钢轨表面细密裂纹涡流检测评判方法

胡乾午，汪想兵，吴 稳，王邓志，曾晓雁

（1.华中科技大学武汉光电国家研究中心，湖北武汉 430074；2.中国铁路武汉局集团有限公司工务处，湖北武汉 4 300712；3.中国铁路武汉局集团有限公司桥工段，湖北武汉 430061）

0 引言

疲劳和磨损是钢轨的主要失效形式，重载情况下钢轨表面的疲劳裂纹较多，磨损量也较大。钢轨表面的细小裂纹可以通过磨耗去掉，不影响正常使用。按照现行铁路养护规定，对于深度大于3 mm 的裂纹，必须进行打磨处理；对于磨耗超限又有深裂纹的钢轨进行下道报废处理。

激光淬火是提高钢轨耐磨性的有效方法，国内外学者进行了深入研究[1-2]，目前比较好的方法是通过激光淬火在钢轨表面形成硬化点阵，这样可以在保证钢轨韧性的基础上提高其耐磨性。激光处理的硬化层深度通常为0.8～1 mm。实际应用中，硬化斑内会出现细小的疲劳裂纹。由于技术原因，目前难以根据涡流检测信号，区分钢轨表面存在的细密裂纹与单个裂纹。常规的涡流检测法或测厚法对密集小裂纹的检测误差较大，容易将深度较浅的密集裂纹判定为深度大或超标的裂纹，其可靠性低。

本研究的目的是通过定速涡流探伤法，揭示单个裂纹与簇状裂纹的波高曲线特征。通过分析不同裂纹检测波高的变化规律，实现钢轨表面细小裂纹和簇状裂纹深度的定量检测，为钢轨的养护打磨和安全运行提供参考依据。

1 波高特征曲线研究

使用CTS-608 型数字化涡流检测仪，配备BSD04D 型笔试探头。采用优选的检测参数，其中激励频率为500 kHz，增益为19 dB，扫查速度为1 m/min，扫查时探头垂直于裂纹（夹角90°）。间距大于4 mm 的裂纹，其涡流检测信号的等效电压幅值不受相邻裂纹的影响。黄凤英[3]的研究也证实了这种现象，这种裂纹定义为单个裂纹。簇状裂纹定义为间距小于4 mm 的裂纹，此时，相邻裂纹对涡流检测信号的等效电压幅值的影响较大。

根据裂纹的类型不同，将裂纹分为3 类，即A 型单个裂纹，B 型等深度簇状裂纹，C 型不同深度簇状裂纹。采用U71Mn 钢轨材料制作不同裂纹试块，试块尺寸为400 mm×70 mm×20 mm，单个裂纹的缝隙宽度为0.2 mm。A 型试块上，裂纹深度分别为1 mm，2 mm，3 mm，4 mm 和5 mm，裂纹间距为50 mm，A 型单裂纹用A1×z表示，其中，z为裂纹深度。例如，A1×5mm表示深度为5 mm 的单个裂纹。B 型试块模拟1 mm 深的簇状裂纹，钢轨上淬火硬化层的深度小于1 mm，裂纹间距1 mm。B 型簇状裂纹用Bn×1表示，其中，n 为裂纹个数，例如，B3×1mm表示3 个1 mm 深的簇状裂纹。C 型试块模拟B 型密集裂纹的扩展情况，以3 个裂纹为基数，两个1 mm 深的裂纹中间有一个扩展的裂纹。C 型簇状裂纹用C2×1+1×z表示，中间裂纹的深度用z 表示。例如，C2×1mm+1×5mm表示两个1 mm 深裂纹的中间有一个5 mm 深的裂纹。为了方便计算半波宽度，采用峰值拟合法得到不同类型裂纹的检测波高与时基线的曲线，如图1 所示。

图1 不同裂纹探伤信号曲线

（1）A 型单裂纹波高信号特征。根据波高拟合曲线得到的A型单裂纹波高函数见式（1），拟合方差参数R2为0.999。

式中 A（z）——检测波高

z——裂纹深度

随着裂纹深度的增加，A 型单裂纹波高的增幅迅速降低。考虑探伤操作时的误差，以波高导数低于5 为上限，A 型单裂纹探伤灵敏度上限为4.8 mm 深的单个裂纹。B 型裂纹为等深度的密集裂纹，是C 型密集裂纹的特例。

