钢轨探伤车70°探头反射点群分析及判伤应用

夏 浪，王 品，曹经纬，李红梁

（株洲时代电子技术有限公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

随着中国铁路系统的多次提速，列车行驶速度不断提高，行车频度和运营负荷也越来越大，中国铁路正在向高速、重载的方向快速发展。利用大型钢轨探伤车对在役钢轨进行快速检测已成为铁路维护的重要手段之一［1-5］。大型钢轨探伤车检测作业时，通过车下不同角度的超声波探头发射超声波来实现对钢轨内部缺陷的检测，但对于系统识别出的疑似钢轨伤损信息，却需技术人员进行复核确认［6］。探伤车B显数据是以超声探头在钢轨轨面入射点为基准，在声束传播方向上的对应声程位置显示反射点图形。为了促进钢轨伤损检测应用水平的提升，石永生等［7］分析了钢轨探伤车实际应用B显数据中钢轨接头处不明反射点；马运忠等［8］分析了钢轨探伤车偏斜70°探头反射点群；Anish Poudel［9］开展了基于CIVA-UT 技术对钢轨伤损缺陷的仿真研究；Kim G等［10］开展了钢轨缺陷相控阵检测技术研究，并基于CIVA软件进行了仿真模拟实验和分析。

实际探伤作业时，为实现对钢轨的高速超声扫查，探伤系统需要采用较高的超声激发重复频率以获得较高的检测精度。然而，高重复频率激发下相邻两次超声激发间隔时间变短，有可能前一个周期激发所产生的超声回波信号未充分衰减完，从而进入下一个激发周期（或后续激发周期）的超声监视闸门内，形成“幻象波”，造成钢轨缺陷误判［11-13］。高速探伤时，有时在钢轨接缝螺孔两侧一定距离内会出现多处70°探头的疑似伤损回波信号，但实际为“幻象波”［14］。

针对钢轨探伤车中心70°探头在轨头处异常出波而影响钢轨伤损判别的问题，本文对钢轨探伤车中心70°探头在轨底横向裂纹附近的幻象波信号进行了理论分析与计算，并总结了其特点，可用于探伤系统的激发控制时序优化及实际的伤损判别分析。

1 幻象波产生原理

目前，国内钢轨探伤车持续探伤检测速度最高达80 km/h。车辆配备了30 路超声通道用于钢轨内部缺陷的高速扫查，扫查角度包含有0°、37.5°、70°阵列、偏斜70°及侧打等，如图1 所示。其中，70°阵列探头包含内/中/外3个70°探头，中心70°探头覆盖轨头中心区域（发射的超声波可通过轨头进入轨腰和轨底区域），内/外70°探头覆盖轨头内外侧区域。

图1 探伤车超声探头配置Fig.1 Probe configuration of RFD vehicle

由于超声波在钢轨内的传播速度（横波声速为5 900 m/s，纵波声速为3 230 m/s）远大于探伤车的检测速度，超声波探头发射的超声波在遇到钢轨内反射体经多次反射后仍可能被探头接收，当接收到的回波信号幅值超过系统预设的伤损报警阈值时，系统会实时记录回波信息并以相应图形方式进行显示。如图2所示，当超声探头发射出的超声波传播时间T大于重复激发周期T0且接收到的回波刚好能够进入下一周期（或后续n周期）的超声波通道监视闸门范围并且幅值超过系统预设报警阈值时，探伤检测系统会提取超声通道监视闸门内的回波信号相对于下一周期（或后续n周期）激发脉冲的时间T1，同时计算出该反射点在钢轨内部的对应埋藏深度信息，并以B 显图形方式显示对应反射点图标。然而实际上此时钢轨此位置并无伤损。

图2 幻象波产生原理Fig.2 Principle of ghost echo

探伤系统的超声激发形式为等间距激发（低速下为等时激发），即一定速度范围内的激发间隔距离为定值。当检测速度动态变化时，T0会相应变化，而超声信号在钢轨内的传播时间T不变，这样T1会随速度变化而同步变化，使得幻象波信号在B显图形上的显示位置也会变化。

2 中心70°探头反射点群数据特征

本文以某钢轨探伤车出厂标定测试时（钢轨类型为60 kg/m，里程为95.887 km，检测速度V车为79.10 km/h）B显数据中的中心70°探头异常回波点数据为分析对象，如图3所示。图3中，在轨底横向裂纹回波信号点（蓝色圆圈标注）两侧轨头区域出现了前后中心70°探头回波信号点群，疑似轨头核伤为重伤（红色圆圈标注）。两处70°探头信号点群为2个探轮的中心70°探头信号，与轨面有一定的倾斜角度且走向一致。已知标定线伤损轨在该处未设置轨头核伤，仅在中心70°探头回波信号点群中间的轨底处设置了轨底横向裂纹伤损，故初步推断为中心70°探头发射的超声波在遇到轨底横向裂纹后形成的回波信号被中心70°通道接收，且进入了对应的监视闸门，形成所谓的幻象波信号，进而被系统识别为疑似伤损。

