基于高检测灵敏度的钢轨探伤车轨头小核伤出波图形精细化分析方法研究

随着铁路线路里程的不断增加，钢轨探伤车凭借其检测效率高、受人为因素干扰小等优势逐渐成为铁路钢轨母材探伤的主力军。轨头核伤作为对行车威胁最大的一种钢轨伤损，如何在其发展前期甚至初期发现并处置，是预防钢轨折断的有效途径。以往，钢轨探伤车主要承担监督性检查任务，依靠伤损图库和判伤经验进行判伤，发现的轨头核伤普遍较大，以多通道出波为其特征。近年来，为缓解探伤劳力紧缺等难题，钢轨探伤车开始承担生产检测任务。为保障探伤车在周期替代探伤仪的同时达到其类似的检测效果，国铁集团开始推行高检测灵敏度探伤。即探伤车的日常作业参数在不低于标定灵敏度，且不连续出杂波的情况下越高越好，尽量利用设备最大检测能力。高检测灵敏度探伤在提高探伤车伤损检出能力的同时，也带来了新的难题。检测数据成倍增加，难以区分轨头小核伤和杂波。轨头小核伤一般尺寸不大，普遍小于8mm*8mm，探伤车在高检测灵敏度之前很难发现，主要由探伤仪检出。高灵敏度探伤后，探伤车在检出小核伤（单通道出波）的同时伴随有更多出波类似的杂波，如何从杂波中找出与其类似的轨头小核伤成为急需解决的新难题。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

1 小核伤识别率低的原因分析

1.1 核伤特点介绍

轨头横向疲劳裂纹俗称轨头核伤，简称核伤。一般出现在距踏面８～１２ｍｍ和距内侧５～１０ｍｍ处，其方向与钢轨纵剖面接近垂直，对踏面有１０°～２５°倾角（单行线）或接近垂直（复行线）。核伤又分为白核和黑核，多数发生在轨头，轨距角位置和轨颚附近是轨头核伤高发区域。

1.2 识别率低的原因分析

通过大量分析探伤车检测后，探伤仪发现而探伤车检出却未报告小核伤的数据出波情况，总结探伤车小核伤识别率低的原因有以下两点。

回放员对杂波认识不够。依据伤损图库判伤是回放员一直遵循的判伤方法，判伤经验来自于对确认伤损出波规律的积累。在高检测灵敏度探伤之前，检测数据中杂波较少，对于杂波出波情况并不关注。高检测灵敏度探伤后，杂波变多，对杂波出波规律及产生原因不了解，无法有效区别杂波和小核伤波。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

钢轨踏面斜裂纹、鱼鳞伤等轨面伤损的干扰。斜裂纹、鱼鳞伤在高检测灵敏探伤之前就一直是判伤的难点，主要分布在曲线上股地段，与核伤的B型图出波相近，不易区分。高检测灵敏探伤后，加剧其判伤难度。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2 精细化分析方法

通过以上原因分析可知，轨头小核伤直接识别干扰多、难度大。引入精细化分析方法，先正面尽量多识别疑似伤损，再反向排除各类非伤损杂波，最后综合小核伤出波规律、线路特性、设备状态等因素后将疑似伤损数量控制在合理范围内。在现场复核反馈后，将确认的小核伤收集入伤损图库，无异常的疑似出波入杂波图库。随着伤损图库和杂波图库的不断丰富，回放员对于小核伤的识别能力将持续增强。

