[科普中國(guó)]-軌頭核傷

簡(jiǎn)介

軌頭核傷起源于軌頭內(nèi)部的細(xì)小裂紋，由于軸重、速度、運(yùn)量的不斷提高，在鋼軌走行面以下的軌頭內(nèi)部出現(xiàn)極為復(fù)雜的應(yīng)力組合，使細(xì)小裂紋先是成核，然后向軌頭四周發(fā)展，直至核傷周圍的鋼料不足以提供足夠的抵抗，鋼軌在毫無(wú)預(yù)兆的情況下猝然折斷。加強(qiáng)軌道及機(jī)車車輛的養(yǎng)護(hù)，能減少核傷的發(fā)展，但無(wú)法完全消滅。軌頭內(nèi)部細(xì)小裂紋是因?yàn)殇撍泻袣錃狻８邷氐匿撍?，把冶煉中的水氣分解成氫氣和氧氣。氫氣在軋鋼過(guò)程中冷卻到臨界溫度前，一直留在鋼中，當(dāng)溫度低于200℃后，氫氣被封閉在微小的氣孔內(nèi)，這些小孔里的氣壓很高，而要放散這些氫氣，就必將出現(xiàn)細(xì)小的裂紋。

特點(diǎn)及其危害軌頭橫向疲勞裂紋俗稱軌頭核傷，簡(jiǎn)稱核傷。一般出現(xiàn)在距踏面8~12 mm和距內(nèi)側(cè)5~10 mm處，其方向與鋼軌縱剖面接近垂直，對(duì)踏面多有10°~25°傾角(單行線)或接近垂直(復(fù)行線)。核傷又分為白核和黑核，多數(shù)發(fā)生在軌頭。其形成的主要原因是鋼軌本身存在白點(diǎn)、氣泡、非金屬夾雜或嚴(yán)重偏析等缺陷，在列車的重復(fù)載荷作用下，使這些細(xì)微裂紋疲勞源逐漸擴(kuò)大而形成疲勞斑痕(即核傷)，當(dāng)疲勞斑痕沒(méi)有和外界空氣接觸時(shí)，具有平整光亮的表面，通常稱為白核；當(dāng)這種疲勞斑痕發(fā)展至軌頭表面而被進(jìn)入的水氣氧化時(shí)，稱為黑核。核傷可導(dǎo)致鋼軌橫向斷裂，是最危險(xiǎn)的鋼軌疲勞缺陷之一。西方國(guó)家鐵路以無(wú)縫線路為主，鋼軌缺陷主要為核傷，多數(shù)國(guó)家在核傷面積超過(guò)軌頭面積30%以上時(shí)才要求換軌，法國(guó)甚至放寬到55%才換軌，而我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)要求比國(guó)外要嚴(yán)得多，只要確認(rèn)是傷，就要求必須換軌1。

軌頭核傷的探測(cè)方法我國(guó)在役鋼軌探傷設(shè)備主要有鋼軌探傷車和鋼軌探傷儀兩種，探傷車探傷速度快、適應(yīng)性強(qiáng)，但靈活性差，探傷后需要人工復(fù)查。探傷儀靈敏度高，靈活性好，但穩(wěn)定性差，受操作者人為因素影響大。隨著鐵路運(yùn)輸發(fā)展，高效率的鋼軌探傷車承擔(dān)起了越來(lái)越多的探傷檢測(cè)任務(wù)，尤其在高鐵線路、高原線路上，由于區(qū)間里程長(zhǎng)、環(huán)境惡劣等原因造成人工探傷作業(yè)困難，將主要采用鋼軌探傷車進(jìn)行探傷1。

各國(guó)對(duì)核傷均采用折射角為65°~70°的超聲橫波探頭進(jìn)行探傷。我國(guó)根據(jù)核傷多出現(xiàn)在軌頭內(nèi)側(cè)上角的特點(diǎn)，多年來(lái)探傷儀一直采用二次波法，即將探頭向內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)14°~20°，利用經(jīng)軌顎反射后的二次波進(jìn)行檢測(cè)。但這些年也逐漸增加了中心直打70°（探頭向內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)0°）探傷檢測(cè)通道。我國(guó)和歐美的探傷車采用直打70°通道一次波、偏斜70°通道（向內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)14°~20°）一次波和二次波進(jìn)行檢測(cè)。線路軸重大的前蘇聯(lián)曾經(jīng)采用內(nèi)側(cè)偏轉(zhuǎn)35°的一次波檢測(cè)法2。

探傷車與探傷儀對(duì)軌頭核傷檢測(cè)的對(duì)比分析人工傷損檢測(cè)能力對(duì)比探傷儀檢測(cè)核傷靈敏度：φ 4 mm平底孔當(dāng)量，其超聲反射回的聲壓： 。

