脉冲涡流检测技术在铁路机车车轮探伤中的应用解析

刘震,傅晔,刘彬

摘要：脉冲涡流(Pulsed Eddy Current,PEC)检测技术是用于检测铁磁性材料近表面缺陷的一种新型无损检测技术,它是利用脉冲信号进行激励,并对脉冲响应的一定特征参数进行处理的涡流检测方法,通过判断检测到的磁场最大值出现时间来达到对被检工件缺陷定性、定位和定量的目的.通过对铁路机车车轮轮芯质量状况及其检测手段现状进行调查并就脉冲涡流检测技术的工作原理、脉冲涡流检测仪设计和研制中的关键技术,以及在铁路机车车轮检测中的现场应用效果进行了论述,说明脉冲涡流检测技术是当前检测机车车轮轮芯缺陷的先进方法。

关键词：脉冲涡流检测技术；铁路机车；车轮探伤；应用解析

脉冲涡流检测技术是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种测试手段，近年来在铁路行业广泛使用。铁道部曾在1987年颁布《铁道部关于铁路机车零、部件脉冲涡流检测技术规则》，其中就对脉冲涡流检测技术的重要性，脉冲涡流检测技术人员的技术资格以及脉冲涡流检测技术的技术标准作了明确的规定。之后，铁道部又相继颁布了针对各零部件的脉冲涡流检测技术的详细标准，为铁路产品的生产及检测提供了有力的理论依据。

1、涡流检测技术优势

基于焊缝探伤超声波检测存在的不足，结合铝热焊断轨情况的统计分析，对焊缝探伤采取以超声波检测为主、涡流检测为辅的方式，将涡流检测技术引入焊缝探伤中。

1.1 焊缝折断数据分析

通过对多年焊缝折断情况的分析，认为涡流检测技术可以帮助检测出绝大多数的焊缝伤损，从而减少断轨的发生。以太原局集团公司2017年焊缝折断情况为例，在伤损导致的焊缝折断中，除1处为铝热焊内部疏松缺陷涡流检测无法发现外，其余导致焊缝折断的伤损均为涡流探伤可检测的开口型伤损（与空气相连接），占焊缝伤损导致断轨总数的92%。

1.2技术优势分析

涡流检测是一种利用电磁感应原理检测金属材料表面缺陷的探伤方法，其基本原理是用激磁线圈使导电构件内产生涡电流，借助探测线圈测定涡电流的变化量，从而获得构件缺陷的有关信息。涡流检测是一种应用较广泛的常规无损检测技术，在国内外钢轨探伤中已有应用，但主要应用于钢轨母材鱼鳞伤的检测，尚无在焊缝探伤应用的先例。

（1）适用于表面、近表面缺陷检测，与超声波检测形成有效互补。在日常焊缝探伤过程中，焊缝内部缺陷大多会被超声波探伤及时、准确发现。这些部位伤损产生的原因均为焊筋边缘的溢流飞边打磨不彻底，与钢轨表面形成类似折叠裂纹的夹缝，造成应力集中，形成疲劳裂纹，最终导致焊缝折断。其共同特点是均为表面、近表面伤损（焊筋下），这是涡流检测应用于焊缝探伤的直接原因。

（2）检测效率高，可应用于日常焊缝检测。经实测，在日常焊缝探伤过程中使用涡流探伤仪增加1遍对焊缝轨头鄂部、轨腰与轨底过渡圆弧处及轨底的扫查，检测时间增加不大于30 s，完全可在日常焊缝探伤中应用。而校对超声波无法确定的表面、近表面缺陷则效率优势更加明显，以往超声波校对短则需要10余分钟，如对轨底进行打磨验证，甚至需要几天的时间，而涡流检测仅需十几秒就可轻松验证，且结果明确、定位精准，这是涡流检测应用于焊缝探伤的主要原因。

（3）涡流探头可在狭窄区域进行检测。与超声波探头和工件的面接触不同，涡流探头与工件为点接触，探头可根据检测场所要求定制不同的形状。在以往日常探伤工作中，当无砟轨道地段焊缝轨底出现疑似伤损时，由于轨底空间不足，无法进行打磨确认，探伤人员往往处于“判则可能造成误判，不判则可能造成漏检”的两难局面，而使用涡流专用探头可轻松、快捷、准确地判定轨底是否存在开口型缺陷。

2、脉冲涡流检测技术在铁路产品生产中的应用

2.1无损检测的应用对象分析

脉冲涡流检测技术针对铁路产品的结构损伤，大致可以分为以下几种：1，金属原材料在生产过程中所产生的内部疏松。例如铸件内部的气孔和裂缝，热压板内部的砂眼和线型缺陷等。2，生产及运输过程中发生碰撞，导致金属表面产生凹坑及划伤。3，零部件长期存放及存放环境恶劣所造成的表面生锈及腐蚀。长期承受其自身重力及机车高速行驶所产生的交变冲击力，因此这四个吊梁作用及其重要。吊梁的材质为热压板，为了保证每个吊梁符合要求，在生产之前，对每个吊梁进行100%的UT检测和10%的PT或者MT抽检，发现不合格品，马上废弃。

2.2脉冲涡流检测技术的方法及应用

常用的脉冲涡流检测技术有磁粉探伤（Magnetic particle Testing缩写MT），渗透探伤（Penetrant Testing 缩写PT），超声波探伤（Ultrasonic Testing 缩写UT），涡流探伤（Eddy current Testing 缩写ET），射线探伤（Radiographic Testing 缩写RT）。每种探伤方法各有侧重又互为补充。

