钢轨探伤仪计量检定注意事项分析

黄 荣

（晋能控股煤业集团铁路运营公司矿山铁路分公司，山西 大同 037001）

超声波钢轨探伤仪主要是用于对铁路钢轨进行探伤检测的重要仪器，是保证铁路安全运行的重要设备，是铁路专用计量器具的重要组成部分[1]。目前，我国常见的钢轨超声波探伤主要有两类模式，其一是借助手推式钢轨超声探伤仪，这类仪器探伤的速度为每小时2 km，主要特征是上下道方便，能够迅速发现损伤，但是存在着检测效率偏低的缺陷；其二是应用进口大型钢轨超声波探测车，极大地提升了检测速度，实现了每小时探伤60 km，但是这种探伤模式存在着不能发现部分轨底横向裂纹的缺陷，因此常常还需要借助手推式探伤仪复核[2]。

1 钢轨探伤仪概述

1.1 钢轨探伤仪含义

钢轨探伤仪主要是用于对钢轨表面的细小裂纹或者内部的暗伤进行探查的专业仪器，并且还能够探查出被夹板掩盖处的钢轨损伤。根据钢轨探伤仪工作原理的差异，又可以将其划分成电磁探伤和超声波探伤两类[3]。

1.2 GT-20钢轨探伤仪简介

GT-20钢轨探伤仪属于新兴的第三代铁路轻便手推式、全数字式超声波探伤仪器，GT-20钢轨探伤仪的诞生充分满足了TB/T 2340－2012 《钢轨超声波探伤仪》中提出的对应要求，适用于探测43 kg/m～75 kg/m的钢轨探伤中，能够迅速地检测出钢轨轨头、轨腰、轨底存在的各种损伤，当前已经被广泛应用于检测高铁、普铁、地铁等各种钢轨中[4]。

1.3 GT-20钢轨探伤仪系统组成

GT-20钢轨探伤仪应用超声主机联合操作终端的模式，同时通过连接无线WIFI，赋予了扩充器互联网+功能，具备人机监测分离、GSP定位、数据在线、数据云存储、离线实时存储等诸多功能。GT-20钢轨探伤仪拥有10个通道，其中1个为校对通道，剩下的均为探伤通道。

1.4 GT-20钢轨探伤仪的功能特点

归纳起来，GT-20钢轨探伤仪主要具备以下功能特点：1）小车车架结构坚固、布局紧凑，方便维护；2）配备了大容量一体式的工具箱水箱；3）采用一体式探头架，方便拆卸更换单个探头；4）仪器的体积小，方便携带，采用工业三防触摸平板；5）性能指标良好，满足钢轨探伤的标准；6）拥有数据云存储、支持GPS定位、自动语言识别等功能。

2 GT-20钢轨探伤仪检定内容分析

2.1 检定GT-20钢轨探伤仪的衰减器

当前是应用串联替代式的方法检定GT-20钢轨探伤仪标准衰减器的。检定准确度主要由标准衰减器的误差决定。因此选择2 MHz～5 MHz每12 dB误差范围不超过0.1 dB的标准衰减器，相关标准中明确提出：在检定仪内衰减器的所有量程每12 dB检定一点，若其中某一个点的误差超过了0.3 dB时，提示检定不合格，同时需要确保检定每一个分度点。需要注意的是：衰减器衰减量跟回波的相对幅度大小二者是一一对应的关系，在回波相同的前提下，衰减器衰减量越高，那么显示在显示屏上的回波高度下降，即衰减量增加，回波高度降低。在开展衰减器项目准备工作时，发现GT-20钢轨探伤仪在48 dB～60 dB这一区段中衰减器的误差进行检定工作时，标准的衰减器能够提供减少的衰减量不足。

