黃 榮

（晉能控股煤業(yè)集團鐵路運營公司礦山鐵路分公司，山西 大同 037001）

超聲波鋼軌探傷儀主要是用于對鐵路鋼軌進行探傷檢測的重要儀器，是保證鐵路安全運行的重要設(shè)備，是鐵路專用計量器具的重要組成部分[1]。目前，我國常見的鋼軌超聲波探傷主要有兩類模式，其一是借助手推式鋼軌超聲探傷儀，這類儀器探傷的速度為每小時2 km，主要特征是上下道方便，能夠迅速發(fā)現(xiàn)損傷，但是存在著檢測效率偏低的缺陷；其二是應(yīng)用進口大型鋼軌超聲波探測車，極大地提升了檢測速度，實現(xiàn)了每小時探傷60 km，但是這種探傷模式存在著不能發(fā)現(xiàn)部分軌底橫向裂紋的缺陷，因此常常還需要借助手推式探傷儀復(fù)核[2]。

1 鋼軌探傷儀概述

1.1 鋼軌探傷儀含義

鋼軌探傷儀主要是用于對鋼軌表面的細小裂紋或者內(nèi)部的暗傷進行探查的專業(yè)儀器，并且還能夠探查出被夾板掩蓋處的鋼軌損傷。根據(jù)鋼軌探傷儀工作原理的差異，又可以將其劃分成電磁探傷和超聲波探傷兩類[3]。

1.2 GT-20鋼軌探傷儀簡介

GT-20鋼軌探傷儀屬于新興的第三代鐵路輕便手推式、全數(shù)字式超聲波探傷儀器，GT-20鋼軌探傷儀的誕生充分滿足了TB/T 2340－2012 《鋼軌超聲波探傷儀》中提出的對應(yīng)要求，適用于探測43 kg/m～75 kg/m的鋼軌探傷中，能夠迅速地檢測出鋼軌軌頭、軌腰、軌底存在的各種損傷，當(dāng)前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于檢測高鐵、普鐵、地鐵等各種鋼軌中[4]。

1.3 GT-20鋼軌探傷儀系統(tǒng)組成

GT-20鋼軌探傷儀應(yīng)用超聲主機聯(lián)合操作終端的模式，同時通過連接無線WIFI，賦予了擴充器互聯(lián)網(wǎng)+功能，具備人機監(jiān)測分離、GSP定位、數(shù)據(jù)在線、數(shù)據(jù)云存儲、離線實時存儲等諸多功能。GT-20鋼軌探傷儀擁有10個通道，其中1個為校對通道，剩下的均為探傷通道。

1.4 GT-20鋼軌探傷儀的功能特點

歸納起來，GT-20鋼軌探傷儀主要具備以下功能特點：1）小車車架結(jié)構(gòu)堅固、布局緊湊，方便維護；2）配備了大容量一體式的工具箱水箱；3）采用一體式探頭架，方便拆卸更換單個探頭；4）儀器的體積小，方便攜帶，采用工業(yè)三防觸摸平板；5）性能指標(biāo)良好，滿足鋼軌探傷的標(biāo)準(zhǔn)；6）擁有數(shù)據(jù)云存儲、支持GPS定位、自動語言識別等功能。

2 GT-20鋼軌探傷儀檢定內(nèi)容分析

2.1 檢定GT-20鋼軌探傷儀的衰減器

當(dāng)前是應(yīng)用串聯(lián)替代式的方法檢定GT-20鋼軌探傷儀標(biāo)準(zhǔn)衰減器的。檢定準(zhǔn)確度主要由標(biāo)準(zhǔn)衰減器的誤差決定。因此選擇2 MHz～5 MHz每12 dB誤差范圍不超過0.1 dB的標(biāo)準(zhǔn)衰減器，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中明確提出：在檢定儀內(nèi)衰減器的所有量程每12 dB檢定一點，若其中某一個點的誤差超過了0.3 dB時，提示檢定不合格，同時需要確保檢定每一個分度點。需要注意的是：衰減器衰減量跟回波的相對幅度大小二者是一一對應(yīng)的關(guān)系，在回波相同的前提下，衰減器衰減量越高，那么顯示在顯示屏上的回波高度下降，即衰減量增加，回波高度降低。在開展衰減器項目準(zhǔn)備工作時，發(fā)現(xiàn)GT-20鋼軌探傷儀在48 dB～60 dB這一區(qū)段中衰減器的誤差進行檢定工作時，標(biāo)準(zhǔn)的衰減器能夠提供減少的衰減量不足。

