钢轨探伤车山区铁路轨头核伤检测不良原因分析及对策研究

钢轨探伤车凭借其检测效率高、重复性好、受外界干扰小等优势，目前广泛运用于国内铁路母材探伤，是保障铁路运输安全的重要设备。鉴于钢轨探伤车对高速铁路、主干复线等高等级线路良好的检测效果，国内大部分铁路局都已使用探伤车周期替代探伤仪以释放劳力，缓解防断压力。受线路本身局限，对于某些速度等级低、曲线半径小且数量多的山区铁路，探伤车整体检测效果欠佳，轨头核伤检出率偏低，目前还远未达到周期替代的程度。本文基于此，以中国铁路南宁局集团有限公司（以下简称南宁局）南（宁）昆（明）线百色至威舍段（以下简称南昆线百威段）作为研究对象，在对比探伤车与探伤仪对轨头核伤检测原理后，分析山区铁路线路特性导致探伤车轨头核伤检出率低的原因，并针对相关问题提出优化方案。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

1 存在问题

南昆线百威段属单线，小半径曲线（R＜600m）较多，伤损发展不规律。统计近年来南宁局探伤检测发现的轨头核伤，南昆线百威段占总数的20%～30%，严重影响线路运输安全。近年来南昆线防断压力持续增加，人力、仪器设备等逐渐不能满足需求，利用检测效率更高的探伤车替代探伤仪似乎水到渠成。但探伤车在山区铁路整体检测效果不佳，尤其是对于轨头核伤检出率较低，严重制约探伤车周期替代探伤仪的进程。轨头核伤作为对行车威胁最大的一种钢轨伤损，直接影响防断安全。

2 探伤车轨头核伤检出率低的原因分析

2.1 轨头核伤特点

轨头横向疲劳裂纹俗称轨头核伤，是指在列车荷载的反复作用下，在轨头内部出现极为复杂的应力分布和应力状态，使细小裂纹横向扩展成核伤，直至核伤周围的钢材强度不足以抵抗轮载作用下的应力，钢轨发生突然脆断。轨头核伤是对行车威胁最大的一种钢伤损，是最危险的钢轨伤损。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，对踏面多有１０°～２５°倾角（单行线）或接近垂直（复行线）。轨头核伤主要集中在轨头内侧，轨距角位置和钢轨轨颚附近是核伤高发的两个区域。

2.2 探伤仪核伤检测原理

现役钢轨探伤仪一般采用9个探测通道进行检测。以GCT-8C为例，主要依靠6个70°探头对钢轨轨头进行全覆盖检测。前外70°（A）、后外70度(B)是将前、后两个斜70度探头沿着钢轨纵向中心轴线往外侧偏转20°，主要检测轨头外侧核伤。前直70°（E）、后直70°（F）是将斜70度探头沿着钢轨纵向中心轴线一前一后居中布置，主要检测轨头中部的核伤。前内70度（C）、后内70度(D)则是将前、后两个斜70度探头沿着钢轨纵向中心轴线往内侧偏转20°，主要负责轨头内侧核伤的检测。钢轨内侧作用边承受车辆轮对的反复作用，是核伤发生的主要区域，因此C、D通道是探伤仪检测核伤最重要、最关键的两个通道。探伤仪主要依靠C、D通道的一次波和二次波检出轨头内侧的核伤。位于轨距角位置的核伤主要依靠内70度通道二次波检出，位于钢轨轨颚部位的核伤则依靠内70度一次波和二次波检出，要特别注意一、二次波交替出现的情况。GCT-8C型探伤仪内70度超声通道检测示意图如图1所示，超声波从钢轨轨面中心入射进入钢轨踏面，在轨面与轨颚之间产生一次波，到达轨颚位置后反射产生二次波，往轨距角位置而去。GCT-8C型探伤仪探头布局如图2所示。前后向各通道以中心轴线对称分布，0度通道与后向37度通道共用一个探头居于最末端。

2.3 探伤车核伤检测原理

现役钢轨探伤车共有6个探轮（左右两侧各3个），30个独立超声通道，主要依靠直打阵列70度和XF70度对钢轨轨头进行全覆盖检测。以GTC-80型探伤车为例，直打阵列70度覆盖轨头内、中、外全部区域，主要利用其一次波检测轨头核伤。XF70度通道是Sperry公司吸取国内探伤仪检测轨头内侧核伤的良好经验而优化设计的，直接对标探伤仪的内70度通道，利用其一次波和二次波对轨头内侧核伤进行检测，期望达到与探伤仪类似的检测效果，但从目前的运用效果来看，远未达到设计初衷（尤其是二次波）。探伤车XF70度通道检测示意图如图3，GTC-80型探伤车各探轮布局图如图4所示。

