钢轨探伤车疑似1孔轨身上裂伤损报警分析

马运忠

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

随着我国高速铁路的快速发展，运营里程及速度大幅提升，轮轨关系日渐恶化，钢轨缺陷不容忽视。钢轨探伤车开展在役钢轨周期检测，对保障线路运营安全起到越来越重要的作用［1-2］。国内相关学者在钢轨探伤车自主化技术、探伤车数据分析等方面开展了广泛研究。张玉华等［3］开展80 km/h 钢轨探伤车自主化超声检测系统的关键技术研究，填补了国内钢轨高速探伤的技术空白。李培等［4］研究了高速轮式钢轨探伤变距式超声波发射模式，缩小了高速探伤超声波扫查间距。钟艳春［5］研究了钢轨探伤车激光自动对中系统，解决了探伤车高速检测下探轮横向对中难题。马运忠等［6-7］研究了钢轨探伤车检测数据中接头处中心70°通道及2 孔侧上方偏斜70°通道的出波特点，为探伤车数据分析提供指导。王品等［8］对高速钢轨超声波探伤中螺孔70°幻象波进行了分析识别。

螺孔裂纹是运营线路钢轨的主要伤损类型［9］，尤其1 孔裂纹危害大，容易导致轨端揭盖，造成严重后果。黎连修等［10］研究了钢轨螺孔裂纹的检测方法，分析了裂纹的反射规律。张勤等［11］统计分析了钢轨螺孔裂纹的伤损特点，总结了裂纹的发生规律，提出了裂纹的防治措施。李锦等［12］对1处钢轨螺孔裂纹的漏检原因进行了分析，并提出了应对措施。

钢轨探伤车的探轮采用柔性外膜，相比滑靴式探头，通过有缝接头时超声耦合更好［13］，在检测螺孔裂纹方面更有优势。接头1 孔是螺孔裂纹多发区域，且靠近轨缝轨面，状态一般较差，常伴随剥离掉块、接头低塌等病害［14-15］。探伤车数据中疑似1 孔轨身上裂伤损报警较多，但探伤仪复核确认无伤，给伤损判定带来了困扰。

目前尚未掌握探伤车在接头疑似1孔轨身上裂伤损报警的出波原因，且该接头区域容易存在1 孔轨身上裂，二者极易混淆，容易导致误判或漏判。因此，分析该疑似1 孔上裂伤损报警的形成原因，掌握其出波特点，对于提升探伤车伤损判定水平具有指导意义。

本文基于钢轨探伤车探轮37°通道螺孔裂纹检测技术，分析探伤车检测60 kg/m 钢轨接头螺孔及裂纹出波情况；开展接头低塌状态下37°通道检测1孔声学几何解算，明确疑似1孔轨身上裂的出波原因，并结合典型案例和现场反馈进行进一步验证。

1 探伤车37°换能器

1.1 布置及功能

钢轨探伤车采用超声波探轮作为检测传感器，单侧钢轨布置了3 个探轮，见图1。前向、后向探轮的37°换能器主要用来检测螺孔裂纹、轨腰斜裂纹、轨底横向裂纹等。

图1 钢轨探伤车超声换能器布置

1.2 主要参数

37°换能器发射的超声波在探轮耦合液中为纵波，在踏面处折射进入钢轨中为折射横波。在耦合液中超声波指向角θ0= 70λ液/D，其中λ液为耦合液中超声波波长，D为换能器长度。钢轨中横波折射角（β）满足折射定律：v液/sinα=v钢/sinβ，其中v液为耦合液中纵波声速，α为耦合液中入射角，v钢为钢轨中横波声速。

37°换能器发射的超声波在耦合液和钢轨中均存在扩散，见图2。在耦合液中纵波入射角在(α1，α2），在钢轨中的横波折射角在（β1，β2）。入射角上边界α1=α+θ0，入射角下边界α2=α-θ0，推导得出折射角上边界β1= arcsin [(v钢/v液)sinα1]，折射角下边界β2= arcsin [(v钢/v液)sinα2]。

图2 37°换能器声束扩散

37°换能器声场参数见表1。可知：37°换能器在钢轨中折射横波的主声束中心线角度为36.7°，其主声束角度在30.6°～ 43.2°。

表1 37°换能器声场参数

2 螺孔裂纹检测

钢轨探伤车检测60 kg/m 钢轨正常接头时，B 显数据出波形态如图3所示。

图3 正常接头处探伤车B显数据出波形态

2.1 接头2孔、3孔B显出波形态及出波过程

钢轨探伤车检测接头2孔、3孔的B显出波形态一般为：前向、后向37°通道反射点群显示在轨腰所对应的螺孔处，与0°通道螺孔的反射点群一起拼合成A字形。

以前向37°通道为例，分析接头2 孔、3 孔的出波过程，如图4 所示。钢轨探伤车检测时，前向37°通道发射超声波到达1#位置（对应扩散角上边界），经螺孔反射后被接收，在B显数据中对应①处呈现反射点；前向37°发射超声波依次到达2#位置（对应主声束中心）、3#位置（对应扩散角下边界）时，在B 显数据中对应②、③处呈现反射点。