2.2 GT-20鋼軌探傷儀在頻率檢定中的應(yīng)用

GT-20鋼軌探傷儀脈沖信號源形成的脈沖波主要有兩種形式，最常見的是模仿鋼軌探傷儀發(fā)射的脈沖波形，波形為衰減振動波，在讀取時不宜應(yīng)用頻率計直接讀取，需要借助示波器測量法。在檢定時，需要將脈沖信號發(fā)射器連接至檢定儀，再連接至示波器的Y1端，而示波器校準(zhǔn)儀時標(biāo)輸出則連接Y2端，脈沖信號發(fā)生器屬于能夠調(diào)節(jié)幅度的脈沖信號源，作用是觸發(fā)檢定儀信號源，檢定示波器上讀出脈沖的頻率。從表面上分析，檢定儀的頻率誤差不超過5%，要求檢定儀器的精準(zhǔn)度不能超過1.6%，傳統(tǒng)的示波器顯然是無法達到這一要求的。并且并非所有的示波器都可以當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)器使用，需要建標(biāo)考核，當(dāng)誤差達到標(biāo)準(zhǔn)器的要求后才可以被當(dāng)作標(biāo)準(zhǔn)器使用。而GT-20鋼軌探傷儀的誕生，配備的數(shù)字式示波器的誤差在10-4級別內(nèi)，便實現(xiàn)了將測量誤差控制在5%的范圍內(nèi)[5]。

2.3 檢定時基線性誤差

在應(yīng)用鋼軌探傷儀檢定時基線性誤差時，結(jié)果發(fā)現(xiàn)十一個波在最終共有九個出現(xiàn)在探傷儀中的顯示屏上，其中不能被顯示的波分別是第一個和最后一個。第一個波無法被顯示出來可能是因為所處的位置為探傷儀阻塞范圍內(nèi)，當(dāng)鋼軌探傷儀的阻塞范圍和時基上的零位置越靠近時，從而抑制了該范圍接收到的波形，最終無法將其顯示出來。而最后一個波不能被顯示出來的原因可能是波形的位置處于鋼軌探傷儀顯示屏以外。針對這類現(xiàn)象，建議在檢定時基線性誤差項目時，只需將信號發(fā)生器輸出波的數(shù)量設(shè)置成九個即可。這樣的話，顯示出的第一波對應(yīng)的位置便是原本的第二個波，而第二波實際是原本第三個波所在位置，以此類推。另外，根據(jù)檢定的技術(shù)要求和規(guī)范，其中明確提出顯示屏上獲得的信號幅度應(yīng)當(dāng)是垂直刻度的80%，但是在剛剛開始鑒定時，常常出現(xiàn)顯示屏九個波幅度不一的現(xiàn)象，不能確保顯示出的每一個波幅度均符合上述規(guī)定。之所以會出現(xiàn)這一現(xiàn)象，可能是因為距離振幅修正（DAC）功能未關(guān)閉，引起每個信號在顯示屏不同時基線位置顯示的幅度不同。解決措施為：首先嘗試將鋼軌探傷儀檢定過程中的DAC功能關(guān)閉，再實施檢定，顯示屏上顯示的波形便可以符合要求[6]。

2.4 檢定垂直線誤差

檢定過程中，需要應(yīng)用鋼軌探傷儀的顯示屏將恰好是滿幅度的波形顯示出來，再借助標(biāo)準(zhǔn)的衰減器逐步將其衰減至2 dB，前后衰減的次數(shù)共八次，并將每一組的數(shù)據(jù)記錄好，最后再計算出每一組數(shù)據(jù)和理論值之間的誤差。在開展檢定工作時，建議提前調(diào)好函數(shù)號發(fā)生器上的信號延遲時間，確保波形在顯示屏水平基線的第四格至第八格中間顯示，盡可能讓波形前沿跟柵欄縱向分割線靠近，從而確保清晰且準(zhǔn)確地讀取信號幅度百分比，降低讀數(shù)不準(zhǔn)確帶來的誤差。另外，還需要注意在衰減開始之前，還應(yīng)當(dāng)確保標(biāo)準(zhǔn)衰減器余量不低于20 dB，以免發(fā)生衰減余量不足而不能獲得完整的八組數(shù)據(jù)的情況[7]。

2.5 檢定保護膜衰減值

在開展保護膜衰減值檢定工作時，首先需要調(diào)節(jié)主機衰減，保證A-1號試塊的底面或者半徑值為10 cm的圓弧面最高反射波為垂直滿刻度的80%。但是結(jié)合檢定實際工作來看，發(fā)現(xiàn)GT-20鋼軌探傷儀衰減器衰減量達到最大值時，其最高反射波的波幅依然超過100%，不滿足降低至80%波幅的要求。針對這一問題，建議在使用GT-20鋼軌探傷儀檢定保護膜衰減值時，可以將固定衰減器連接至探頭與探傷儀中間，從而保證GT-20鋼軌探傷儀顯示屏上的最高波幅降低至垂直滿刻度的80%，最終符合相關(guān)規(guī)定中提出的最高波幅幅度達到80%時讀取衰減器讀數(shù)的測試要求。

2.6 檢定探傷儀的最小觸發(fā)電壓

對觸發(fā)電壓檢定主要目的是確保檢定器中的信號能夠可靠觸發(fā)，相關(guān)規(guī)定指出，最小觸發(fā)電壓應(yīng)當(dāng)≤100 V。檢定儀器中脈沖信號發(fā)生器的脈沖幅度是可以調(diào)整的，在檢定過程中，脈沖信號發(fā)生器輸出幅度使觸發(fā)器剛好被觸發(fā)，從而在檢定儀上輸出穩(wěn)定的脈沖，此時便將示波器上的觸發(fā)脈沖信號的幅值稱為檢定儀的最小觸發(fā)電壓。鋼軌探傷儀檢定的相關(guān)規(guī)程還對脈沖的最大間隔、最小間隔檢定與單波延時范圍進行了規(guī)定。但是負載阻抗會對測試結(jié)果產(chǎn)生影響，因此需要注重評估不同檢定儀對不同輸入阻抗的鋼軌探傷儀正常檢測能力。