（2）C 型簇状裂纹波高信号特征。C 型密集裂纹检测波高和波高导数的曲线如图2 所示，波高函数见式（2），R2为0.996。波高导数的计算公式见式（3）。

图2 C 型波高和波高导数的函数曲线

式中 A（z）——检测波高

z——裂纹深度

A（z）'——波高导数

由图2 可知，随着裂纹深度的增加，C 型密集裂纹波高的增幅迅速降低。以波幅导数低于5 为上限，C 型密集裂纹探伤灵敏度上限为簇状裂纹中有5.3 mm 深的裂纹。

2 裂纹类别区分及计算公式

定速探伤时，定义波高比例因子η 为波高与半波宽的比值。本文中的波高是指单向扫查时横坐标以上的波高绝对值，剔除了来回扫查时横坐标以下的参数。密集裂纹与单个裂纹之间的差异表现：一个3 mm 深的A3 型裂纹A1×3mm的波高（141）低于两个1 mm深的B2 型密集裂纹B2×1mm的波高（147）。另外，随着裂纹深度的增加，A 型单裂纹的半波宽度值从159.7 ms 逐渐增加到207.4 ms。B型密集裂纹从3 个1 mm 深的B3 裂纹开始，随着裂纹个数的增加，检测波高曲线的半波宽度值从221.2 ms 增加到378.7 ms，明显大于A 型单裂纹的半波宽度值。波高比例因子η 的变化相反，从B3 型密集裂纹开始，随裂纹数量的增加，η 值从0.84 降低到0.61。C 型密集裂纹从C2 型开始，波高比例因子值η 均大于0.97。

2.1 不同类型裂纹的区分方法

（1）A 型和B 型密集裂纹通过裂纹间距区分，裂纹间距≥4 mm为A 型单裂纹。

（2）A 型单裂纹波高A3≥141 时，裂纹深度≥3 mm。

（3）η≥0.9 为扩展的C 型密集裂纹，η＜0.9 为未扩展的B 型密集裂纹。C1 型密集裂纹就是B3 型密集裂纹，η 值为0.84。

（4）C 型簇状裂纹C3≥228 时，裂纹深度≥3 mm。

2.2 不同类型裂纹的计算公式

A 型单裂纹深度的计算公式为式（4），C 型密集裂纹深度的计算公式为式（5）。

式中 A（z）——检测波高

z——裂纹深度

3 细密裂纹检测分析与探讨

3.1 钢轨表面鱼鳞纹检测

钢轨鱼鳞纹，涡流检测波高为120，裂纹间距约5 mm，为A型单裂纹，根据式（4）计算出该裂纹深度为2.04 mm。钢轨表面簇状裂纹，涡流检测波高为184，裂纹间距约2 mm，波高比例因子η＜0.9，为B3 或C1 型密集裂纹，根据式（5）计算出该裂纹的深度为1.11 mm。

3.2 钢轨淬火斑裂纹检测

如表1 所示，所检测裂纹的深度均未超过3 mm，为不影响钢轨使用的安全裂纹。

表1 裂纹检测结果

4 结论

通过分析不同类型裂纹涡流检测波高曲线的变化规律，结果表明，一个3 mm 深的A 型单裂纹的波高（141）显著低于两个1 mm 深B 型密集裂纹的波高（147），纠正了常规检测方法中的认识误区。在分析研究的基础上，建立了裂纹种类的识别和分类方法。根据拟合函数曲线，得到了A 型单裂纹和C 型密集裂纹波高的计算公式，前者可以方便地计算单个裂纹深度，后者可以计算簇状裂纹的深度。对激光强化钢轨的裂纹进行涡流检测，结果表明淬火斑中裂纹的最大深度为1.29 mm，金相切片分析结果证实裂纹最大深度为1.20 mm。

本研究提供的涡流检测方法和计算公式，解决了钢轨表面细小簇状裂纹的定量检测难题，对于提高钢轨表面裂纹的检测水平具有重要意义。