进行了研究。以上方法对探伤车动态检测灵敏度的设置提供了参考，但并未给出基准灵敏度的确定方法。因此，该研究在分析探伤车超声波检测系统伤损判读原理的基础上，提出不同检测速度下探伤超声波通道的基准灵敏度确定方法。

1 探伤车超声波检测系统伤损判读原理

探伤车检测采用超声波反射原理进行检测，同时对2根钢轨进行检测，超声波换能器安装在探轮内，单根钢轨设计有3个探轮，共计15个超声波通道。以45°超声波通道为例，对探伤车伤损判读原理进行说明。图1（a）为45°超声波通道在探伤车行进过程中对钢轨轨腰斜裂纹进行的第①、②、③次扫查示意图，3次扫查间距为Δh。若3次探测过程中，轨腰斜裂纹产生的超声波回波均超过了45°超声波通道监视闸门的阈值（见图1（b）），利用检测系统对超声波回波的声程进行测量，依据声程计算出超声波回波在钢轨中的位置，采用B型显示（B显）的方式呈现给操作者。3次扫查的A型显示（A显）回波峰值均超过阈值（见图1（c））。3次探测产生3个B显中的回波点。操作员通过B显图形中回波点的数量和排列趋势进行伤损判别。通常需要形成3个及以上的回波点，才可判断检测到伤损。探伤车行进过程中，超声波通道对裂纹探测次数越多，在检测灵敏度设置合理的情况下，回波点数越多，越有利于伤损判读。

图1 45°超声波通道检测轨腰斜裂纹示意图

由图1还可看出，对于特定的裂纹缺陷，超声波通道探测次数与扫查间距Δh有关，而扫查间距Δh与探伤车行进速度密切相关。如在自主化探伤作业系统［6-8］中，扫查间距Δh与探伤车检测速度的关系见表1。

表1 超声波扫查间距与探伤车行进速度关系

2 探伤车与探伤仪基准灵敏度异同

使用探伤仪进行检测时，依据需要检测的最小伤损进行基准灵敏度设置。设定超声波通道的闸门和阈值，通常阈值设为探伤仪屏幕满屏幅值的80%。当需要检测的最小伤损的超声波回波幅值达到阈值时的增益值为基准灵敏度，即检测最低灵敏度。在探伤仪探伤过程中，检测灵敏度设定值不允许低于基准灵敏度。探伤仪的基准灵敏度确定思路是：在基准灵敏度下，需要检测的最小伤损产生的回波高于阈值时，可以被检出；对于当量尺寸大于最小伤损尺寸的伤损，在高于基准灵敏度的检测灵敏度条件下，产生的回波也应大于阈值，所以也会被检出。

使用探伤车进行检测时，伤损检出的判读标准与探伤仪相比发生了变化，不再依据单次超声波探测的回波幅值与阈值关系进行判断，而是通过多次超声波探测产生的回波与阈值关系进行判断。如在80 km/h检测速度时，扫查间距为5.56 mm，按至少扫查3次计算，要求超声波通道在5.56×3=16.68 mm移动范围内，超声波回波均需大于设定阈值。探伤车检测伤损判读标准要高于探伤仪伤损判读标准。

当阈值设定为40%时，探伤仪A显判伤原理见图2（a），当超声波回波的幅值超过40%，则可认为该处超声波回波为报警回波。使超声波回波幅值达到图2（a）所示条件的灵敏度为探伤仪A显基准灵敏度。探伤车B显判伤原理见图2（b），在Δt时间内的超声波回波幅值均超过40%，该处超声波回波可视作报警回波。Δt的大小与探伤车扫查间距相关，扫查间距越大，Δt越大。使超声波回波幅值达到图2（b）所示条件的灵敏度为探伤车B显基准灵敏度。对比图2（a）与图2（b）的超声波回波幅值可见，图2（b）中超声波回波最大幅值大于图2（a）中超声波回波最大幅值，即探伤车B显基准灵敏度需高于探伤仪A显基准灵敏度。探伤车检测速度越高，扫查间距越大，所需的Δt越大，即探伤车B显基准灵敏度越高。

图2 基于判伤原理的探伤车与探伤仪基准灵敏度对比

探伤车与探伤仪基准灵敏度相同之处在于：

（1）均采用超声波回波幅值与阈值对比方式，回波幅值小于阈值时判读为非伤损。

（2）均采用特定位置特定尺寸的人工伤损检出时的检测灵敏度作为基准灵敏度。

（3）检测过程中检测灵敏度均需高于基准灵敏度。

探伤车与探伤仪检测基准灵敏度不同之处在于：

（1）特定位置特定尺寸的人工伤损判读标准不同。探伤车检测主要针对B显图形进行判读，需至少3个回波图形且具备一定图形走势。探伤仪在确认伤损时，一般采用A显图形对伤损进行定量与确认。

（2）探伤车在不同检测速度下基准灵敏度不同。探伤车B显图形中回波个数受检测速度影响，即设置相同的检测灵敏度，在不同检测速度时回波个数有明显差异。因此不同检测速度下，同一位置同一尺寸的人工伤损被检出具有不同的检测灵敏度，即不同检测速度，基准灵敏度不同。探伤仪检测速度一般为2～3 km/h，回波个数在不同检测速度时基本相同，因此同一位置同一尺寸的人工伤损被检出时的检测灵敏度差别不大，可认为在检测过程中基准灵敏度不变。