2.2 GT-20钢轨探伤仪在频率检定中的应用

GT-20钢轨探伤仪脉冲信号源形成的脉冲波主要有两种形式，最常见的是模仿钢轨探伤仪发射的脉冲波形，波形为衰减振动波，在读取时不宜应用频率计直接读取，需要借助示波器测量法。在检定时，需要将脉冲信号发射器连接至检定仪，再连接至示波器的Y1端，而示波器校准仪时标输出则连接Y2端，脉冲信号发生器属于能够调节幅度的脉冲信号源，作用是触发检定仪信号源，检定示波器上读出脉冲的频率。从表面上分析，检定仪的频率误差不超过5%，要求检定仪器的精准度不能超过1.6%，传统的示波器显然是无法达到这一要求的。并且并非所有的示波器都可以当作标准器使用，需要建标考核，当误差达到标准器的要求后才可以被当作标准器使用。而GT-20钢轨探伤仪的诞生，配备的数字式示波器的误差在10-4级别内，便实现了将测量误差控制在5%的范围内[5]。

2.3 检定时基线性误差

在应用钢轨探伤仪检定时基线性误差时，结果发现十一个波在最终共有九个出现在探伤仪中的显示屏上，其中不能被显示的波分别是第一个和最后一个。第一个波无法被显示出来可能是因为所处的位置为探伤仪阻塞范围内，当钢轨探伤仪的阻塞范围和时基上的零位置越靠近时，从而抑制了该范围接收到的波形，最终无法将其显示出来。而最后一个波不能被显示出来的原因可能是波形的位置处于钢轨探伤仪显示屏以外。针对这类现象，建议在检定时基线性误差项目时，只需将信号发生器输出波的数量设置成九个即可。这样的话，显示出的第一波对应的位置便是原本的第二个波，而第二波实际是原本第三个波所在位置，以此类推。另外，根据检定的技术要求和规范，其中明确提出显示屏上获得的信号幅度应当是垂直刻度的80%，但是在刚刚开始鉴定时，常常出现显示屏九个波幅度不一的现象，不能确保显示出的每一个波幅度均符合上述规定。之所以会出现这一现象，可能是因为距离振幅修正（DAC）功能未关闭，引起每个信号在显示屏不同时基线位置显示的幅度不同。解决措施为：首先尝试将钢轨探伤仪检定过程中的DAC功能关闭，再实施检定，显示屏上显示的波形便可以符合要求[6]。

2.4 检定垂直线误差

检定过程中，需要应用钢轨探伤仪的显示屏将恰好是满幅度的波形显示出来，再借助标准的衰减器逐步将其衰减至2 dB，前后衰减的次数共八次，并将每一组的数据记录好，最后再计算出每一组数据和理论值之间的误差。在开展检定工作时，建议提前调好函数号发生器上的信号延迟时间，确保波形在显示屏水平基线的第四格至第八格中间显示，尽可能让波形前沿跟栅栏纵向分割线靠近，从而确保清晰且准确地读取信号幅度百分比，降低读数不准确带来的误差。另外，还需要注意在衰减开始之前，还应当确保标准衰减器余量不低于20 dB，以免发生衰减余量不足而不能获得完整的八组数据的情况[7]。

2.5 检定保护膜衰减值

在开展保护膜衰减值检定工作时，首先需要调节主机衰减，保证A-1号试块的底面或者半径值为10 cm的圆弧面最高反射波为垂直满刻度的80%。但是结合检定实际工作来看，发现GT-20钢轨探伤仪衰减器衰减量达到最大值时，其最高反射波的波幅依然超过100%，不满足降低至80%波幅的要求。针对这一问题，建议在使用GT-20钢轨探伤仪检定保护膜衰减值时，可以将固定衰减器连接至探头与探伤仪中间，从而保证GT-20钢轨探伤仪显示屏上的最高波幅降低至垂直满刻度的80%，最终符合相关规定中提出的最高波幅幅度达到80%时读取衰减器读数的测试要求。

2.6 检定探伤仪的最小触发电压

对触发电压检定主要目的是确保检定器中的信号能够可靠触发，相关规定指出，最小触发电压应当≤100 V。检定仪器中脉冲信号发生器的脉冲幅度是可以调整的，在检定过程中，脉冲信号发生器输出幅度使触发器刚好被触发，从而在检定仪上输出稳定的脉冲，此时便将示波器上的触发脉冲信号的幅值称为检定仪的最小触发电压。钢轨探伤仪检定的相关规程还对脉冲的最大间隔、最小间隔检定与单波延时范围进行了规定。但是负载阻抗会对测试结果产生影响，因此需要注重评估不同检定仪对不同输入阻抗的钢轨探伤仪正常检测能力。

