直线地段钢轨踏面斜裂纹下核伤检测不良原因分析及对策研究

国内普速铁路货运干线，以客货混跑的复线为主。近年来随着列车速度的提升和载重的增大，出现了新的以滚动接触疲劳为主的钢轨伤损形式。钢轨轮轨接触面的全长部位出现程度不同的接触疲劳裂纹，然后逐渐扩展呈薄片状剥离和剥离掉块，严重时在其下方会发展成核伤。核伤是对行车威胁最大、最危险的钢轨伤损。鱼鳞状剥离裂纹大多发生在小半径曲线上股内侧轨距角部位，对于该部位下发展成的核伤，探伤仪在性能状态良好的情况下基本都能检出。但对于直线（本文主要讨论复线直线）地段斜线状剥离裂纹（以下简称斜裂纹）下的核伤，探伤仪检测效果不佳，检出难度颇高。探伤仪B超中斜裂纹和斜裂纹下核伤出波非常类似，难以区分。斜裂纹下核伤的发展趋势在探伤仪B超中无法体现，防断隐患突出，是工务探伤行业一直以来面临的难题。查询以往资料，基本以建议换轨为主，未发现专门研究该类伤损的检测方法。南宁局工电检测所探伤管理室针对该类疑难伤损，进行专项攻关，以期找到一套有效的检测卡控方案，减轻防断压力。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

1 检测不良原因分析

目前，国内各铁路局普遍采用探伤仪（含双轨仪）检测为主，探伤车部分周期替代（周期替代以高铁、高等级普铁线路为主），并逐步实现全替代的探伤检测模式。对于普铁既有线伤损多发区段以探伤仪检测为主，依靠探伤仪对伤损进行检测卡控，探伤车穿插在探伤仪周期内做加强性检测。因此，现行探伤模式下，直线地段斜裂纹下核伤主要依靠探伤仪检测，探伤车承担辅助性加强检测角色。

1.1 探伤设备分类

国内铁路现役钢轨母材探伤设备包括两大类，分为三种，探伤仪、双轨仪和探伤车。探伤仪在我国有多年运用历史，几经更新换代，技术颇为成熟，是目前铁路钢轨探伤最可靠的检测设备。双轨仪是近年来为解决探伤仪检测效率低、劳力紧缺而探伤车检测效率虽高但检测效果一般、造价高而研制出来的新设备，检测原理与探伤仪类似（可归类为探伤仪），作业性能和效率介于两类仪器之间。钢轨探伤车自上世纪90年代从美国引进以来，经过20多年的不断摸索和国产化研究，整体检测效果不断提高，目前已成为国内母材探伤的主力军，但需要探伤仪对其检测结果进行现场复核。

1.2 伤损特征

直线地段斜裂纹下核伤解剖图如图1所示。伤损位于钢轨中心位置，轨面斜裂纹下方，在横截面上呈椭圆形分布。伤损与钢轨踏面呈20°～30°夹角，垂直于钢轨纵向剖面。在重复载荷作用下，伤损存在向下和横向（内、外侧）发展两种趋势，且发展速度较快，极易造成断轨，严重影响行车安全。

图1 直线地段斜裂纹下核伤解剖图

1.3 探伤仪检测不良原因分析

直线地段斜裂纹下核伤主要由探伤仪直打70°探头检出，其位于钢轨中心区域，在斜裂纹密集区段，其声波很难入射至斜裂纹下方，自然难以检测到其下核伤的伤损走势。

1.3.1 轨面中心下方核伤检测原理

探伤仪对于直线地段轨面中心下方核伤检测原理如图2所示。在轨面状态良好情况下，主要依靠直打70°对伤损进行检测。如图2所示，直打70°通道在位置A识别到异常后在探伤仪B超中A₁位置出波，随着探头由位置A移动到位置B，在B超中形成A₁B₁的伤损走势，可以很直观地判定其为核伤。

1.3.2 斜裂纹下核伤检测不良原因分析

（1）斜裂纹假波产生原理分析󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

如图3所示，受斜裂纹影响，当直打70°检测到斜裂纹后，无法穿透斜裂纹入射至其下方，而是反射回来被探头接收。当直打70°探头从位置A移动到D的过程中，探伤仪一直只是接收到斜裂纹的反射波，但B超显示系统无法识别，仍然按照既定的折射70°处理，因此在B超上显示为A₁B₁C₁D₁的假波。轨面斜裂纹越密集，直打70°在B超中显示的长度越长。