1. 磁粉探伤用于检查铁磁性材料零部件的表面和近表面缺陷，例如车辆的车轴、车轮、滚动轴承等。

2. 渗透探伤用于检查非松孔性材料的表面开口缺陷，由于渗透探伤设备简单，灵敏度高等特点，被广泛应用于各种零部件的探伤中。例如在牵引变流器吊梁的生产中，经常使用渗透探伤来确定吊梁表面是否存在缺陷，以及确定缺陷的大小及形状。

3. 超声波探伤几乎可以检查所有铁路产品零部件的内部缺陷，例如钢轨，车轮，轮毂等。在牵引变流器吊梁的生产中，就主要依靠超声波探伤来判定吊梁的合格与否，要求所有吊梁100%检测。

4. 涡流探伤用于检查导电材料表面和近表面缺陷，例如铁道车辆用滚动轴承滚子。

5. 射线探伤可以用于检查铁路产品零部件的内部缺陷，由于射线探伤受场地、防护、设备投资等因素制约，因此国内很多公司大多未开展此项业务。

其中五种探伤方法的优缺点对比如下:

1. 磁粉探伤磁粉检测具有下列优点：(1) 能直观的显示出缺陷的位置、大小、形状和严重成都，并可大致确定缺陷的性质。(2) 具有很高的检测灵敏度，能检测出微米级宽度的缺陷。(3) 能检测出铁磁性材料工件表面和近表面的开口与不开口的缺陷。(4) 综合使用多种磁化方法，几乎不受工件大小和几何形状的影响，能检测出工件各个方向的缺陷。(5) 检查缺陷的重复性好。(6) 单个工件检测速度快，工艺简单，成本低，污染轻。(7) 磁粉探伤-橡胶铸型法，可间断检测小孔内壁早期疲劳裂纹的产生和扩展速度。磁粉检测的局限性如下：(1) 只能检测铁磁性材料。(3) 只能检测工件表面和近表面缺陷。(3) 受工件几何形状影响会产生非相关显示。(4) 通电法和触头法磁化时，易产生打火烧伤。

2. 渗透探伤渗透检验的优点：(1) 不受被检试样的几何形状、尺寸大小、化学成分、内部结构和缺陷方位的限制。(2) 不需要特别昂贵和复杂的电子设备和器械。(3) 速度快，操作简便，可进行批量检验。(4) 检验人员经过较短时间的培训和实践即可进行检验工作。(5) 缺陷显示直观，检验灵敏度高。渗透检验的局限性：(1) 只能检验出试件开口于表面的缺陷，不能显示缺陷的深度以及内部的形状和大小。(2) 无法检测多孔材料。(3) 难以定量的控制检验操作程序，检验效果依赖人员的经验和态度。(4) 荧光法检验时，需要配备荧光灯和黑暗的工作环境。

3. 超声波探伤超声波探伤的优点：(1) 作用于材料的强度低，远低于材料的弹性极限。(2) 可以用于金属 非金属 复合材料试件的检验。(3) 比较其它检验方法，在判断缺陷的大小、位置、取向、深度、性质具有综合优势。(4) 仅需从一侧接近试件。(5) 设备轻便，对人体无伤害。(6) 相关检验数据可以自动储存。超声波探伤局限性：(1) 对材料及制件缺陷左精确的定性定量需要做深入的研究。(2) 需要使用耦合剂。(3) 对试件的形状的复杂性有一定的限制。

4. 涡流探伤涡流探伤的主要优点：(1) 检测速度快，线圈与试件不直接接触，无需耦合剂。

涡流探伤的缺点：(1) 只限于导电材料，对形状复杂试件难以进行检验，而且只能检查薄试件或厚试件的表面、近表面部位。(2) 检验结果不直观，对缺陷的判断依赖于操作人员的专业水平。

射线探伤射线探伤的优点: (1) 有永久性记录。(2) 检测结果直接，且可以对大多数的不连续性进行简单可行的标识和区分。射线探伤的缺点：(1) X、γ射线对人体有害。(2) 使用时需要较多的辅助设备，如：放射线计量笔、胶片、增感屏、签字字母和数字、像质计等。(3) 探伤区域不得有无关人员进入（必须划定曝光工作区域）。(4) 焊接接头两侧要留有足够的操作空间。(5) 评片人员要具备一定的技能。(6) 不能立即得到探伤结果。(7) 不连续性深度测定比较困难等。

3、结束语

焊缝断轨频发、焊缝探伤粗放、检测方式单一使焊缝探伤的现状已不能适应铁路重载化、快速化和高安全性的要求。在焊缝探伤设备尚无跨越式发展和根本性改进的情况下，要确保防断安全，必须多管齐下，寻找不同的探伤方法补齐钢轨防断工作中的短板。涡流检测就是一种较好的焊缝探伤方法，将其与超声波探伤相配合，可以优势互补，实现对焊缝伤损的及早及小发现，快速精准判伤，有效消除断轨隐患，同时最大程度避免漏判和误判情况。目前，太原局集团公司已为每个探伤车间配备了涡流探伤仪，应用效果良好。

参考文献

[1] 铁道部：铁道部关于铁路机车零、部件脉冲涡流检测技术规则，铁机〔2015〕628

[2] 王升贵、刘尹霞：超声波传感器在脉冲涡流检测技术中的应用，科技信息，2017(13)