Министерство транспорта Российской Федерации
Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Дальневосточный государственный
университет путей сообщения»
Кафедра «Железнодорожный путь, основания и фундаменты»
А.С. Катен-Ярцев
МЕТОДЫ
РЕЛЬСОВОЙ
ДЕФЕКТОСКОПИИ
Рекомендовано
Методическим советом ДВГУПС
в качестве учебного пособия
Хабаровск
Издательство ДВГУПС
2011
УДК 625.143.3:620.179(075.8)
ББК О211-082.510.3я73
К 293
Рецензенты:
Доктор технических наук, заместитель директора по научной работе
Дальневосточного филиала Всероссийского научно-исследовательского
института физико-технических-радио измерений
Ю.Б. Дробот
Кафедра естественных и общетехнических дисциплин Хабаровского филиала
Новосибирской государственной академии водного транспорта
(заведующий кафедрой кандидат физико-математических наук
А.В. Гаврилов)
Доктор технических наук, заведующий кафедрой
«Железнодорожный путь, основания и фундаменты» Дальневосточного
государственного университета путей сообщения, профессор
Г.М. Стоянович
К 293
Катен-Ярцев, А.С.
Методы рельсовой дефектоскопии : учебное пособие / А.С. Катен-Ярцев. – Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2011. – 69 с. : ил.
Учебное пособие соответствует ГОС ВПО подготовки дипломированных специалистов направления 270200 «Транспортное строительство», специальности 270204 «Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство» по дисциплине «Методы и средства диагностики и мониторинга железнодорожного пути».
Изложены причины зарождения и развития дефектов в рельсах. Приведена их классификация. Рассмотрены физические основы методов обнаружения дефектов. Приведены направления практической реализации различных методов в рельсовой дефектоскопии.
Предназначено для студентов 4-го и 5-го курсов очного, 5-го и 6-го курсов заочного обучения. Может быть полезно слушателям института повышения квалификации и инженерно-техническим работникам путевого хозяйства.
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите группы причин зарождения и развития дефектов.
2. Назовите виды и причины зарождения дефектов на поверхности катания головки рельса.
3. Опишите зарождение и развитие поперечных трещин в головке рельса.
4. Назовите причины вертикальных и горизонтальных расслоений в головке рельса.
5. Опишите дефекты из-за смятия головки рельса.
6. Назовите причины зарождения и развития дефектов в шейке и подошве рельсов.
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕФЕКТОВ РЕЛЬСОВ
И ПОВРЕЖДЕНИЙ
Классификация дефектов рельсов (НТД/ЦП-1-93) предназначена для статистического учета, анализа уровня эксплуатационной стойкости и надежности рельсов. Все дефекты в зависимости от их типа, расположения по сечению рельса, причин их происхождения и места расположения по длине рельса имеют свой цифровой код. Используется следующая структура кодового обозначения: первая цифра определяет вид дефекта рельсов и место его появления по элементам сечения рельса (головка, шейка, подошва), вторая цифра определяет разновидность дефекта рельсов с учетом основной причины его зарождения и развития, третья цифра указывает на место расположения дефекта по длине рельса. Первые две цифры отделяются от третьей точкой [15].
Вид дефекта рельсов и место его появления по элементам поперечного сечения рельса (головка, шейка, подошва) определяются цифрами (группы дефектов):
1 – отслоения или выкрашивания металла на поверхности катания головки рельса;
2 – поперечные трещины в головке рельса и изломы из-за них;
3– продольные горизонтальные и вертикальные трещины в головке рельса;
4 – пластические деформации (смятие), вертикальный, боковой и неравномерный износ головки рельса;
5 – дефекты и повреждения шейки рельса;
6 – дефекты и повреждения подошвы рельса;
7 – изломы рельса по всему сечению;
8 – изгибы рельса в вертикальной и горизонтальной плоскостях;
9 – прочие дефекты и повреждения рельса.
Разновидность дефекта рельсов с учетом основной причины его зарождения и развития (второй знак) определяется цифрой:
0 – дефекты, связанные с отступлениями от технологии производства рельсов;
1 – дефекты, зависящие от металлургического качества рельсовой стали (местные неметаллические включения, вытянутые вдоль направления прокатки в виде дорожек – строчек) и связанной с этим недостаточной контактно-усталостной прочностью рельсового металла;
2 – дефекты, связанные с некачественной обработкой торцов;
3 – дефекты, связанные с нарушением требований инструкции по текущему содержанию железнодорожного пути, а также с нарушением в технологии обработки болтовых отверстий рельсов металлургическими комбинатами, линейными подразделениями и промышленными предприятиями путевого хозяйства дорог;
4 – дефекты, связанные с усиленным специфическим воздействием подвижного состава на рельсы (буксование, юз, ползуны и т. д.), в том числе из-за нарушения режимов вождения поездов или из-за недостатков содержания экипажной части подвижного состава;
5 – дефекты рельсов, полученные в результате механических воздействий на рельсы (удар инструментом, рельса о рельс и т. п.);
6 – дефекты в зоне сварных стыков, связанные с недостатками и нарушениями технологии сварки рельсов;
7 – дефекты, связанные с недостатками технологии закалки рельсов;
8 – дефекты, связанные с недостатками и нарушениями технологии наплавки рельсов или приварки рельсовых соединителей;
9 – дефекты, вызванные коррозией или другими, не перечисленными выше причинами.
Буквы «В» и «Г» после второй цифры означают соответственно «вертикальную» и «горизонтальную» ориентацию дефекта (трещины) в рельсе.
Цифровое обозначение места расположения дефекта (третья цифра в коде дефекта) принято следующим:
1 – в стыке (на расстоянии до 75 см от торца);
2 – вне стыка;
3 – в зоне контактной стыковой сварки рельсов.
Отсутствие третьей цифры в коде дефекта означает, что дефект может быть расположен в любом месте по длине рельса. Всего в классификации 38 дефектов (табл. 2.1).
Таблица 2.1
Классификация дефектов и повреждений рельсов
Код
Описание дефекта
I группа. Отслоение и выкрашивание металла на поверхности катания
10.1-2
Отслоение и выкрашивание из-за волосовин, закатов, плен и др.
11.1-2
Выкрашивание в рабочей выкружке головки из-за недостаточной контактно-усталостной прочности металла
14.1-2
Выбоксовины и поперечные трещины вследствие боксования и движения колес юзом
17.1-2
Выкрашивание закаленного слоя
18.1
Выкрашивание наплавленного слоя
II группа. Поперечные трещины в головке рельса и изломы из-за них
20.1-2
Из-за внутренних надрывов (флокены, газовые пузыри и др.)
21.1-2
Из-за недостаточной контактно-усталостной прочности металла
24.1-2
Поперечные трещины, вызванные проходом колес с ползунами
25.1-2
Вызванные ударами по рельсу или другими повреждениями
26.3-8
В сварном стыке
27.1-2
Закалочные трещины в закалочном слое металла
III группа. Продольные трещины в головке рельса
30В.1-2
Вертикальное расслоение головки
30Г.1-2
Горизонтальное расслоение головки
38.1
Вызванная приваркой стыкового соединения
IV группа. Смятие и неравномерный износ головки
40.1-2
Волнообразная деформация головки (длинные волны)
41.1-2
Смятие из-за недостаточной прочности металла
43.1-2
Смятие головки внутреннего рельса в кривой из-за его перегруза
44.2
Боковой износ сверх допускаемых норм
46.3-8
Смятие в виде «седловины» в месте сварного стыка
47.1
Смятие в виде «седловины» с закаленным концом
49.1-2
Волнообразная деформация (короткие волны)
V группа. Дефекты и повреждения шейки
50.1-2
Расслоение шейки
52.1-2
Продольная трещина в шейке под головкой и около подошвы
53.1-2
Трещины от болтовых отверстий
55.1-2
Продольная трещина по середине шейки
56.3
Трещина в шейке в сварном стыке
59.1-2
Коррозия шейки
Окончание табл. 2.1
Код
Описание дефекта
VI группа. Дефекты и повреждения подошвы
60.1-2
Продольные трещины, выкол подошвы и излом рельса из-за волосовин в подошве
62.1-2
Выкол подошвы без видимых дефектов металла
65.1-2
Трещины и выкол подошвы из-за повреждений ударами
66.3-8
Трещины в подошве сварного шва
69.1-2
Коррозия подошвы
VII группа. Изломы рельса по всему сечению (кроме изломов по II группе)
70.1-2
Из-за шлаковых включений и других дефектов металла
74.1-2
Вызванные проходом колес с ползунами
79.1-2
Без видимых пороков в изломе
VIII группа. Изгибы рельсов
85.1-2
Изгиб рельсов в любой плоскости
86.3
Изгиб в сварном стыке
IX группа. Другие дефекты и повреждения, кроме групп I–VIII
99.1
В стыке
99.2
Вне стыка
99.3
В сварном стыке
Каталог дефектов рельсов (НТД/ЦП-2-93) предназначается для правильного определения вида дефектов, причин их появления и развития. В нем представлены способы выявления дефектов рельсов и даны указания по эксплуатации поврежденных рельсов в зависимости от вида и характеристик дефектов.
Классификация и каталог дефектов и повреждений элементов стрелочных переводов представлены в дополнении к НТД/ЦП-1-93 и 2-93 от 1996 г. [16].
При составлении классификации дефектов и повреждений элементов стрелочных переводов сохранены принципы классификации, изложенные в НТД/ЦП-1-93.
Все специфические дефекты, повреждения и изломы элементов стрелочных переводов обозначены буквами, двузначным числом и вспомогательной третьей цифрой. Первая буква в коде дефекта означает, что дефект классифицирован по дополнению к НТД/ЦП-1-93, вторая буква обозначает элемент перевода: О – остряк, Р – рамный рельс, У – усовик крестовины, УН – усовик крестовины с непрерывной поверхностью катания, С – сердечник крестовины, СН – сердечник крестовины с непрерывной поверхностью катания, Х – ходовые рельсы у контррельсов, К – контррельсы. Цифры характеризуют вид дефекта или повреждения, место их расположения по сечениям элементов стрелочных переводов и основные причины их возникновения. Например: ДО.11.2 – буква «Д» означает, что дефект классифицирован по дополнению к НТД/ЦП-1-93, буква «О» – дефект расположен в остряке, 11.2 – выкрашивание металла из-за недостаточной контактно-усталостной прочности металла (11), дефект расположен вне стыка (2). Таким же образом расшифровываются и другие номера дефектов и повреждений элементов стрелочных переводов.
Вопросы для самоконтроля
1. В чем заключаются задачи классификации дефектов рельсов?
2. Что является основой классификации дефектов рельсов?
3. Как формируются коды дефектов?
4. Назовите особенности классификации дефектов стрелочных переводов.
3. ПРИЗНАКИ ДЕФЕКТНЫХ
И ОСТРОДЕФЕКТНЫХ РЕЛЬСОВ
Признаки дефектных и остродефектных рельсов, маркировка рельсов с дефектами и правила пропуска поездов с остродефектными рельсами содержатся в НТД/ЦП-3-93 [15].
Отказ рельса вызывается дефектом, при котором исключается пропуск поездов (полный отказ, например, при изломе рельса) или возникает необходимость в ограничении скоростей движения поездов (частичный отказ, например, образование волнообразных неровностей на поверхности катания головки рельса и т. п.). Рельсы в зависимости от вида их повреждения и дефекта подразделяются на остродефектные и дефектные.
Остродефектный рельс – это рельс, представляющий прямую угрозу безопасности движения из-за возможного разрушения под поездом или схода колес с рельса из-за его повреждения. После обнаружения остродефектный рельс подлежит немедленному изъятию из пути (замене).
Дефектный рельс – это рельс, у которого в процессе эксплуатации произошло, как правило, постепенное снижение служебных свойств ниже нормативного уровня, однако еще обеспечивается безопасный пропуск поездов, хотя в ряде случаев уже требуется введение ограничения скоростей движения. Такие рельсы заменяются в плановом порядке. Режим их эксплуатации до момента устранения дефектов или планового изъятия решается в зависимости от конкретных условий с учетом рекомендаций нормативно-технической документации. План замены дефектных рельсов разрабатывается начальником дистанции пути в конце каждого года на предстоящий год и утверждается начальником службы пути, при этом в первую очередь планируется смена рельсов, из-за которых уже ограничена или может быть ограничена в течение года скорость движения поездов, а также на мостах, в тоннелях и на подходах к ним.
Для замены дефектных рельсов на рабочих отделениях, линейных участках и дистанции пути должен быть их покилометровый запас.
Основными признаками, определяющими остродефектные рельсы в главных и приемоотправочных путях, являются:
• поперечные, продольные или наклонные, видимые или внутренние (выявляемые дефектоскопными средствами) трещины в головке независимо от их размера (кроме поперечных трещин в головке рельсов типа Р65 и Р75, не выходящих на поверхность и не заходящих за середину головки, взятых в шестидырные накладки на четыре крайних болта), т. е. все дефекты второй и третьей групп (20; 21; 24; 25; 26; 27; 30В; 30Г; 38), а также дефекты 14 и 18 при наличии поперечных трещин;
• продольные трещины и выколы из-за них в местах перехода головки в шейку, начинающиеся с торца рельса с одной или двух сторон шейки, независимо от их размера (дефект 52.1), а также рельсы с выколом части головки или аналогичными трещинами длиной более 30 мм, расположенными вне концов рельса (дефект 52.2);
• трещины от болтовых отверстий (дефект 53) и трещины в шейке рельса, независимо от их размеров (дефекты 50, 55 и 56);
• местный износ или коррозия кромки подошвы рельсов (дефект 69) глубиной более 8 мм для рельса типа Р75, более 7 мм – Р65 и более 6 мм – Р50 и легче, продольные и поперечные трещины в подошве, независимо от размеров, в том числе трещины коррозионно-усталостного происхождения, выколы части подошвы рельса (дефекты 60; 62; 65; 66);
• поперечный излом рельса (дефекты 70; 74; 79).
Признаки, определяющие остродефектные рельсы в станционных путях:
• рельсы с выколом головки;
• рельсы с вертикальным износом, при котором реборды колес подвижного состава задевают гайки путевых болтов;
• рельсы с поперечным изломом;
• рельсы с другими дефектами, необходимость немедленной замены которых устанавливается дорожным мастером.
Признаками, определяющими дефектные рельсы в главных и приемо-отправочных путях, являются:
• превышение нормированного, бокового или вертикального износа головки рельса;
• превышение нормированной деформации поверхности катания головки рельса, т. е. при глубине дефектов 14, 40, 46.3, 49 более 1мм и дефектов 41, 47.1 – более 1,5 мм;
• рельсы в главных путях с грузонапряженностью более 25 млн. ткм брутто/км в год, имеющие выкрашивание на поверхности катания головки (дефект 10) или на ее выкружке (дефект 11) глубиной более 3 мм при длине более 25 мм, а также в главных путях при грузонапряженности менее 25 млн. ткм брутто/ км в год и во всех приемоотправочных путях при выкрашивании глубиной более 4 мм и длине более 35 мм;
• рельсы, имеющие выкрашивание закаленного слоя в стыке (дефект 17.1) на длине более 25 мм при глубине более 3 мм или при глубине более 3 мм на остальной части рельса (дефект 17.2), а также имеющие выкрашивание закаленного слоя на длине более 25 мм или глубину более 3 мм (дефект 18);
• рельсы с продольной горизонтальной трещиной под головкой длиной до 30 мм, не выходящей на торец (дефект 52.2), или краснотой под головкой как признаком этой трещины;
• рельсы, пораженные коррозией шейки (дефект 59) на глубину более 2 мм для типа Р50 и легче, более 3 мм – Р65 и более 4 мм – Р75, а также имеющие местный износ подошвы от костылей и других деталей скреплений или коррозию подошвы (дефект 69) на глубину более 6 мм для типа Р50 и легче, 7 мм – Р65 и 8 мм – Р75;
• рельсы, имеющие длину менее 4,5 м (исключая рельсы на стрелочных переводах, длина которых установлена эпюрой);
• рельсы с отрубленными (неопиленными) или отрезанными газопламенным способом концами независимо от длины, а также рельсы с прожженными отверстиями.