2.2 接头2孔、3孔螺孔上裂出波特征

钢轨探伤车检测接头2孔、3孔螺孔上裂的B显数据，均在螺孔A 字形出波形态的基础上，增加了对应上裂区域处的37°通道出波，如图5所示。

图5 2孔、3孔螺孔上裂出波形态

2.3 接头1孔螺孔B显出波形态及出波过程

60 kg/m 钢轨接头处轨缝和1 孔间的距离使探伤车检测接头1孔时呈现不同于接头2孔、3孔的特点。

37°通道发射的超声波主声束入射点A0至轨缝的水平距离|OA0|=L-Htanβ≈ 3.7 mm，导致只有部分声束覆盖接头1 孔轨端侧螺孔上壁，见图6。其中，接头1 孔中心至轨缝的水平距离L= 76 mm，1 孔中心至轨面的竖直距离H= 97 mm。

图6 37°通道检测接头1孔

钢轨探伤车B 显数据中接头1 孔出波形态仍近似为A 字形，1 孔轨端侧的37°通道出波由两部分而成：上部分（Ⅰ区）为本侧1 孔轨端上壁侧出波；下部分（Ⅱ区）为对侧1孔轨端上壁处的倒打出波。受接头轨缝宽度的影响，Ⅰ区和Ⅱ区的孔壁出波可能不在同一条线上，见图7。

图7 接头1孔螺孔出波形态

以前向37°通道为例，分析接头1 孔螺孔出波过程，见图8。探伤车检测时，前向37°通道发射超声波到达1#位置（对应扩散角上边界），经接头左侧1 孔轨端侧孔壁反射后，被再次接收，在B显检测数据中接头右侧1孔①处呈现反射点（Ⅱ区）；前向37°通道发射超声波依次到达2#位置（对应主声束中心）、3#位置（对应扩散角下边界）时，经接头右侧1 孔的轨端孔壁反射后，被再次接收，在B 显数据中对应②、③处呈现反射点（Ⅰ区）。

图8 接头1孔螺孔出波过程

2.4 接头1孔螺孔轨身上裂出波特征

接头轨面状态良好时，探伤车检测1 孔螺孔上裂与2 孔、3 孔螺孔上裂出波形态一致，均为在螺孔A 字形出波形态上增加对应37°通道在上裂区域出波，易于开展伤损判定。

以37°通道检测1 孔轨身上裂为例，如图9 所示，其折射主声束中心入射点A1至轨缝的水平距离|OA1|=L+Rcosβ-(H-Rsinβ)tanβ≈23 mm，其中螺孔半径R= 15.5 mm。

图9 37°通道检测接头1孔轨身上裂

3 疑似1孔轨身上裂分析

3.1 疑似1孔轨身上裂出波特征

钢轨探伤车B 显数据中疑似1 孔轨身上裂的出波形态见图10，易与1孔轨身上裂出波混淆，其出波特征主要包括：①前向、后向0°通道在1孔位置的轨腰处出波；②1 孔轨端侧出波异常，表现为存在Ⅱ区37°孔波但Ⅰ区37°孔波消失；③在1孔轨身上裂出波区域存在37°通道出波。

图10 接头疑似1孔轨身上裂的出波形态

推断疑似接头1孔轨身上裂出波是由接头低塌导致的。当钢轨接头处存在低塌时，踏面向轨缝端倾斜一定的角度，改变了超声耦合面法线角度，致使37°通道在耦合液中入射角和钢轨中折射角随之变化，进而影响探伤车B显中1孔出波形态。

3.2 接头低塌工况下37°通道检测1孔

用低塌角度（δ）和低塌高度（Δ）描述接头低塌。当接头低塌角度为δ时，37°通道在耦合液中的纵波入射角变为α'=α-δ，钢轨中横波折射角变为β'=arcsin[(v钢/v液) sinα']。

3.2.1 声学几何解算

如图11 所示，建立以接头1 孔中心O0为原点的坐标系。设耦合面线段与轨端交点为A(x1，y1)，与轨顶交点为B(x2，y2)，则低塌高度Δ =y2-y1。

图11 接头低塌工况下以1孔中心为原点的坐标系

低塌角度为δ，低塌高度为Δ 的超声耦合面AB的直线方程为

式中：k1为斜率，k1=-tanδ；c为截距，c=H- Δ +Ltanδ。

假设37°通道发射的超声波在耦合面AB上C(x3，y3)点入射至钢轨内部，37°通道发射的超声波经耦合面折射转换为超声横波，其入射至1 孔轨端侧孔壁且被反射接收，则线段O0C所在的直线方程为

式中：k2为斜率，k2= cot (δ+β')。

计算可得，x3=c/(k2-k1)。

为便于表述，将δ+β'写成θ。

3.2.2 疑似1孔轨身上裂出波条件

接头低塌工况下，探伤车37°通道检测接头1 孔时，检测系统仍按照轨面状态良好时接头设定的入射点和折射角度计算B显检测数据出波。

当x3满足x3≤x2，即Δ ≥tanδ(L-Htanθ)时，探伤车37°通道检测接头1 孔接收到螺孔回波，B 显数据中其出波位置向轨身方向平移。若x3进一步满足L-x3= 23 mm，即低塌高度Δ1=H+ 23tanδ- 53cotθ，探伤车B显呈现37°通道疑似1孔轨身上裂出波。

