轨道微磁智能探伤检测系统的研制与应用
文/唐山华通新技术研究开发有限公司 王祥国
摘要：笔者在对微磁技术作深层研究的基础上，首创基于磁荷变异检测理论的铁路轨道裂纹等缺陷检测技术，并籍以致力于专用智能检测系统的研制。系统已在现场试用一年，效果良好。项目于2008年7月10日在京通过北京铁路局组织的技术鉴定，确认居国内领先水平，本文从寻求铁路轨道探伤检测新方法的必要性入手，简要阐述了微磁检测技术的基本原理、系统的研究内容、结构、功能、特点、技术指标、应用情况、检测标准以及系统的应用前景等。
关键词：铁路轨道；探伤；微磁技术；智能检测系统；研制；应用
1.前 言
铁路不仅是国民经济的命脉，而且与人民生活息息相关，铁路轨道的伤损和故障将直接关系到行车安全，动辄车毁人亡，会造成巨大经济损失和极其恶劣的社会影响。随着提速和重载的需要，对铁道线路的质量和安全相应地提出越来越高的要求，也引起国家领导人与相关部门的高度重视。
目前，铁路轨道的常规探伤采用超声波探伤法，但只限于标准轨，而道岔部位由于其截面不规则，超声波和其他传统探伤方法均无能为力，迄今尚是一个盲区，只能靠人工手锤敲和目视巡检解决。同时，超声波探伤法附加条件多：需要清理轨面，需要不断施加耦合剂—水（寒冬季节为防止水冻结，还需往水中添加酒精），需6至7人配合，操作繁琐、检测成本高、分辨率低、速度慢；另一方面，超声波法只能检出已经发生伤损的部位，而不能检出将要发生伤损或濒临伤损的部位，难以做到早期诊断、早期发现、早期预防。
因此，铁路部门非常需要一种行之有效的新方法，能够扩大检测范围、简化操作难度、降低检测成本、提高检测质量，实现早期预报，以提高线路科学养护水平，防患于未然。铁道部刘志军部长在2006年3月31日的全路运输安全电视、电话会议上讲道：“安全基础建设是一项长期而艰巨的任务，要积极探索新方式、新方法，不断深化安全基础建设……加大安全投入，推进技术创新，提高技术装备保安全的水平。”
2.微磁探伤检测技术的基本原理
微磁检测是一种全新的无损检测方法，于上世纪90年代末引进我国，是通过记录和分析产生在制件和设备应力集中区中的自有漏磁场的分布情况，来判定其表面和内部是否存在伤损缺陷。
断裂力学揭示：任何材料中都存在着由各种缺陷构成的微裂纹，在外力作用下，这些微裂纹的扩展导致材料的断裂。由于存在裂纹，材料中应力不均匀，在裂纹尖端产生应力集中，并且有特殊的分布，形成一个裂纹尖端的应力场，该区域腐蚀、疲劳、蠕动、错位、滑移等金属内部微观缺陷的改变过程更加迅速和剧烈，最终导致构件的损伤。因此，金属构件的应力集中是造成突发性疲劳破坏的重要原因，而查找和检测应力集中状态，尤其是导致伤损和破坏的临界应力集中状态便成了评估诊断机器和金属构件的强度、可靠性和寿命的一个重要依据。微磁探伤检测技术正好可以满足这种要求，它基于两个基本原理：
（1） 缺陷磁畴结点磁场原理：
材料出现裂纹或坑点等缺陷时，其缺陷区磁畴结点在应力和地磁作用下发生不可逆的重新取向，对外显示磁性。因此，检测材料裂纹等缺陷磁畴结点发散到材料表面的磁场，就可推算出材料是否存在缺陷。这种检测技术既可检测表面裂纹等缺陷，又可检测内部缺陷，而且检测工艺简单，便于操作。
对材料的微观磁特性研究可知，在外力作用下，会使材料中的晶格组织发生变化，如错位、滑移等。当受力较大时，晶格发生不可逆变化，使磁畴结构破坏，位错线（如前所述材料中的微观裂纹缺陷）穿过磁畴区，使之分裂，形成新的沿分裂线的畴壁，缺陷具有强的各向异性磁性，有效的设置了畴壁势垒，阻止畴壁通过缺陷，形成磁畴结点。随着应力增大，畴壁势垒增强，于是出现磁荷聚集，形成磁畴固定结点，产生定向磁场源。畴壁势垒的磁状态不可逆变化在工作载荷消除后还会保留，且与最大作用应力有关。若此缺陷不再扩展，则其缺陷磁场强度保持不变。
当材料内部存在夹杂、气孔等其它原因形成的宏观缺陷时，也会破坏原来的晶格，引起磁各向异性，产生畴壁势垒，形成另一类磁畴固定结点。