Признаки, определяющие дефектные рельсы в станционных путях:
• рельсы, имеющие износ, превышающий нормативный;
• рельсы с трещинами в головке, шейке, подошве и местах перехода шейки в головку и подошву;
• рельсы с выколом подошвы;
• рельсы с «провисшими» концами, включая смятие, на 8 мм и более, а также с уширением головки внутрь колеи, которое делает невозможным содержание ее по ширине в пределах допусков;
• рельсы короче 4,5 м (исключая рельсы на стрелочных переводах, длина которых установлена эпюрой).
Остродефектные и дефектные рельсы, выявленные при дефектоскопном или другом контроле, маркируются следующим образом:
◦ на шейке с внутренней стороны колеи на расстоянии около 1 м от левого стыка (зазора) светлой масляной краской наносят: для остродефектных рельсов – два, а для дефектных рельсов – один косой крест;
◦ на шейке рядом с дефектом с той стороны, с которой виден дефект (или всегда с внутренней стороны колеи, если дефект обнаружен дефектоскопными средствами), повторяются два косых креста для остродефектных рельсов и один косой – для дефектных рельсов с указанием кода дефекта. Если дефект распространен по всей длине рельса, то в середине рельса указывают номер кода этого дефекта с черточками – соответственно перед и после кода (-44-). Если дефект расположен на левом конце в пределах стыка, то код дефекта ставят рядом с первой маркировкой и вторую маркировку не делают. При расположении дефекта на правом конце рельса в пределах стыка дополнительно к первой маркировке повторяют ее на правом конце с указанием кода дефекта. При замене остродефектного рельса с обнаруженным в нем дефектом маркировку делают сразу же после изъятия его из пути.
По остродефектным рельсам с трещинами без полного излома возможен пропуск отдельных поездов со скоростью движения не более 15 км/ч, а в необходимых случаях с проводником. По рельсам типа Р75 и Р65 с внутренними трещинами, не выходящими на поверхность, разрешается пропуск поездов со скоростью до 25 км/ч.
По рельсам с поперечным изломом или выколом части головки без принятия специальных мер пропуск поездов не допускается.
Если поезд остановлен у лопнувшего рельса (полный отказ), по которому согласно заключению бригадира пути, а при его отсутствии – машиниста, возможно пропустить поезд, то по нему разрешается пропустить только один первый поезд со скоростью не более 5 км/ч.
По лопнувшему рельсу в пределах моста или тоннеля пропуск поездов во всех случаях запрещается.
Порядок пропуска поездов в каждом отдельном случае устанавливает работник дистанции пути по должности не ниже бригадира.
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите признаки остродефектных рельсов.
2. Назовите признаки дефектных рельсов.
3. Как маркируются дефектные и остродефектные рельсы?
4. Как осуществляется пропуск поездов по остродефектным рельсам?
4. ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ
МАТЕРИАЛА РЕЛЬСА НА ЗАРОЖДЕНИЕ, РАЗВИТИЕ
И ВЫЯВЛЯЕМОСТЬ ДЕФЕКТОВ
Выявление дефектов на стадии зарождения и количественное прогнозирование их роста до опасных размеров – приоритетная задача совершенствования технических средств и организации неразрушающего контроля рельсов. Обязательным этапом ее решения является всесторонняя оценка напряженного состояния материала рельсов от стадии, предшествующей зарождению соответствующего дефекта, до необходимости изъятия рельса из пути. В ГОСТ 18576-96 «Контроль неразрушающий. Рельсы железнодорожные. Методы ультразвуковые» назван перспективным метод контроля на основе выявления аномально высоких механических напряжений в рельсе как предвестников зарождения в нем дефектов [7].
Здесь анализируется картина трещинообразования в зоне болтовых отверстий рельса в связи с особенностями напряженного состояния его материала. Результаты анализа акцентируют внимание на специфике дефектоскопного контроля рельсов в зоне болтовых отверстий кода 53.1.
Рельсы с трещинами в зоне болтовых отверстий уже при незначительных их размерах являются остродефектными и подлежат незамедлительному изъятию из пути. Техническое совершенствование средств рельсовой дефектоскопии обязательно сопровождается повышением надежности контроля болтовых стыков. Дефект кода 53.1 – трещины в болтовых отверстиях – остается проблемным для выявления, особенно при зарождении и на ранней стадии развития. Это связано с наличием разнообразных структурных и конструктивных отражателей в стыковой зоне, усложняющих контроль с недоступностью для натурного осмотра.
Опыт дефектоскопии свидетельствует о возможности развития дефекта 53.1 в короткие сроки от малых размеров до излома рельса. Актуальна проблема обнаружения его на стадии зарождения. Обоснованная направленность дальнейшего развития технических средств решения этой проблемы требует объективного представления картины трещинообразования в болтовых отверстиях рельса, подкрепленной анализом напряженного состояния его материала.
Осевое растяжение и сжатие в рельсе. Этот вид деформации вызывается продольными силами. К ним относятся силы торможения, а также усилия, связанные с температурными удлинениями и укорочениями стыкующихся рельсов. Первые в наибольшей степени проявляются на участках с большим уклоном, а вторые – в сезонные периоды максимальных положительных и отрицательных температур. При этом виде деформаций два смежных сечения в зоне болтового отверстия, в соответствии с гипотезой плоских сечений, отдаляются (при растяжении) и сближаются (при сжатии), оставаясь параллельными. В поперечном сечении действуют только нормальные растягивающие или сжимающие напряжения, МПа, равномерно распределенные по всему сечению (рис. 4.1). Величина их зависит от продольной силы N и площади поперечного сечения F
. (4.1)
Такой характер распределения напряжений способствует зарождению или развитию уже возникших вертикальных трещин как над отверстием, так и под ним. Появлению их способствует уменьшение площади поперечного сечения болтовым отверстием. Учитывая, что материал рельсовой стали одинаково сопротивляется растяжению и сжатию, можно считать равной вероятность развития таких трещин как при растяжении, так и при сжатии, т. е. при высоких положительных и отрицательных температурах.
Касательных напряжений в поперечном сечении при этом нет. Но они действуют по наклонным сечениям, достигая максимума в сечении под углом 45о к поперечному, МПа,
. (4.2)
Эти напряжения при достижении соответствующего предела могут привести к зарождению сдвига по указанным сечениям и появлению соответствующего дефекта. Вероятность его появления усугубляется локальным взаимодействием болта с поверхностью болтового отверстия с одной или с другой стороны, вдоль оси рельса в зависимости от сезона.
Рис. 4.1. Осевое растяжение в зоне болтового отверстия
Прямой изгиб рельса. Этим видом деформаций в несколько упрощенном представлении чаще всего отражают взаимодействие рельса с поездной нагрузкой.
Внутренними усилиями в материале рельса при этом являются соответственно изгибающий момент и поперечная сила (рис. 4.2). От действия изгибающего момента в поперечном сечении возникают нормальные напряжения, МПа. Величина их в произвольной точке сечения определяется по формуле
, (4.3)
где – величина изгибающего момента в данном сечении, определяемая предшествующими расчетами рельса-балки на изгиб, МПа; – момент инерции сечения рельса данного типа, см4, который указывается в его характеристиках; – расстояние от рассматриваемой точки сечения до оси , см.
В соответствии с этой формулой на нейтральном слое нормальные напряжения равны нулю. Учитывая распределение нормальных напряжений, следует отметить незначительное влияние их при прямом изгибе на зарождение трещин вокруг болтового отверстия, располагающегося в зоне нейтрального слоя. Но влияние на развитие имеющихся вертикальных трещин они оказывают. От действия поперечных сил в поперечном сечении действуют касательные напряжения.
Рис. 4.2. Прямой изгиб рельса: 1 – начальное положение сечения; 2 – повернутое сечение
Максимальные значения касательных напряжений имеют место в уровне нейтрального слоя (рис. 4.2). Они способствуют зарождению и развитию горизонтальных и вертикальных трещин в зоне болтового отверстия. В случаях, когда болт от действия продольных сил упирается в стенку отверстия, воздействие максимальных касательных напряжений при изгибе особенно опасно с позиции развития этого дефекта.
Согласно теории напряженного состояния, в любой точке поперечного сечения, где касательные напряжения не равны нулю, действует закон парности касательных напряжений – действие их по взаимно перпендикулярным плоскостям – поперечной и продольной (точка С). В точках, не лежащих на нейтральном слое (например, точка Д), материал рельса находится в плоском напряженном состоянии. Здесь есть нормальные и касательные напряжения и не максимальных величин, но их сочетание создает достаточно большие нормальные напряжения в точке Д, действующие по площадкам под углом к продольной оси рельса. Эти площадки называются главными, а действующие по ним напряжения – главными напряжениями . С этими напряжениями связано развитие дефектов по разнообразным наклонным направлениям от отверстия.
Косой изгиб рельса. Этот вид деформации заключается в том, что плоскость действия сил на поверхности катания рельса, проходя через продольную ось , не проходит через вертикальную ось симметрии поперечного сечения . При этом изогнутая ось стержня (рельса) не лежит в плоскости действия сил. Ось, разделяющая сечения на зоны сжатия и растяжения (нейтральная ось), не совпадает с осью . Она отклоняется от нее на угол и не идет параллельно подошве и поверхности головки (рис. 4.3).
Этот вид деформации рельса имеет место чаще всего на кривых участках, при просадках пути и т. д.
Для анализа напряженного состояния материала деформацию условно разлагают на два прямых изгиба: с поворотом сечения вокруг оси под действием изгибающего момента My и вокруг оси под действием Mz.
Нейтральная линия сечения проходит под углом к оси .
Рис. 4.3. Косой изгиб рельса: 1 – точка с максимальным сжимающим напряжением 1;
2 – точка с максимальным растягивающим напряжением 2
Характерной особенностью этого вида деформаций является наличие в поперечном сечении точек 1 и 2 с соответственно максимальными сжимающими и растягивающими напряжениями – кромочными напряжениями. Эти точки наиболее опасны с позиций работы рельса по всему сечению под нагрузкой.
Влияние напряженного состояния на зарождение и развитие трещин в зоне болтового отверстия также аналогично изложенному выше. Разница заключается в том, что выходы трещины на внутреннюю и наружную грань шейки не лежат в плоскостях поперечных сечений и имеют разную ширину раскрытия.
Изгиб силами, не лежащими в одной плоскости. Этот вид деформаций есть частный случай косого изгиба. Он наиболее объективно отражает работу рельса под поездной нагрузкой в кривых. Особенность его в том, что на участке рельса, в данном случае в зоне стыка, действуют не лежащие в одном поперечном сечении горизонтальная и вертикальные силы. Изогнутая ось рельса представляет собой пространственную кривую. В каждом поперечном сечении рассматриваемого участка нейтральная линия по-разному наклонена к оси (). На рис. 4.4 деформация представляется двумя прямыми изгибами – с поворотом двух смежных сечений вокруг оси от вертикального изгибающего момента и вокруг оси от горизонтального – и действием поперечных сил вдоль осей и .
В данном случае, как и в вышеизложенном, плоскости дефектов развернуты вокруг осей и . Материал испытывает объемное напряженное состояние, степень проявления дефекта на противоположных гранях шейки разная. Это обусловливает специфику контроля дефекта 53.1 в кривых участках. Поворотом напряженных сечений в пространстве и сдвигом их по разным осям объемное напряженное состояние материала способствует зарождению и развитию трещин от болтового отверстия в разнообразных направлениях.
Рис. 4.4. Изгиб силами, не лежащими в одной плоскости:
1 – начальное положение сечения; 2 – повернутое сечение
Кручение рельса. При этом виде деформации два смежных поперечных сечения рельса поворачиваются вокруг продольной оси в противоположные стороны (рис. 4.5). В сечениях действуют внутренние усилия – крутящие моменты. Они обусловлены действием на рельс сил, имеющих плечо относительно оси . Таковыми являются действующие на головку рельса горизонтальные силы от бандажей, вертикальные силы, линия действия которых не совпадает с осью , наклонные силы с линией действия, также не пересекающей ось . Вероятность такого вида деформаций рельса в зоне стыка особенно значительна из-за относительной прерывистости рельсовой нити.
Рис. 4.5. Кручение рельса
В поперечном сечении подверженного кручению рельса имеют место касательные напряжения. Максимальные напряжения возникают в наиболее удаленных от оси точках, а на оси отсутствуют.
Проанализируем напряженное состояние шейки в трех точках на линии болтового отверстия на его поверхности.
В точке А распределенные по вертикали напряжения равны нулю, а по горизонтали – максимальные. Но этот максимум незначителен, так как из-за небольшой толщины шейки точка А близка к оси Х.
Следовательно, влияние только кручения на развитие здесь дефекта мало́.
Точка В с этих позиций – самая экстремальная из трех точек, так как здесь действуют оба фактора касательных напряжений.
Согласно теории напряженного состояния, нормальные напряжения имеют место по площадкам под углом 45о к продольной и поперечной осям (главные напряжения) . Таким образом, в точке В при кручении создаются условия для развития как вертикальных трещин, так и наклонных под углом 45о к продольной оси рельса. Аналогичный анализ проводится и для точки С
с соответствующими результатами.
В точке результаты анализа идентичны результатам в точке .
Необходимо отметить, что при кручении возникновение трещин возможно только с поверхности шейки.
Изгиб с кручением. Этот вид сопротивления более реален, чем чистое кручение при работе рельса под поездной нагрузкой. Обращаясь к рассмотренным выше деформациям, отметим действие, например, в точке В болтового отверстия четырех векторов напряжений: ордината из двух эпюр касательных напряжений при кручении в плоскости , из эпюры нормальных и касательных напряжений при изгибе в плоскости (рис. 4.6).
Такое сочетание создает объемное напряженное состояние материала рельса. Наиболее вероятно появление трещин на поверхности шейки, но направление их возможно самое разнообразное.
Рис. 4.6. Изгиб с кручением: а – кручение; б – изгиб
Осевое растяжение (сжатие) с прямым изгибом. Совместное проявление этих видов деформаций выражено соответствующими эпюрами (рис. 4.7).
Отличительной особенностью здесь является равномерность распределения деформаций по толщине шейки. Теоретически в каждом продольном сечении при этом (плоскости ) вероятность зарождения и развития трещин и их направления идентичны. Таким образом, трещины могут появляться как с поверхности шейки, так и на удалении от нее. Направление их может быть продольным под действием нормальных и горизонтальных касательных напряжений, поперечным – от вертикальных касательных, под наклоном – от действия главных напряжений.
