Эма способ рельсовой дефектоскопии

1. Современное состояние ультразвукового контроля рельсов.

В настоящее время ультразвуковой контроль рельсов в пути производят механизированными тележками с дефектоскопами «Поиск-10Э», Авикон-01Р, РДМ-2Р, УДС-02 «Медуза». Широко используются автомотрисы, вагоны дефектоскопы и автомобили на комбинированном ходу, снабженные соответствующей аппаратурой.

Все перечисленные средства ультразвукового контроля требуют для своей работы наличия контактной жидкости – воды летом и раствора спирта зимой. Это является основным недостатком так называемого «мокрого» метода контроля. Наличие на поверхности рельса ледяной корки, грязи, пятен масел и т.д. приводит к пропускам участков рельсов без контроля или к появлению ложных сигналов от несуществующих дефектов. Особенно неэффективны контактные дефектоскопы для обнаружения особо опасных поперечно – усталостных трещин. Упомянутые средства ультразвукового контроля из-за несовершенства схем прозвучивания не обнаруживают даже торцы рельсов, которые являются моделью поперечной трещины максимально возможного развития (см. книгу «Неразрушающий контроль рельсов при их эксплуатации и ремонте» / А.К. Гурвич, Б.П. Довнар, В.Б. Козлов и др. Под редакцией А.К. Гурвича.- М.: Транспорт, 1983, стр. 125-126.). Ими практически не обнаруживаются трещины на средней трети поверхности катания головки рельсов. Особенно подвержены воздействию ложных факторов мобильные средства – автомотрисы, вагоны-дефектоскопы. Более надежны в работе новые современные средства контроля на базе механизированных тележек с дефектоскопами Авикон-01Р, РДМ-2Р, УДС-02 «Медуза». Однако результаты контроля этими средствами определяются с учетом вышеперечисленных недостатков плюс психофизическое состояние, квалификация и навыки операторов.

Несмотря на поступление новых средств ультразвуковой дефектоскопии рельсов (Авикон-01Р, РДМ-2Р, УДС-02 «Медуза» и др.) на механизированных тележках надежность обнаружения дефектов рельсов остается низкой. Так по данным зам. министра МПС РФ Акулова М. П. в 2002 г из-за некачественного контроля допущено 195 изломов рельсов под поездами. Причем имеются случаи пропуска поперечных контактно-усталостных трещин после 13 — кратной проверки рельса «мокрыми» дефектоскопами! Несмотря на заверения разработчиков и поставщиков перечисленных новых средств контроля об их высоких характеристиках уже в первом квартале 2003 г. допущено увеличение количества изломов рельсов под поездами на 37% по сравнению с 2002 г. Из этого следует, что новые средства на самом деле уступают по своим возможностям ранее применявшимся.

Основной причиной такого положения является то, что при заметном улучшении сервисных возможностей новых дефектоскопов остается принципиальный их недостаток – невозможность работы без контактной жидкости. Особенно заметно этот недостаток начинается проявляться на скоростных участках железной дороги, где требуется высокая производительность контроля при высоком его качестве, а это невозможно.

Существенными недостатками «мокрого» ультразвукового контроля является высокие эксплуатационные расходы. Пьезоэлектрические преобразователи в процессе дефектоскопии истираются и выходят из строя. По своей конструкции они не восстанавливаемы. По самым скромным подсчетам затраты на закупку новых пьезопреобразователей на одну дефектоскопическую тележку могут достигать 240 долларов в год. Учитывая, что в пути эксплуатируется более 4 тыс. дефектоскопических тележек, лишние затраты на пьезопреобразователи могут достигать почти миллиона долларов. Затраты, обусловленные расходом спирта в зимнее время в год составляют около 4 миллионов долларов. Кроме того, в некоторых дефектоскопических средствах применяется подогрев воды, что приводит к дополнительным энергетическим затратам. Следует также учитывать экологические последствия выливания спирта на рельсы, а также не целевого использования спирта операторами.

2. Новые средства ультразвукового контроля рельсов.

В то же время, известны новые способы ультразвукового контроля рельсов, из которых наиболее развитым является электромагнитно – акустический (ЭМА). Так, на КМК, НТМК И МК «Азовсталь» (Украина) с 1983-1985 г.г. успешно работают ЭМА установки для дефектоскопии рельсов зеркально – теневым методом в зоне, ограниченной толщиной шейки. Ими отбраковывается значительное число рельсов с дефектами металлургического происхождения. Аналогичные установки с применением ЭМА способа контролируют качество бандажей и железнодорожных колес эхо методом на НТМК, Выксинском метзаводе, заводе им. Карла Либкнехта (Украина). Западноевропейское сообщество также обратило внимание на ЭМА способ и запланировало на 2002-2004 г.г. разработку соответствующего вагона – дефектоскопа (сообщение в журнале Insight, v.44, No.3, 2002, pp.166-178). Такое внимание ЭМА к средствам, построенных на использовании ЭМА способа возбуждения и приема ультразвуковых колебаний, обусловлено целым рядом существенных преимуществ перед «мокрым» методом. Эти преимущества заключаются в следующем:

