鐵路鋼軌的無損檢測需求分析綜述鐵路作為國家的重要基礎設施，是支撐國民經濟高速發(fā)展的重要基礎和保障。到2020年終，我國的鐵道營運總公里數已達到14.6萬公里，成為了世界鐵路建設以及運營總里程數最大的國家。根據國務院發(fā)布的《中長期鐵路網規(guī)劃》ADDINNE.Ref.{33546675-262D-42F9-9EA9-9850A9BE45B3}[1]，到2025年，鐵道網規(guī)模將達到17.5萬公里。該規(guī)劃的實施和鐵道網的快速建設對鐵道基礎方面設施的安全檢測與監(jiān)控技術進行研究在確保鐵道網正常運轉方面有著至關重要的意義?，F階段我國鐵路行業(yè)根據鋼軌每米的質量，將鋼軌劃分為43kg/m、50kg/m、60kg/m、以及75kg/m等型號，而目前主要線路上所采用的是60kg/m型鋼軌，因此本文的研究都是基于該型號的鋼軌展開的。鋼軌的橫斷面采用工字形結構斷面，主要由軌頭、軌腰以及軌底三部分構成。鋼軌在工作運行過程中反復受到車輪載荷作用力產生的傷損會破壞其結構的完整性，降低其機械特性ADDINNE.Ref.{C16DB239-0E63-4ABD-9FE5-A5C1EDFD6510}[2]。鋼軌上存在的缺陷類型豐富，分布在軌頭部位、軌腰處和軌底處，如圖1.1所示。本文研究的鋼軌損傷主要包括以下幾種形式：（1）軌頭表面滾動接觸疲勞損傷及裂紋，如圖1.2所示；（2）軌頭內部核傷，如圖1.3所示；（3）軌底腐蝕及腐蝕疲勞裂紋等，如圖1.4所示。這些隱患會導致列車運行途中出現脫軌等事故，進而造成重大的經濟損失；而且，這些缺陷主要位于軌距角附近或軌底兩側，都為鋼軌的復雜形貌處，檢測難度大。因此，合理運用無損檢測技術，及時展開對鋼軌不同位置、不同類型缺陷的檢測對確保鐵路運行安全具有重要意義。圖1.SEQ圖\*ARABIC1鋼軌缺陷損傷分布（1）鋼軌軌頭表面滾動接觸疲勞裂紋列車車輪在滾動過程中與鋼軌表面互相接觸，在接觸斑處產生循環(huán)反復的沖擊載荷，在這種載荷的作用下，會造成鋼軌輪廓或者次表面的磨損從而產生裂紋如滾動接觸疲勞損傷。此類疲勞裂紋損傷的走向與列車行駛的方向一致，同時會呈一定角度朝著鋼軌下表面發(fā)展，繼而在一定程度下還會在軌頭里面發(fā)生偏折，最終擴展嚴重從而引起鋼軌的折斷，威脅了鐵道的運行安全ADDINNE.Ref.{B2B8D084-E35E-4A7F-9011-9B527E34A496}[3-8]，如圖1.1（a）所示。如圖1.2（b）（c），疲勞裂紋產生的過程包含多個時段。初期的萌芽疲勞裂紋會隨著時間的推移逐漸擴展，待其發(fā)展到深度約6mm-8mm，橫向長度25-28mm時ADDINNE.Ref.{4F0637D3-B0C0-4855-8DC6-1C3A581072AF}[8]，裂紋就會引發(fā)鋼軌斷裂，造成事故ADDINNE.Ref.{28D635CA-3D2B-45AA-9D56-AB1CC019D408}[9,10]。通過現有的NDT技術可以及時有效地發(fā)現裂紋，同時以打磨等有利手段來維護檢出的傷損表面，對于避免裂紋的進一步延伸以及維持鋼軌現有結構的機械性能具有重大意義ADDINNE.Ref.{2644CA20-37F2-4C5D-9D2F-132BA2F38A6F}[11-14]。（a）鋼軌軌距角疲勞斜裂紋(b)疲勞裂紋擴展狀態(tài)(c)裂紋尺寸及危害性圖1.SEQ圖\*ARABIC2鋼軌軌頭表面疲勞裂紋及其擴展狀態(tài)ADDINNE.Ref.