探傷車檢測(cè)核傷靈敏度：φ 3 mm橫通孔當(dāng)量，其超聲反射回的聲壓： 。

取鋼軌超聲聲程（探輪內(nèi)聲程折算到鋼軌中）100 μs ，探頭頻率2.25 MHz，則統(tǒng)一到超聲檢測(cè)靈敏度為φ 4 mm平底孔當(dāng)量時(shí)，探傷車檢測(cè)靈敏度還需補(bǔ)償。

考慮探傷車為動(dòng)態(tài)檢測(cè)，傷損在間隔采樣和自動(dòng)識(shí)別時(shí)會(huì)降低檢測(cè)靈敏度，還需要補(bǔ)償識(shí)別靈敏度6 dB（試驗(yàn)測(cè)算在最低標(biāo)定靈敏度的基礎(chǔ)上增加6 dB時(shí)，探傷車在最高檢測(cè)速度下形成3點(diǎn)連續(xù)報(bào)警反射，能夠有效識(shí)別）。此時(shí)測(cè)算出的靈敏度探傷車與探傷儀相同。

但在探傷車現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程中，由于探傷車高速運(yùn)行，其動(dòng)態(tài)耦合、鋼軌表面狀態(tài)不良、自動(dòng)對(duì)中不佳、電路干擾等不能得到足夠補(bǔ)償，為3~6 dB。因此探傷車在高速檢測(cè)和自動(dòng)識(shí)別后，對(duì)傷損的檢出靈敏度要比探傷儀低3~6 dB。

另外，超聲檢測(cè)對(duì)傷損取向非常敏感，探傷車與探傷儀核傷探測(cè)的超聲方向不同，因此對(duì)于小核傷的檢測(cè)靈敏度而言，由于探傷工藝的不同就不能簡(jiǎn)單的用增益值的補(bǔ)償來(lái)解決，出現(xiàn)互相不能檢測(cè)出的小核傷也是正常。

軌形正常情況下較大軌頭核傷對(duì)于較大軌頭核傷，探傷車會(huì)出現(xiàn)多個(gè)通道反射情況，如直打70°內(nèi)側(cè)、中間和外側(cè)，有時(shí)還有0°的底波消失，探傷儀在一個(gè)通道會(huì)出現(xiàn)明顯傷損走波。在一處道岔核傷，探傷車和探傷儀均能有效發(fā)現(xiàn)，對(duì)比分析見(jiàn)圖1。

軌形正常情況下偏于垂直的較小軌頭核傷對(duì)于偏于垂直的較小軌頭核傷，探傷車的直打GC 70°能夠有效檢測(cè)，偏斜70°沒(méi)能有效檢測(cè)，在探傷車檢測(cè)前進(jìn)行的探傷儀檢測(cè)也沒(méi)能有效檢測(cè)出來(lái)（見(jiàn)圖2）。

軌形正常情況下帶有偏斜角的較小軌頭核傷對(duì)有一定偏斜角的較小軌頭核傷，探傷車不能有效發(fā)現(xiàn)。圖3是探傷儀檢測(cè)的較小軌頭核傷并落錘的照片，探傷車沒(méi)有有效反射報(bào)警。

軌頭分離層下核傷檢測(cè)軌頭內(nèi)部沿鋼軌縱向存在分離層（見(jiàn)圖4（a））。這種分離層經(jīng)檢驗(yàn)為氧化物夾層，已發(fā)現(xiàn)的分離層在軌頭內(nèi)縱向延伸，接近水平狀態(tài)，短的有30～40 mm，長(zhǎng)的超過(guò)100 mm。無(wú)論是探傷車還是探傷儀，都無(wú)法檢測(cè)到氧化物夾層。含有氧化物夾層的鋼軌鋪設(shè)上線后，以?shī)A層為傷損源，經(jīng)過(guò)列車重復(fù)作用，在氧化層下部又發(fā)展出軌頭橫向裂紋（核傷）（見(jiàn)圖4（b））。對(duì)于分離層下的核傷，由于分離層的阻隔，探傷車直打70°不能有效發(fā)現(xiàn)，但探傷車的偏斜70°通道和探傷儀偏斜檢測(cè)方式能夠發(fā)現(xiàn)此類傷損。

嚴(yán)重磨耗下的軌頭核傷檢測(cè)嚴(yán) 重 磨 耗 的 鋼 軌 （ 見(jiàn) 圖 5（a））本身就是重傷軌，需要馬上更換。因種種原因沒(méi)有及時(shí)更換的鋼軌，其探傷檢測(cè)非常困難。對(duì)于嚴(yán)重磨耗鋼軌內(nèi)側(cè)產(chǎn)生的核傷（見(jiàn)圖5（b）），探傷車直打70°基本不能發(fā)現(xiàn)該類傷損。這類較大傷損，探傷車偏斜70°和探傷儀在一定條件下能夠檢測(cè)到，但往往還未能檢出便發(fā)生斷軌。這需要放寬檢測(cè)指標(biāo)，縮短檢測(cè)周期2。