контроль ведется через воздушный зазор без применения контактных жидкостей. Отсутствует износ ЭМА преобразователей;
результаты контроля не зависят от наличия на поверхности изделия ледяной корки, пятен масла, пыли и грязи, ржавчины, окалины и т.п.;
производительность контроля (погонных м/с) может быть практически любой;
один и тот же ЭМАП может возбуждать и принимать несколько частот упругих колебаний;
позволяют вводить упругие сдвиговые колебания нормально поверхности изделия (эти волны обладают повышенной выявляемостью трещин, заполненных влагой);
обладают примерно в 2 раза более высокой разрешающей способностью по дальности;
имеют более узкую диаграмму направленности при прочих равных условиях;
возбуждают любые известные типы волн, в том числе SH, которые практически невозможно возбудить и принять «мокрым» способом;
обладают повышенной чувствительностью в отношении тонких трещин, ориентированных вдоль и поперек направления распространения ультразвуковых колебаний при их нормальном возбуждении/приеме;
могут контролировать рельсы с любой, характерной для ж.д. пути, температурой поверхности;
на результаты контроля не влияют перекосы преобразователей относительно поверхности рельса;
обнаруживают поверхностные дефекты в эффективной зоне ЭМАП;
обладают 100% взаимозаменяемостью;
измеряют высоту рельса с погрешностью не зависящей от конструкции ЭМА преобразователя, кривизны поверхности, непараллельности поверхностей в зоне контроля, а также условий возбуждения и приема ультразвуковых колебаний.

Среди недостатков ЭМА способа ультразвукового контроля ранее отмечались недостаточная чувствительность и сложность практической реализации. Благодаря использованию современной элементной базы и исследованиям, выполненным иностранными и нашими сотрудниками (сообщения в журналах «Дефектоскопия, Контроль. Диагностика, Техническая диагностика и неразрушающий контроль, Insight, Materials Evaluation и др.), в настоящее время эти недостатки устранены.

Следует отметить, что в Украине разработано «Технико – экономическое обоснование на разработку дефектоскопов нового поколения для бесконтактного ультразвукового контроля рельсов в пути», подписан приказ Министра транспорту Украины № 400 от 24.07.2000 г. о разработке ЭМА дефектоскопа, создана нормативная база для создания дефектоскопической тележки, использующей для ультразвукового контроля ЭМА преобразователи, — ДСТУ 32.2.04.001-2000 “Дефектоскопи ультразвукові для контролю рейок при їх експлуатації”.

Возможности по обнаружению дефектов рельсов подтверждают нижеприведенные экспериментальные данные.

ДЕФЕКТЫ, ОБНАРУЖИВАЕМЫЕ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ЭМА СПОСОБА КОНТРОЛЯ РЕЛЬСОВ И ХАРАКТЕРНЫЕ ЭХОГРАММЫ

МИКРОСТРУКТУРА РЕЛЬСОВОЙ СТАЛИ В ЗОНЕ ОБНАРУЖЕННЫХ ДЕФЕКТОВ		МИКРОРАССЛОЕНИЯ, ОБНАРУЖЕННЫЕ В ЗОНЕ ШЕЙКИ РЕЛЬСОВ

3. НОВЫЙ РЕЛЬСОВЫЙ УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ДЕФЕКТОСКОП

Механизированный бесконтактный дефектоскоп, основанный на электромагнитно – акустическом способе возбуждения и приема ультразвуковых импульсов. Кроме того, прибор снабжается двумя вихретоковыми каналами для обнаружения поверхностных дефектов на поверхности катания головки рельсов, а также применяется один канал с контактным возбуждением и приемом ультразвуковых импульсов для подтверждения отдельных сечений рельсов и сварных стыков.

Дефектоскоп предназначен для обнаружения внутренних и поверхностных дефектов в обеих нитках ж.д. пути по всей длине и сечению рельсов, за исключением перьев подошвы. Он обеспечивает высокую достоверность контроля с возможностью документирования результатов, выполняет контроль с высокой степенью автоматизации и надежной настройке прибора, универсален при переходе на другие режимы и технологии контроля.

Главным достоинством нового дефектоскопа является выполнение контроля без применения контактной жидкости через воздушный зазор. За счет этого повышается достоверность контроля и существенно уменьшается масса механизированной тележки с ультразвуковым прибором. На порядок увеличивается долговечность ультразвуковых преобразователей за счет исключения их стирания о поверхность рельса. Увеличивается производительность контроля за счет увеличения скорости перемещения тележки.