金属构件缺陷的产生主要发生在制造和使用中。缺陷的产生导致磁畴固定结点的存在，出现磁状态不可逆，形成内部磁源，这种磁畴固定结点称为微磁点。由于内部磁源产生的磁信号十分微弱，泄漏到材料表面的可检测信号就更微弱（小于10-8T），检测极为困难，需要采用高灵敏度磁传感器检测，常采用磁阻传感器，其检测过程称为缺陷微磁检测。
（2）缺陷磁荷变异原理：
按照磁荷理论，铁磁材料被磁化时，磁通的连续性在缺陷处被破坏，而在内部会出现磁荷分布，形成磁源。由实验测得的缺陷磁场分布，可认为磁荷集中分布在缺陷的两个侧面上。
当磁场通过两种介质分界面时，磁感应强度的法线分量是连续的。因此，当缺陷磁场由铁磁区进入空气（缺陷区），有：
式中，n为法线方向，H1、H2分别为铁磁区和空气中的磁场强度，M为磁化强度， μ0为真空导磁率。这表明缺陷磁场泄漏到空气中仍有一定强度，检测这一磁场就可发现缺陷，因此，磁传感器与被检工件有一定提离高度时，仍可检测缺陷泄漏到空气中的磁场，这就为非接触检测奠定了基础。
由电磁感应理论，法线分量在两种不同介质分界面上是不连续的，由于空气中M2=0，因而由交界面条件可得
式中，δ为磁荷面密度，它是由μ0M法线分量在两种不同介质分界面上的不连续形成的，表明在边界处会发生变异，即出现正负峰，检测泄漏磁场的这一变异就可以发现裂纹等缺陷。而变异的峰值、位置等特性就反应了裂纹等缺陷的形状和尺寸。因此，磁荷变异理论就形成了探伤检测的基础。
3.系统的主要研究内容
(1) 缺陷磁荷模型研究
国内目前对微磁技术应用的机理多数局限在磁的一种现象，而对磁原理的本质规律尚缺乏研究和认识，尤其缺乏对缺陷漏磁场的量化研究和认识。本系统对微磁技术进行了深层研究。通过大量物理实验、数理统计和数学分析，反复求证微磁信号与钢轨内部缺陷的对应函数关系，并建立了相应的数学模型，也即缺陷磁荷模型，过程如图1所示。
图1：数学模型建立过程框图
根据所建立的缺陷磁荷模型，对常见的V型裂纹进行仿真试验，验证了微磁波形随裂纹宽度、深度、长度变化规律；组合形裂纹的仿真实验结果与V形裂纹的情况大致相同，实际检测的波形与仿真曲线相比较，其相似度都在0.95以上，表明所建模型是符合实际的。
(2) 首创基于材料裂纹磁畴结点磁荷变异检测理论的铁路轨道裂纹等缺陷检测技术，构建了基于裂纹生成与扩展规律的组合型磁荷模型，使这种检测在不需外激励的条件下可检测材料表面和内部裂纹等缺陷，形成了铁路轨道缺陷检测的一种新方法。
目前，微磁检测技术在国内许多行业得到应用，而对铁路轨道检测只有少数人进行过实验性探索，还没有人针对铁轨进行过深入研究，更没有人专门致力于采用这种新技术研发铁轨专用探伤检测系统，本系统填补了这项空白。
(3) 创建基于优化原理的缺陷微磁信息提取方法和基于幅度标准,梯度标准双函数判别规则,从而提高了缺陷识别的可靠性。
(4) 研制基于人工智能技术的微磁检测系统。本系统的软件平台用人工智能的专家系统思想建造,因此,系统实现智能化,检测过程自动进行,可替代人工分析、决策、判断，同时，具有相当的随机性、灵活性和可扩充性，为其扩大应用领域打下坚实基础。
(5) 研制出高灵敏度互补式双差分磁阻传感系统，能稳定、可靠检测铁路轨道裂纹等缺陷微弱磁信号；
(6) 研制基于AM9型计算机的包含检测控制、信号纯化、裂纹特征提取、裂纹识别，以及自检、调偏差等功能的自动化系统，使之操作简便、工效高、可靠性好、便于功能扩展。
4.系统的结构
(1) 系统的技术框架
本系统整合了多种前沿科技和多边交叉科技，如图2所示：
图2：系统技术框架
(2) 系统的总体结构
系统由硬件和软件两大部分组成，如图3所示
图3：系统的总体结构图
(3) 系统的外观结构
系统外观如照片1所示
照片1：系统外观
(4) 系统的界面
为方便使用，系统的界面采用了通过触摸屏和按键两种方式进行系统交互。
主界面
在触摸屏上点击“开始”按钮或按面板上的“开始”键，系统开始进行检测，在波形显示区显示波形，在左下角结果显示区显示检测结果。