2.7 检定响应时间

检定响应时间时，需要借助一个装置来形成一个和探伤仪的发射脉冲拥有同步单周期的正弦波测试脉冲，将该脉冲送至发射器中，把信号发射器的频率调节至钢轨探伤仪频带的上限截止频率fu。然后把仪器的增益增加到其被允许的最大增益与最小增益的平均值，从而确保该仪器的显示屏上显示出一个幅度占全屏幅度比例为80%的回波信号。并将该仪器发生的第一个发射脉冲时间点记作t0，需要注意的是钢轨探伤仪屏幕上拥有一个完整的全屏幅度80%的回波信号的时刻，记录该时间点钢轨探伤仪第二个发射脉冲时刻，将其记作t1，而t1至t0时刻表称为数字探伤仪的响应时间tr。也可以借助计数器将t0至t1时刻内钢轨探伤仪的发射脉冲数准确记录下来[8]。

3 钢轨探伤仪计量检定应注意事项

3.1 优化检定环境与检定条件

在应用GT-20钢轨探伤仪开展检定工作时，为了提高检定结果的准确性，还需要将温度控制在23 ℃±5 ℃的范围内，相对湿度不超过80%，四周无影响GT-20钢轨探伤仪性能的磁场或者机械振动。其原因是，如果环境的温度过高，湿度过大时，会影响GT-20钢轨探伤仪内部的电路板，若情况严重时还可能引起电路短路被烧毁。而外界的磁场同样也会影响GT-20钢轨探伤仪的运行，从而增大了检定结果的误差，因此在应用GT-20钢轨探伤仪时，需要注意将温度与湿度控制在合理范围内。若条件许可时，可以在检定室中安装空调，更好地控制环境的温度与湿度[9]。

3.2 合理选择耦合剂

在GT-20钢轨探伤仪检定过程中，不管是探头和工件耦合剂之间的厚度还是声阻抗，二者均会影响检测结果的准确性。当耦合剂不同时，产生的声阻抗也不尽相同，结合声压反射率与声压透射率的计算公式可以得出：当两种不同的材料具备的声阻抗水平越接近，那么超声波的声压发射率越低，声压透射率越高，便于更多的声音进入试块中，便于对损伤进行探测。所以，在选择耦合剂时，尽可能使用跟试块声阻抗接近的耦合剂，通常以机油最佳，因为其湿润性、黏度以及附着力刚好，并且价格便宜，获得方便，不会对试块产生腐蚀作用。

3.3 合理控制探头的施力大小

在GT-20钢轨探伤仪检定过程中，假如探头施力的力度过小，便会导致探头与试块之间的耦合层厚度过高，引起探伤的灵敏度降低。假如施力的大小不同时，便会引起耦合层的厚度不同，致使穿透过的声能大小也不尽相同，最终在探伤仪上显示出的回波高度也出现一定的差异，最终影响检定结果的准确性。而以人为的方式对探头施力的大小进行控制，难以确保每一个在探头上施加的大小适当、稳定，从而影响最终的检定结果。因此为了确保每次对探头施加的力度合适且稳定，避免会检定结果复现产生不良影响，建议应用压块施力的方式，例如：可以选用质量为2 kg的探头压块置于探头上[10]。

4 结语

综上所述，GT-20钢轨探伤仪的诞生极大地提升了铁路钢轨探伤的效率，但是在探伤过程中因为各方面因素的影响，GT-20钢轨探伤仪探伤结果的精确度会受到影响。因此，必须高度重视GT-20钢轨探伤仪的检定工作，围绕其检定内容，严格执行规范的检定流程，提升GT-20钢轨探伤仪检定结果的准确性，以更好地为现代铁路运输行业服务，保证铁路运输的安全。