{3E4A0FD1-19DD-46B8-BF10-0759E18F0487}[15]（2）鋼軌軌頭內部核傷一般將軌頭出現的橫斷面裂紋稱之為鋼軌核傷，常常出現在鋼軌的軌頭內部，主要類型包括白核與黑核。這類傷損普遍集中于踏面與側邊向下距離4~10mm的部位，如圖1.3所示ADDINNE.Ref.{6A1B6692-C5E6-4A20-86A5-02A4ED36DB8A}[16]。其產生的過程主要是因為鋼軌內存在的白點、氣泡等夾雜物在受到列車機動載荷的反復影響下，導致微細疲勞源進一步的擴展延伸，從而在斷面產生了既平整又發(fā)亮的缺陷，即為白核。白核隨著時間的推移進一步擴展延伸至軌面，此時的疲勞斑痕暴露在空氣中，在氧化作用下不斷發(fā)展，最終形成另一種類型缺陷，即為黑核ADDINNE.Ref.{AA3A445F-8785-4897-9338-79D19B51819F}[17,18]。（a）軌頭斜裂紋發(fā)展為核傷(b)軌頭核傷斷口的宏觀形貌圖1.SEQ圖\*ARABIC3鋼軌軌頭內部核損傷示意圖（2）鋼軌軌底表面腐蝕損傷鋼軌受到大氣環(huán)境中水、氧、溫差和污染性氣體等共同作用下的電化學反應則會產生腐蝕缺陷ADDINNE.Ref.{7B4C4AAF-C98F-49F9-AC0F-BBD0B0E389B3}[19,20]，鋼軌底座腐蝕會使鋼軌的壽命從幾十年縮短到1年或更少ADDINNE.Ref.{6488844E-FFB0-4C91-909D-D016BFE87F07}[21,22]。輪軌接觸和打磨機打磨可抑制軌頭和軌腰的腐蝕，而軌底的腐蝕則會進一步擴展形成孔洞。軌底腐蝕會損害鋼軌的完整性，并可能導致災難性故障。其中，點蝕是一種局部形式的腐蝕，其危險性超過了均勻腐蝕損傷，體現在它更難以檢測，同時也會導致應力腐蝕開裂ADDINNE.Ref.{9CB73A7B-9F07-4747-AF75-54E194BC43A5}[23]。點蝕產生的凹坑主要體現為款而淺或窄而深，如圖1.4所示。圖1.SEQ圖\*ARABIC4鋼軌軌底表面腐蝕損傷示意圖綜上所述，隨著鐵道蓬勃迅速的發(fā)展，提高了鋼軌無損檢測評估方面的需求，同時豐富的裂紋損傷種類和變化復雜的擴張形式，這些都對識別、定位和量化缺陷提出了更高的要求。為了能夠實時有效對服役中的鋼軌進行維修和保養(yǎng)，避免安全隱患的出現，有必要準確有效地對鋼軌不同部位進行無損檢測。首先，位于鋼軌頂面由于車輪作用力產生的接觸疲勞裂紋非常容易地鋼軌內側傾斜延伸，危害極大ADDINNE.Ref.{4BC1F554-5FDB-4CA1-925F-4C86F3A3A4D9}[24,25]。對于鋼軌軌距角表面斜裂紋和內部的小缺陷，迫切需要實現精準量化檢測ADDINNE.Ref.{CE3DC114-AFAC-41BE-B639-9A48E3B3AF93}[26,27]的評價方法。其次，實現鋼軌疲勞早期萌芽微裂紋的快速有效評估，針對鋼軌存在的隱患實現提早的預防以及提供具有參考性的維修和保養(yǎng)是至關重要的ADDINNE.Ref.{D86CE50C-93D3-46E5-A31C-1BFF729CFFEA}[15,28]；此外，鋼軌底部是現有超聲波探傷設備的盲點ADDINNE.Ref.{547D124B-D234-42B5-91F6-57BA62D042AD}[29]，所