钢轨探伤技术及规则PPT课件

1、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

2、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

3、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

4、（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

5、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

6、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

7、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

8、聚力。接触角：金属及化学研究所毛细作用液面高度： 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：45MHz的

9、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1.4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

10、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 89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812mm、距内侧 515mm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1025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

11、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045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

12、.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

13、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40 km/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

14、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（Pandrol Jackson Technologies Inc）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

15、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5mm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THANK YOUSUCCESS2022/7/1849可编辑金属及化学研究所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

16、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59个独立的通道，可携带59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

17、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伤小车金属及化学研究所钢轨探伤小车金属及化学研究所钢轨探伤小车金属及化学研究所四.钢轨焊缝探伤金属及化学研究所4.1钢轨焊缝及焊缝缺陷4.1.1 钢轨焊缝 我国无缝线路延伸长度已近5万余公里，为列车大提速提供了重要的基础。钢轨焊接主要有接触焊气压焊和铝

18、热焊三种不同的焊接方法,相应地也有接触焊气压焊和铝热焊三种不同的焊缝形式。 目前三分之二以上断轨发生在接头部位，钢轨接头部位已成为线路最薄弱的环节。金属及化学研究所4.1.2 焊缝缺陷 夹杂、疏松缩孔气孔、过烧等 -体积状/点状缺陷。 光斑、灰斑、裂纹、未焊透等 -平面状缺陷。 疲劳缺陷：即疲劳裂纹。 平面状缺陷减小了有效截面，还可造成应力集中，是最危险的缺陷。金属及化学研究所4.2 钢轨焊缝常用探伤方法体积状缺陷： -单探头法。平面状缺陷 -单探头法，利用直角反射。 -双探头法，K型和串列式扫查。 -阵列探头，分区扫查。4.2.1 K型和串列式扫查 探头须相对或向背等速相对移动，一般都要借助

19、专门的扫查装置，并且要停顿下来进行探测。金属及化学研究所 平面缺陷反射 直角反射 金属及化学研究所 K型扫查 串列式扫查 金属及化学研究所金属及化学研究所 阵列式探头扫查 金属及化学研究所4.2.2 钢轨焊缝连续扫查法 上述钢轨焊缝探伤方法的缺点： 一是只能停顿式作业，不能进行连续扫查。 二是只能探测焊缝自身，难以对热影响区 进行扫查。 不停顿探伤法：能够对焊缝连续扫查。 利用 - 复合式阵列探头， - 电子切换技 术。 金属及化学研究所 复合阵列探头 金属及化学研究所工作原理：可组成20个不同的探伤状态，分别探测不同的焊缝位置。当探头不动时，扫查到的是20个分立的点，这20个点构成两条斜率等

20、于探头K值的斜线。当探头移动时，这两条斜线随之移动，从而完成对焊缝全部扫查。轨底脚部分及轨头两侧，仍需用手工或其他方法进行扫查。 金属及化学研究所4.3 焊缝探伤存在的问题 钢轨焊缝探伤：目前还有一些技术问题没有解决。 -光斑和灰斑反射弱，难以有效检出； -固定波、干扰波多，误判严重； -现场探伤劳动强度大； -探伤设备手段落后。今后应大力开展焊缝探伤工作。金属及化学研究所五、高速铁路钢轨探伤实施细则金属及化学研究所 5.1 组织管理铁道部钢轨探伤主管部门负责全路高速铁路钢轨探伤管理工作。铁路局工务处负责全局高速铁路钢轨探伤管理工作，并设钢轨探伤专职技术主管人员。焊轨基地、工程局和工务段负责本

21、单位钢轨焊接接头探伤管理工作，并设专人负责钢轨探伤技术管理。金属及化学研究所5.2. 钢轨探伤人员5.2.1探伤人员应取得相应专业级或以上无损检测技术资格证书。5.2.2钢轨探伤执机、操作和伤损分析人员应取得相应专业的级或以上无损检测技术资格证书。5.2.3焊缝探伤人员应取得相应专业级及以上无损检测技术资格证书，并应经过专门的焊缝探伤技术培训。金属及化学研究所5.3 探伤作业形式应采用以大型钢轨探伤车为主、小型钢轨探伤仪为辅的方式对正线钢轨进行检查，探伤车检查发现的伤损应使用小型钢轨探伤设备进行复核。应采用小型探伤设备对焊缝、站线钢轨、道岔及伸缩调节器进行检查。金属及化学研究所5.4. 探伤周