图3 B 显数据回波信号点Fig.3 Echoes in B-scan

图4 超声波传播路径示意Fig.4 Ultrasonic propagation path

2.1 超声波传播路径分析

探伤车上配备的70°阵列探头（含内、中心、外直70°）主要用于检测钢轨头部及轨腰顶部的伤损，其对应的监视闸门可以覆盖钢轨轨头（中心70°探头监视闸门含一部分轨颚）区域。系统前/后中心70°探头所发射的超声波在钢轨内传播方向呈对称形式，能够通过轨面到达轨底，因此推断疑似伤损点为幻象波，其由前/后中心70°探头发射的超声波扩散声束经过轨底横向裂纹反射后原路返回，在下一周期内被中心70°探头接收且进入其监视闸门而形成的，如图 4 所示。图中，黄色及绿色矩形框为疑似伤损位置，红色箭头线为扩散声束，黄色及绿色线为系统计算声束。此外，由于超声波具有一定的声束扩散角度，声程越远，声束反射点越多，所以此类幻象波信号点群显示比实际反射体更大。

2.2 声程计算

国内的大型钢轨探伤车探伤系统超声激发采用定时激发和定距激发相结合的方式，即车速低于某一速度时，采用定时激发；车速超过某一速度时，则针对不同的检测速度范围，采用等间距激发。如表1所示，ΔL为不同检测速度区间内超声的发射间隔距离。鉴于图3中的两个中心70°探头幻象波的产生原理相同，本文仅列出其中一个幻象波的计算验证过程。

表1 不同速度下的扫查间隔Table 1 Scan intervals at different speeds

图5为幻象波声程示意。图中，L1为探头扩散声束在遇到轨底横向裂纹后返回探头声波的声程（单程），L2为系统实际计算时的声程（L2=L1），L3为幻象波距离轨底横向裂纹的水平距离，L4为探头入射点与幻象波的水平距离，H1为幻象波距离钢轨表面的深度，H2为60轨轨高，β为钢轨内主声束折射角，θ为半扩散角。

图5 幻象波声程示意图Fig.5 Ultrasonic path of ghost echo

1个周期内超声波声程（单程）L声的计算如下：

式中：V钢——钢轨内横波声速（V钢=3 230 m/s）。

L1的计算如下：

通过计算可得：L声=472.5 mm，L2=L1=540 mm，H1=25.28 mm，L3=448.56 mm。

根据图3 所示的实际B 显数据测量可得：幻象波距钢轨表面的深度为28 mm，幻象波与轨底横向裂纹的水平距离为450 mm。

综上，L3、H1的计算值、实测值及其误差值如表2所示。这表明图3所示钢轨轨头中心70°探头幻象波的计算验证结果（L3和H1）与检测数据B显图中的测量结果（见图3测量结果）基本吻合。

表2 L3、H1的计算值、实测值和误差值Table 2 Calculated，measured，and error values of L3 and H1

实际探伤作业中，中心70°探头的监视闸门时间范围一般设置为18～83 µs。通过计算可得，对应在钢轨内的深度为9.97～45.99 mm。根据上述声程计算原理，中心70°探头因轨底横向裂纹原因在轨头可能出幻象波的车辆检测速度（单位km/h）大致在［18，20］、［36，40］、［54，60］及［72，88］范围内。由于车辆的轮径及编码器累计误差等因素，速度范围可能会有细微差异；可能出幻象波的位置与轨底横向裂纹的水平距离范围约为438～489 mm。由于超声探头实际声束扩散角与理论扩散角不完全相同，同时，实际钢轨中的内部缺陷反射体与标定线路模拟的人工伤损也会存在差异性，理论计算得出的幻象波出波位置与实际可能会有些许差异。另外，由于超声传播路径较长，信号衰减严重，当车辆检测速度处于上述检测速度范围时，不一定都会出现幻象波。