Рис. 4.7. Осевое растяжение (сжатие) с прямым изгибом
Совместное действие продольных сил и расклинивающего эффекта стыковых накладок. Главная особенность такого сочетания – непрерывность воздействия в течение длительного времени. Имеются в виду продольные силы, возникающие вследствие температурных деформаций рельса. Рельс при этом находится в плоском напряженном состоянии (рис. 4.8).
Рис. 4.8. Совместное действие продольных сил и расклинивающего
эффекта стыковых накладок
В любой точке шейки в зоне стыка в этом случае по наклонным сечениям действуют касательные напряжения , . Таким образом, появление трещин возможно по вертикали, горизонтали и по наклонным сечениям.
На основе изложенного выше анализа можно сделать следующие выводы относительно специфики контроля дефекта 53.1 с учетом напряженного состояния материала рельса.
Трещины в зоне стыковых болтовых отверстий могут зарождаться и развиваться, достигая опасных размеров, по всем направлениям. Приоритет обнаружения косых трещин с этой точки зрения не представляется обоснованным.
При воздействии подвижной нагрузки в виде мобильного дефектоскопного средства вследствие упругой деформации рельсовой нити в зоне дефекта возникают напряжения, приводящие к временному дополнительному раскрытию трещин. Соответственно повышаются возможности выявления дефекта. Изгиб рельса в различных направлениях имеет место не только под колесными парами, но и между тележками вагона-дефектоскопа или автомотрисы.
При дефектоскопном контроле рельсов съемными тележками дополнительные напряжения не возникают и, следовательно, возможность обнаружения дефекта при прочих равных условиях ниже. Этим до некоторой степени можно объяснить факты необнаружения дефектов самыми современными съемными дефектоскопами, которые вскоре выявляютсясредствами мобильными. Такая возможность должна учитываться при установлении меры ответственности операторов тележки, расшифровщиков за пропущенный дефект, а также при планировании и организации дефектоскопного контроля.
Вероятность пропуска дефектов 53.1 как съемными, так и мобильными современными средствами будет оставаться недопустимо большой, так как, несмотря на увеличение числа поисковых каналов и усложнение схем прозвучивания дискретными ультразвуковыми лучами, остаются неконтролируемыми участки поперечного сечения и по длине рельса.
Вопросы для самоконтроля
1. В чем состоит задача совершенствования технических средств и организации неразрушающего контроля рельсов?
2. Назовите виды напряженного состояния материала рельса в различных условиях его работы.
5. ПРЕДЛОЖЕНИЯ И ПРОЕКТЫ
НОВЫХ КЛАССИФИКАЦИЙ ДЕФЕКТОВ РЕЛЬСОВ
С 90-х гг. прошлого столетия в связи с резким подъемом уровня технической базы рельсовой дефектоскопии и расширением ее возможностей появляется необходимость в согласовании с ней нормативной базы. Актуальность вопроса усиливается вследствие соответствующих изменений в целом в путевом хозяйстве, в том числе увеличения протяженности бесстыкового пути и постоянно возрастающего количества сварных стыков, внедрения в практику алюмино-термитной сварки рельсов в пути, применения усовершенствованных конструкций стрелочных переводов, унификации системы диагностики и мониторинга состояния железнодорожного пути. Действующая нормативная документация НТД/ЦП-1, -2, -3-93 разработана до этих прогрессивных, значимых для дефектоскопии перемен.
В 2002 г. ВНИИЖТом был разработан и обсуждался на всех линейных подразделениях сети железных дорог Российской Федерации новый проект классификатора и каталога дефектов рельсов и соответственно признаки дефектных и остродефектных рельсов (НТД/ЦП-1, -2, 3-2002) [17]. Классификатор, содержавший 46 дефектов против 38 в классификаторе 1-93, был адаптирован к вышеприведенным прогрессивным изменениям.
Например, в нем была подробно развернута 7-я группа дефектов – изломы по всему поперечному сечению рельсов. В частности, содержался дефект 76 – излом рельсов в зоне их сварки. Классифицирование обнаруженного излома этим кодом позволяло бы более точно и адресно установить его причину и назначить адекватную ответственность за него. Необходимость в содержании дефекта кода 76 подтверждается в связи с непрерывно возрастающим числом сварных стыков в пути.
Значительный интерес представлял и проект каталога дефектов рельсов
2-2002, в котором содержались дифференцированные по степени дефектности от ОДР до ДIII указания по эксплуатации дефектных рельсов. Следует отметить, что такая дифференциация предусматривается в каталоге дефектов и повреждений элементов стрелочных переводов (дополнение 1996 г. к НТД/ЦП-2-93).
Если главной целенаправленностью классификатора 1-2002 являлось непосредственное использование его в практике дефектоскопного контроля железнодорожного пути, то предложенная в те же годы А.К. Гурвичем классификация на основе 119 типоразмеров дефектов в большей степени имеет исследовательскую ориентацию. Каждый код дефекта по НТД/ЦП-1-93 в ней подразделяется на 6–8 типоразмеров с учетом размера дефекта, расположения его в поперечном сечении, качества отражающей поверхности – диффузная, зеркальная. Этот классификатор используется, в частности, в предложенном автором интегральном критерии эффективности средств неразрушающего контроля рельсов [6]. Данный критерий способствует объективной оценке технико-экономической эффективности уже разработанных новых средств дефектоскопии, предлагаемых для внедрения в практику дефектоскопного контроля железнодорожных рельсов. С другой стороны, использование этого классификатора помогает выявить слабые и уязвимые с точки зрения возможности дефектоскопного контроля моменты. Таким образом, представляется достаточно аргументированное обоснование для разработки новых средств дефектоскопного контроля.
Исследовательскую цель имеет и предложенный классификатор с 361 типоразмером [7]. В нем, кроме того, значительное внимание уделено отражателям, создающим помехи контролю дефектов. Термин «шумящий» рельс не употреблен, а применяются «структурные» отражатели, наряду с конструктивными. Главным достоинством этого классификатора является высокая степень дифференцированности зоны контроля по поперечному сечению, длине зоны и т. д. (361 типоразмер!), четкая буквенная и цифровая индексация типоразмеров. В совокупности это дает наглядную и подробную информацию о представляемом дефекте. В связи с чем обосновывается реализованная в последующие годы возможность оперативного сбора и централизованного хранения информации, запроса ее, обмена. Принятая система индексации типоразмеров позволяет сохранять ее и при дальнейшем расширении классификатора.
В 2007 г. ОАО «Российские железные дороги», Департамент пути и сооружений, ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» разработали Нормативно-техническую документацию [31] «Классификация дефектов рельсов НТД/ЦП-1-2007. Каталог дефектов рельсов НТД/ЦП-2-2007. Признаки дефектных и остродефектных рельсов НТД/ЦП-3-2007». Классификатор 1-2007 в значительной степени отражает изменения в путевом хозяйстве страны со времени выхода НТД/ЦП-1, -2, -3-93 и достаточно соответствует современному уровню развития методов и средств рельсовой дефектоскопии (табл. 5.1).
Разрабатываются, представляются на обсуждение, утверждаются и принимаются к действию специализированные классификаторы дефектов. Например, ОАО «ВНИИЖТ» в 2008 г. разработал «Классификатор дефектов сварных стыков рельсов 1.20.002-2008» [8]. Классификатор распространяется на стыки рельсов, сваренные контактной и алюмино-термитной сваркой. Он предусматривает возможность и необходимость наиболее объективного выявления причин дефектов сварных стыков соответственно современным методам сварки рельсов и диагностики сварных швов.
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите особенности классификации дефектов со 119 типоразмерами и 361 дефектом.
2. Каковы результаты сравнения классификаторов НТД/ЦП 1-93 и 1-2007?
Таблица 5.1
Структура классификации дефектов
Элемент
профиля
№ группы
Наименование группы
Основные причины
Нарушения технологии изготовления рельсов
Недостаточная прочность
Трещина от поверхности, недостаточная коррозионно-усталостная прочность
Повышенное динамическое воздействие в болтовых стыках
Ненормативные условия эксплуатации рельсов
Ненормативное механическое воздействие на рельсы
Усталостный дефект в зоне сварного стыка
Хрупкое разрушение сварного стыка
Нарушение технологии наплавки и приварки соединителей
Контроленепригодность, коррозия и изломы без усталостных трещин
Головка
1
Выкрашивание
10.1-2
11.1-2
12.0-1-2**
13.1* (17.1)
14.1-2
–
16.3-4**
–
18.1-2
19.0-1-2**
* – смена номера дефекта (в скобках указан старый шифр дефекта); ** – новый дефект; Д – дефектный рельс; ОД – остродефектный рельс
6. ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ
6.1. Ультразвуковые волны
Физической основой всех методов ультразвуковой дефектоскопии является возбуждение распространяющихся в контролируемой среде упругих механических колебаний [8, 27, 30]. При встрече с дефектом в ней изменяется режим распространения упругой волны. Количественная оценка этих изменений в конечном итоге представляет необходимую информацию об обнаруженном дефекте. Для разработки технических средств дефектоскопии и анализа ее результатов необходимо знать особенности распространения упругих волн в сплошных однородных и неоднородных средах. Такими средами в рельсовой дефектоскопии являются:
• рельсовая сталь без внутренних дефектов и с дефектами;
• материалы, из которых изготовляется источник возбуждения механических колебаний;
• оргстекло как промежуточная конструктивная среда между источником колебаний и рельсовой сталью;
• то же воздушная среда при некоторых методах ультразвуковой дефектоскопии;
• то же вода, технический спирт, специальные вещества как средства обеспечения акустического контакта между источником механических колебаний и рельсом.
Ультразвуковыми называются акустические методы в диапазоне частот упругих волн от 20 000 Гц до 1 000 000 000 Гц (колебаний в секунду) большинство рельсовых дефектоскопных средств в России имеют рабочую частоту f = 2 500 000 Гц = 2,5 МГц. Но в последнее время рабочий диапазон расширяется в сторону низких частот (до 0,2 МГц), что увеличивает возможности дефектоскопии [20, 23].
С частотой связана важная для обнаружения дефектов характеристика
упругой волны – ее длина , м, мм, зависящая также от скорости ее распространения с в конкретной среде:
. (6.1)
Например, для рельсовой стали:
с = 5900 м/с; f = 2,5 МГц;
.
Это есть длина продольной ультразвуковой волны в металле рельса при рабочей частоте дефектоскопа 2,5 МГц. Кроме продольной волны, в среде распространяются волны:
• сдвиговые или поперечные;
• поверхностные;
• нормальные и др.
Возникновение видов волн зависит от упругих свойств среды. Распространение волны сопровождается упругим перемещением частиц среды в соответствующем направлении.
В ультразвуковой рельсовой дефектоскопии обычно используются продольные и поперечные волны. В некоторых технических средствах в последнее время используются также поверхностные волны [20, 23, 24].
Продольные волны характерны тем, что колебания частиц среды совпадают с направлением распространения волны. Продольная волна может возбуждаться и распространяться в любой среде – твердой, жидкой, газообразной. Скорость распространения продольной волны обозначают индексами сl. Величина ее для некоторых материалов, связанных с рельсовой дефектоскопией, следующая:
• в металле рельса сl = 5900 м/с;
• в воде сl = 1450 м/с;
• в органическом стекле сl = 2670 м/с;
• в воздухе (при температуре 0 ºС) сl = 331 м/с.
При распространении поперечной волны частицы среды колеблются перпендикулярно направлению волны. Волна может возбуждаться только в среде с упругим сопротивлением сдвигу – в твердом теле. Скорость распространения ее обозначается индексами сt. Обычно в металлах она примерно в 2 раза меньше, чем скорость продольной волны:
. (6.2)
В рельсовой стали сt = 3260 м/с.
6.2. Возбуждение и прием ультразвуковых колебаний
В большинстве средств рельсовой дефектоскопии возбуждение и прием ультразвуковых колебаний осуществляются с применением пьезоэлектрических преобразователей. В некоторых дефектоскопных средствах используются электромагнитно-акустические преобразователи [23, 24].
В основу действия пьезоэлектрических преобразователей (ПЭП) как излучателей ультразвуковых механических колебаний заложено явление обратного пьезоэффекта. Сущность его следующая. Если на противоположные поверхности платины из материала со способностями пьезоэффекта (пьезопластина, пьезоэлемент) подавать знакопеременные электрические сигналы, то пластина будет совершать механические колебания с частотой, равной частоте сигналов. Пьезоэлектрический преобразователь как приемник действует на основе прямого пьезоэффекта. При воздействии на пьезопластину механических колебаний с электродов на ее поверхностях снимаются электрические сигналы с частотой, равной частоте механических колебаний.
Одна и та же пьезопластина может действовать в режимах излучения и приема ультразвуковых колебаний (УЗК).
Наибольшее распространение получили пьезоэлектрические преобразователи, в которых пьезопластины изготовлены из монокристалла кварца или пьезокристаллических материалов – титаната бария, цирконата-титаната свинца и других материалов. В конструкциях ПЭП рельсовых дефектоскопов пьезопластины (вставки, резонаторы) чаще всего изготовляются из цирконата-титаната свинца марки ЦТС-19.
Пьезопластина является элементом колебательной системы. Амплитудный уровень ее колебаний в режиме излучения зависит от величины напряжения, подаваемого на электроды, и от ее резонансных свойств. Резонанс пьезопластины возникает при совпадении частоты ее собственных колебаний с частотой подаваемого переменного напряжения. Частота собственных колебаний пьезопластины f зависит от ее толщины b и скорости распространения упругой
волны с в ней:
. (6.3)
Так, для пьезокерамики ЦТС-19 с = 3300 м/с.
Рабочая частота дефектоскопа f = 2,5 МГц = 2500000 Гц. При этих параметрах для обеспечения работы ПЭП в резонансном режиме необходимая толщина пьезопластины
(6.4)
В резонансном режиме ПЭП излучает механические колебания наибольшей амплитуды. Резонансный режим наиболее эффективен в дефектоскопных средствах. Часто ПЭП в них называют резонаторами.
С изменением рабочей частоты дефектоскопа при том же материале пьезопластины для обеспечения резонансного режима необходимо изменять ее толщину. Например, для пластины из пьезокерамики ЦТС-19 толщина ее при рабочей частоте дефектоскопа 1,25 МГц должна быть 1,3 мм, а при частоте 5 МГц – 0,3 мм.
Пьезопластина со своей определенной собственной частотой (резонатор) совершает вынужденные колебания, но с меньшей амплитудой в достаточно широком диапазоне частот подаваемого переменного по направлению и неизменного по уровню электрического сигнала.
Зависимость амплитуды возбуждаемых пьезоэлементом колебаний от частоты подаваемого на него переменного напряжения постоянной амплитуды называется его амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ).
При работе ПЭП с этим же пьезоэлементом в режиме приема (прямой
пьезоэффект) АЧХ идентична.
АЧХ имеют также название спектральная характеристика пьезоэлемента. Другими характеристиками пьезоэлементов являются мощность звука, направленность излучения. Если излучение одночастотное, то его характеризует рабочая частота и частотная полоса. Для резонансных пьезоэлементов рабочей частотой является их собственная частота, а ширина частотной полосы определяется ее добротностью.
