超声波探伤仪在高速钢轨检测中的应用

    1 引言

    钢轨在服役过程中承受很大的交变载荷,如果钢轨中存在超过标准允许的缺陷,就会引发断轨事故,因此国内外所有的关于钢轨质量的标准,毫无例外地都要求钢轨必须经过探伤才能出厂。世界上所有的钢轨生产厂家全都采用了超声自动探伤系统对钢轨进行在线探伤。鞍钢大型轧钢厂早在上世纪80年代初,就依靠自己的技术力量开发了一套钢轨在线超声探伤系统[3]。从2000年初开始,由作者负责对大型厂原有探伤系统进行一次彻底的更新改造,这个项目于2001年末圆满完成。新系统的静态与动态测试结构完全符合YB/T2344-2004标准,三年多的运行没有发生漏报和误判。本文简要地介绍系统的各个组成部分,包括超声探头、超声波探伤仪、机械扫查设备和电控设备。除此之外,还概括地介绍了该系统三年来的运行情况和探伤检验的结果。

    2 超声探头的设计制作和超声探伤仪的选用

    超声探伤仪有11个通道同时工作,因此安装在位的探头共11个,探头的分布如图1所示。除了8号探头为普通斜探头之外,其余十只探头都是我们自行研制的双晶直探头。用双晶直探头代替普通的直探头的原因是双晶探头的盲区小,这样就扩大了检测范围,特别是轨腰部分,厚度都在20mm以下,减小盲区十分重要。图2是用于轨腰探伤的6号和7号探头的探测距离)回波幅度特性曲线,从曲线可以看出,这种探头在探测距离4mm~20mm的范围内,回波幅度变化不大于4 dB,盲区小于2mm。如图2所示,双晶直探头的距离)回波幅度曲线上有一个最高点,与最高点相对应的测距离叫做焦距,它是发和收两个晶片声束轴线的交点的深度。焦距的计算公式不难推导,也能从文献[4]上查到。

    除了盲区小之外,双晶探头的距离)回波幅度特性曲线与晶片倾斜角度、晶片间距、晶片大小、有机玻璃楔块高度有关[4],适当地选择上面的参数能得到比较符合理想的距离)回波幅度特性,即在我们需要的探测范围内,灵敏度高,灵敏度的变化小。还可以将两个探头组合起来,得到在较大探测范围内,探伤灵敏度变化不大的效果。例如,用于轨头踏面的5号探头,最大探测距离200 mm,用两个双晶探头的组合来完成5号探头的功能,两个双晶探头的焦距分别是30 mm和90 mm,前者用于5 mm~70 mm的探测距离,后者用于60 mm~200 mm,可以做到在10 mm~200mm的范围内,回波幅度变化不大于6 dB。

    探头和供水系统组合在一起如图3所示,探头前后两端设有储水槽、溢水狭缝和入水孔,组合体的中央部分是探头和电缆插座,前后两端下部溢水狭缝外侧是耐磨损的高锰钢保护块。