一、技术背景

近年来，随着我国高速铁路的建设与发展，铁路事业发展取得较大成就。然而高速铁路大规模投入运营，客货运量的增加，对铁路安全运营提出更高要求。钢轨作为铁路设施的重要组成部分，在轮轨接触过程中，随时可能产生各种缺陷，所以对钢轨缺陷的检查尤其重要。钢轨表面裂纹就是其中一种缺陷，随着列车行使的不断冲击，钢轨表面的小裂纹可能会不断的往内部生长，最终形成大裂纹，严重者甚至会产生断轨事故，存在着严重的安全隐患。采用先进的技术手段对钢轨疲劳裂纹缺陷进行高效而可靠的检测，实现潜在事故的早期预报，对于铁路运输的安全性、乃至国民经济的发展都十分重要。目前主要用超声检测对钢轨进行探伤，解决了钢轨大部分缺陷的检查，为钢轨的维护起到了很大的作用。但由于超声检测对表面缺陷不敏感的特点，加上现场工况复杂等原因，超声很难判断甚至无法检测钢轨一些特殊部位的表面裂纹缺陷，使钢轨检测存在一定盲区。而涡流检测是一种擅长于表面缺陷检测的无损检测技术，对表面缺陷具有很高的灵敏度。它不需要耦合剂，无需接触，能可靠检测出裂纹位置及裂纹走向，并测量裂纹深度[1]。涡流检测能弥补超声在钢轨表面检测上的不足，与超声检测形成一定的优势互补。

二、涡流检测原理

涡流检测是建立在电磁感应原理基础上的一种常规无损检测技术[2]。其原理如图1所示。用交流电压驱动探头线圈产生交变磁场，当探头移动到导电材料的待测区域，探头会在被测导体内产生涡流，当导体表面或近表面出现缺陷时，将影响到涡流的强度和分布，涡流的变化又引起探头电压和阻抗的变化，根据这一变化，就可以间接地知道导体是否有缺陷的存在[3] [4]。图2所示是导体表面有无裂纹对涡流的影响。

图1

图2. 裂纹对涡流的影响

三、涡流检测技术的优点

a.非接触。

b.无需耦合剂。

c.表面、亚表面缺陷灵敏度高。

d.检测速度快，效率高。

e.检测操作简单，劳动强度低。

f.无需特殊培训，对探伤人员要求低。

g.能在高温状态下进行检测。

h.表面铁锈和涂层无需特殊处理。

i.检验结果可以实时显示和通过磁盘等记录长期保存，可在必要时回放重现，并进行分析。

四、涡流检测系统与方案

一般涡流检测系统主要由涡流检测仪器，钢轨专用涡流探头，探头线，被测工件等组成。结合涡流原理和涡流检测的特点，只需使用一台涡流仪器，利用钢轨专用涡流探头在钢轨被检部位进行移动式扫查，就可以立即得到钢轨表面是否有裂纹及裂纹的情况，如图3所示。

图3. 涡流检测钢轨方案

本方案选用广东汕头超声电子股份有限公司汕头超声仪器分公司CTS-608钢轨涡流检测仪。如图4 a)该仪器便携实用、体积小、重量轻、操作简单、功耗低，能在电池供电下连续工作 6 小时以上。该仪器内置钢轨表面裂纹检测专用工艺，可实现钢轨表面裂纹的快速检测。利用探头在钢轨被检部位移动，通过仪器阻抗平面图的显示可以确定钢轨表面有无裂纹的存在。而且仪器内嵌裂纹深度曲线算法，可以对裂纹深度进行标定，自动算出裂纹实际深度并实时显示，非常适合钢轨表面裂纹的快速检测及评估。该检测过程无需耦合剂、可非接触、方便、直观和快捷。

根据钢轨涡流检测的特点及钢轨裂纹出现部位，汕超公司分别自主研发了几款钢轨专用涡流探头，如钢轨轨底探头、钢轨焊缝探头、尖轨探头等专用探头。通过对探头结构的特殊设计，使提离效应影响小，检测更方便，实现了钢轨不同部位表面裂纹的高效、快速、精确检测。如图4 b)所示。

图4. 涡流检测系统

五、检测应用

5.1 钢轨轨头表面裂纹检测

对于钢轨轨面裂纹检测，我们采用钢轨焊缝涡流专用探头进行检查。将探头垂直放置在钢轨轨头检查面上，移动探头进行检查即可。如图5 a)为钢轨踏面裂纹情况，b)为采用涡流检测的效果。这种方式也适用其他相同表面情况的检测。

a)踏面裂纹

b)踏面检查效果
图5. 钢轨轨头表面裂纹检查

5.2 钢轨焊缝表面裂纹检测

随着钢轨线路逐渐无缝化，焊缝焊头越来越多，运能和运量的增加也使焊缝伤损逐渐增多，因此焊缝伤损也成为危害铁路安全的主要伤损之一。

由于列车的高速行驶，钢轨焊缝边界附近容易产生表面裂纹，这种裂纹存在很大的安全隐患。由于位置比较特殊，采用其他检测手段很难发现或者检测过程很复杂。使用涡流检测方法，利用专用探头沿焊缝边界，从焊缝轨底斜面，经过轨腰，一直到轨头下颚，一次完成焊缝边界的检查，操作简单，检测速度快，效率高。如图6为钢轨涡流检测焊缝边界轨腰裂纹的效果图。

图6. 轨腰6mm深人工裂纹检测效果

5.3 轨底下表面裂纹检查

目前，钢轨轨底特别是焊缝轨底下表面也经常出现裂纹，比如月牙伤等，这些裂纹损伤也是影响铁路安全运输的隐患。使用涡流检测方法，利用轨底专用探头从轨底左右扫查，可以快速的得到有无裂纹的存在。如图7是轨底4mm深人工裂纹检测效果。

图7. 轨底4mm深人工裂纹检测效果

5.4 尖轨表面裂纹检测

尖轨是道岔的重要部件，依靠尖轨的扳动，将列车引入正线或侧线方向。高速运行的列车对尖轨的冲击力大，尖轨易于磨耗和损伤，表面裂纹是其中一种。同样，使用尖轨专用探头或者焊缝探头可以对尖轨表面裂纹进行检查，可得知裂纹的深浅。如图8是尖轨裂纹涡流检查效果。

a)尖轨侧面横向裂纹

b)尖轨侧面纵向水平裂纹
图8. 尖轨裂纹涡流检查效果

六、结论

在钢轨表面裂纹的检测中，涡流检测是一种比较快速和简便的可行手段。涡流检测对表面裂纹敏感，可以对钢轨特殊部位的表面裂纹进行检查，也可以作为钢轨表面缺陷的一种复核确诊手段，与超声检测形成优势互补，使钢轨探伤得到更全面的检测。涡流检测不需要耦合剂，非接触，对钢轨表面要求不高，检测速度快，效率高，能准确判别是否有裂纹存在，并显示裂纹深度。同时对探伤人员没有太多要求，无需特殊培训，简单易学。