Добротность – количественная характеристика резонансных свойств пьезоэлемента. Она показывает, во сколько раз амплитуда вынужденных колебаний при резонансе превышает амплитуду вынужденных колебаний на частоте, намного отличающейся от резонансной при неизменной амплитуде вынужденных сигналов. Численно добротность определяют опытным путем, возбудив собственные затухающие колебания пьезоэлемента коротким импульсом. Число их периодов от первого до последнего равно добротности пьезоэлемента. Пьезоэлементы, используемые в ультразвуковой дефектоскопии, имеют обычно низкую добротность в пределах от 1 до 10.
Направленность излучения преобразователя – это способность его излучать упругие волны в среде в одних направлениях сильнее, чем в других. Ее характеризуют отношением максимальной направленной интенсивности создаваемого данным преобразователем излучения к интенсивности ненаправленного излучения той же мощности на том же расстоянии. Характеристику направленности представляют в полярной системе координат и называют диаграммой направленности. Вид диаграммы определяется плоскостной формой и размерами преобразователя и длиной возбуждаемой им ультразвуковой волны в изучаемой среде. Преобразователи рельсовых дефектоскопов имеют форму диска диаметром D, обычно значительно большим длины волны . Создаваемое им волновое поле в среде вблизи от излучателя имеет приблизительно цилиндрическую форму диаметром D (рис. 6.1) и глубиною zо – ближняя зона, зона дифракции Френеля. Ниже глубины zо поле расширяется, приобретая форму усеченного конуса – дальняя зона, зона дифракции Фраунгофера. Величина угла расхождения оценивается выражением
. (6.5)
Для ПЭП, используемых в рельсовых дефектоскопах, D = 12 мм. Тогда при (для продольной волны) º. При постоянной частоте излучения f, а значит неизменной длине волны , диаграмма направленности тем уже, чем больше диаметр пьезопластины. А с некоторого значения D у нее появляются боковые лепестки.
Преобразователь, используемый для приема, также имеет определенную диаграмму по чувствительности, идентичную диаграмме в режиме излучения.
Глубина ближней зоны zо пропорциональна квадрату диаметра диска преобразователя и обратно пропорциональна длине ультразвуковой волны. Для ПЭП в резонаторах рельсовых дефектоскопов zо примерно равна 15 мм. В ближней зоне амплитуда ультразвукого поля пространственно осциллирует. В дальней зоне с удалением от излучателя амплитуда ультразвуковых колебаний убывает. Затухание их происходит по экспоненциональному закону.
Коэффициент затухания определяется выражением
. (6.6)
Здесь δп – коэффициент поглощения и δр – коэффициент рассеяния. Они выражают степень затухания колебаний соответственно в результате энергетических превращений и увеличения ширины ультразвукового пучка с удалением от излучателя.
В рельсовой стали затухание колебаний с частотой 2,5 МГц невелико. Колебания могут распространяться на расстояние до 5…6 м, значительно интенсивнее затухание в других средах. Так, для продольной волны на частоте 2,5 МГц коэффициент δ, 1/м,
• для воды – 0,004;
• для алюминия – 0,01…5;
• для стали (Ст 20) – 1…8;
• для органического стекла (плексиглас) – 58;
• для воздуха – 280.
Величина, обратная коэффициенту затухания, показывает, на каком пути амплитуда колебаний уменьшается в е раз (е = 2,73 – число Непера), поэтому размерность затухания – единица на метр (1/м). Иногда используют единицу непер на метр (Нп/м). Часто коэффициент затухания выражают числом N отрицательных децибелов, на которое уменьшается амплитуда волны на единичном участке пути:
1/м = 1 Нп/м = 8,686 дБ/м.
Коэффициент затухания ультразвуковых колебаний увеличивается с повышением их частоты.
С уменьшением рабочей частоты дефектоскопа ультразвуковые колебания могут распространяться на достаточно большие расстояния, например, на длину рельса. Эта возможность реализована в современных разработках дефектоскопов с расширенным диапазоном рабочих частот.
6.3. Ультразвуковые колебания в контролируемом изделии
Если на пути распространения ультразвуковой волны при нормальном падении встречается другая среда (среда с другими акустическими свойствами), то одна часть энергии проходит во вторую среду, а другая часть – отражается в первую.
Распределение энергии между отражённой и прошедшей волнами определяется соотношением их акустических свойств (удельных акустических сопротивлений сред).
Коэффициент отражения R – отношение интенсивностей отражённой и падающей волн
. (6.7)
Коэффициент прохождения D = 1–R – отношение интенсивностей прошедшей и падающей волн
. (6.8)
На отражении упругих волн от несплошностей основана выявляемость дефектов при эходефектоскопии, так как по своим акустическим свойствам несплошности (трещины, поры, шлаковые включения и т. д.) отличаются от основного материала.
Коэффициент отражения от трещин и пор близок к единице, если величина раскрытия больше 0,0001 мм. Коэффициент отражения по амплитуде от шлаковых включений составляет 0,15–0,50.
При наклонном падении продольной волны из твёрдой среды 1 в твёрдую среду 2 на границе этих двух сред происходит:
• отражение;
• преломление;
• трансформация (расщепление) волны (рис. 6.2).
Если продольная упругая волна l со скоростью сt1 падает на границу раздела двух твёрдых сред под углом, отличным от прямого, то отражённая и прошедшая волны преломляются и трансформируются на продольные l1, l2 и сдвиговые t1, t2 волны, распространяющиеся в первой и второй средах под различными углами. На практике для обеспечения падения продольных волн под углом между пьезоэлементом и контролируемой деталью располагают призму из органического стекла.
При этом угол β между падающим лучом Сl и перпендикуляром MN к поверхности раздела в точке О называется углом падения; углы βl и βt – углами отражения; углы αl и α – углами преломления (или углами ввода соответственно продольной и сдвиговой волн).
Законы отражения и преломления упругих волн по аналогии с законами геометрической оптики формулируются так:
1) отражённые и преломлённые лучи лежат в одной плоскости с падающим лучом и нормалью к поверхности раздела сред, проведённой в точке падения;
2) угол отражения продольной волны равен углу падения;
3) углы падения, отражения и преломления связаны соотношением, называемым законом Снелиуса:
, (6.9)
где cl1, cl2, ct1, ct2 – скорости распространения продольных и сдвиговых волн в
1-й и 2-й среде соответственно.
При увеличении угла падения β продольной волны l углы αl2 и α также увеличиваются (рис. 6.3), и при некотором значении β = βкр1 (первый критический угол) преломлённые продольные волны распространяются по поверхности, не проникая в глубь среды 2. При дальнейшем увеличении угла падения до βкр2 (второй критический угол) по поверхности распространяются преломлённые сдвиговые волны.
Рис. 6.3. Иллюстрация критических углов
Для лучей упругих волн в полной мере справедлив закон обратимости: если луч падает из среды 1 на границу со средой 2 под углом β, преломляется и входит в среду 2 под углом αl , то луч, падающий из среды 2 на границу со средой 1 под углом αl, после преломления войдёт в среду 1 под углом β.
Свойства упругих волн используют при контролировании наклонных преобразователей для проверки изделий сдвиговыми и продольными волнами. В таких преобразователях ультразвуковые колебания преломляются с помощью клинообразной призмы, изготовленной из органического стекла (или другого материала) и играющей роль среды 1, а средой 2 является контролируемое изделие.
При углах падения меньших, чем второй критический угол βкр2, и больших, чем первый критический угол βкр1, во второй среде возникает лишь поперечная волна со скоростью сt2. Для системы «оргстекло–сталь» расчётные критические углы составляют:
• первый критический угол βкр1 ≈ 27º;
• второй критический угол βкр2 ≈ 56º.
Отмеченное свойство имеет большое практическое значение. В частности, если пьзопластину разместить на призме из органического стекла с углом β в пределах 30º–55º, то в стальном изделии (в металле рельса) будет распространяться только поперечная волна. Все типовые наклонные преобразователи, используемые для контроля головки и шейки рельса, имеют углы призмы в интервале между первым и вторым критическими углами (30º, 40º, 45º и 50º) и излучают поперечную волну. Этим достигается возможность обнаружения дефектов меньших размеров в связи с более короткой длиной поперечной волны. Кроме того, облегчается восприятие дефектоскопной информации благодаря более рациональному числу информативных сигналов.
Зная скорость распространения ультразвуковых колебаний в призме и контролируемом изделии, можно рассчитать значения углов распространения продольных и поперечных волн в среде 2 в зависимости от угла β по формуле
. (6.10)
Например, при контроле рельсов (ct2 =3260 м/с) с помощью наклонного пьезообразователя с углом призмы β = 40º из органического стекла (cl1 = 2670 м/с) угол ввода луча
. (6.11)
Возможно решение обратной задачи – определение необходимого угла призмы при заданном угле ввода луча.
Всё сказанное выше относилось к отражению по законам геометрической оптики, справедливым для гладких поверхностей раздела. При отражении от шероховатых поверхностей, имеющих неровности высотой более 0,05λ0,1λ, происходит диффузное отражение, сопровождающееся рассеянием части энергии в разные стороны.
6.4. Режим зондирующего излучения
В современных дефектоскопах в основном используют импульсный режим излучения ультразвуковых колебаний. При этом периодически излучают кратковременные импульсы с высокочастотным (ВЧ) заполнением. Импульсы ультразвуковых колебаний, излучаемые в контролируемое изделие, называются зондирующими. Основные параметры излучаемых зондирующих импульсных колебаний показаны на рис. 6.4.
Рис. 6.4. Параметры изучаемых зондирующих импульсных колебаний: Т – период следования зондирующих импульсов (интервал времени между двумя посылками зондирующих импульсов), мс или мкс; tи – длительность зондирующего импульса, мкс; T0 – период высокочастотного заполнения зондирующего импульса, мкс;
Uи – амплитуда зондирующего импульса, В.
Частота следования зондирующих импульсов, используемая в различных дефектоскопических средствах, зависит от скорости перемещения ультразвукового преобразователя по контролируемому изделию (табл. 6.1).
Таблица 6.1
Частота следования зондирующих импульсов
Дефектоскопические
средства
Период следования
зондирующих
импульсов Т, мкс
Частота посылок
зондирующих
импульсов F, Гц
Переносные
дефектоскопы
1000–10000
100–1000
Съемные двухниточные
дефектоскопы
500–2000
500–2000
Вагоны-дефектоскопы
и автомотрисы
250–400
2500–4000
Таким образом, чем быстрее перемещаются ультразвуковые преобразователи по контролируемому изделию, тем чаще должны посылаться ультразвуковые колебания. Практически при перемещении съемных и мобильных дефектоскопных средств контролируется беспрерывно вся рельсовая нить.
Чем длиннее зондирующий импульс, тем мощнее излучаемые колебания и тем глубже можно прозвучить контролируемое изделие. В то же время, чем короче зондирующий импульс, тем лучше разрешающая способность дефектоскопа по дальности и меньше «мертвая» зона.
Частоту заполнения f0 зондирующих колебаний выбирают исходя из минимальных размеров, требующих выявления дефектов, с одной стороны, и максимальных размеров зерен материала, из которого изготовлено контролируемое изделие – с другой. Размеры зерен, в свою очередь, влияют на коэффициент затухания ультразвуковых волн в материале изделия. Необходимо, чтобы длина ультразвуковой волны λ была сравнима с минимальным размером обнаруживаемого дефекта и намного больше размера зерна металла.
Амплитуда зондирующих импульсов Uи – это максимальная величина электрического импульса, прикладываемого к пьезопластине ПЭП. Амплитуда Uи может достигать до 500 В на 1 мм толщины пластины из пьезокерамики. В дефектоскопах для контроля рельсов амплитуда зондирующего импульса составляет 50–200 В.
В связи с тем, что зондирующий импульс не всегда имеет симметричную форму относительно горизонтальной (временной) оси, для характеристики амплитудного параметра импульса используют величину размаха Uр первого периода колебаний. В радиотехнике импульс напряжения с высокочастотным заполнением называют радиоимпульсом. Таким образом, электрические колебания, подаваемые для возбуждения пьезопластины (зондирующий импульс), представляют собой радиоимпульс. При выделении амплитудной огибающей этого импульса образуется видеоимпульс. Оператор на экране дефектоскопа наблюдает в виде видеоимпульсов эхосигналы (рис. 6.5), которые формируются при выделении огибающих радиоимпульсов с помощью амплитудного детектора.
Рис. 6.5. Радио- и видеоимпульсы
На рис. 6.6 показан процесс формирования зондирующего и эховидеоимпульсов на экране осциллографа (дефектоскопа) при наличии в озвучиваемом изделии одиночного отражателя (одного дефекта малых размеров), а на рис. 6.7 этот же процесс при наличии двух отражателей (дефектов малых размеров, находящихся на различных расстояниях от излучателя).
Рис. 6.6. Формирование эхосигнала от одного отражателя
Рис. 6.7. Формирование эхосигналов от двух отражателей
Вопросы для самоконтроля
1. Какие существуют основные среды в рельсовой дефектоскопии? Дайте их ультразвуковые характеристики.
2. В чем заключается прямой и обратный пьезоэффект? Опишите излучение и прием ультразвуковых колебаний.
3. Что такое резонанс и амплитудно-частотная характеристика пъезоэлемента?
4. Что такое направленность излучения пьезоэлектрических преобразователей?
5. Опишите процесс затухания ультразвуковых колебаний.
6. Опишите процесс прохождения и отражения ультразвуковой волны при прямом падении.
7. Как происходит отражение, трансформация и преломление волн при наклонном падении.
8. Что называется законом Снелиуса.
9. Что такое угол ввода луча, критические углы?
10. Приведите периоды и частоты в зондирующем излучении.
11. Каково влияние частоты заполнения на качество ультразвукового контроля?
7. МЕТОДЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ
ДЕФЕКТОСКОПИИ РЕЛЬСОВ
7.1. Эхометод ультразвукового контроля
Эхометод ультразвуковой дефектоскопии основан на излучении в контролируемое изделие коротких зондирующих импульсов и регистрации эхосигнала, отражённого от дефекта. Временной интервал между зондирующим и эхоимпульсами пропорционален глубине залегания дефекта, а амплитуда, в определённых пределах, – отражающей способности (размеру) дефекта.
К преимуществам эхометода относятся:
• односторонний доступ к изделию;
• относительно большая чувствительность к внутренним дефектам;
• высокая точность определения координат дефектов.
К недостаткам эхометода можно отнести:
– низкую помехоустойчивость к поверхностным отражателям;
– резкую зависимость амплитуды эхосигнала от ориентации дефекта;
– невозможность контроля качества акустического контакта в процессе перемещения ПЭП, так как при отсутствии дефектов на выходе отсутствуют какие-либо сигналы.
Несмотря на указанные недостатки, эхометод является наиболее распространённым методом ультразвуковой дефектоскопии изделий.
Отличительной особенностью метода является то, что при контроле изделий регистрируются и анализируются практически все сигналы, приходящие из изделия после излучения зондирующих колебаний.
Поэтому при контроле изделий с плоскопараллельными поверхностями возможен одновременный приём эхосигналов как от дефекта, так и от противоположной поверхности (рис. 7.1). Причём временное положение эхосигнала от дефекта относительно зондирующего импульса пропорционально глубине h его залегания
(7.1)
где с – скорость распространения ультразвуковых колебаний в изделий.
Амплитуда эхоимпульса зависит от величины отражателя (дефекта), свойств поверхности и его ориентации, а также затухания ультразвуковой волны в изделии и расстояния до дефекта.
Интервал времени между зондирующим импульсом и эхосигналом от противоположной (донной) поверхности пропорционален высоте H изделия.
