铁路NDT无损检测历史

2021-06-28 15:58


长久以来,铁路所面临的主要问题之一就是防止轨道服务故障。


与所有高速行驶模式一样,必要组件的故障可能会造成严重后果。


自1920年代后期以来,北美铁路一直在对其最昂贵的基础设施资产进行检查。


随着高速交通的增加以及1990年代轴重的增加,今天的铁路检查比以往任何时候都更加重要。


尽管检查的重点似乎是一块定义明确的钢,但存在的测试变量很重要,且检查过程也具有挑战性。


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导轨由于采用不同的重量制造,会存在不同的铁路状况(磨损,腐蚀等),也就意味着有大量的潜在缺陷。


而且,必须要以一定的速度执行任务,才可以可靠地检查横跨陆地的数千英里的轨道。


斯佩里铁路服务公司(Sperry Rail Service)是该国领先的铁轨检查员之一,已经使用安装在自行式轨道车上的专用测试设备来保护乘客和货运的安全已有70多年了。


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铁路的历史可以追溯到1776年在英格兰谢菲尔德市附近生产的第一条金属铁路。


铁路改善了采矿等行业的物料运输。


1803年,第一条供公众使用的铁路在伦敦码头和克罗伊登之间开放运营。


萨里铁铁路是第一条铁路,提供比货车更平稳的行驶,但由于使用了牵引动物进行运动,因此在速度上没有任何真正的优势。


但是,第一台蒸汽机车很快就到达了现场。


1804年,一台蒸汽机车在南威尔士的梅瑟蒂德菲尔(Merthyr Tydfil)的铁厂拉下了一列载有几吨矿石的汽车。


美国第一台机车,查尔斯顿的最好朋友,于1831年在南卡罗来纳州铁路上投入运营。


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轨道已经从铸铁板发展为特殊合金钢,然后将其轧制成标准形状并经过特殊热处理以获得所需的性能。上图显示了铁路发展的进程。


当今的钢轨在强度和磨损质量上都大大优于其前身,但是缺陷仍在发展。除非进行定期检查,否则当今火车的重负载和高速度会导致铁轨无法使用。


铁路检查最初仅通过视觉手段进行。


当然,目视检查只会发现外部缺陷,有时甚至是大型内部问题的细微迹象。


由于1911年在纽约州曼彻斯特发生的出轨事故,导致29人死亡,60人重伤,因此需要一种更好的检查方法成为当务之急。


在美国安全局(现为国家运输安全委员会)对事故的调查中,断轨被确定为造成脱轨的原因。


该局确定,铁路故障是由完全内部的缺陷引起的,并且可能无法通过视觉手段检测到。


将该缺陷称为横向裂缝。


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1915年,标准局开始研究以确定是否可以使用磁测试来检测横向裂缝。


检查技术涉及使磁化螺线管沿导轨穿过,以在导轨中建立磁通量。用搜索线圈检测到由缺陷引起的漏磁。


该技术在实验室中很成功,但是无法在现场区分出缺陷和不相关的铁轨特征。


1923年,埃尔默·斯佩里(Elmer Sperry)博士开始开发和制造具有检测铁轨中横向裂缝能力的铁路检查车。本文有NDT互联网联盟编辑。


1927年,Sperry与美国铁路协会签订了合同,制造了一辆检查车(如右图所示)。


驾驶室前面的小平板装有检查设备。驾驶室中装有操作员和记录设备。


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1928年,一辆斯佩里制造的检查车SRS102,在俄亥俄州蒙彼利埃的瓦巴什铁路上测试铁路。


斯佩里采用的检测技术通过大量的低压电流在钢轨中产生强磁场。


一对固定在铁轨上的探测线圈探测到钢轨周围磁场的任何变化。


这种磁感应漏磁技术成为早期钢轨检测的基础。


左图显示了采用感应法的铁路检查的基本操作。


电刷用于接触导轨并“注入”电流。电流会在导轨中产生强磁场。


如果导轨存在缺陷,则钢材将不会支撑磁通量,并且某些磁通量会从零件中挤出。


感应线圈检测到磁场的变化,并将缺陷指示记录在带状图上。现在正在使用计算机记录和评估日期。


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不幸的是,横向裂缝并不是在钢轨中发现的唯一缺陷类型。


可能发生的其他与制造和服务相关的缺陷包括夹杂物,接缝,脱壳和腐蚀。


这些缺陷以及钢轨的正常特征(例如螺栓孔)都可能引发疲劳裂纹。


如果这些缺陷未被发现,则可能导致轨道头和腹板分离。


这些缺陷中有许多是无法用磁通泄漏法检测到的,因为这些缺陷与磁通线平行延伸,或者这些缺陷离感应线圈太远而无法检测。本文有NDT互联网联盟编辑。


感应技术主要检查轨头。


为了补充磁通量泄漏方法并检测其他缺陷类型,超声波检查已变得很普遍。


高频声音会传输到金属导轨中,并且来自导轨接头和表面状况的反射以及内部缺陷会显示在屏幕上,或者导致笔在记录磁带上移动。


既使用了法线波束技术又使用了角度波束技术,以及脉冲回波和音高捕获技术。


不同的传感器布置提供不同的检查功能。


进行了手动接触测试以评估铁轨的小部分,但是超声检查已经自动化,可以检查大量的铁轨,就像之前讨论的电磁技术一样。第一辆全超声波检查车于1959年推出。


充满流体的轮子或滑橇通常用于将换能器耦合至导轨。


多年来,Sperry Rail Services开发并使用了包含不同换能器角度组合的滚子搜索单元(RSU),以实现最佳检查。


RSU的示意图如下所示。


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在Sperry,有两个主要检查单位。


Sperry轨道检测车被称为“大型”车,同时使用超声波和电磁技术来识别缺陷。


Sperry测试车上的检查设备装在两个车轴之间的车厢中。


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目前,高铁卡车仅使用超声波,因为电磁设备对这辆车来说太大了。


探测车将以每小时6.5至13英里的速度测试铁轨。


但是,正在开发更高速度的装置。


检查设备的数据被馈送到车内的操作员。


联邦铁路管理局(FRA)规则要求,测试车上的测试设备认为可疑的任何迹象都必须立即进行人工验证。


这导致停止-启动测试模式。


当操作员看到磁带上的某些东西指示问题时,他会使用蜂鸣器信号系统告诉前方驾驶员停车。


然后,轿厢后退到检查点,操作员会出来,用安装在轿厢后部的超声波测试仪对轨道进行手动测试。


如果确认缺陷,则将其标记出来,Sperry车后面的铁路工作人员将改变轨道。


如果他们不能马上解决,轨道部分被分配了慢速指令(低速),直到机组人员可以对其进行修复。


可以通过在测试车辆之后使用大车来增加被测试的铁路数量。追逐车将收到由牵头卡车进行的无线电测试信号,并将停止进行必要的手动测试。


这样就省去了进行手动测试的需要,从而使测试车辆能够向前行驶,连续测试,并且将结果发送并记录在追逐车中以进行检查。


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