3 基于超声波A显扫查间距的基准灵敏度确定方法

探伤车在检测时，可能会更换超声波探轮，不同探轮内的超声波换能器不同，因此基准灵敏度除与检测速度相关外，还需针对探轮进行确定，需要排除探轮对中、钢轨表面状态等因素影响［9］。此外，基准灵敏度还和超声波检测系统性能密切相关，在确定基准灵敏度时需使用探伤车超声波检测系统。

基准灵敏度确定方法基于以下前提：

（1）假设对于探伤车用超声波检测系统的不同超声波通道，超声波发射接收的部分性能相近，不区分超声波通道。

（2）当产生3个超声波回波时，认为该伤损为检出。

（3）探伤车各个检测速度下的扫查间距参照表1。

（4）探轮均按装备要求进行调零整备完毕。

以探轮中45°超声波通道为例，该超声波通道在检测速度60 km/h时的基准灵敏度A60确定方法如下：

（1）从表1中可查到，当检测速度为60 km/h时，扫查间距为4.17 mm。

（2）将超声波探轮安装在带试块位移刻度的HT-1型标定台上，调整好探轮对中与下压量，将探轮线缆接到探伤车检测系统中对应的探轮接口，安装被测探轮后的HT-1型标定台见图3。

图3 安装被测探轮后的HT-1型标定台

（3）选择探轮中45°超声波通道，设置探伤车超声波检测系统的45°超声波通道的闸门延迟、闸门宽度、阈值、抑制与检测状态一致，将45°通道A显信号切换至显示界面。

（4）设定超声波通道初始增益值A0。

（5）调节位移旋钮，使伤损试块从左至右运动，找到3 mm螺孔下裂人工伤损的伤损回波，当伤损回波由低向高达到设定阈值时，从试块标尺上读出试块位移L1。

（6）调节位移旋钮，使伤损试块从左至右继续运动，当人工伤损的回波幅值由高向低达到设定阈值时，从试块标尺上读出试块位移L2。

（7）若L2-L1<4.17+δ，δ为设定的冗余量，可选δ=0.5 mm。则增大45°通道增益值，重复步骤（4）与（6）。

（8）若L2-L1>4.17+δ，δ为设定的冗余量，可选δ=0.5 mm。则减小45°通道增益值，重复步骤（4）与（6）。

（9）若|L2-L1-4.17|<δ，则此时的45°通道增益值即为速度60 km/h下的基准灵敏度，记为A60。60 km/h检测速度下的基准灵敏度确定完毕。

（10）重复（1）～（9），依次得出其他检测速度下45°通道的基准灵敏度A10、A20、A30、…、A80。

更换探轮、伤损试块、超声波通道，可测量得出每个探轮、每个超声波通道在各个检测速度下的基准灵敏度。可将各超声波通道的基准灵敏度存入检测参数文件，在检测过程中，按检测速度进行选用，依据钢轨表面状态对检测灵敏度进行提高补偿，但检测灵敏度不得低于该速度下的基准灵敏度。

对于不同的超声波检测系统，需依据检测系统的说明书查询各个检测速度下的扫查间距。

4 基准灵敏度试验验证

为验证提出的基准灵敏度确定方法是否有效，在试验转台上进行了动态试验，试验转台见图4。

图4 试验转台

试验转台安装有环形伤损试块，试块上加工有人工伤损，在驱动电机的驱动下，环形伤损试块的线速度最高可达80 km/h。试验转台最多可安装3个探轮，配装有TKGT-I型探伤作业系统。

调整探轮下压量，使零度超声波通道界面波声程为92µs，调整探轮对中，使探轮对中良好。采用HT-1试验台与TKGT-I型探伤作业系统对探轮各超声波通道不同速度下的基准灵敏度进行确定。在试验转台上对确定的基准灵敏度进行试验，对环形伤损试块的超声波B显图形进行回波点数分析，结论如下：

（1）超声波通道检测灵敏度小于转台运行速度下的基准灵敏度时，B显图形回波点数均少于3个点，与理论分析相符。

（2）当设置的超声波通道检测灵敏度高于转台运行速度下的基准灵敏度，且耦合水喷洒正常时，B显图形回波点数可大于或等于3个点。与基准灵敏度相比，检测灵敏度越高，超声波回波点数越多，与理论分析相符。

（3）检测灵敏度值继续增大，超声波B显图形中出现杂波。

因此，检测灵敏度的最小值即为该方法确定的基准灵敏度，最大值为B显图形中出现零星杂波时的检测灵敏度。

5 结论

为确定探伤车高速检测时各个检测速度下的基准灵敏度，分析探伤车超声波检测系统伤损判读原理，对比探伤车与探伤仪基准灵敏度的异同点，提出探伤车不同检测速度下基于超声波A显走波长度的基准灵敏度确定方法，并在试验室进行试验验证，结论如下：

（1）探伤车超声波检测系统在不同检测速度下具有不同的基准灵敏度，基准灵敏度与扫查间距密切相关，检测速度越快，扫查间距越大，基准灵敏度越高；

（2）不同检测速度下基准灵敏度的确定方法能够确定相应检测速度下的基准灵敏度，验证得出该方法可行；

（3）探伤车检测时，检测灵敏度的最低值为检测速度下的基准灵敏度，检测灵敏度的最高值不得产生影响伤损判读的杂波。