2.7 檢定響應(yīng)時間

檢定響應(yīng)時間時，需要借助一個裝置來形成一個和探傷儀的發(fā)射脈沖擁有同步單周期的正弦波測試脈沖，將該脈沖送至發(fā)射器中，把信號發(fā)射器的頻率調(diào)節(jié)至鋼軌探傷儀頻帶的上限截止頻率fu。然后把儀器的增益增加到其被允許的最大增益與最小增益的平均值，從而確保該儀器的顯示屏上顯示出一個幅度占全屏幅度比例為80%的回波信號。并將該儀器發(fā)生的第一個發(fā)射脈沖時間點記作t0，需要注意的是鋼軌探傷儀屏幕上擁有一個完整的全屏幅度80%的回波信號的時刻，記錄該時間點鋼軌探傷儀第二個發(fā)射脈沖時刻，將其記作t1，而t1至t0時刻表稱為數(shù)字探傷儀的響應(yīng)時間tr。也可以借助計數(shù)器將t0至t1時刻內(nèi)鋼軌探傷儀的發(fā)射脈沖數(shù)準(zhǔn)確記錄下來[8]。

3 鋼軌探傷儀計量檢定應(yīng)注意事項

3.1 優(yōu)化檢定環(huán)境與檢定條件

在應(yīng)用GT-20鋼軌探傷儀開展檢定工作時，為了提高檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性，還需要將溫度控制在23 ℃±5 ℃的范圍內(nèi)，相對濕度不超過80%，四周無影響GT-20鋼軌探傷儀性能的磁場或者機械振動。其原因是，如果環(huán)境的溫度過高，濕度過大時，會影響GT-20鋼軌探傷儀內(nèi)部的電路板，若情況嚴(yán)重時還可能引起電路短路被燒毀。而外界的磁場同樣也會影響GT-20鋼軌探傷儀的運行，從而增大了檢定結(jié)果的誤差，因此在應(yīng)用GT-20鋼軌探傷儀時，需要注意將溫度與濕度控制在合理范圍內(nèi)。若條件許可時，可以在檢定室中安裝空調(diào)，更好地控制環(huán)境的溫度與濕度[9]。

3.2 合理選擇耦合劑

在GT-20鋼軌探傷儀檢定過程中，不管是探頭和工件耦合劑之間的厚度還是聲阻抗，二者均會影響檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。當(dāng)耦合劑不同時，產(chǎn)生的聲阻抗也不盡相同，結(jié)合聲壓反射率與聲壓透射率的計算公式可以得出：當(dāng)兩種不同的材料具備的聲阻抗水平越接近，那么超聲波的聲壓發(fā)射率越低，聲壓透射率越高，便于更多的聲音進入試塊中，便于對損傷進行探測。所以，在選擇耦合劑時，盡可能使用跟試塊聲阻抗接近的耦合劑，通常以機油最佳，因為其濕潤性、黏度以及附著力剛好，并且價格便宜，獲得方便，不會對試塊產(chǎn)生腐蝕作用。

3.3 合理控制探頭的施力大小

在GT-20鋼軌探傷儀檢定過程中，假如探頭施力的力度過小，便會導(dǎo)致探頭與試塊之間的耦合層厚度過高，引起探傷的靈敏度降低。假如施力的大小不同時，便會引起耦合層的厚度不同，致使穿透過的聲能大小也不盡相同，最終在探傷儀上顯示出的回波高度也出現(xiàn)一定的差異，最終影響檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性。而以人為的方式對探頭施力的大小進行控制，難以確保每一個在探頭上施加的大小適當(dāng)、穩(wěn)定，從而影響最終的檢定結(jié)果。因此為了確保每次對探頭施加的力度合適且穩(wěn)定，避免會檢定結(jié)果復(fù)現(xiàn)產(chǎn)生不良影響，建議應(yīng)用壓塊施力的方式，例如：可以選用質(zhì)量為2 kg的探頭壓塊置于探頭上[10]。

4 結(jié)語

綜上所述，GT-20鋼軌探傷儀的誕生極大地提升了鐵路鋼軌探傷的效率，但是在探傷過程中因為各方面因素的影響，GT-20鋼軌探傷儀探傷結(jié)果的精確度會受到影響。因此，必須高度重視GT-20鋼軌探傷儀的檢定工作，圍繞其檢定內(nèi)容，嚴(yán)格執(zhí)行規(guī)范的檢定流程，提升GT-20鋼軌探傷儀檢定結(jié)果的準(zhǔn)確性，以更好地為現(xiàn)代鐵路運輸行業(yè)服務(wù)，保證鐵路運輸?shù)陌踩?/p>