超声波测试在铁路工程质量检测中应用
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摘要：当前，我国铁路运输网络已逐步完善，大批量的铁路客运专线相继开通。在此背景下，如何提高铁路基础设施的建设质量成为实现可持续发展的关键突破口。针对铁路钢轨的施工而言，超声波测试是重要的质量检测技术之一，可以在不影响被测件结构完整性的前提下高效完成检测工作，且检测结果的可靠性较高，能够作为施工质量的关键分析依据。鉴于此，文章以铁路工程质量检测为背景，围绕超声波测试技术在其中的应用展开探讨，为类似项目提供参考。
关键词：超声波测试技术；铁路工程；质量检测
1铁路钢轨探伤技术的行业发展现状
在铁路钢轨探伤领域，大型钢轨探伤车取得广泛应用，手提式超声探伤仪等轻便化装置产生的检测结果可以用于验证大型探伤车的检测结果。纵观国外行业发展情况，主流探伤车的运行速度可达到40~80km/h，部分先进的设备可达到100km/h。我国探伤车以轮式传感器为主，已经取得较突出的成果，但相比于部分发达国家的行业技术现状，仍存在差距，且有部分产品依赖于进口。我国的幅员辽阔，交通建设规模较大，铁路事业面临任务重、时间紧等多重挑战，加之现场气候等因素的影响，部分探伤仪器的可行性不足，例如存在检测结果不准确、效率低等问题，仍有突破空间。
2超声波无损探伤技术在铁路钢轨质量检测中的应用
无损检测技术利用声、光、磁等特性，以不破坏被测物结构的完整性为前提，对结构整体进行全面检查，判断其是否存在缺陷或内部是否有不均匀的情况，能够直接提供缺陷的具体位置、大小等关键的信息。超声波的频率较高，传播的方向性较好，且在固体被测物中的传播状态良好，遇到两个不同性质的介质时，能够在两者的交界面处发生反射，接收的波形可以反映具体的质量情况。超声波无损检测的结果能够以波形输出，通过信号处理技术、图像处理技术等相关技术的应用，生成直观的检测数据。在实际应用中，超声波无损检测具有操作便捷、设备轻便、效率高、检测结果可靠、不损伤被测物等特点，在工期紧张、工作量较大的工程中具有可行性。此外，超声波不会对周边人群以及环境造成损害，可保证人员的安全，有利于维持现场作业环境的稳定。
3超声波探伤检测的原理与主要的探伤方法
3.1基本原理
探伤是一种探寻结构内部质量情况的方法，较为常见的有超声、射线、渗透、涡流、磁粉五大类。超声波在传播期间遇到界面时将发生反射，得到的检测结果可以用于反映结构物内部的缺陷。（1）脉冲反射检测原理。由特定装置发射超声波，到达两种不同介质的交界面时出现反射，在检测过程中可利用某探头同时负责发射和接收超声波。（2）脉冲投射判断缺陷。利用脉冲波的能量变化特性，分别准备发射和接收脉冲波的探头，将其安装在待测件的两侧，发射脉冲并接收，根据结果对被测物的缺陷情况进行判断。（3）共振法检测原理。利用被测物厚度与超声波半波长的关系，若前者为后者的整数倍，则出现共振现象，此时根据相邻共振差可以确定被测件的厚度。
3.2探伤方法
在铁路钢轨的无损探伤检测中，数字焊缝通用探伤仪是较为主流的仪器，配套功能丰富、轻便化特征突出，在钢轨焊缝与轨道车车轴探伤中均可以取得较好的应用效果。结构平面状缺陷的检测可以采取单、双与阵列探头法，体积状缺陷的检测可采取单探头法。采用K形与串列式扫查时，利用专门的扫查装置操作，局限性在于扫查缺乏连续性，在热影响区的扫查工作中可行性不足。连续探伤法能够达到连续扫查的效果，在实际应用中，组成20个不同的探伤状态，探头稳定在某位置不发生移动时，扫查到20个分立点；探头发生移动时，对应的两斜线也同步移动，实现对焊缝的全方位扫查。钢轨焊缝探伤扫查架探伤的应用优势突出，检测结果的真实性较高，可以有效反映铁路钢轨的实际情况，及时发现钢轨的缺陷，根据实际情况予以处理。将该方法应用于新铁路线开通前的钢轨探伤检测中，可以从源头上消除质量问题和安全隐患，保证验收质量，使钢轨可以投入日常使用。
3.3焊缝的全断面探伤检测