2.1 正面识别各类小核伤

依靠伤损图库和出波规律正面识别小核伤。这是多年以来遵循的判伤方法。轨头核伤按材质分为母材核伤和焊缝核伤。根据线路特性，出波规律也各有特点。

2.1.1 母材核伤

（1）单线母材核伤

在单线上，钢轨踏面受双向作用力冲击，因此核伤出波规律复杂。根据轮轨关系，在曲线地段上股，核伤主要分布在轨距角位置，前、后偏内70°二次波都能检出，当前、后偏内70°二次波交叉出波且轨面状态良好，前后无杂波干扰时，是核伤的概率较高。直线地段，钢轨与车轮在轨面中心区域接触，核伤主要分布在轨颚附近和钢轨中心位置踏面下。如图1所示，从左到右依次为轨距角核伤、轨颚附近核伤、直线地段钢轨中心位置踏面下。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（2）复线母材核伤。在复线地段，因行车方向较为固定，检测方向与行车方向一致时，分布在轨距角位置的核伤由前向偏内70°二次波检出，但是受轨距角位置斜裂纹等干扰，前向偏内70°二次波单通道检出情况不多，若前后偏内70°二次波交叉出波且对比上周期有发展，则是核伤的概率较高。轨颚附近的核伤，前、后偏内70°一、二次波都能检出（出波靠近轨颚位置），当伤损发展较大后会伴随有直打内70°出波。如图2所示，从左到右依次为轨距角位置核伤和轨颚附近核伤。

2.1.2 焊缝核伤

焊缝是钢轨薄弱环节，伤损多发。在高检测灵敏探伤后发现的焊缝小核伤较多。根据焊缝类型分为闪光焊、气压焊和铝热焊，根据线路性质各有差异。单线上，前、后两个方向70°出波都可能是核伤，而复线上因受力固定，后向70°通道出波是核伤的概率较高。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

闪光焊、气压焊核伤。闪光焊、气压焊核伤出波规律大体相同，主要分布在轨头和轨颚位置。轨头位置核伤主要由阵列直打70°检出，包括内、中、外三个70°，以中70°检出居多，且出波离轨面稍远靠近轨颚（区别轨面伤损）。轨距角位置的核伤与母材出波类似，以偏内70°二次波为主。轨颚附近核伤主要表现为疑似伤损波与焊筋波在轨颚处交叉。有偏内70°和直打70°两种情况。在单线上，前后两个方向70°的通道都能检出。而在复线上，因以单向行车为主，一般由后向70°通道检出。如图3所示，分别为轨头、轨颚、轨距角位置核伤。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

铝热焊核伤。铝热焊受焊接工艺等影响，占核伤检出总数的大部分。主要分为四类。

（1）铝热焊轨头异常出波：若直打70°、偏内70°在轨头靠近轨颚出波，是核伤的概率较高。若靠近轨面，则大部分都是轨面伤损。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（2）铝热焊焊筋轨颚处异常出波：包括偏内70°和直打70°在焊筋两侧交叉出波和焊筋中间出波两种情况。偏内70°在焊筋两侧交叉异常出波，位于站内的铝热焊缝因速度慢，增益高，是核伤的概率低，大部分是焊筋溢流飞边所致。区间的铝热焊缝，若前、后偏内70°在焊筋两侧交叉后汇于一点，是核伤的概率高。若交叉后分别向两边延升，则很可能是推瘤不干净的台阶。偏内70°在焊筋中间轨颚处异常出波，则是焊接缺陷（夹渣、气孔等）引起伤损的概率较高。直打70°在焊筋另一侧（对侧）轨颚处交叉出波时，若是中70°出波，是核伤的概率很高。若是外、内70度出波，则可能是焊缝外侧或者内侧溢流飞边所致。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（3）铝热焊焊筋旁边(2 cm)轨颚处异常出波：在铝热焊缝焊筋旁边2 cm轨颚处，若出现外、中70°单通道或双通道出波，周期对比后有所发展，则是核伤的概率很高。同类型内70°和偏内70°通道异常出波的伤损，复核结果大都为轨头内侧溢流飞边、轨头内侧鱼鳞纹等情况。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（4）铝热焊焊筋一侧偏内70°二次波出波：铝热焊缝焊筋的一侧出现对侧偏内70°二次波，且出波靠近轨距角位置，则是核伤的概率高。如图四所示，分别对应四类伤损。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2.2 反向排除各类非核伤波形