2.4  探伤车检测效果不佳原因分析

南昆线百威段属单线即复行线，设计时速100km/h，为国家一级干线。全境278.3km,共有曲线300余处，其中半径小于600m的曲线占一半以上。通过对该线路区段多处轨头核伤的探伤车与探伤仪数据对比分析和钢轨解剖，得出以下结论：对于轨颚附近的核伤，探伤车检测效果良好，在设备状态良好的情况下大部分都能检出；但是对于轨距角位置的核伤，探伤车检出率很低，基本没有疑似出波，只有当伤损发展较大后才会出现直打内70度和XF70度多通道组合的异常出波。轨距角位置的核伤多发生在曲线地段上股，主要依靠XF70度二次波检测，而当前探伤车对于XF70度二次波利用率较低。

2.4.1 小半径曲线地段检测异常分析

（1）曲线上股磨耗大导致XF70度入射角角度不够。探伤车在长大直线上行驶时，轮对与钢轨在轮辋处接触，钢轨踏面形成的坡度与轮辋处接近约，此时探轮处于轨面中心，各超声通道入射角度满足设计要求。当车辆驶入小半径曲线时，受惯性影响，轮缘与曲线上股的内侧面接触，互相挤压产生导向力（轨距角位置核伤形成原因），此时轮对与钢轨踏面在轮缘处接触，曲线半径越小，上股（外股）钢轨内侧磨耗越大，最终上股钢轨踏面形成的坡度与轮缘处接近约为。如图5所示，此时曲线上下股超高形成的倾角θ和探伤车车下机构预设的横向倾角（厂家推荐为1.5°～1.7°）累加后不足以抵消钢轨踏面的坡度影响，即两者之和小于，探轮与钢轨踏面不再贴合良好而是存在间隙，0度通道不再垂直入射踏面，造成探轮内部其它超声通道尤其是XF70度在踏面的入射角度不再符合设计要求，严重影响XF70度尤其是其二次波的检测效果。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

（2）曲线地段探轮对中不良导致上股探轮偏内。如图7所示，对曲线上股探轮来说，受到向心力的作用，其与钢轨的相对位置最终会偏内，因此探轮会整体往内移动（铁科院研制的激光对中系统在小半径曲线地段整体效果欠佳）。对于前后探轮来说，因其内部0度、直打阵列70度和45度通道的检测方向与钢轨纵向剖面车辆行进方向平行，探轮沿着横截面（往内）移动对其检测效果影响不大，可忽略不计。而对于中轮XF70度通道来说却截然不同，其传播方向与钢轨纵向剖面不是平行而是成一个倾角（由钢轨纵向中心轴线往内侧偏转约20°）。当XF70在钢轨踏面的入射点往内移动时，如图3中钢轨横截面径路所示，其二次波将偏离原来检测区域，未能检测到预定轨距角位置的核伤。由于往内移动，XF70度二次波最终会检测到钢轨内侧面（上道时间较长的钢轨内侧面一般有划痕、凹坑等细微物理缺陷），在B超上表现为连续出固定杂波。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

2.4.2 检测参数增益不够高

现行探伤车的静态和动态标定办法多是参考探伤仪而制定。GB/T28426-2021中规定，探伤车动态标定伤损检出率超过85%且误报低于15%即为合格^［6］，实际作业中检测参数不得低于动态标定值。如此规定主要是为了顾全所有探伤车(高原、气候恶劣地区的探伤车)，在实际检测中若是单纯以不低于标定值作为设定准则，则离检出某些尺寸较小且取向特殊的伤损还相差甚远。

3 优化方案

通过以上调查分析，我们得知探伤车在山区铁路轨头核伤检出率低的原因，关键在于其对曲线上股轨距角位置的核伤检测能力不够。曲线上股轨距角位置核伤检出的前提是XF70度在钢轨踏面入射位置和入射角度要稳定可靠，任何细微的变化都会对检测效果造成较大影响,而二次波因其声程较长，在轨颚部位先经过一次反射等原因受影响更甚。

3.1 设置合理的横向倾角

横向倾角的设定原则是：不小于需求值（使0度通道垂直入射钢轨踏面的角度）。直线地段，钢轨踏面坡度为T₁=1/20,正常轨底坡为T₂=1/40，为保证 0°通道垂直入射踏面，则横向倾角为：

                                                           α=tan^-1T₁-tan^-1T_{2                   (式1)}

计算得α≈1.43°。探伤车下探轮横向倾角厂家设计角度为1.5°～1.7°，因此在直线地段能够保证探轮0度通道垂直入射钢轨踏面。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

曲线地段，设曲线超高为h，轮缘处坡度为T₃，标准轨距为S，钢轨轨面宽度为L，因超高而倾斜的角度为θ=tan^-1(h/S+L)，如图5所示。此时横向倾角为：  

                                                                  α=tan^-1T₃-θ                    _(式2)