Сигнал от противоположной поверхности может отсутствовать при следующих ситуациях:
• донная поверхность не параллельна поверхности ввода ультразвуковых колебаний;
• дефект имеет значительный размер, полностью перекрывающий ультразвуковой пучок;
• высота (толщина) изделия настолько велика, что вследствие затухания ультразвуковых колебаний амплитуда эхосигнала от противоположной поверхности имеет очень малую величину.
При контроле изделий небольших толщин можно получить целую серию многократно переотраженных от плоскопараллельных стенок изделия эхосигналов (рис. 7.2). Вследствие затухания ультразвуковых колебаний многократные отражения последовательно уменьшаются по амплитуде. Расстояние между отдельными отражениями – величина постоянная, зависящая от толщины изделия.
При наклонном вводе ультразвуковых колебаний временной интервал между зондирующими импульсами и эхосигналом выглядит следующим образом (рис. 7.3):
(7.2)
где ct – скорость поперечных ультразвуковых колебаний в изделии; α – угол ввода ультразвуковых колебаний; r – расстояние от точки ввода ультразвуковых колебаний до дефекта.
Зная время t распространения ультразвуковых колебаний до дефекта и обратно и скорость cl ультразвуковых колебаний в изделии, можно легко определить глубину h залегания дефекта при его обнаружении прямым (α = 0о) преобразователем:
, (7.3)
и при обнаружении его наклонным преобразователем
. (7.4)
В последнем случае бывает также полезно знание расстояния L между точкой ввода ультразвуковых колебаний и проекцией дефекта на поверхность сканирования
. (7.5)
В выражениях (7.2)–(7.5) время t – это время с момента излучения зондирующего импульса до момента прихода эхосигнала на пьзопластину ПЭП (пьзопреобразователя). В реальных устройствах пьезопреобразователь состоит из отдельных конструктивных элементов, и пьезопластина не соприкасается непосредственно с контролируемым изделием.
В прямых преобразователях
(α = 0о) между пьезоэлементом и поверхностью контролируемого изделия находится протектор (рис. 7.4), выполняющий функции: защиты пьезоэлемента от износа; улучшения согласования пьезоэлемента с контролируемым изделием; улучшения акустического контакта.
При прохождении ультразвуковых колебаний через протектор с толщиной hп затрачивается определённое время tп (время в протекторе), которое необходимо учитывать при точном определении глубины залегания дефекта
. (7.6)
Обычно толщина протектора в прямых (α = 0о) преобразователях, работающих в совмещённом режиме, составляет 0,5–2,0 мм. При этом время tп весьма мало (не превышает 1 мкс) и во многих случаях может не учитываться.
При наклонном (рис. 7.5) вводе ультразвуковых колебаний пьзопластину в преобразователе помещают на специальную призму из органического стекла (или из другого звукопроводящего материала).
В этом случае путь ультразвуковых колебаний складывается из пути в призме rп и пути r в контролируемом изделии. Причём путь в призме искателя в зависимости от угла призмы β (что аналогично углу ввода колебаний α) составляет несколько миллиметров (от 4 до 9), а двойное время пробега ультразвуковых колебаний по призме ПЭП 2tп – от 3 до 8 мкс. При определении (расчёте) координат дефектов пренебрежение этой величиной недопустимо. Поэтому точное выражение для расчёта глубины залегания дефекта при наклонном вводе ультразвуковых колебаний предусматривает вычитание из измеренного значения времени t величины задержки в призме 2tп
. (7.7)
Для упрощения процедуры измерения координат выявленных дефектов в рельсовых дефектоскопах предусматривается аппаратное вычитание времени 2tп, т. е. в дефектоскопе производится компенсация (вычитание) времени задержки ультразвука в призме электронными средствами.
Первичными измеряемыми характеристиками сигналов от дефектов при эхоимпульсном методе ультразвукового контроля являются:
• максимальная амплитуда Uэ эхосигнала;
• временное положение tэ эхосигнала относительно зондирующего импульса.
Указанные параметры измеряют при расположении преобразователя в точке, где наблюдается наибольшая амплитуда эхосигнала от дефекта (рис. 7.6), т. е. тогда, когда дефект озвучивается центральным лучом (осью) диаграммы направленности ПЭП.
Рис. 7.6. К измерению характеристик эхосигналов
Амплитуду эхоимпульса на экране дефектоскопа можно измерять в вольтах или милливольтах. В дефектоскопии не применяют измерение абсолютного значения амплитуды. Обычно амплитуду сигнала от дефекта сравнивают с амплитудой эхосигнала от искусственного отражателя заданной геометрической формы, чаще всего – цилиндрического сверления в специальном (стандартном) образце. Для удобства это сравнение производится не в разах U1/U2, а в децибелах
. (7.8)
Временное положение tэ эхосигналов с помощью приведённых выше выражений для прямого и наклонного ПЭП пересчитывают в значения глубины h (или H) залегания дефекта в миллиметрах. Как правило, линию развёртки на экране дефектоскопа калибруют в миллиметрах глубины залегания дефекта.
В процессе перемещения ПЭП над зоной локации дефекта, вследствие озвучивания его разными лучами диаграммы направленности, формируется определённая амплитудная огибающая пачки эхосигналов. Таким образом, при перемещении ПЭП над компактным (точечным) дефектом эхоимпульсы от него наблюдаются на некотором участке протяжённостью ∆L.
Если дефект имеет протяжённость, то его границы, определённые эхоимпульсным методом, также могут отличаться от истинных (рис. 7.7). В связи с этим в ультразвуковой дефектоскопии используют понятие условных размеров дефекта.
Рис. 7.7. Условные размеры точечного (а) и протяжённого дефектов (б)
Для обнаруженного эхоимпульсным методом дефекта можно измерить три условных величины:
• ширину ∆X;
• высоту ∆H;
• размер по длине рельса ∆L.
Условный размер ∆L по длине рельса характеризуется длиной зоны в миллиметрах перемещения ПЭП вдоль рельса, в пределах которого формируется сигнал от дефекта (рис. 7.8) при заданной условной чувствительности дефектоскопа.
Условная высота ∆H дефекта – это разность показаний дефектоскопа, снятых при тех же положениях ПЭП, при которых измерялся условный размер ∆L (рис. 7.8). Условная ширина ∆X дефекта, мм, измеряется по длине зоны между крайними положениями ПЭП перемещаемого поперёк контролируемого сечения (рис. 7.9).
Рис. 7.8. Измерение условного размера ∆L
и условной высоты ∆H дефекта
Рис. 7.9. Измерение условной ширины ∆X
дефекта в головке рельса
Крайними положениями ПЭП при измерениях условных размеров ∆L, ∆H и ∆X считают положения, при которых амплитуда эхосигнала от выявленного дефекта уменьшается до уровня срабатывания автоматического сигнализатора дефектоскопа, настроенного в соответствии с требованиями нормативной документации на контроль конкретного изделия.
Вопросы для самоконтроля
1. Каковы физические основы эхометода?
2. Перечислите преимущества и недостатки эхометода.
3. Что является первичной информацией от дефекта?
4. Как формируются эхосигналы?
5. Перечислите условные размеры дефектов.
7.2. Зеркально-теневой метод ультразвукового контроля
В большинстве средств рельсовой дефектоскопии имеются каналы, работающие на основе зеркально-теневого метода (ЗТМ). Ему предшествовал теневой метод.
Теневой метод одним из первых стал применяться для ультразвукового контроля металлоизделий. Излучатель ультразвуковых волн И, изделие и приёмник П образуют «акустический тракт». Решение о состоянии проверяемого изделия выносится по уровню принятого сигнала U (на электродах приёмного ПЭП П). Если на пути ультразвуковых волн от излучателя до приёмника нет препятствий (несплошностей), отражающих или рассеивающих ультразвуковые волны, то уровень принятого сигнала максимален. Этот уровень резко уменьшается или падает до нуля, если в изделии есть несплошность Д (рис. 7.10). Решение выносится при соблюдении требований к условиям обеспечения стабильного акустического контроля обоих искателей с контролируемым изделием.
В отличие от эхометода, теневой метод имеет высокую помехоустойчивость и слабую зависимость амплитуды от угла ориентации дефекта. Недостатком метода является требование двухстороннего доступа к изделию. Естественно, это условие не может быть выполнено при контроле рельсов в пути. Кроме того, серьезным недостатком теневого метода является наличие значительных погрешностей показаний прибора, регистрирующего уровень прошедшего сигнала (из-за нестабильности акустического контакта обоих преобразователей с контролируемой деталью). Теневой метод не даёт информации о расположении (координатах) обнаруженной несплошности. По этим причинам данный метод в дефектоскопии деталей железнодорожного транспорта имеет ограниченное применение.
Как видно из рис. 7.11, ЗТМ ультразвукового контроля реализуется, если перенести приёмный пьезоэлектрический преобразователь, реализующий теневой метод, с донной поверхности на поверхность сканирования изделия и наблюдать за уровнем (амплитудой) дважды прошедшего через изделие сигнала (от поверхности ввода до донной поверхности и обратно).
Метод ЗТМ может быть реализован в случае:
а) использования раздельно излучателя и приёмника;
б) когда излучатель и приёмник, разведённые экраном, помещены в один корпус (РС);
в) если пьезопластина совмещает функции излучателя и приёмника, чаще всего используются совмещённые ПЭП.
Рис. 7.11. Переход от теневого метода
ультразвукового контроля к зеркально-теневому
В методе используется как прямой, так и наклонный ввод акустического луча. При любом способе реализации зеркально-теневого метода контроля признаком обнаружения дефекта является уменьшение донного сигнала в определённое, наперёд заданное число раз. Чем крупнее дефект, тем существеннее ослабление донного импульса, вызываемое этим дефектом. Величина ослабления донного импульса может быть оценена коэффициентом ослабления Кс
, (7.9)
где Uo – амплитуда донных импульсов при отсутствии дефекта; Uд – амплитуда тех же донных импульсов при расположении дефекта в зоне ультразвукового пучка.
При достаточной мощности зондирующих колебаний ультразвуковой луч может пробегать по толщине рельса несколько раз. В результате принимается серия донных импульсов (до 12!), амплитуда которых уменьшается по экспоненциальному закону по мере увеличения порядкового номера отражений (рис. 7.12). При сплошном контроле рельсов с помощью дефектоскопных тележек производят анализ изменения амплитуд первого или второго донного сигналов. Выделение донного сигнала производят с помощью стробирующего импульса.
Рис. 7.12. Образование многократно
отраженных донных сигналов
Величина ослабления Кс, вызываемого одним и тем же дефектом, будет различной при разных способах контроля. Для количественной оценки выявляемости дефектов используют обычно коэффициент ослабления при контроле по первому донному импульсу. Этот коэффициент называют коэффициентом
выявляемости дефекта и обозначают Кд.
Величина коэффициента Кд изменяется в пределах от 0 до 1 и тем меньше, чем больше дефект. Длядефектов, размеры которых существенно меньше длины волны, Кд = 1. Если дефект полностью перекрывает ультразвуковой пучок, то Кд = 0. Таким образом, по величие коэффициента выявляемости дефекта и обозначают Кд.
Зеркально-теневой метод является одним из основных способов, применяемых для обнаружения дефектов в виде вертикальных расслоений в шейке и подошве рельса.
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите физические основы метода ЗТМ.
2. Перечислите достоинства и недостатки метода.
3. В каких случаях может быть реализован ЗТМ?
4. Что такое коэффициент ослабления и коэффициент выявляемости?
7.3. Зеркальный метод ультразвукового контроля
При поиске дефектов, ориентированных перпендикулярно к поверхности сканирования, например, некоторых контактно-усталостных трещин в головке рельсов (код дефекта 21.1-2), контроль одним наклонным преобразователем не всегда даёт достаточно надёжные показания.
Это связано с тем, что ультразвуковой луч, падая на дефект, в основном зеркально отражается от его плоскости и практически не возвращается на излучаемый ПЭП (рис. 7.13). Для повышения эффективности обнаружения вертикально ориентированных поперечных трещин эхометод ультразвукового контроля дополняется зеркальным методом. Он реализуется при прозвучивании изделия двумя ПЭП. Сигнал, переотражаясь от противоположной поверхности изделия и от плоскости дефекта, поступает на приёмную пьезопластину (рис. 7.14).
Рис. 7.13. Отражение
ультразвуковых колебаний от вертикально
ориентированной линии
Рис. 7.14. Иллюстрация
зеркального метода контроля
В простейшем случае в дополнение к первому ПЭП, работающему в обычном режиме излучения/приёма, на определённом расстоянии В от него устанавливают второй ПЭП, который может работать только в режиме приёма зеркально отражённых от плоскости дефекта сигналов (рис. 7.14). В общем случае каждый из ПЭП может работать в режиме излучения и в режиме приёма.
Расстояние В между двумя ПЭП выбирают, исходя из условия наилучшего озвучивания зоны вероятного образования дефектов. При контроле толстостенных изделий базовое расстояние В периодически меняют, озвучивая всю толщину изделия.
При контроле тонкостенных изделий допустимо размещение ПЭП на определённом фиксированном расстоянии друг от друга (В = const). При этом благодаря раскрытию ультразвукового пучка (диаграммы направленности) общей зоной, охватываемой двумя взаимопересекающимися диаграммами направленности, озвучивается практически всё сечение изделия (рис. 7.15).
Вопросы для самоконтроля
1. В чем целесообразность применения зеркального метода?
2. Опишите формирование и схему излучения–отражения–приема сигналов в зеркальном методе.
7.4. Дельта-метод ультразвукового контроля
Данный метод основан на явлении дифракции волн на дефекте. Излучающий пьезопреобразователь озвучивает дефект поперечной ультразвуковой волной (рис. 7.16).
Часть падающего на плоскость дефекта ультразвукового пучка зеркально отражается от дефекта в виде поперечной волны сt. Другая часть дефрагирует (рассеивается) в виде поперечной волны или трансформируется (преобразуется) в виде продольной волны сl.
Наиболее интенсивно дифракция возникает на острых краях дефекта, например, на краях усталостных трещин.
Дифрагированная продольная волна может быть принята прямым ПЭП, размещённым над трещиной. Признаком наличия дефекта является появление эхоимпульса на ПЭП П с амплитудой Utl.
Амплитуда Utl сигнала дифрагированной волны (при прочих равных условиях) зависит от угла между направлением падающей на плоскость дефекта поперечной волны сt и направлением принимаемой продольной волны сl.
В целях распознавания конфигурации дефекта по амплитуде Utl дифрагированной волны в изделиях с плоскопараллельными поверхностями применяют озвучивание под углом к поверхности изделия плоскости дефекта прямым (m = 0) и однократно отражённым (m = 1) лучом (рис. 7.17).
При озвучивании прямым лучом угол = α, а однократно отражённым лучом – = 180º – α. Измеряя максимальные амплитуды сигналов дифрагированной волны при озвучивании прямым Ut/0 и однократно отражёнными Ut/1 лучами по их соотношению χ = Ut/0/ Ut/1 делают попытки распознавания конфигурации дефектов и разделяют их:
• на плоскостные (трещины);
• округлые (поры, шлаковые включения);
• полуплоскостные (поры с трещиной).
В связи с тем, что реализация дельта-метода требует использования двух ПЭП (наклонного и прямого), а процедура измерения весьма трудоёмка, метод используют только в экспертных ситуациях. Данный метод хотя и предусмотрен новым ГОСТ [4] на ультразвуковой контроль рельсов, но практического применения в рельсовой дефектоскопии в настоящее время ещё не нашёл.