当检测结果正常时，显示“正常”，指示区域为绿色：
当结果异常时，显示“有裂纹”，指示区域变为红色并闪烁，如照片2所示：
照片2：系统主界面
设置界面
在主界面上点击“设置”按钮即可进入系统设置界面，如照片3所示：
照片3：系统设置界面
本界面主要用来设置程序的两个阈值：横向精度和纵向精度。可以通过点击“上”或“下”来增大或减小阈值，用来设置系统的检测精度。设置完毕后，点击“确定”按钮，系统返回主界面。
(5) 系统的软件结构
结构框架
软件采用Linux操作系统下的C++语言开发，傻瓜化设计，软件系统主要包括四个功能模块，如图4所示。
图4：系统软件构成框图
其中每个功能模块又由若干个子系统构成，因篇幅所限，这里仅举其中信号分析处理模块以及其中的一个子系统为例：
信号分析处理模块
该功能模块由四个子系统构成，采用模块化设计，各子系统之间互不干扰，使系统运行可靠，如图5所示。
图5：信号分析处理模块过程框图
其中，缺陷判别子系统流程如图6
图6：缺陷判别子系统过程图
（6） 检测小车
起初，检测时依靠操作人员用手捏住探头沿轨顶面划行，靠人工定位。由于微磁探头较小（直径只有17毫米），需要采取蹲姿或半蹲姿行走，加上道岔部位形状不规则，难以定位，操作极为不便，而且时间一长，势必十分疲劳。为此，根据现场探伤检测人员的要求，研制出了检测辅助装置——检测小车，减轻了检测人员的劳动强度。其主要功能：
① 可安装、固定探头，探头顶面与轨面平行，并且可上下调节高度；
② 可沿轨顶面纵向滚动；
③ 具有导向功能，探头沿轨顶面纵向行走时，能随时自动取中定位；
④ 检测尖轨时，在向轨尖部行走时，定位杆可随着轨面宽度尺寸的变小而自动调节距离，同时，两边的滚轮也能相应自动调节间距，以保证小车能始终在轨顶面中部行走，也保证探头在轨面中部扫查；
⑤ 当尖轨一侧紧贴直轨时，无法两侧定位，可抬起一侧定位杆，改用单侧定位；
⑥ 操作人员可手推直立行走。
5.系统的主要功能、特点和主要技术指标
（1） 系统的主要功能、特点
① 检测速度快。由于微磁检测是一种被动检测，是直接检测轨道表面缺陷泄漏的天然微磁信号，且磁信号以光速传播，因此，磁传感器获取信号时间少于0.1纳秒。而超声检测是一种主动检测，是检测自发信号，有一个发射和接收过程，且波速比光速小，探测头获取信号时间大于4微秒。因此，微磁检测速度比超声检测高数倍，更适于列车提速后的轨道、道岔探伤。
② 检测灵敏度高。微磁传感装置可获取小于10-8 T的磁信号，相当于宽度1微米、深度50微米、长100微米的缺陷泄漏的磁信号。超声检测中，可分辨的缺陷通常在Φ1毫米以上（较为先进的仪器可达Φ0.3毫米，但价格昂贵），因此，微磁检测灵敏度比超声检测高数十倍。
③ 可靠性好。对于尺寸在宽度80微米、深度500微米、长500微米以上的裂纹信号，能可靠捕捉。而且不需加耦合剂，与超声检测相比，消除了外加的不稳定因素，同时，解决了铁路道岔探伤检测的世界性难题。
④ 检测工艺简便。微磁检测对被检工件表面状态要求低，不必打磨、清洗，不需加耦合剂，可在有铁锈、油污的条件下工作。而且体积小、重量轻、携带方便、特别适宜铁道线路流动现场检测的需要。
⑤ 具有“前瞻性”的预报功能。通过观测轨道磁场的变化梯度，可以间接的判断轨道件的受力情况，实现对轨道寿命的早期诊断，可以预报可能发生缺陷与破坏的危险区域，即最大应力和变形集中区域，从而及时采取措施，防止行车事故的发生，这是目前其它任何检测方式所不能比拟的。
⑥ 系统为智能型，可以替代人工分析、判断而直接输出检测结果。
（2） 系统的主要技术指标
①可检出轨道最小裂纹等缺陷：宽100μm，深500μm，长500μm
② 缺陷检出可靠度≥95%
③ 连续工作8小时无异常
④ 最大扫描速度：0.5m/sec
⑤ 微处理器：32位
⑥ 内存容量：64M
⑦ 存储器：64M
⑧ TFT显示屏：3.5″
⑨ 环境：温度(-25～+55)℃，相对湿度（90±3）%RH
⑩机内电源：直流7.6 V
6.应用情况