通过查询南昆线资料，对比多处小半径曲线的超高数据，综合考虑后最终超高h取100mm，S为1435mm，轮缘坡度取1/10,轨面宽度取60Kg/m轨的参数为73mm，计算得α≈1.92°。因此在曲线地段为保证0度通道垂直入射钢轨踏面，需调整横向倾角至1.92°。󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

南宁局自主研发的横向倾角调整控制系统。探伤车本身可通过手动方式调整横向倾角，但步骤比较繁琐且车下空间小，只能定期调节（需停放在有地沟的检修股道）。南宁局自主研发的倾角调整控制系统，可通过调节车内手动控制盒来控制车下伺服电机，从而改变车下探伤机构的横向倾角，操作简单方便，便于对不同线路不同地段横向倾角进行调试。具体如图6所示。

3.2 往外移动中轮保证XF70度二次波有足够扫查区域

小半径曲线地段因对中不良导致的检测效果不佳一直是探伤车的难题。铁科院针对研制的激光对中系统在直线和大半径曲线地段对中效果良好，但是在小半径曲线地段，其对中效果欠佳，不能达到理想效果。此时曲线上股探轮受到向心力的作用整体偏内移动，为保证XF70在踏面入射点位置满足要求需将中轮（探轮偏内对前后轮中各超声通道影响可忽略）往外移动一个距离∆，如图7所示。中轮往外移动会影响XF70度一次波的检测区域，但探伤车特有的直打内70度能弥补该不足（XF70度一次波和直打内、中70度在此检测区域重叠），整体来说影响不大。∆依靠经验得出，曲线半径越小其值越大，一般取2～3mm。在直线地段，轮对与钢轨踏面在钢轨中心区域接触，因此轨头核伤主要集中在轨颚附近，主要依靠XF70度一次波和直打阵列70度检出，因此中轮往内移动∆对于检测直线地段轨头核伤来说影响不大。

3.3 降速检测并利用好激光对中系统

南昆线百威段小半径曲线较多，必须严格执行降速检测。曲线半径R＜600m的限速40km/h，曲线半径在600m≤R＜800m的限速50km/h，并全程限速60km/h(过往车辆不多且调度允许下可考虑限速40km/h)。在经过S形曲线时要提前预判^［7］，手动干预激光对中系统以保证对中效果良好。

3.4 发挥直打内70度的优势

南昆线百威段属单线，根据轮轨关系，钢轨踏面承受两个方向的冲击力。在直线地段，核伤多与钢轨踏面垂直分布。对于与钢轨踏面垂直的伤损，XF70度通道检出能力有限，在伤损尺寸较小时只能通过直打内70度检出，这是探伤车优于探伤仪的方面。探伤仪直打70度只覆盖钢轨中心区域，因此其对于轨头内侧垂直踏面分布的核伤检出能力有限。充分发挥探伤车直打内70度通道的优势，提升探伤车轨头核伤检出能力。直打内70度检出的核伤如图8所示。

3.5 实行高灵敏度探伤

GB/T28426-2021中规定探伤车的现场作业参数不低于动态标定值，但这只是规定了下限。日常作业中为了检出各类伤损，必须在动态标定的基础上补偿3～6dB^［8］，在不连续出杂波的情况下尽量提高检测参数。南宁局探伤车以打全区间闪光焊和气压焊作为衡量检测数据良好的标准，检测过程中以闪光焊和气压焊作为现场参照物来进行参数调节（主要针对XF70度通道）。

3.6 推行精细化对比分析回放

上述高灵敏度探伤必然导致检测数据变大，杂波变多，如何在杂波中找出伤损波是我们面临的新难题。采用精细化对比分析回放方法，先全程无差别对比回放（与上周期数据），进行初次判伤（以核伤图库为依据正面识别）；再对初次判伤中发现的疑似伤损逐一进行二次判伤（利用杂波图库反向排除），最后综合线路特性、设备状态、伤损出波规律等因素后得出回放结果。现场复核反馈后，将确认有伤的疑似出波纳入核伤图库，无异常的收集入杂波图库。随着核伤图库和杂波图库的不断壮大，探伤车对于轨头核伤的检出能力将不断增强，反过来又能促进探伤车对更高检测参数的尝试。