Рис. 7.17. Процедура реализации дельта-метода при измерениях амплитуд дифрагированной волны для распознавания конфигурации дефекта: а – озвучивание дефекта прямым (m = 0) лучом; б – озвучивание дефекта однократно отраженным (m = 1) лучом
Вопросы для самоконтроля
1. Опишите процесс излучения, падения, отражения, трансформации и приема волн в дельта-методе.
2. Что применяют для оценки конфигурации дефекта при использовании дельта-метода.
7.5. Настройка параметров каналов
ультразвукового контроля рельсов
Основные настраиваемые параметры ультразвукового контроля рельсов следующие:
• действительное положение точки выхода луча применяемого ПЭП;
• угол ввода луча ПЭП;
• глубина «мертвой» зоны;
• количественный показатель точности работы глубиномера, дефектоскопа;
• условная чувствительность акустического тракта дефектоскопа с ПЭП;
• минимальный условный размер дефекта, фиксируемый при заданной скорости контроля рельса;
• частота возбуждаемых ультразвуковых колебаний;
• длительность зондирующего импульса.
Большинство из этих параметров устанавливается с использованием стандартных образцов.
Отраслевые стандартные образцы применяют для обеспечения единства измерений, проверки основных параметров:
• при аттестации и проверке работоспособности ПЭП;
• метрологической проверке ультразвуковых дефектоскопов;
• настройке ультразвукового дефектоскопа на заданный режим работы для контроля конкретного изделия.
В рельсовой дефектоскопии в последние годы применяется наиболее универсальный стандартный образец (СО-3Р). Также сохраняют применение предшествующие, удобные в определенных условиях образцы СО-1 (СО-1Р), СО-2 и СО-3.
Стандартный образец СО-1 (рис. 7.18), изготовленный из органического стекла с заданными акустическими свойствами, используется для настройки дефектоскопов на заданную условную чувствительность, выражаемую в миллиметрах. Глубина расположения эталонных отражателей диаметром 2 мм для определения условной чувствительности указана в миллиметрах на образце около каждого отражателя. Исходящие от отражателей линии соответствуют углам падения волны (углу призмы пьезообразователя, выполненного из органического стекла), равным 30º, 40º и 50º.
Рис. 7.18. Стандартный образец СО-1: А – положение преобразователя при определении условной чувствительности; Б – то же при проверке глубиномера дефектоскопа
Проверку глубиномера дефектоскопов осуществляют путем измерения интервалов времени между зондирующим и донными импульсами, отраженными от прорези длиной 70 мм, которая находится на расстоянии 27 мм от рабочей плоскости паза в образце. Интервал времени между зондирующим и первым донным импульсами, а также между любыми двумя последующими донными импульсами должен составлять 20 мкс.
Концентрические отверстия и ступенчатый выступ на образце СО-1 позволяют оценить разрешающую способность по лучу (по дальности) при контроле наклонным и прямым преобразователями, а шкала со стороны Б (рис. 7.18) предназначена для определения угла призмы наклонных ПЭП с призмой из органического стекла.
Стандартный образец СО-1Р (рис. 7.19), изготовленный из органического стекла с заданными акустическими свойствами, используется для тех же целей, что и стандартный образец СО-1, но только при настройке рельсовых дефектоскопов на заданную условную чувствительность, выражаемую в миллиметрах.
Рис. 7.19. Стандартный образец СО-1Р
Стандартный образец СО-2 (рис. 7.20), изготовленный по ГОСТ 14782-86 из стали Ст20 или Ст3, используется:
• для измерения угла ввода луча;
• при проверке глубиномера дефектоскопов путем измерения интервалов времени между зондирующим и донным импульсами при расположении прямого преобразователя на рабочей поверхности образца. Интервал времени между зондирующим и первым донным импульсами и между любыми двумя последующими донными импульсами должен составлять 20 мкс;
• при проверке «мертвой» зоны дефектоскопа с преобразователем, настроенным на заданную условную чувствительность;
• для настройки дефектоскопов на заданную условную чувствительность, измеряемую в децибелах.
Измерение угла ввода луча и настройку дефектоскопа на заданную условную чувствительность выполняют по эхоимпульсам от отражателя диаметром 6 мм на глубине 44 мм. Для проверки «мертвой» зоны дефектоскопа с преобразователем в образце СО-2 высверлены отверстия диаметром 2 мм на глубинах 3,6 и 8 мм.
Рис. 7.20. Стандартный образец СО-2: А – положение преобразователя при определении угла ввода луча; Б – то же при определении условной чувствительности в децибелах; В – то же при определении «мертвой» зоны; 1 – зондирующий импульс; 2 – эхосигнал от отверстия диаметром 2 мм на глубине 8 мм
Стандартный образец СО-3 (рис. 7.21), изготовленный из стали Ст20 или Ст3, используется для определения точки выхода луча и направления акустической оси наклонного преобразователя. Нуль шкалы на образце совпадает с геометрическим центром полуокружности образца.
Стандартный образец СО-3Р (рис. 7.22), изготовленный по ГОСТ 18576-85 из стали Ст20 или Ст3, практически объединяет возможности СО-2 и СО-3 и используется:
• для определения точки выхода луча;
• измерения угла ввода луча;
• проверки глубиномера дефектоскопов путем измерения интервалов времени между зондирующим и донным импульсами при расположении прямого преобразователя на рабочей поверхности образца. Интервал времени между зондирующим и первым донным импульсами и между любыми двумя последующими донными импульсами должен составлять 20 мкс;
• проверки «мертвой» зоны дефектоскопа с преобразователем, настроенным на заданную условную чувствительность;
• настройки дефектоскопов на заданную условную чувствительность, измеряемую в децибелах.
Ввиду удобства и относительно малой массы при настройке дефектоскопов в полевых условиях наибольшее применение нашел стандартный образец СО-1. Затухание ультразвуковых колебаний весьма сильно зависит от температуры, поэтому при настройке дефектоскопов, имеющих аттенюатор, рекомендуется использовать СО-2.
Рис. 7.22. Стандартный образец СО-3Р: А, Б – положение преобразователя соответственно при определении угла ввода луча и условной чувствительности; В – то же при определении «мертвой» зоны; Г – то же при определении точки выхода луча; 1 – зондирующий импульс; 2 – эхосигнал от отверстия диаметром 2 мм на глубине 8 мм
Под точкой выхода луча понимают точку пересечения акустической оси ультразвукового луча с контактной поверхностью преобразователя.
Положение точки выхода луча на призме (корпусе) преобразователя проверяют по стандартному образцу СО-3 (рис. 7.23) или стандартному образцу СО-3Р (рис. 7.24). Перемещая преобразователь по рабочей поверхности образца, выбирают такое его положение, при котором амплитуда эхосигнала от вогнутой цилиндрической поверхности наибольшая. В этом случае точка выхода луча совпадает с геометрическим центром полуокружности в образце СО-3 или СО-3Р. Если метка, обозначающая точку выхода луча, не соответствует действительному положению последней (или отсутствует), то на призму (корпус) преобразователя следует нанести новую метку.
Рис. 7.23. Определение точки выхода луча ПЭП
на стандартном образце СО-3
Рис. 7.24. Определение точки выхода луча ПЭП
на стандартном образце СО-3Р
При определении точки выхода луча следует также убедиться, что максимальная амплитуда эхосигнала соответствует положению преобразователя, при котором его боковые грани (плоскости) параллельны боковым плоскостям стандартного образца СО-3 или СО-3Р или риска на корпусе круглого резонатора (вставки) преобразователя совпадает с продольной осью образца.
Расстояние между точкой ввода луча и передней гранью корпуса наклонного ПЭП называется стрелой преобразователя и обозначается буквой n (рис. 7.25). Этот параметр весьма важен при ультразвуковом контроле сварных соединений с валиком усиления. Чем меньше стрела преобразователя, тем ближе при проверке качества сварки можно приблизить ПЭП к зоне сварного шва. Для используемых на практике ПЭП n = 915 мм.
Под углом ввода луча α понимают угол между нормалью к поверхности, на которой установлен преобразователь, и линией, соединяющей центр цилиндрического отражателя с точкой выхода луча при установке преобразователя в положение, при котором амплитуда эхосигнала от отражателя наибольшая.
Угол ввода луча измеряют по стандартному образцу СО-2 или СО-3Р
(рис. 7.26).
Если измеренное значение угла ввода луча не соответствует требуемому, то преобразователь должен быть сдан в ремонт.
Под «мертвой» зоной понимают область контролируемого изделия (рельса), прилегающую к контактной поверхности, дефекты в которой не выявляются при заданной условной чувствительности дефектоскопа с преобразователем.
«Мертвая» зона при контроле наклонным ПЭП обусловливается в основном:
• уровнем реверберационных шумов в призме ПЭП;
• согласованностью акустических сопротивлений материала призмы и контролируемого металла;
• длительностью зондирующего импульса;
• настройкой приемного тракта дефектоскопа.
Рис. 7.26. Определение угла ввода луча на стандартном образце СО-3Р
Величину «мертвой» зоны определяют минимальной глубиной расположения цилиндрического отверстия диаметром 2 мм, выполненного в СО-2 или в СО-3Р.
Например, при контроле сварных стыков рельсов «мертвая» зона не должна превышать:
• для ПЭП с α = 65º 3 мм;
• для ПЭП с α = 50º 8 мм.
Условная чувствительность К2у в децибелах (дБ) по стандартному образцу СО-2 или СО-3Р выражается разностью между показаниями аттенюатора при данной настройке дефектоскопа и показанием, при котором цилиндрическое отверстие диаметром 6 мм в стандартном образце СО-2 или СО-3Р на глубине 44 мм фиксируется индикаторами дефектоскопа.
При контроле дефектоскопом, имеющим калиброванный регулятор, т. е. аттенюатор, настройку чувствительности необходимо осуществлять с помощью СО-2 или СО-3Р.
Порядок настройки дефектоскопа с углом ввода преобразователя α на условную чувствительность, дБ, К2у = N по образцу СО-3Р представлен на рис. 7.27.
Настройка включает в себя следующие операции:
• ПЭП перемещается по образцу до положения, при котором амплитуда эхосигнала от отверстия диаметром 6 мм на глубине 44 мм будет наибольшей. Это положение близко или совпадает с пунктом шкалы рабочей поверхности, равным углу α ПЭП;
• при этом положении ПЭП регулятором чувствительности дефектоскопа амплитуда эхосигнала от отверстия доводится до порогового уровня. К тому же дефектоскоп настроен на обнаружение дефектов, отражающие свойства которых равны или больше отражающих свойств отверстия диаметром 6 мм на глубине 44 мм. Но требуется обнаружение более мелких объектов, а значит, более высокая чувствительность канала;
• ПЭП снимается с образца, и аттенюатором устанавливается заданная величина К2у = N. Дефектоскоп готов к контролю рельса с заданной чувствительностью канала.
Рис. 7.27. Операции настройки дефектоскопа на заданную условную чувствительность в децибелах: а – установка ПЭП на СО-3Р и получение максимума эхосигнала от отверстия диаметром 6 мм; б – доведение эхосигнала до порогового уровня; в – повышение чувствительности дефектоскопа с помощью аттенюатора на заданное количество N, дБ
Чувствительность является одним из наиболее ответственных параметров дефектоскопного канала. Значение ее должно обеспечивать надежную регистрацию эхосигнала от дефекта минимально допустимого для данного изделия размера.
Условная чувствительность канала с преобразователем определяется размерами и глубиной залегания искусственных отражателей на образце из материала с определенными акустическими свойствами.
Условную чувствительность К1у в миллиметрах канала с углом β призмы преобразователя устанавливают регулятором «ослабление, дБ» такой, чтобы уверенно выявились индикаторами дефектоскопа отверстия на глубине от 5 до 45 мм в стандартном образце СО-1 (рис. 7.28 и 7.29).
Для настройки рельсовых дефектоскопов с анализом эхосигналов в определенной временной зоне (зоне селекции) разработан стандартный образец СО-1Р (рельсовый). При контроле эхометодом должен применяться этот образец.
В процессе контроля при оценке уровня амплитуд эхосигналов от дефектов изменяют положение кнопок аттенюатора. Поэтому для сохранения выполненной настройки необходимо «запоминание» позиции аттенюатора и после выполнения измерений – возвращение его в первоначальное положение.
Рис. 7.28. Пример настройки дефектоскопа
на условную чувствительность К1у = 35 мм
Рис. 7.29. Пример настройки дефектоскопа
на условную чувствительность К1у = 45 мм
Задание настройки может нарушаться вследствие износа ПЭП, изменения температуры воздуха, нестабильности параметров дефектоскопа. Поэтому периодически (через 2–3 часа работы), а также перед контролем другого изделия и после смены ПЭП следует проверять настройку дефектоскопа на заданную условную чувствительность.
Между условной чувствительностью по образцу СО-1 в миллиметрах (К1у, мм) и условной чувствительностью по СО-3Р (или СО-2) в децибелах (К2у, дБ) существует прямая связь (рис. 7.30).
Рассмотренные выше варианты настройки условной чувствительности по образцу СО-1 в миллиметрах или по СО-3Р в децибелах относятся к эхо- и зеркальному методам контроля.
Рис. 7.30. Соотношение между условными чувствительностями
К1у, мм, по СО-1 и К2у, дБ, по СО-3Р (или СО-2) для ПЭП с α = 50º
Условную чувствительность зеркально-теневого дефектоскопа определяют максимальной величиной Ку, аналогично коэффициенту выявляемости
Кд = Ид/Ио; Ку представляет собой минимальное относительное ослабление данного импульса, регистрируемого индикатором дефектоскопа, т. е.
, (7.10)
где Ио – амплитуда донного отражения донного сигнала; Ит – амплитуда того же донного сигнала, но ослабленного до появления сигнала в индикаторе дефектоскопа (Ит < Ио).
Чувствительность дефектоскопа тем больше, чем больше величина Ку.
Для измерения и эталонирования условной чувствительности зеркально-теневого дефектоскопа целесообразно применить калиброванный аттенюатор на входе приемного тракта дефектоскопа.
Особенности настройки условной чувствительности при реализации зеркально-теневого метода следующие:
• для настройки не требуется специальный образец. Достаточно поставить ПЭП на бездефектный рельс и получить донный сигнал;
• для настройки необходим калиброванный ослабитель, проградуированный в децибелах или разах (десятых долях). Амплитуда донного сигнала на бездефектном участке принимается Ио = 1, а при наличии дефекта донный сигнал может уменьшиться до 0 (0 < КУ < 1). При контроле рельсов часто устанавливают Ку = 0,2 (или Ку = 14 дБ), т. е. индикаторы дефектоскопа срабатывают, если амплитуда донного сигнала над дефектом уменьшится более чем в 5 раз;
• в процессе контроля изделия всегда можно проверить нормальное функционирование дефектоскопа и правильность его настройки кратковременным нажатием кнопки имитатора дефектов или кнопки аттенюатора;
• выявляемость дефекта тем лучше, чем больше по абсолютному значению условная чувствительность.
Минимальный условный размер дефекта Lmin фиксируется при заданной скорости сканирования. Во многих дефектоскопах индикаторы при контроле срабатывают только после появления определенного заранее заданного числа N эхосигналов при эхо- и зеркальном методе. При зеркально-теневом методе – то же, после пропадания N донных сигналов.