反向排除各类非核伤波形是精细化分析的关键。针对高检测灵敏度探伤产生的杂波，在充分对比确认后应果断排除。随者杂波图库的不断积累，排除的杂波不断增加，极大缓解因杂波较多带来的回放压力。

（1）不符合踏面受力方向的杂波󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

在复线地段，钢轨踏面受力固定（向后的车轮作用力），因此疲劳伤损应该如“＼”分布。对于连续出现的形如“／”的异常出波，在周期对比确认无发展后可以认定为杂波，排除其伤损的可能性。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（2）斜裂纹

轨头踏面在轮轨接触应力作用下形成的在钢轨全长上分布的呈斜线状发展的轮轨接触疲劳裂纹，其出波与核伤类似，但深究其出波规律又有不同。核伤在单行线上一般有一定的倾斜角度（后向直打内70°出波为主，在增益较高时前向偏内70°二次波也会出波），且首尾角度一致。而斜裂纹一般起始点有略微倾斜，之后与钢轨踏面呈垂直出波，其长度往往不超过3 mm，之所以在B超图上显示很深，是因为在检测中产生了表面波。斜裂纹如图5所示。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（3）鱼鳞伤

鱼鳞伤主要分布于曲线上股坡道地段和道岔群内 。鱼鳞伤是由于轮轨接触形成的疲劳裂纹，其剥离裂纹与行车方向一致，因此其出波与核伤类似但也有其特点。鱼鳞伤位于钢轨近表面，在伤损较小时出波与斜裂纹类似，一般以后向直打内、中70°出波为主（较大时会重叠出波）。不同之处在于其发展较大时伴有0°底波消失，0°监视波也会在近轨面位置有出波。如图6所示。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（4）回放下发而复核无伤的疑似出波

对于回放下发的疑似伤损，复核反馈后无伤的异常出波，将收集在杂波图库中，回放中遇到类似出波且对比无发展后也认可定为杂波。如因增益过高、探轮对中不良等原因造成的各类幻象波（以道岔区居多）。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2.3 持续与探伤仪对比分析

探伤仪对小核伤的检出能力强于探伤车。为了不断提高探伤车轨头小核伤的检测识别能力，需定期对比探伤车与探伤仪的小核伤检测数据。利用钢轨探伤管理系统（收录全局所有探伤作业和伤损检出信息），重点关注探伤车过后20天内，探伤仪发现的小核伤。对于探伤车下发而探伤仪复核确认有伤的，总结出波规律，将其纳入伤损图库。对于探伤车未发而探伤仪发现的伤损，分析探伤车出波情况，若探伤车有出波而未下单的，属回放漏判，收集伤损出波规律，将其纳入伤损图库。若探伤车无异常出波的，属探伤车漏检，分析漏检原因并针对该类伤损优化检测方案，不断提高探伤车检测性能。探伤车与探伤仪小核伤对比分析表部分内容如图1所示。

                                                              表1 探伤车与探伤仪小核伤对比分析表

探伤仪检测情况							探伤车检测情况
序号	线名	行别	里程	股别	类型	伤损详情	伤损尺寸（mm）	出波情况	检出情况
1	XX线	单	K652+178	右	焊缝伤损	A一次波出0.8格	4*4	外70度出波3点	判出
2	XX线	下	K540+960	右	焊缝伤损	B一次波出波1格	6*6	中70度出波4点	判出
3	XX线	下	K215+970	右	轨头伤损	C二次波出波1格	6*6	偏内70度出4点	漏判
4	XX线	下	K639+890	左	焊缝伤损	C二次波出波0.8格	4*4	无异常出波	漏检

2.4 小核伤判伤流程

2.4.1 初次判伤

在数据回放中，根据核伤伤损图库和出波规律，先进行初次判伤。初次判伤以正面识别为主，尽可能将所有异常出波都识别出来。反向排除为辅，为了初次判伤数量不至于过多，尽量排除某些确认的杂波和固定波（减轻后续工作量），形成伤损回放表和数据质量评价表（各70°通道出波好坏、空间参数是否合理、探轮倾角是否适合等）。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2.4.2 二次判伤