（1）焊缝轨头探伤。根据探伤检测要求配套探头，利用该装置在轨顶面做纵向移动扫查。探头接触面较小，在实际探伤检测操作中，可用偏角纵向移动扫查焊缝轨头。在对焊缝轨头开展探测工作时，需要严格控制探头的位置，其距焊缝中心80mm，在该位置关系下，将探头置于轨面中心做移动扫查，结果表明轨道与轨腰连接圆弧部位存在结构缺陷。为获得较高的探伤检测率，需要按照规范校对探头侧与鄂部。在钢轨轨头两侧面分别设置斜探头，其可以用于探测垂直片状缺陷。在操作中，两探头按照相同的速度移动，完成对横截面的整体探测。探伤前需要计算扫查频率和入射点位置（根据焊缝宽度、扫查密度等基础参数计算而得），作为正式探测的依据，以便高效落实将探测工作。轨头焊缝内无缺陷，此条件下B探头未接到回波，源自A探头的声波在轨道侧面向前反射，对应至荧光屏中无回波显示。有部分纵向的片状缺陷，主要集中分布在轨头内，源自A探头的超声波到达缺陷部位后发生反射，该部分由B探头接收，此时若缺陷所在的位置位于探头扫查区外，也无回波显示。（2）焊缝轨腰探伤。①直探头所处位置为轨面纵向中部，以较慢的速度探测，实现对待测区域的扫查。利用一次波，可检测轨头至轨底部焊缝的体积型缺陷。②铝热焊缝边缘有缺陷疲劳裂纹，具体发生在轨腰与溢流飞边交界根部；为进一步探明结构的质量情况，在断口疲劳纹源处取金相试样，对其进行检测，以确定该部位的金相组织，对焊接质量进行评价。③铝热焊缝中存在粗屏等缺陷时，在超声波探伤检测过程中，将出现超声波散射的情况，声波在轨底形成的反射能量有限。由于焊缝中有倾斜片状缺陷，导致轨底波消失。④焊缝中垂直轨面片状缺陷的检测可以采用串列式反射法，取两个探头，将其置于同一探测面，两者同步纵向移动。根据检测要求调整两探头间距后，可以实现对被测区域的全面扫查。按前述方法操作，根据检测结果生成反射回波信息波形图，如图1所示。仅凭借波形图中信息难以明确钢轨的缺陷，图像的参考价值有限。小波分析可以同时关注信号视域和频域，对两个方面进行分析。依托小波分析技术，重构故障特征信号，检测钢轨故障信息，对故障的发生位置进行准确判断。（3）焊缝轨底探伤。对轨底角进行划分，得到6个探测区，持续调整偏角和位置，分别以纵向移动探头的方式展开检查。扫查轨底角1~3区，操作中严格控制探头入射点的位置，使其与焊缝中心相距约65mm，显示焊筋上轮廓波；对该间距进行进一步调整，控制为90mm，显示焊筋下轮廓波。而在轨底角4~6区的扫查工作中，探头与焊缝中心的距离控制在95mm，在该条件下对特定区域进行全面扫查，显示焊筋上轮廓波。根据检测结果加以判断，若缺陷直径小于超声波束宽，此时可以同步显示焊筋波与缺陷波，间隔约为1mm，虽然存在间隔但较小，说明缺陷紧邻对侧焊筋；若缺陷直径大于声波束宽，此时的显示内容发生变化，即只显示缺陷波[1]。轨底探伤单探头发操作如图2所示。
4超声波无损探伤的注意事项
（1）探头不宜过快移动，速度通常控制在10m/s以内，避免影响焊缝检测结果的全面性。（2）正式探伤前，先对探伤灵敏度进行调整，以4~6dB为宜，此时检出率较高，能够保证探伤结果的全面性。（3）针对铝热焊缝，对其进行探伤检测时，扫查范围需要覆盖焊缝全宽度。（4）在轨头探测过程中，需要明确内外侧焊筋波的显示规律，精准判断缺陷波和焊筋波。（5）在K形或串列式探伤时，工作人员需重点关注探伤扫查的困难区域，例如轨头上角，若该方法缺乏可行性，则需要根据实际情况调整为其他方法，确保探伤范围可以覆盖该区域。（6）针对探测面周边的探伤扫查不足区域，可采取单探头自发自收的方法，此外也可以选择组合探头的方式，由此延伸探测范围，确保探测面周边的部分也经过探伤检测，此时可以对大范围的质量缺陷情况进行系统性判断。
5结语
综上所述，超声波无损检测技术可以在不损伤被测件的前提下高效完成检测，且结果的指向性较好，能够为质量分析提供重要的依据。在铁路工程建设领域，通过超声波无损检测技术的应用，可以完成对钢轨等相关装置的检测工作，有利于工作人员对施工质量进行准确判断，提高施工质量的可控性。
参考文献
[1]瞿辉，戴晓娇，赵金菊.超声波无损检测技术的发展与应用[J].机电信息，2020（1）：35-38.
作者:韩锋刚 单位:中铁十二局集团第一工程有限公司