（2）难以识别原因分析

难以区分斜裂纹假波和其下核伤出波。从图2和图3可知，探伤仪对斜裂纹下核伤难以识别的原因主要在于其无法有效排除斜裂纹产生的假波。其出波规律与轨面状态良好情况下钢轨中心下方核伤极其相似，在实际检测过程中，存在较多误判的情况。由于探伤仪B超自身缺陷明显（无放大功能，且出波点数少，走势不明显，一般需结合AB显判伤），经常会将出波延续较长的疑似出波误判为核伤。但是在斜裂纹严重区段，这种较长的出波较多，大部分在判重伤下道解剖后发现无异常，久而久之，现场探伤工对该类伤损出波逐渐不再判伤。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

无法卡控伤损发展趋势。当核伤往下发展时，探伤仪B超图与轨面斜裂纹类似依然是直打70°单通道出波（直打70°很难入射至分层下）。当伤损横向发展（往外和内侧发展）时，因探伤仪只有一个位于轨面中心的直打70°探头，也很难被检测出来，在B超上无明显差异。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2 对策研究

鉴于探伤仪对该类伤损检出存在较大短板，通过分析探伤车对该类伤损检测原理，以期找到有效的检测方案。

2.1 探伤车检测原理和识别方法

探伤车虽然检测效率较高，但其整体检测性能弱于探伤仪，其检测结果需要探伤仪进行现场复核。因此，在以往的观念中，探伤车检测能力弱于探伤仪，其检测能效利用率不高。

2.1.1 探伤车检测原理

根据直线地段斜裂纹下核伤分布特征可知，探伤车主要依靠阵列直打70°通道对该类伤损进行有效检测。如图4所示，阵列直打70°包括外、中、内三个探头，对钢轨轨头进行全覆盖。当伤损处于前期时，主要由直打中70度检出，此时为了区分斜裂纹和其下核伤，重点关注直打中70°出波走势，通过大量B超图对比，可以总结出两者之间明显出波差异。当伤损发展后，由于阵列直打70°覆盖整个轨头，B超中会呈现明显的由单中70°发展至中、内双通道，严重时甚至会出现外、中、内三通道重叠出波的伤损发展趋势。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2.1.2 探伤车识别方法

（1）直观识别方法。即利用该类伤损出波规律直观判定。关键在于如何区分斜裂纹和其下存在核伤。如图5所示，斜裂纹的出波特点为：中70°通道一般从轨头顶部开始，在起始点处有一点类似核伤的偏斜，但之后会呈垂直钢轨踏面走势^［4］，斜裂纹越密集，中70°出波越深，此时深度并不代表伤损走势，只是因为探头在轨面移动时产生表面波检测到斜裂纹而已。斜裂纹下核伤出波特征：当伤损较小时，一般单直打中70°出波，其出波也是从轨头顶部开始，但一直延续一定的倾斜角度（与核伤类似）。当伤损往下发展时，直打中70°会沿着倾斜方向持续出波，不断变长。当伤损横向发展（向外和内）时，此时直打外、内70°会同时重叠出波，且重合度较好。

（2）周期对比分析方法。利用周期对比对该类伤损的发展趋势进行卡控。对于每一处可疑的异常出波，都纳入周期对比观察对象，在直观识别方法不能判别的情况下，依靠本周期前后类似出波对比以及同一位置可疑出波多周期对比的方法进行分析判伤。

本周期前后对比。若本周期前后不同地段类似出波很多，出波未形成明显核伤走势且符合斜裂纹出波特征，则是核伤的概率较小；若本周期前后不同地段类似出波很少且明显不同于斜裂纹，该类可疑出波虽然之前未发现过，但符合斜裂纹下核伤发展规律，则应果断判伤。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

多周期对比。对于所有可疑出波，应对比其以往多个周期出波情况，若得出伤损有发展的结论，应果断判伤。该类伤损存在向下发展和横向发展两种趋势。向下发展即单直打中70°通道往下形成更加明显、更长的伤损走势。横向发展在B超图上表现为由单直打中70°通道发展成中、内（或外）直打70°双通道重叠出波的趋势，伤损较大时三个直打阵列70°都会重叠出波。若多个直打70°通道重叠出波，且起始点不一致时，则是较大核伤的概率非常高，应立即通知工务段前往现场复核处置。斜裂纹下核伤发展过程如图6所示。查看前期图，可以看出其与斜裂纹出波的不同之处（有倾斜角的伤损走势）。对比中期和前期图，可以得出有明显发展的结论，伤损由单直打中70°通道发展为外、中两个直打70°出波，且中70°通道形成更加明显的向下发展趋势。从后期图可知，此时三个直打阵列70°通道重叠出波，且伤损走势较长，从轨头顶部一直延续至轨颚处，解剖钢轨后发现该伤损非常大，占据轨头横截面接近1/2面积。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2.2 检测卡控方案