再进行二次判伤，此阶段以反向排除为主。对初次判伤伤损回放表中的所有疑似核伤逐一进行二次分析，在充分对比分析后（本周期前后对比和多周期对比），有明显发展的升级处理。依据杂波图库和本次数据质量评价表，尽量排除各类杂波和固定波。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2.4.3 得出结果

最后根据线路特性、设备状态、复核难度、是否重点地段等因素综合判定，得出回放结果。回放结果中既包括升级处理的疑似核伤（出波明显，多周期对比后有明显的从无到有的发展过程），也要有出波明显的疑似核伤（符合伤损出波规律但出波点数不多），还要有不明显但可疑的疑似出波（出波理论上符合伤损发展规律但图库中未收集的）。回放结果中伤损数量尽量维持在稳定范围内，不过多（过多影响伤损确认率）也不要太少（太少不利于对未知疑似核伤出波的不断尝试）。升级处理的疑似伤损据实填写，出波明显的疑似核伤尽量填写，不明显但可疑的疑似伤损要综合考虑后确定数量。当前两类疑似伤损数量不多时，可以多发伤损走势不明显但符合发展规律的疑似伤损，有助于发现新出波特点的小核伤。轨头小核伤识别流程图如图7所示。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

3 精细化分析成效

2023年南宁局探伤车在采用精细化分析方法后，轨头核伤判出数量和伤损尺寸均取得巨大突破，对于某些取向特殊的核伤也时有判出。精细化分析法在解决高检测灵敏度探伤带来的杂波难题后又能促进探伤车尝试更高的检测参数，不断提高探伤车对轨头小核伤的检出能力。

3.1 核伤判出数量取得巨大提高

2023年南宁局探伤车检测里程达58 001 Km，共下发疑似伤损918处，确认为轨头核伤85处，确认率9.26%。2022年共检测46 808 Km，下发疑似伤损652处，确认为核伤8处，确认率1.23%。核伤确认数量和确认率取得极大提升。

3.2 核伤尺寸越来越小

2023年南宁局对普铁复线地段采用探伤车周期替代探伤仪，取得较好效果，基本达到铁路局对探伤车替代探伤仪的检测要求。统计探伤车全年检出的轨头核伤，大部分伤损尺寸都小于8 mm×8 mm，且检出不少未达重伤的焊缝核伤（小于Φ3 mm平底孔当量）。如图8所示，核伤尺寸分别为Φ3mm-4dB、Φ3mm-2dB。

3.3 判出取向特殊的核伤

2023年探伤车也判出不少取向特殊的核伤。南昆线百威段属单线，地势复杂，线路小半径曲线多且坡度较大，伤损发展极不规律。探伤车下发的南昆线百威段某处轨头伤损，后向偏内70°二次波异常出波6个点，复核确认为核伤。解剖钢轨后，发现伤损位于钢轨内侧轨面下约12 mm处，类似钢轨内部水平裂纹（位于钢轨内侧上部，外观无异常）。在钢轨横截面上，高约3 mm，宽约15 mm，有一定的倾角（往前倾，符合后向偏内70°二次波出波规律），如图9所示。

4 结束语

高检测灵敏探伤极大提升了探伤车的整体检测性能，必然成为全路探伤行业共识。通过不断收集小核伤图库和杂波图库，合理运用精细化分析方法，不断提高探伤车对小核伤的检出能力和识别能力，为探伤车彻底替代探伤仪提供强有力支撑。精细化分析方法，对于轨头小核伤的识别效果良好，可为各路局探伤车回放人员提供参考。

原文名称：基于高检测灵敏度的钢轨探伤车轨头小核伤出波图形精细化分析方法研究󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

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 530029）󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

期刊信息：高速铁路新材料    2024年10月󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