钢轨探伤技术及规则-

金属及化学研究所高速铁路钢轨探伤技术及规则中国铁道科学研究院金化所黎连修2010.7.19金属及化学研究所金属及化学研究所目录一.无损检测简介二.常用无损检测方法三.钢轨超声波探伤四.钢轨焊缝探伤五.高速铁路探伤规则金属及化学研究所一.无损探伤简介金属及化学研究所1.无损检测技术1.1无损检测与无损探伤•无损检测：在不破坏被检测对象物理化学性能和几何完整性的情况下，对其表面和内部参数或性能等进行测量，称为无损检测。•如果检测的目的是发现伤损，则称为无损探伤。在大多数情况下，如无特殊说明，无损检测实际上指的是无损探伤。金属及化学研究所1.2无损检测与检测•无损检测：尤其是无损探伤，是对未知量的检测，即要检测的伤不一定存在，因而有很大的随机性、偶然性和不可知性。•检测：往往是对一个“已知量”的检测，或对一个已存在量的检测，该量有一定的已知性，或可知性。金属及化学研究所•1.3缺陷与伤•缺陷：用来说明材料性能的一个总的概念。介质中的非一致性、非均匀性、非连续性都可称为缺陷，严格讲晶体中的一个位错即为一个缺陷。•伤：指金属材料几何上的连续性遭到破坏，实际上指的是宏观缺陷。•“缺陷”的概念远比“伤”大，缺陷包括了伤，或伤是缺陷的一部分。金属及化学研究所1.4无损检测的基本特点•无损探伤的显著特点是不具破坏性，因而可实现检测对象的100%检验，即可实现对100%的检测对象及每个检测对象的100%部位进行探伤。•无损探伤或无损检测，其检测结果往往不够“精细”，在大多数情况下，只能给出缺陷的有无，而无法准确给出缺陷的大小或性质。金属及化学研究所1.5无损检测与产品质量•无损检测可用于产品生产过程中的各个阶段，从原材料的选取、生产工艺的监控，直到最后产品质量的验收，也可用于在使用过程中安全性能的监督和检查,是现代工业不可缺少的质量保证手段。•现代工业需要：高参数设计、大规模集成、高速度运行、长寿命使用，每道工序、每个部件或部位都必须安全可靠，都需要监督或监控，只有无损检测才能做到这一点。•日本曾有人说：现代工业是建立在无损检测技术基础之上的。金属及化学研究所1.6无损检测与安全•安全（生产）是当今社会一个热门话题。直接关系到社会稳定的大局，关系到可持续发展战略的实施。•安南曾指出，仅因工伤及职业病所造成的损失就相当于全球GDP的4%左右。•我国是事故和灾害大国，2003年因生产事故造成损失2500亿，各种自然灾害损失1500亿，交通事故损失2000亿，卫生和传染病的损失500亿。合计6500亿人民币,约相当于损失GDP的6.5%。金属及化学研究所金属及化学研究所金属及化学研究所金属及化学研究所金属及化学研究所•大连新港输油管道爆炸金属及化学研究所金属及化学研究所金属及化学研究所•近年来，我国安全生产形势十分严峻，近几年经济损失甚至有逐年增长的趋势。•随着社会经济和科学技术的发展，安全问题不仅不会自行消失，反而会更加突出。•因而国内有些人提议：“安全”应提升为我国的一项基本国策，与人口、资源、环境一样受到广泛重视。•要抓好安全，除其它因素之外，还必须有手段和措施，无损检测就是其中一种重要的监控手段或技术，因而越来越受到重视。金属及化学研究所二.常用无损检测方法------五大常规方法金属及化学研究所五大常规方法：(1).超声探伤法----UT(2).磁粉探伤法----MT(3).射线探伤法----RT(4).涡流探伤法----ET(5).渗透探伤法----PT另为还有诸多非常规方法，如声发射、红外、热成像、激光超声、电磁超声等。金属及化学研究所2.1超声波探伤法•基本原理：利用声波在介质中的传播特性、衰减特性和在界面上的反射特性、折射特性等。•超声法适用于锻件、轧制件等晶粒较细的工件或材料的探伤。•主要用于内部缺陷的探测，也可用于表面缺陷的探测。•缺陷显示不够直观。金属及化学研究所金属及化学研究所2.2磁粉探伤法•基本原理：利用磁力或磁场与铁磁体的相互作用进行探伤。