Это позволяет исключить индикацию ложных сигналов и кратковременных помех. Число N характеризует инерционность индикатора. Скорость сканирования V не должна превышать значения, при котором от дефекта на регистратор поступает не менее N сигналов при установленных:
• скорости сканирования V;
• частоте посылок зондирующих импульсов F;
• инерционности индикатора N.
Минимальная условная протяженность фиксируемого дефекта вдоль рельса
. (7.11)
Например, при контроле рельса дефектоскопной тележкой N = 2 импульса, F = 1000 Гц, V = 1,0 м/с:
Lmin = (2/1000) ∙ 1 = 0,002 м = 2 мм.
Экспериментальное значение Lmin, фиксируемое индикатором дефектоскопа при заданной скорости, определяется на образце рельса с моделью дефекта или с имитацией специальной радиотехнической аппаратурой сигналов от дефектов с заданным условным размером. При контроле рельсов дефектоскопными тележками при рабочей скорости примерно 4 км/ч считается достаточным уверенное обнаружение отверстий от контактных соединителей диаметром
6–10 мм.
Частота f возбуждаемых ультразвуковых колебаний в процессе контроля рельсов остается неизменной. В большинстве дефектоскопных средств для контроля рельсов в России, как указывалось выше, она составляет fо = 2,5 МГц. Допускается отклонение 10%. Значение fо определяется не только параметрами электронного блока, но и характеристиками ПЭП, а также условиями ввода и приема ультразвуковых колебаний в СО-3Р. Поэтому при смене ПЭП всегда целесообразно измерять частоту ультразвуковых колебаний. От нее зависит ответственный параметр – длина λ ультразвуковой волны. Процесс проверки значения f требует использования специальной радиотехнической аппаратуры. В производственных условиях проверка f затруднительна и осуществляется один раз в 6 месяцев в дорожной лаборатории дефектоскопии.
Длительность зондирующего импульса τ определяет длительность эхосигнала от дефекта и влияет на реальную чувствительность дефектоскопного канала при обнаружении дефекта с диффузной поверхностью. В рельсовых дефектоскопах τ = 4–5 мкс. Чем больше τ, тем больше «мертвая» зона и хуже разрешающая способность дефектоскопа. Но при слишком коротком импульсе мощность излучаемых колебаний может оказаться слишком малой для полного прозвучивания изделия. Проверяется величина τ на специальной установке в основном в дорожной лаборатории дефектоскопии через каждые 6 месяцев.
Вопросы для самоконтроля
1. Перечислите основные настраиваемые параметры каналов ультразвукового контроля рельсов.
2. Для чего применяют стандартные образцы в рельсовой дефектоскопии? Назовите их.
3. Как измеряют угол ввода луча?
4. Как осуществляется проверка глубиномера?
5. Как выполняется проверка «мертвой» зоны?
6. Каковы особенности настройки условной чувствительности ультразвукового канала при эхометоде методе.
7. Каковы особенности условной чувствительности ультразвукового канала при зеркально-теневом методе.
8. При каких условиях фиксируется минимальный условный размер дефекта.
9. Как осуществляется проверка частоты заполнения и длительности зондирующего импульса?
7.6. Волноводный эхометод
Новый перспективный волноводный эхометод контроля рельсов основан на возбуждении ультразвуковых волн, распространяющихся по объекту контроля, как по волноводу. Главные условия проявления волноводного эффекта:
• ограниченность объекта контроля в одном или двух измерениях и протяженность в остальных измерениях;
• ограниченный размер объекта соизмерим или меньше длины ультразвуковой волны.
Распространение ультразвуковых колебаний в рельсе с соответствующими частотами и длинами волн осуществляться вдоль головки, шейки и подошвы, как в трех акустически связанных волноводах.
Вертикальные и горизонтальные размеры этих волноводов соответственно равны необходимым длинам волн с упругими перемещениями в обоих направлениях поперечного сечения. Исходя из этого можно подсчитать требуемые частоты ультразвуковых колебаний в каждом волноводе для конкретного типа рельса и обнаружения дефектов преимущественной ориентации. Например, для обнаружения горизонтальных продольных расслоений шейки рельса при контроле поперечной волной на основе волноводного эхометода требуется частота излучателя
, (7.12)
где fш.в – частота ультразвуковых колебаний, возбуждаемых в шейке, с вертикальным упругим перемещением частиц материала рельса; hш – высота шейки. Ей равна длина волны λш.в; Сt – скорость поперечной (сдвиговой) волны в рельсовой стали.
Так, для рельса Р-65 с h = 105 мм при Ct = 3260 м/с:
.
Аналогичные расчеты для других зон-волноводов свидетельствуют о том, что для обнаружения дефектов любого вида и ориентации необходим набор дискретных рабочих частот излучателей от 30 до 150 кГц. Упругие волны с такими частотами распространяются в металле с незначительным затуханием (см. выше). Введенные в одном конце рельса они сохраняют достаточно высокий для контроля уровень энергии до другого конца.
Но с другой стороны, большая длина волны, по сравнению с традиционным эхометодом, не позволяет использовать волноводный эхометод для подробной оценки обнаруженного дефекта. Поэтому целесообразно и рационально применение его для предварительного дистанционного контроля с последующим локальным обследованием обнаруженного дефекта традиционными методами ультразвукового контроля.
В настоящее время волноводный метод дистанционного контроля рельсов в сочетании с локальным контролем традиционным эхометодом реализован в дефектоскопе АКРМ-1224.
7.7. Электромагнитно-акустический способ
ультразвукового контроля рельсов
В современной рельсовой дефектоскопии одной из наиболее актуальных проблем является обеспечение надежности непрерывного контроля рельсовой нити. При использовании ультразвуковых методов часто возникают затруднения в связи с нарушением акустического контакта между пьезоэлектрическими преобразователями и поверхностью сканирования из-за ее загрязнения, смерзания акустической жидкости, нарушения положения блока преобразователей относительно оси рельса и других причин. В значительной степени проблема может решаться с применением бесконтактных излучателей и приемников ультразвуковых колебаний. К ним относятся электромагнитно-акустические преобразователи (ЭМАП). Они генерируют ультразвуковые колебания на основе одновременного воздействия на поверхности катания головки рельса высокочастотного и поляризующего магнитных полей. Этот бесконтактный ультразвуковой метод контроля получил название ЭМА-способ. Преобразователи изготовляют прямыми и наклонными. Диапазон частот колебаний может быть расширен в сторону уменьшения от применяемой в большинстве дефектоскопов рабочей частоты 2,5 МГц. В некоторых средствах с реализованным способом диапазон ее 0,25–1,8 МГц. В контролируемом изделии распространяются продольные, поперечные и поверхностные (рэлеевские) волны. Это дает возможность контролировать все сечение изделия, в том числе и в поверхностном слое, т. е. в «мертвой» зоне при использовании пьезоэлектрических преобразователей. Как и с использованием ПЭП, прозвучивание изделия осуществляется по схемам эхометода, зеркально-теневого и зеркального методов.
Практическое использование метода позволяет проводить контроль рельсов в широком диапазоне температур и скоростей движения дефектоскопного средства относительно объекта контроля. Наличие воздушного зазора между преобразователем и поверхностью сканирования повышает долговечность преобразователя, всего дефектоскопного средства и надежность контроля в целом. Кроме того, требования к качеству подготовки поверхности объектов контроля при реализации ЭМА-способа значительно ниже, чем при использовании контактных способов.
В настоящее время ЭМА-способ реализован в дефектоскопной установке для входного контроля рельсов на рельсосварных предприятиях УД-ЭМА-РСП-01. Разработан также портативный дефектоскоп контроля железнодорожного пути ЭМА.
ЭМА-способ (метод) контроля рельсов имеет широкие перспективы развития: контроль рельсов, лежащих в пути; в мобильных средствах скоростного контроля; выходной контроль рельсовых плетей на РСП после сварки; выходной контроль рельсов на предприятиях-изготовителях рельсов [1, 20, 23, 24].
Вопросы для самоконтроля
1. В чем состоит содержание, целесообразность, реализация и перспективы волноводного эхометода рельсовой дефектоскопии?
2. Каковы физические основы возбуждения ультразвуковых колебаний при ЭМА-способе и ввод их в контролируемый рельс?
3. В чем преимущества ЭМА-способа перед методами ультразвукового контроля с применением пьезоэлектрических преобразователей?
4. Приведите опыт применения и перспективы ЭМА-способа.
8. МЕТОДЫ МАГНИТНОЙ РЕЛЬСОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ
Магнитные методы рельсовой дефектоскопии стали применяться значительно раньше ультразвуковых. В съемных дефектоскопах они не применяются с 90-х годов прошлого века. Но в мобильных средствах высокоскоростной диагностики пути они незаменимы, благодаря следующим своим достоинствам:
• возможности бесконтактного контроля рельсов с зазором в 8/10 мм до поверхности рельса;
• надежности контроля в широком диапазоне температур воздуха и скорости перемещения дефектоскопного средства;
• четкому отражению на дефектограммах элементов рельсового пути, включая подкладки, что обеспечивает точное установление сечения с дефектом.
Скрытые дефекты в железнодорожных рельсах обнаруживаются магнитными и электромагнитными методами. Для этого рельсы намагничивают способом приложенного магнитного поля электромагнитом или постоянным магнитом. Но методы обнаружения внутренних дефектов при разных скоростях перемещения намагничивающего поля существенно отличаются. Поэтому каждый из них может классифицироваться как метод, имеющий самостоятельное значение. В случае перемещения магнитного поля относительно рельса со скоростью 4–5 км/ч условия намагничивания рельсов близки к статическим. Над головкой рельса с внутренним поперечным дефектом возникает местное магнитное поле - поле рассеяния дефекта. Метод, основанный на индикации поля рассеяния дефекта при статическом намагничивании рельсов в пути, называется магнитным. Перемещение магнитного поля относительно рельсов со скоростью 60–70 км/ч вызывает появление в них замкнутых контуров вихревых токов. Поэтому наличие дефекта приводит не только к местному изменению намагниченности рельса, но и к местному изменению в нем контуров вихревых токов и их плотности. При совместном действии этих факторов в зоне дефекта над поверхностью рельса возникает местное изменение поля – магнитодинамическое поле дефекта. Метод дефектоскопирования рельсов в пути, основанный на индикации этого поля, называется магнитодинамическим.
Магнитный способ обнаружения дефектов основан на ферромагнитных свойствах сканируемых материалов. Ферромагнитные свойства возникают, благодаря наличию в атоме стали элементарных носителей магнетизма – движущихся внутри атома электронов и особому взаимодействию между некоторыми электронами соседних атомов. Атом имеет сложную структуру, состоящую из ядра, заряженного положительно и вращающегося вокруг него и собственной оси отрицательно заряженных электронов. Всякое движение электронов представляет собой электрический ток, а прохождение тока сопровождается возникновением магнитного поля.
Благодаря добавочному (внутреннему) полю ферромагнитные материалы приобретают очень ценные свойства: сильно намагничиваются в относительно слабом магнитном поле. Магнитная восприимчивость зависит от напряженности намагничивающего (внешнего) поля. Поэтому при неизменной напряженности этого поля местное изменение магнитной восприимчивости ферромагнитного материала, например, из-за нарушения его однородности или несплошности, сопровождается изменением его намагниченности. Над головкой продольно намагниченного рельса с внутренней поперечной трещиной усталости возникает поле рассеяния дефекта. Намагниченность окружающей среды у «полюсов» дефекта значительно больше, чем у материала, из которого состоит дефект. Практическое применение получил способ намагничивания рельсов в приложенном магнитном поле движущегося электромагнита или постоянного магнита. Рельсы в пути проверяют дефектоскопами, не нарушая движения поездов (не занимают перегон, а в случае прохождения поезда дефектоскоп снимают с рельсов). Дефектоскоп для намагничивания рельсов имеет постоянные магниты. Между полюсами магнитов в головке рельсов различных типов создается продольное поле со средней напряженностью 8–10 А/см. В качестве примера дан график изменения напряженности продольной составляющей магнитного поля над участком головки рельса, находящимся между полюсами постоянного магнита (рис. 8.1).
В головке дефект – внутренняя поперечная трещина усталости.
Магнитодинамический метод используется для скоростного дефектоскопирования рельсов, лежащих в пути. Постоянное магнитное поле перемещается относительно рельса со скоростью 60–70 км/ч. Оно возбуждается П-образными электромагнитами – по одному на каждую рельсовую нить пути. Намагничивающие обмотки электромагнитов подключены к источнику постоянного тока. Между полюсами движущегося электромагнита и рабочей поверхностью рельса есть воздушные зазоры 8–10 мм. Полюсные магнитные потоки (рис. 8.2) частично рассеиваются, а в рельсе разветвляются на две части – межполюсную и заполюсную. Для обнаружения дефектов в рельсах используется межполюсной магнитный поток, составляющий примерно 60% общего потока, возбуждаемого намагничивающим током в обмотках электромагнита.
Характерные свойства магнитодинамического метода в основном обусловлены особенностью намагничивания рельсов в движущемся поле электромагнита. Магнитный поток, возникающий в рельсе в зоне влияния одного из полюсов движущегося электромагнита, возрастает и убывает в зоне влияния другого полюса. Этот непрерывный процесс перемагничивания рельса полем движущегося электромагнита связан с явлениями гистерезиса и образованием вихревых токов.
Дефект в виде поперечной трещины в головке рельса является препятствием для продольной составляющей вихревых токов. Трещины вызывают изменение контуров замкнутых вихревых токов и уменьшают их плотность. Это приводит в зоне дефекта к изменению магнитного поля вихревых токов внутри головки рельса и над ее поверхностью, что и фиксируется соответствующей аппаратурой.
Магнитостатическая составляющая магнитодинамического поля дефекта возникает из-за изменения намагниченности дефектного участка головки рельса (по тем же причинам, что и поле дефекта при статическом намагничивании рельса). Динамическое поле дефекта – это векторная сумма вихретоковой и магнитостатической составляющих.
При низких скоростях движения, когда интенсивность наводимых в рельсе вихревых токов невелика, определяющее значение в формировании магнитодинамического поля дефектов имеет фактор намагниченности. С увеличением скорости движения растет интенсивность наводимых в рельсах вихревых токов, повышается их роль в формировании магнитодинамических полей дефектов, что сказывается на их значении и форме. Магнитодинамические поля дефекта определяют искателем. В условиях перемещения электромагнита относительно рельса в качестве искателя может служить многовитковая катушка без магнитного сердечника. Катушку устанавливают в полюсном пространстве электромагнита и вместе с ним перемещают над рабочей поверхностью головки рельса.
Обнаружение дефектов в металлических деталях вихретоковым методом базируется на законе электромагнитной индукции, по которому переменное магнитное поле возбуждает в них вихревые токи. Последние замыкаются в толще металла и могут быть использованы для обнаружения дефектов. Поэтому вихретоковый метод основан на наблюдении за процессами, сопутствующими вихревым токам (рис. 8.3).
Рис. 8.3. Распределение вихревых токов
в контролируемом изделии: а – на участке без дефектов;
б – на участке с поперечной трещиной
Переменное магнитное поле в контролируемой детали создается намагничивающей катушкой, которая питается от источника переменного тока. Рассматривая вихретоковый метод, следует иметь в виду, что переменное поле, даже при относительно небольшой частоте, проникает только в поверхностный слой детали.