3.7 持续推进探伤车与探伤仪核伤数据对比

以钢轨探伤管理系统为依托，重点关注探伤车检测后20天内南昆线百威段发现的轨头核伤，定期对其探伤仪和探伤车的检测数据进行对比^［10］。对探伤车发现而探伤仪复核确认的伤损，对比两类仪器出波规律，重点对出波通道，出波位置和点数进行剖析，总结两类仪器检出轨头核伤的共同点；对于探伤车发现而未判出的伤损（漏判），重点关注探伤车出波特点，并与探伤仪出波情况进行对比，丰富判伤经验；对于探伤车未发现的伤损（漏检），主要对探伤仪出波通道、位置和大小进行总结，分析探伤车漏检的原因，并针对相关问题尝试不同的解决方法，持续积累经验，提高探伤车轨头核伤检出能力。

4 现场检测验证

2023年12月下旬，在南昆线百威段开展探伤车与探伤仪轨头核伤检测能力对比工作，即探伤车检测过后，探伤仪根据探伤车检测结果进行现场复核，并对防断重点地段进行推检。统计探伤仪发现的核伤，探伤车检出的数量和检出率取得巨大提高，具体如表1。

表1 探伤车与探伤仪轨头核伤检测能力对比表󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

探伤仪检测情况

探伤车检测情况

序号

检测日期

线名

里程

股别

伤损类型

伤损位置

伤损大小 (mm)

出波情况

检测日期

里程

出波情况

检出情况

1

12.26

南昆线

216.643

左

焊缝伤损

轨头

5*5

D通道二次波

12.21

216.685

后向XF70度二次波

判出

2

12.27

南昆线

481.97

右

轨头伤损

轨头

5*6

D通道二次波

12.24

481.92

后向XF70度二次波

判出

3

12.27

南昆线

255.28

右

轨头伤损

轨头

6*6

D通道二次波

12.21

255.305

后向XF70度二次波

判出

4

12.27

南昆线

271.42

左

焊缝伤损

轨头

4*4

D通道一次波

12.21

271.441

后向XF70度一次波

判出

5

12.27

南昆线

281.78

左

焊缝伤损

轨头

5*6

C通道一次波

12.22

281.775

前XF70度轨颚出波

判出

6

12.27

南昆线

261.722

右

轨头伤损

轨头

4*5

D通道二次波

12.21

261.787

后XF70度轨颚出波

判出

7

12.27

南昆线

262.597

左

轨头伤损

轨头

5*6

D通道二次波

12.21

262.593

后XF70二次波

漏判

8

12.28

南昆线

322.56

右

焊缝伤损

轨头

5*5

D通道一次波

12.22

322.570

后XF70度一次波

判出

9

12.28

南昆线

449.595

左

轨头伤损

轨头

6*10

C通道一次波

12.23

449.605

前、后向直打内70度

判出

10

12.29

南昆线

220.958

左

轨头伤损

轨头

4*5

D通道二次波

0.21

220.950

无异常出波

漏检

如上表所示，工务段共发现10处核伤，其中探伤车检出8处，漏判1处，漏检1处，检出率80%。检出的8处伤损中既有母材也有焊缝。母材核伤包括1处轨距角位置的核伤，大小6mm*6mm，XF70度二次波出波4个点，远离轨颚位置，通过二次波声程估算伤损位于轨距角位置，如图9所示。1处直线地段轨头内侧核伤，大小6mm*10mm，前、后直打内70度出波各3个点，同时前向XF70度一次波出波4个点，伤损与钢轨踏面接近垂直，符合单线直线地段核伤出波规律，如图8所示。焊缝核伤主要集中在铝热焊缝，XF70度一次波异常出波，有时会伴随直打内70度。漏判的1处伤损，后向XF70度二次波在轨距角位置出波2个点，且该区段前后断续有类似出波，误认为是杂波。漏检的1处伤损位于S形小半径曲线地段（半径为465m），轨距角位置，伤损取向较差且尺寸较小为4mm*5mm，探伤车检测难度较高。

5 结束语

上述研究证明，提出的优化方案确有效果。我们将持续从上述7个方面优化探伤车检测性能，提高探伤车对山区铁路轨头核伤的检出能力。在保证检测效果良好的情况下，通过探伤车部分替代等方式延长探伤仪的探伤周期，释放工务段劳力，缓解探伤压力。该研究对山区铁路占比较多的探伤车运用单位具有一定的指导意义。

文章来源：

原文名称：钢轨探伤车山区铁路轨头核伤检测不良原因分析及对策研究󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

作者信息：中国铁路南宁局集团有限公司工电检测所， 谢祺    南宁 530029󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮

期刊信息：高速铁路技术 . 2026 ,17 (01) 󠄐󠅅󠄹󠄴󠄪󠄾󠅟󠅤󠄐󠄼󠅟󠅗󠅙󠅞󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮󠇘󠆭󠆘󠇙󠆝󠅵󠇗󠆭󠆁󠄐󠇗󠅹󠅸󠇖󠆍󠅳󠇖󠅹󠅰󠇖󠆌󠅹󠄬󠅒󠅢󠄟󠄮