有缺陷时，一部分磁力线外露形成漏磁场，漏磁场吸附磁粉形成磁痕，给出缺陷的存在。•只适于铁磁材料中非铁磁性缺陷的检测。•由于趋肤效应，磁探法只能探测表面或近表面缺陷。•缺陷显示直观。金属及化学研究所金属及化学研究所2.3射线探伤法•基本原理：利用射线的穿透性、衰减性和胶片的光化学作用进行探伤。•射线探伤适用于各种不同材质的探伤，但主要用于铸件和焊缝检测。•射线探伤主要用于内部缺陷的探测。•探伤结果显示直观，且可长期保存。•需要严格防护，一般不能连续作业。•目前已有了射线工业电视。金属及化学研究所2.4涡流探伤法•基本原理：利用电磁感应原理。•线圈在工件表面感应出一涡流，有缺陷时，涡流的幅度、相位和分布等要发生变化，相应地涡流辐射的电磁场也要发生变化，这一变化被接收线圈接收即可给出缺陷。•涡流检测直接检测的实际上是工件表面阻抗的变化。或者说是通过测量阻抗的变化进行检测的。•阻抗的变化，引起涡流的变化，进而引起涡流电磁场的变化金属及化学研究所金属及化学研究所2.5渗透探伤（着色探伤）•基本原理：主要利用毛细现象。•液体表面张力：•来自内部分子的相互吸引力，即内聚力。•接触角：金属及化学研究所•毛细作用•液面高度：grhcos2金属及化学研究所•渗透探伤的基本操作步骤预清洗、渗透、去除、干燥、显像、观察1.预清洗2.渗透3.清洗4.显像5.观察6.渗透检测工件实物示例金属及化学研究所三.钢轨超声波探伤金属及化学研究所•钢轨探伤包括新制钢轨探伤和在役钢轨探伤两种情况：•新钢轨探伤主要是检查钢轨中的材质缺陷和制造缺陷，如夹杂、疏松、气孔、白点和各种表面裂纹等。•在役钢轨探伤则主要探测在使用中产生的各种疲劳缺陷，即疲劳裂纹。金属及化学研究所•3.1新钢轨探伤•钢轨内部缺陷使用超声波法进行探测，而表面和近表面缺陷则主要使用涡流法进行探测。•3.1.1超声波法•内部缺陷：4～5MHz的超声纵波，从钢轨侧面、踏面、底面进行扫查；轨底纵向裂纹：从轨底斜面上使用超声横波进行探测。金属及化学研究所金属及化学研究所•探伤灵敏度内部材质缺陷：约相当于Φ1.4平底孔。轨底纵向裂纹：1mm深人工裂纹当量。•探伤范围钢轨长度方向:全长连续检查.在横截面上，最小检查面积应达到：轨头部分：不小于轨头面积的70％；轨腰部分：不小于轨腰面积的60％金属及化学研究所轨底部分：与钢轨腰部下部等宽，对于60轨约25mm宽。•4.1.2涡流探伤探测表面缺陷，国内基本上没开展。金属及化学研究所3.2在役钢轨探伤情况简介3.2.1检测缺陷-----主要检查各种疲劳裂纹。其中最主要的：轨头核伤、螺孔裂纹和其他各种方向的裂纹及严重的纵向夹杂等。3.2.2发展过程1950年:进口共振式探伤仪----我国超探开端。60年代:自己生产钢轨探伤仪，80年代:推出多通道探伤仪，带有前后翻板。80年代后期:引进大型钢轨探伤车。近几年推出数字探伤仪，通道增多至8～9个。金属及化学研究所3.2.3钢轨基本探伤方法金属及化学研究所3.2.4核伤探测3.2.4.1钢轨核伤------系轨头横向疲劳裂纹呈椭圆形，距踏面8～12mm、距内侧5～15mm处。近年来，也有位于轨头中部的核伤。与轨头侧面近乎垂直，与踏面多呈10°～25°夹角（单行线上）或近乎垂直（复行线上）。核伤在未发展到外表面时肉眼不可见，称“白核”；已扩展到外表面时，因氧化变为黑色，称“黑核”。金属及化学研究所3.2.4.2核伤及其探测方法用二次波探测核伤，轨颚反射面不与探测面平行，为研究缺陷的反射规律，需对声波在轨头中的传波路径进行研究。金属及化学研究所3.2.4.3核伤探测技术的改进与发展随着速度和载重量的提高，核伤类型和分布发生不少变化，轨底横向裂纹数量也有明显增加。相应的仪器通道和探头数量都有所增加，下图列举了其中一种新形探伤方式。金属及化学研究所3.2.5螺孔裂纹的探测螺孔裂纹是从螺孔周边开裂发展而成的疲劳缺陷，一般可与水平线呈0°～45°夹角。螺孔裂纹的探测方法如图所示。