不同低塌角度下，当钢轨探伤车37°通道检测接头1孔时，满足出波条件的最小低塌高度（Δ0）、满足疑似1孔轨身上裂出波条件的低塌高度（Δ1）与低塌角度的关系曲线见图12。可知：①37°通道检测接头1孔出波时，低塌角度越小时，要求满足出波条件的最小低塌高度也越小。②37°通道检测1 孔满足疑似1 孔轨身上裂出波时，低塌角度越小，满足疑似1孔轨身上裂出波条件的低塌高度越大。③当δ＞ 7.5°时，出现Δ1＜Δ0的情况，即随着低塌角度进一步增大，不会再出现疑似1孔轨身上裂出波。

图12 满足1孔出波条件的低塌高度与低塌角度关系曲线

3.2.3 疑似1孔轨身上裂出波过程

以δ= 6°为例，分析疑似1 孔上裂出波过程。计算可知，δ= 6°时，37°通道横波主声束折射角为24.07°，Δ0= 2.09 mm，Δ1= 7.88 mm。

37°通道入射点至轨缝距离l= 3.6 mm 时，发射的超声波经轨面折射后，折射横波入射至1 孔和轨端之间区域［图13（a）］，无法被螺孔反射回来，B 显数据中无37°通道螺孔显示；当l= 23.0 mm 时，37°通道的折射横波入射至螺孔上壁被反射接收［图13（b）］，B显数据中呈现疑似1孔轨身上裂出波形态。

图13 δ = 6°时37°通道检测接头1孔

3.3 接头低塌工况下探伤仪复核无出波的原因

目前对探伤车检测伤损报警结果采用探伤仪复核确认。与探伤车检测传感器采用探轮不同，探伤仪采用滑靴式探头。当钢轨接头处存在低塌角度为δ的倾斜时，滑靴式37°换能器表面与耦合面贴合，其滑靴内入射角不变，但耦合面法线变化，使得钢轨中横波折射角增大为β″ =β+δ。

同样，当x3满足x3≤x2，即Δ ≥tanδ(L-Htanθ)时，探伤仪37°通道检测1孔才能接收到螺孔回波。不同低塌角度下，探伤仪37°通道检测接头1 孔时，满足出波条件的最小低塌高度见表2。

表2 不同低塌角度下探伤仪37°通道检测接头1孔的Δ0

从表2 可知，满足探伤仪37°通道检测接头1 孔出波的最小低塌高度均为负值，即探伤仪采用滑靴式37°探头无法扫查到1孔轨端上壁（图14），因此探伤仪B显图形中无37°通道1孔出波显示。

图14 接头低塌工况下探伤仪检测接头1孔

4 伤损判定中的应用

探伤车检测某线路，在里程K13 + 121处发生接头1 孔轨身上裂伤损报警。如图15（a）所示，接头1 孔轨身上裂位置后向37°出波7个点，已满足报告伤损报警的要求，但缺少1 孔Ⅰ区上壁出波。同时从B 显数据中可以看到，1 孔轨身上裂侧接头轨缝处存在接头不良导致的轨头70°出波及0°底波消失等。经现场复核确认无螺孔上裂，该处探伤车疑似1 孔上裂实为接头低塌导致，现场测量低塌角度约5°，如图15（b）所示。

图15 某处疑似1孔轨身上裂B显形态及现场情况

通过上述案例，结合本文对接头低塌工况下钢轨探伤车检测1 孔的情况分析，当探伤车检测数据中发现1 孔轨身上裂形态时，数据分析人员应加强甄别分析。如接头1 孔螺孔波出波良好，且存在1 孔轨身上裂区域37°出波，则应判定为1 孔轨身上裂伤损报警；如接头1 孔处出波异常，表现为1 孔Ⅰ区孔壁波消失、且在1 孔轨身上裂区域处37°出波，则不将其报告为1孔轨身上裂伤损报警，进而减少探伤车误报告，提高探伤车伤损报警的复核准确率。

5 结论及建议

1）探伤车报告疑似1孔轨身上裂伤损报警是接头低塌导致的。接头低塌造成探伤车37°通道在钢轨中折射角度变小，引发孔壁波出波位置偏移。当满足一定条件时，形成疑似1孔轨身上裂伤损报警。

2）对于探伤车B 显数据中1 孔轨身上裂位置出现37°通道反射点群且伴随孔壁波消失的疑似1 孔轨身上裂伤损报警的情况，建议加强分析、甄别。

3）加强对接头状态的维护，避免接头低塌对探伤车检测接头B显出波的影响。

利用本文方法可减少探伤车1孔轨身上裂伤损报警误报，提高探伤车伤损报警的复核准确率，对于探伤车伤损判定具有实践指导意义。