Трещина или другой дефект, нарушающие сплошности поверхностного слоя металла являются препятствием для вихревых токов. Оно оказывает действие, аналогичное резкому уменьшению электрической проводимости металла, что отражается на электрических параметрах намагничивающей катушки. Толщина металла имеет значение лишь в тех случаях, когда она меньше глубины проникания вихревых токов в данном металле. Выбор оптимальной частоты намагничивающего поля для дефектоскопирования металла с определенной электрической проводимостью и магнитными свойствами зависит в основном от глубины залегания трещин, которые должны быть обнаружены. Так как контролируется только слой металла, прилегающий к поверхности детали, то для обнаружения трещин с минимальной глубиной залегания принимают достаточно большую частоту с тем, чтобы глубина проникания вихревых токов не превышала долей миллиметра. Недостаток метода при накладной намагничивающей катушке – большая чувствительность к изменению расстояния между катушкой и поверхностью детали. Поэтому наличие промежуточных слоев (окисные пленки, защитные покрытия и др.), неровности на поверхности испытуемой детали существенно изменяет электрические параметры намагничивающей катушки.
Вопросы для самоконтроля
1. Перечислите достоинства магнитной дефектоскопии рельсов.
2. Каково влияние скорости перемещения дефектоскопа на формирование метода контроля?
3. На чем основан магнитный метод и как он практически реализуется?
4. Назовите принцип действия магнитодинамического метода.
5. На чем основан вихретоковый метод?
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Совершенствование диагностики и мониторинга состояния железнодорожного пути сохраняет актуальность в настоящее время и выдвигает очередные проблемы. Неразрушающий контроль остается главенствующим для оценки состояния рельсов. Рельсовая дефектоскопия продолжает играть решающую роль в комплексе направлений диагностики и мониторинга рельсового хозяйства. Она является важнейшим звеном в системе неразрушающего контроля.
Ультразвуковая дефектоскопия с 90-х годов прошлого века почти полностью вытеснила из практики контроля состояния рельсов другие методы. Реализованы преобладающие ее преимущества: разнообразие методов и способов; возможность прозвучивания большей части поперечного сечения рельса; применимость в различных средствах контроля рельсов в пути, стрелочных переводов, на рельсосварочных предприятиях, при изготовлении рельсов. Благодаря этим достоинствам созданы разнообразные ультразвуковые дефектоскопные средства для сплошного контроля рельсов в пути, переносные однониточные, специализированные для контроля сварных стыков, элементов стрелочных переводов и другие. Имеются резервы для развития ультразвуковой дефектоскопии.
Расширение рабочего частотного диапазона в сторону низких частот предоставляет возможность прозвучивать рельс не только продольными и поперечными, но и поверхностными волнами. Это значительно расширяет возможности ультразвуковой дефектоскопии. Использование эффекта волновода с разными рабочими частотами позволяет первично прозвучить рельс с торцевой части на всю длину, а затем детально обследовать сечение с обнаруженным дефектом. Но в целом, необходимо отметить, прозвучивание рельса набором дискретных ультразвуковых лучей (пучков) даже при самых современных схемах контроля оставляет непроконтролированными отдельные части сечения.
Частичное решение проблемы представляется в оптимальном сочетании ультразвуковых методов с другими и, в частности, с магнитными. Но это решение должно реализовываться с обеспечением необходимых требований к современным дефектоскопным средствам. В их числе бывшие недоступными в магнитных дефектоскопах компактность, малый вес и энергопотребление, возможность комплексного применения современных информационных технологий непосредственно в ходе контроля рельсов в пути.
Приоритетное перспективное направление совершенствования рельсовой дефектоскопии представляется как поиск и разработка методов с полным насыщением всего контролируемого участка рельса зондирующим физическим полем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Айбадуллаев, И.Б. НК рельсов и сварных стыков на рельсосварочном предприятии № 8 Северной ж.д. / И.Б. Айбадуллаев, М.В. Панкова, Н.Л. Рогозина // В мире неразрушающего контроля. – 2006. – № 2.
2. Бадалян, В.Г. Мониторинг сварных соединений трубопроводов с использованием систем автоматизированного УЗК с когерентной обработкой данных / В.Г. Бадалян, А.Х. Вопилкин // В мире неразрушающего контроля. – 2004. – № 4.
3. Компьютеризированные средства неразрушающего контроля и диагностики железнодорожного пути / Л.В. Башкатова [и др.]. – СПб. : Радиоавионика, 1997. – 118 с.
4. ГОСТ 18576-96. Контроль неразрушающий. Рельсы железнодорожные. Методы ультразвуковые. – Минск, 1996.
5. Грицык, В.И. Дефекты рельсов железнодорожного пути : учеб. иллюстрированное пособие / В.И. Грицык. – М. : Маршрут, 2005.
6. Гурвич, А.К. Интегральный критерий эффективности средств НК рельсов в пути / А.К. Гурвич // В мире неразрушающего контроля. – 2000. – № 3.
7. Гурвич, А.К. Основные положения классификатора типоразмеров дефектов в рельсах / А.К. Гурвич // В мире неразрушающего контроля. – 2002. – № 1.
8. Причина излома сварных стыков. Классификатор дефектов / Р.В. Зайцев [и др.] // Путь и путевое хозяйство. – 2009. – № 5.
9. Зверев, А.В. Тандем Астра-Каскад-Диагностика и Мониторинг / А.В. Зверев // В мире неразрушающего контроля. – 2009. – № 3.
10. Инструктивные указания о порядкесоставления отчетных и учетных форм по хозяйству пути / ОАО «РЖД». – М., 2006.
11. Каменский, В.Б. Направления совершенствования системы ведения путевого хозяйства / В.Б. Каменский. – М. : ИКЦ «Академкнига», 2006. – 392 с.
12. Катен-Ярцев, А.С. Как рождается дефект 53.1 / А.С. Катен-Ярцев // Путь и путевое хозяйство. – 2006. – № 7.
13. Катен-Ярцев, А.С. Вопросы совмещенного дефектоскопного и путеизмерительного контроля железнодорожного пути / А.С. Катен-Ярцев, В.С. Пермяков // Развитие транспортной инфраструктуры – основа роста экономики Забайкальского края : материалы междунар. науч.-практ. конф. Т. 1. – Чита, 2008.
14. Кисляковский, О.Н. О повышении эффективности мобильных средств дефектоскопии рельсов / О.Н. Кисляковский // В мире неразрушающего контроля. – 2010. – № 2.
15. Классификация дефектов рельсов. НТД/ЦП-1-93. Каталог дефектов рельсов. НТД/ЦП-2-93. Признаки дефектных и остродефектных рельсов. НТД/ЦП-3-93. – М. : Транспорт, 1993.
16. Классификация дефектов и повреждений элементов стрелочных переводов (дополнение к НТД/ЦП-1-93). Каталог дефектов и повреждений элементов стрелочных переводов (дополнение к НТД/ЦП-2-93). Признаки дефектных и остродефектных элементов стрелочных переводов (дополнение к НТД/ЦП-3-93. – М. : Транспорт, 1996.
17. Классификация дефектов рельсов. НТД/ЦП-1-2002 (для опытной проверки). Каталог дефектов рельсов НТД/ЦП-2-2002 Признаки дефектных и остродефектных рельсов. НТД/ЦП-2-2002 / Министерство путей сообщения Российской Федерации. Департамент пути и сооружений. – М., 2002.
18. Рельсовая дефектоскопия / В.Б. Козлов [и др.]. – М. : Трансжелдориздат, 1959. – 230 с.
19. Концепция работ по развитию систем неразрушающего контроля рельсов и ответственных деталей железнодорожного подвижного состава при их изготовлении и ремонте. Приложение №1 к указанию МПС России № Н-668у от 03.07.2003 г. / Министерство путей сообщения Российской Федерации. Департамент пути и сооружений. – М., 2003.
20. Кузьмина, Л.И. НК рельсов при их восстановлении и сварке / Л.И. Кузьмина // В мире неразрушающего контроля. – 2004. – № 2.
21. Лысюк, В.С. Повреждения рельсов и их диагностика / В.С. Лысюк, В.М. Бугаенко. – М. : ИКЦ «Академкнига», 2006. – 638 с.
22. Лысюк, В.С. Надежность железнодорожного пути / В.С. Лысюк, В.Н. Сазонов, Л.В. Башкатова. – М. : Транспорт, 2001. – 286 с.
23. Марков, А.А. Первый опыт механизированного контроля сварных стыков рельсов в пути / А.А. Марков, А.Б. Козъяков // В мире неразрушающего контроля. – 2008. – № 2.
24. Марков, А.А. Документирование контроля сварных стыков / А.А. Марков, А.Б. Козъяков, А.В. Косенко // Путь и путевое хозяйство. – 2006. –№ 10.
25. Марков, А.А. Расшифровки дефектограмм ультразвукового контроля рельсов / А.А. Марков, А.Б. Козъяков, Е.А. Кузнецова. – СПб. : Образование-Культура, 2006. – 206 с.
26. Марков, А.А. Регистрация и анализ сигналов ультразвукового контроля / А.А. Марков, Д.А. Шпагин. – СПб. : Образование-Культура, 2003. – 148 с.
27. Марков, А.А. Ультразвуковая дефектоскопия рельсов : учеб. пособие / А.А. Марков, Д.А. Шпагин. – 2-е изд. перераб. и доп. – СПб. : Образование-Культура, 2008. – 281 с.
28. Комплексный анализ дефектоскопной информации НК железнодорожный рельсов / А.А.Марков [и др.] // В мире неразрушающего контроля. – 2003. – № 2.
29. Методика определения периодичности при комплексной проверке рельсов в пути / ОАО «РЖД». – М., 2009.
30. Неразрушающий контроль рельсов при их эксплуатации и ремонте / А.К. Гурвич [и др.] ; под ред. А.К. Гурвича. – М. : Транспорт, 1983. – 318 с.
31. Нормативно-техническая документация. Классификация дефектов рельсов НТД/ЦП-1-2007. Каталог дефектов рельсов НТД/ЦП-3-2007. Признаки дефектных и остродефектных рельсов НТД/ЦП-3-2007 / ОАО «Российские железные дороги». Департамент пути и сооружений. – М., 2007.
32. Обобщение передового опыта тяжеловесного движения: вопросы взаимодействия колеса и рельса / Международная ассоциация тяжеловесного движения (США изд. на русском языке). – М., 2002.
33. Дефектоскоп ультразвуковой УДС 2 – РДМ-22. Руководство по эксплуатации / ОАО «РЖД», Департамент пути и сооружений. – М. : ИКЦ «Академкнига», 2006. – 136 с.
34. Дефектоскоп ультразвуковой АВИКОН-02Р УДС-112. Руководство по эксплуатации / ОАО «РЖД», Департамент пути и сооружений. – М. : ИКЦ «Академкнига», 2006. – 79 с.
35. Технологическая инструкция по ультразвуковому контролю сварных стыков рельсов в рельсосварочных предприятиях и в пути. ТИ 07.42-2004 / ОАО «РЖД», Департамент пути и сооружений. – М., 2004. – 46 с.
36. О совершенствовании системы контроля состояния рельсов средствами дефектоскопии : приказ МПС № 2ЦЗ от 25.02.1997 г. / Министерство путей сообщения Российской Федерации. Департамент пути и сооружений. – М., 1997.
37. Положение о системе неразрушающего контроля рельсов и эксплуатации средств рельсовой дефектоскопии в путевом хозяйстве железных дорог Российской Федерации / ОАО «РЖД». – М., 2006.
38. Рельсы железнодорожные новые сварные ТУ 0921-057-01124328-98; Технические условия «Рельсы железнодорожные старогодные отремонтированные сварные». ТУ 0921-077-01124328-98. – М. : Транспорт, 1999. – 56 с.
39. Троицкий, Л.Ф. Осмотр пути. Памятка / Л.Ф. Троицкий. – М. : Транспорт, 1988. – 174 с.
40. Федоренко, Д.В. Автоматизация анализа результатов НК уложенных в путь рельсов / Д.В. Федоренко // В мире неразрушающего контроля. – 2010. – № 2.
41. Шелухин, А.А. Эксплуатационный контроль рельсов в США / А.А. Шелухин // В мире неразрушающего контроля. – 2009. – № 4.
42. Шур, Е.А. Повреждения рельсов / Е.А. Шур. – М. : Транспорт, 1971. – 112 с.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ПРИЧИНЫ ЗАРОЖДЕНИЯ И РАЗВИТИЯ ДЕФЕКТОВ РЕЛЬСОВ 4
Вопросы для самоконтроля 6
2. КЛАССИФИКАЦИЯ ДЕФЕКТОВ РЕЛЬСОВ И ПОВРЕЖДЕНИЙ 6
Вопросы для самоконтроля 10
3. ПРИЗНАКИ ДЕФЕКТНЫХ И ОСТРОДЕФЕКТНЫХ РЕЛЬСОВ 10
Вопросы для самоконтроля 13
4. ВЛИЯНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛА РЕЛЬСА НА ЗАРОЖДЕНИЕ, РАЗВИТИЕ И ВЫЯВЛЯЕМОСТЬ ДЕФЕКТОВ 14
Рис. 4.1. Осевое растяжение в зоне болтового отверстия 15
Вопросы для самоконтроля 22
5. ПРЕДЛОЖЕНИЯ И ПРОЕКТЫ НОВЫХ КЛАССИФИКАЦИЙ ДЕФЕКТОВ РЕЛЬСОВ 22
Вопросы для самоконтроля 24
6. ОСНОВЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ 27
6.1. Ультразвуковые волны 27
6.2. Возбуждение и прием ультразвуковых колебаний 28
6.3. Ультразвуковые колебания в контролируемом изделии 32
6.4. Режим зондирующего излучения 35
Вопросы для самоконтроля 37
7. МЕТОДЫ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ РЕЛЬСОВ 38
7.1. Эхометод ультразвукового контроля 38
Вопросы для самоконтроля 44
7.2. Зеркально-теневой метод ультразвукового контроля 44
Вопросы для самоконтроля 47
7.3. Зеркальный метод ультразвукового контроля 48
Вопросы для самоконтроля 49
7.4. Дельта-метод ультразвукового контроля 49
Вопросы для самоконтроля 50
7.5. Настройка параметров каналов ультразвукового контроля рельсов 50
Вопросы для самоконтроля 61
7.6. Волноводный эхометод 62
7.7. Электромагнитно-акустический способ ультразвукового контроля рельсов 63
Вопросы для самоконтроля 64
8. МЕТОДЫ МАГНИТНОЙ РЕЛЬСОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ 64
Вопросы для самоконтроля 68
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 69
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 70
Учебное издание
Катен-Ярцев Александр Сергеевич
МЕТОДЫ РЕЛЬСОВОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ
Учебное пособие
Редактор Г.Ф. Иванова
Технический редактор И.А. Нильмаер
————————————————————––––––––——––––————————————
План 2011 г. Поз. 4.4. Подписано в печать 20.01.2011.
Формат 60841/16. Гарнитура Times New Roman. Усл. печ. л. 4,5.
Усл. изд. л. 4,0. Зак. 19. Тираж 100 экз. Цена 78 руб.
————————————————————––––––––——––––————————————
Издательство ДВГУПС
680021, г. Хабаровск, ул. Серышева, 47.