金属及化学研究所3.2.6在役钢轨探伤设备3.2.6.1大型钢轨探伤车钢轨探伤车是指能在铁路上运行并在行进中对两根钢轨中的伤损同时进行探测的专用车辆。探伤车一般都自带动力，也可由其他车辆牵引独立编组运行，使用的检测方法主要是超声法，有些探伤车也使用电磁感应法。钢轨探伤车最早可追溯到1928年，为美国的电磁感应式钢轨探伤车。1956年德国研制出超声波钢轨探伤车，探伤速度仅有12km/h，后提高到18km/h。1959年美国也研制出全超声钢轨探伤车。金属及化学研究所•钢轨探伤车是一种大型高科技探伤设备，集和了声学、机械、电子、自控和计算机等多种专业技术。•除车辆自身外，其探测系统包括：•超声探头（传感器）、模拟处理、数字处理、信息分析处理、系统控制、显示和存储系统以及机械伺服系统、辅助系统等。•自动化程度高、技术难度大。金属及化学研究所•探伤速度是重要技术指标，可反映出其技术高低。但不是一个完全独立的指标，还与许多其他因素有关，如线路状况、钢轨条件、探伤要求等，目前探伤车的探伤速度一般不超过40km/h，较好的已达到60km/h，可探出5mm当量以上的缺陷。•我国使用的探伤车为美国制造，轮式探头，系统升级后，探伤速度可达60km/h。•德、法、英等国的主要使用滑靴式探头。金属及化学研究所•1989年：开始从国外引进，以加强钢轨探伤工作。•第一台：1989年5月从澳大利亚引进，系Temper公司制造的RFD-140探伤车，由一节车厢组成，采用轮式探头，探伤速度40km/h。由于种种原因，该探伤车没有得到很好地应用。•1993年开始：改从美国引进。•第一批5台，为PJT（PandrolJacksonTechnologiesInc）公司制造，SYS-1000型钢轨探伤车。金属及化学研究所•该探伤车：4只轮式探头，24个通道或24个声束，探伤速度40km/h。•车辆：两台为美国制造，一节车厢；另三辆宝鸡工程机械厂制造，两节车厢。•1998-2003年：共引进美国探伤车10台。•2005-2007年：引进美国SPERRY公司新型FRONTIER探伤车9台，探伤速度60km/h，配备自动对中系统和GPS定位装置。•目前已累计从美国引进29台。金属及化学研究所•最新引进的探伤车：30各通道，3个轮探头，增加了70°探头的二次波探伤,探伤速度可达80km/h。对于Φ5mm的核伤和8mm的螺孔裂纹，检出率可达到80%以上，误报率不大于20%，实测值检出率可达到95%。与探伤小车相比，大探伤车的探伤灵敏度稍低些，检测核伤的可靠性较差，但对螺孔裂纹的检测效果比较好。金属及化学研究所轮式传感器金属及化学研究所•SYS-1000型检测系统金属及化学研究所•FRONTIER型检测系统金属及化学研究所•40km/h检测小车金属及化学研究所•B型显示---类似医学上的B超金属及化学研究所•标准螺栓孔的B型显示金属及化学研究所•60km/h检测小车（起落架）金属及化学研究所SYS-1000型钢轨探伤车金属及化学研究所•第一代钢轨探伤车金属及化学研究所•第二代钢轨探伤车金属及化学研究所•第三代钢轨探伤车金属及化学研究所3.2.6.2钢轨探伤小车------钢轨探伤仪是指能在一股线路钢轨上推行并能对钢轨中的各种缺陷同时进行检测的小型超声波探伤设备。该探伤仪由仪器、探头和作为运载工具的小车（还起到扫查装置的作用）三部分组成，仪器一般有5～9个独立的通道，可携带5～9只探头同时工作，能够对一侧钢轨上不同部位不同类型的缺陷同时进行检测，具有高效率、低付出的特点，特别适于目前我国的国情。金属及化学研究所•探伤小车具有十分明显的专用性和特殊性，既能在钢轨上推行，也能在陆地上推行。可利用列车行进的间隙上道作业，具有机动、灵活、方便、实用的特点。•由于野外使用，主要靠报警声发现缺陷，因而报警功能十分完善，同时为适应现场作业，电路上做了许多特殊处理，如增大了阻塞和抑制，并带有很强的距离补偿等。探伤小车追求的不是通用指标，而是使用性能。金属及化学研究所钢轨探