3 仿真验证

为验证本文超声传播路径分析和声程推导计算的有效性，本文利用CIVA2021 超声仿真软件进行超声缺陷动态检测仿真试验。软件设置信息如下：

1）导入工件。轨型为60 kg/m钢轨模型，如图6。

图6 CIVA 工件设置Fig.6 Specimen setting of CIVA software

2）设置探头参数。尺寸为19 mm×19 mm、聚焦方式为平面，见图7。

图7 CIVA 探头设置Fig.7 Probe setting of CIVA software

3）设置检测参数。晶片角度为折射角68°，根据检测需求设置扫查路径，见图8。

图8 CIVA 检测设置Fig.8 Inspection setting of CIVA software

4）设置缺陷。设置半径为6 mm 的半圆形钢轨轨底横向裂纹，见图9。

图9 CIVA 缺陷设置Fig.9 Flaw setting of CIVA software

CIVA 仿真B 显图、超声声束图及超声回波图如图10～图12所示。

图10 CIVA 仿真B 显图Fig.10 B-scan of CIVA simulation

图11 CIVA 仿真超声声束图Fig.11 Ultrasonic beam diagram of CIVA simulation

图12 CIVA 仿真超声回波图Fig.12 Ultrasonic echo diagram of CIVA simulation

从仿真结果可以看出，中心70°探头发射的超声波遇到轨底横向裂纹后，有明显的超声回波信号，且回波时间为338.34 µs。

根据2.2节的计算结果可知L1=540 mm，则超声回波时间T1=2L1/V钢，即334.36 µs。

综上，仿真计算的回波时间与声程计算的超声回波时间基本一致，验证了本文对钢轨轨头中心70°探头异常反射点群分析的有效性。

4 伤损判定应用

大型钢轨探伤车B显数据中，因轨底横向裂纹（或焊缝焊筋、轨底锈蚀等）引起中心70°探头在轨头处的信号点群形状和位置基本确定。实际检测中，当出现前后中心70°探头出现较强回波反射点群时，可利用2.2节中幻象波分析方法进行轨底横向裂纹、轨底锈蚀或焊筋出波的伤损判定分析。

图13 所示为探伤车检测某铁路线路时，在线路302.322 km 母材处报告3 处疑似伤损，包括轨头中心70°探头两处疑似核伤及一处轨底横向裂纹。结合本文幻象波分析方法可知，其中两处轨头中心70°探头的出波实际为轨底横向裂纹引起的幻象波，避免了将这两处出波报告为疑似轨头核伤，也进一步明确了轨底存在疑似横向裂纹伤损，提高了伤损报警的准确率，降低了误报率，同时也减少了现场复核的工作量。

图13 302.322 k m 里程处B 显（母材）图Fig.13 B-scan at 302.322 km(steel rail)

图14 所示为探伤车检测某铁路线路时，在线路889.825 km 焊缝处的B 显数据。焊缝两侧存在较强的中心70°探头反射点群，疑似轨头核伤。但根据本文的幻象波分析及轨底45°探头的反射情况综合分析可知，轨头两处反射点群为轨底焊缝焊筋的反射引起的幻象波，因此可以避免将这两处反射点群当作疑似轨头核伤进行报告，提高了伤损报警准确率。

图14 889.825 km 里程处B 显（焊缝）图Fig.14 B-scan at 889.825 km(weld seam)

5 结束语

本文对轨底横向裂纹引起的轨头中心70°探头反射点群进行了理论分析及仿真计算，并基于探伤车实际线路检测数据进行了伤损判别分析，可以得出以下结论：

1）当检测车速（单位km/h）在［18，20］、［36，40］、［54，60］及［72，88］范围内时，该类中心70°探头易出现异常反射点群，且出波位置距离轨底横向裂纹的水平距离约为438～489 mm；

2）当探伤车B显数据中心70°探头在钢轨轨头位置出现异常反射点群，且出波位置周边一定距离范围内（438～489 mm）为钢轨母材时，钢轨轨底可能存在近似轨底横向裂纹的伤损，应引起重视并报告疑似伤损进行现场复核确认，同时不宜将钢轨轨头类似70°探头反射点群当作伤损报警进行报告；

3）当探伤车B显数据中心70°探头在钢轨轨头位置出现异常反射点群，且出波位置周边一定距离范围内（438～489 mm）存在钢轨焊缝时，在焊缝轨底出波正常时，不宜将钢轨轨头类似中心70°探头反射点群当作疑似伤损报警进行报告。

该类70°探头幻象波的论证计算结果，可为探伤车的激发控制及伤损判定提供参考依据，具有重要的实践意义。下一步将研究如何在钢轨探伤检测中利用有效的技术方法减少类似的非实际钢轨缺陷反射点群，以促进钢轨探伤车检测数据质量的提升。