22、期5.4.1钢轨 正线：大车每月1遍， 小车每年1遍 到发线：每年4遍（小车） 其它站线：每年2遍（小车） 冬季可适当减小探伤间隔。5.4.2 焊接接头 厂焊：每2年1遍；现场焊：每年2遍 正线、到发线道岔内焊缝：每年2遍 其它站线道岔内焊缝：每年检查1遍金属及化学研究所5.4.3道岔及伸缩调节器 正线道岔及伸缩调节器： 探伤每月检查1遍 到发线道岔：每年检查4遍 其它站线道岔：每年检查2遍5.4.4 钢轨探伤评判 伤损评判：分为轻伤和重伤 金属及化学研究所5.4.4.1轻伤 轻伤包括如下两种情况： （1）钢轨材质缺陷 未达到250/350km/h客运专线60kg/m钢轨暂行技术条件规定的钢轨

23、报废程度，但差值不超过6dB的缺陷。 （2）焊接缺陷 未达到工务作业 第21部分 钢轨焊缝超声波探伤作业规定的焊缝报废程度，但差值不超过6dB的缺陷。金属及化学研究所5.4.4.2重伤 （1）在规定的探伤灵敏度下发现疲劳裂纹即判为重伤。 （2）达到或超过250/350km/h客运专线60kg/m钢轨暂行技术条件规定的钢轨报废程度的内部材质缺陷。 （3）达到或超过工务作业 第21部分 钢轨焊缝超声波探伤作业规定的焊缝报废程度的焊接缺陷。金属及化学研究所5.5. 探伤信息管理5.5.1钢轨伤损信息管理5.5.1.1 路局应健全、完善伤损钢轨数据库，并建立伤损钢轨计算机统计分析系统。5.5.1.2

24、探伤管理部门应制定年度探伤计划安排表、钢轨探伤进度示意图、钢轨伤损分析管理图、探伤工作日志、钢轨伤损记录簿和重伤钢轨登记簿。5.5.1.3 工务段应建立健全台账和报表，定期进行钢轨伤损分析。5.5.1.4钢轨探伤车和钢轨探伤仪的检查、分析报告要按有关规定上报。金属及化学研究所5.5.2探伤设备信息管理5.5.2.1 应建立健全探伤设备和器材台账。5.5.22 探伤仪测试结果应进行记录和备案5.5.3伤损钢轨管理5.5.3.1 线路上伤损钢轨应作标记。5.5.3.2 轻伤钢轨应定期跟踪观测。5.5.3.3下道重伤轨应严格管理，防止重新上道。同时，应及时进行伤损复测和分析，确定原因，预防同类伤损再

25、次发生。金属及化学研究所5.5.4 钢轨伤损标记：用白铅油作标记 连续伤损 单点伤损轻伤： 轻伤有发展： 重伤 ： 金属及化学研究所5.6.探伤作业要点5.6.1 钢轨探伤5.6.1.1钢轨探伤车探伤 （1）探伤灵敏度 轨头核伤： 6mm平底孔当量； 轨底及轨腰裂纹：415mm裂纹当量。 （2）探伤速度： 40km/h 80km/h以上探伤车： 60km/h。 发现的伤损应采用探伤仪进行复核。金属及化学研究所5.6.1.2小型探伤设备探伤 (1) 探伤灵敏度 轨头核伤：4mm平底孔当量； 轨底及轨腰裂纹：315mm裂纹当量。(2)探伤速度 一般不大于3km/h。5.6.2 钢轨焊接接头探伤 按工务作业 第21部分 钢轨焊缝超声波探伤作业标准执行。 金属