2007年5月起，本系统在天津工务段京沪线标准轨和可动心轨提速道岔（尖轨、长短心轨、翼轨）特殊部位以及钢轨焊缝接头等处进行了试用。实际检测操作时，使用者只需手推检测小车在轨道上行走（也可手持探头直接在轨道上划行或提离小段高度）即可，系统能自动采集数据，并经内部一系列运算，随即可在显示屏上直接显示出该截面的检测结果，若有裂纹等缺陷，则除可在屏幕显示“有裂纹”或其他缺陷外，蜂鸣器还会同时发出报警声音，以提醒使用者注意，如照片4、5所示。
试用表明，该仪器灵敏度高、检出裂纹等缺陷可靠、操作方便，适于现场工作。同时，在试用中，根据出现的问题和工务段探伤人员的意见，对系统的选件型号、制作工艺、外形构造、传动机构、操作程序和人机界面等均作了多次改进和完善，以提高其稳定性，使之更适应现场工作特点。2007年5月，河北沧州探伤工区使用该系统在吴桥站进行正线道岔特殊部位探伤时，检测出3号、5号可动心轨提速道岔直股翼轨焊缝处出现异常报警，显示有裂纹，但其表面未发现裂纹，用超声波仪检测也未发现异常，随即加强了监控。至9月5日，超声波探伤仪检测发现已有明显伤损：5号道岔核伤15 X 20、3号道岔核伤8 X 15，均构成重伤（如照片6、7所示），段有关部门及时组织更换，确保了行车安全。
在试用中，由于该系统灵敏度高，检出裂纹等缺陷可靠，操作方便，需1至2人操作（而超声波法需6-7人），而且，不需要清理轨件表面、不需要施加耦合剂，工效高，适于轨道探伤实际工作需要，受到探伤人员欢迎。试用实践证明，本系统可用于可动心轨提速道岔的探伤检测，解决了这一技术难题，填补了空白。同时，也可用于常规探伤或焊缝探伤，而且，与传统的超声波方法相比，微磁检测技术逐步突显出许多优势（详见两种探伤方式对比表）。
7.检测标准
微磁探伤是一项全新的无损检测技术，目前尚无国家标准，国标还在调研、制定过程中，铁路轨道微磁探伤检测的标准只有在国家标准出台后参照制定，目前更是只能靠我们自己去摸索、制定和完善。
为此，我们从2007年3月，仪器研制成功并现场试用以来，进行了各种检测标准的调研、设计、制定、修改和完善工作。
（1） 试块
传统的超声波探伤针对不同的检测仪器和不同的检测对象，设计和制作了各种对比试块，用于应用过程中仪器的校准和辅助参照判定。微磁探伤与超声波探伤原理不同，现有的超声波探伤试块无法直接用于微磁探伤，必须根据微磁探伤的原理和特点，设计和制作专门试块。
我们先后设计和制作了3个系列(即普通试块、轨顶表面缺陷试块和模拟自然工况缺陷试块)共12种试块。
（2） 使用标准
一年来，在试用过程中，我们在调研、现场实践和广泛征集意见的基础上，摸索出一整套包括系统功能、基本操作方法、操作步骤、常见故障及处理方法、几个关键部位的检测方法等共6项30条检测使用办法和标准。
8.系统的应用前景
本系统是微磁检测技术首次在铁路工务工程界应用，它的研制成功并付诸实施，是对传统探伤检测的原理、方法、范围和效果的突破和创新，有效地解决了既有轨道和道岔设备不规则断面的伤损检测问题，是对现行超声波探伤技术的一个重要补充，而且，可将探伤检测由伤后诊断处理提升为伤前诊断预防，意义重大。笔者认为，超声波探伤技术辅之以微磁探伤技术，将解决轨道和道岔探伤的盲区，可为当前铁路重载、提速提供可靠的安全保障作用。同时，可籍以进一步研发无缝线路内应力状态安全评估系统，以提高线路科学养护水平。据此，建议有关部门加大对微磁检测技术深化研究和完善的支持力度，将该技术尽快在铁路上推广应用。
责编/齐 尚
参考文献：
【1】卢耀荣.无缝线路研究与应用.中国铁道出版社.2004（1）.
【2】周清跃,张银花,杨来顺,黎连修.钢轨的材质性能及相关工艺.中国铁道出版社.2005（1）.
【3】徐章遂,徐英,王建斌,谢颖.裂纹漏磁定量检测原理与应用.国防工业出版社.2005（1）.
【4】任吉林,林俊明等.金属磁记忆检测技术,中国电力出版社.2000（1）.
【5】耿荣生.新千年的无损检测技术.无损检测2001（1）.