鉴于探伤仪对直线地段斜裂纹下核伤检出能力有限且无法卡控伤损发展趋势的情况，结合上述分析中探伤车对该类伤损良好的检测效果，充分考虑劳力和设备性能后，提出检测卡控方案：以探伤车检测为主，依靠探伤车卡控该类伤损发展趋势。双轨仪为辅，实时掌握伤损现场状况。结合两类仪器检测周期，合理安排探伤作业计划，尽量缩短探伤间隔天数，以时间换取伤损发展空间。

2.2.1 探伤车为主

以探伤车检测为主。改变以往探伤仪检测性能优于探伤车的固有传统观念，以探伤车检测结果作为卡控该类伤损发展的手段。即探伤车检测结果与探伤仪（包括双轨仪）有冲突时，以探伤车的检测效果作为判定伤损的依据，充分发挥探伤车设备优势。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2.2.2 双轨仪为辅

该类伤损由主要由轮轨接触疲劳所致，伤损周期短，发展速度快，必须严控钢轨现场状态。同时考虑到劳力、检测效率、作业安全等因素，以双轨仪作为辅助手段进行检测。首先，双轨仪相对探伤仪（单轨）具有更高的检测效率。其次，可作为复核探伤车疑似伤损的工具，快速到达复核地点后，利用通用仪斜探头端角反射原理从钢轨侧面对斜裂纹下的核伤进行校对。该方法对于发现斜裂纹下核伤效果良好，但有极大短板。其作业效率较低，只能作为伤损复核工具使用，不能成为发现伤损的手段。且端角反射原理受伤损取向和走势影响较大，对于某些取向较差斜裂纹下核伤，其校对效果一般。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2.2.3 缩短检测周期卡控伤损发展

合理设置探伤车与双轨仪检测周期。首先，在原有基础上缩短探伤周期。其次，在安排双轨仪检测计划时要充分考虑探伤车最近一次检测日期，尽量使双轨仪的作业日期处在探伤车相近两周期中段，缩短钢轨探伤间隔。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

3 实际检测成效

利用 2. 2 节中检测卡控方案，对中国铁路南宁局集团有限公司管内黎湛线下K197—K266区段进行实际运用。首先，利用探伤车检测结果对该区段内所 有可疑的斜裂纹下核伤进行排查，对于出波明显的报警处所逐一下单进行现场复核，达到重伤的应及时下道并进行解剖，收集伤损信息。其次，对于出波不太明 显但可疑的伤损，应纳入周期对比台账，多周期对比卡控伤损发展过程，一旦发现伤损发展，要升级处理并尽 快安排现场复核处置。图7为探伤车检测到的直线地段斜裂纹下核伤，可以看出，伤损尺寸不大，均为直打中70°单通道出波。因此，利用探伤车能够实现对斜裂纹下核伤的有效检测和卡控。

图7 探伤车检测到的斜裂纹下核伤

随着直线地段斜裂纹下核伤检出数量的不断增加，工务段通过解剖伤损钢轨等手段加强探伤工对该类伤损的了解，将下道伤损钢轨用于探伤仪（包含双轨仪）和通用仪的日常测试校对，不断积累检测经验。探伤车运用单位也能不断积累经验，提高探伤车对该类伤损的检出能力，最终达到消除钢轨伤损隐患、保障线路安全的目标。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

4 结束语

客货混跑线路直线地段斜裂纹下核伤一直是铁路探伤行业难题。通过对该类伤损进行解剖分析，对比两类探伤设备检测原理后，得出以探伤车检测为主、双轨仪为辅，适当缩短探伤周期的检测卡控方案，在实际运用中取得良好效果，可为国内其它类似伤损多发线路提供参考。

文章来源：

原文名称：直线地段钢轨踏面斜裂纹下核伤检测不良原因分析及对策研究󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

作者信息：谢祺  (中国铁路南宁局集团有限公司   工电检测所 南宁）󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

期刊信息：高速铁路新材料   2025年1月󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