Существенно, по сравнению с известными современными «мокрыми» аналогами», повышается достоверность контроля за счет применения суперсовременных методов обработки измеренной информации (корреляционный анализ, фазокодированные сигналы), полученной с помощью ЭМА преобразователей.

Контролю подлежат все типы железнодорожных рельсов. В отличие от современных «мокрых» дефектоскопов бесконтактный прибор позволяет обнаруживать все виды критических дефектов согласно классификатору ЦП 0061 — 2000 “Класифікація і каталог дефектів і пошкоджень рейок”. Реализованы эхо- и зеркально – теневой методы контроля. Схемы прозвучивания реализуются с помощью 17 каналов, по 8 на каждой нити пути и 1 канал для выборочного контактного контроля.

Дефектоскоп позволяет:

вести сплошной контроль рельсов ЭМА способом и выборочный — «мокрым» методом;
реализовывать схемы контроля металла рельсов в соответствии с ГОСТ 18576-96;
перестраивать режимы работы каналов по типовым и нетиповым настройкам;
реализовывать дополнительные схемы контроля металла рельсов для обнаружения особо опасных контактно – усталостных трещин;
реализовывать дополнительные схемы контроля металла рельсов для обнаружения продольных поверхностных трещин, расположенных в средней трети поверхности катания головки;
запоминать результаты контроля по всем каналам не зависимо от желания оператора с возможностью передачи информации на внешнюю ЭВМ;
идентифицировать местоположение дефектов в пути с помощью встроенного датчика пути, а также контролировать выполнение дефектоскопии плети по всей длине без пропусков при заданных настройках;
представлять измерительную и вспомогательную информацию на экране дефектоскопа в удобной для оператора форме;
сигнализировать об обнаружении дефектов в звуковом и световом диапазоне;
контролировать работоспособность дефектоскопа и наиболее важных его узлов;
повышать достоверность обнаружения наиболее опасных видов дефектов за счет одновременного использования несколько схем ультразвукового контроля;
повышать достоверность обнаружения поперечно – усталостных дефектов применением низкочастотных волн Релея;
существенно улучшить условия труда операторов за счет исключения постоянного звучания звукового сигнализатора, обусловленного нарушением контакта при «мокром» контроле, а также исключения вдыхания испарений от растворов контактной жидкости в зимнее время. Улучшаются условия труда за счет уменьшения веса тележки, особенно при ее съеме и установке на ж.д. путь.

Дефектоскоп имеет режимы работы «Калибровка», «Контроль», «Выбранный режим», «Отчет».

Ниже приведены дополнительные новые схемы контроля реализуемые ЭМА и вихретоковым способами.

Источник

Эма способ рельсовой дефектоскопии

Самый надежный и экономичный способ контроля старогодных рельсов

Созданная в НПП «ВИГОР» установка «УД-ЭМА-РСП-01» уверенно подтвердила это в ходе эксплуатационных испытаний

Еще недавно входной контроль старогодных рельсов на рельсосварочных производствах (РСП) ограничивался их визуальным осмотром, который «по определению» не мог обнаружить невидимые дефекты второй и пятой групп. С началом внедрения на РСП ультразвуковых дефектоскопов «Поиск-10Э» и «АВИКОН-01», использующих контактный способ ввода и приема ультразвуковых колебаний, надежность контроля серьезно улучшилась. Но не в той мере, в какой хотелось бы.

Дело в том, что использование контактных съемных ультразвуковых дефектоскопов требует тщательной очистки головки рельса от ржавчины, пыли, масляных пятен и других загрязнений. Здесь каждый рельс контролируется в отдельности, очистка и подготовка рельса к контролю требуют больших материальных и трудовых затрат, а в случае обледенения рельсов и вовсе невозможны.

Все эти и некоторые другие проблемы позволяет решить установка «УД-ЭМА-РСП-01», в которой реализован электромагнито-акустический способ возбуждения и регистрации ультразвуковых колебаний (ЭМА-способ). Каковы ее конструктивные особенности, технические и экономические преимущества? О них рассказывает руководитель коллектива специалистов — разработчиков этого замечательного устройства, Генеральный директор НПП «ВИГОР» В.И. Горделий.

Если, не вдаваясь в технические подробности, сравнить установку «УД-ЭМА-РСП-01» с другими ультразвуковыми дефектоскопами, то сразу же бросаются в глаза технологические особенности ее эксплуатации.

Установка обеспечивает проведение контроля рельсов после проведения предварительной (грубой) очистки без нарушения технологического цикла и без применения контактной жидкости. Обнаруженные дефекты регистрируются в ведомости контроля с указанием вида и месторасположения, а забракованные рельсы контролируются повторно. По мере необходимости сомнительный участок контролируется вручную. И при подтверждении наличия дефекта рельс отправляется для вырезки дефектного участка.

В установке реализован электромагнито-акустический способ возбуждения и регистрации ультразвуковых колебаний (ЭМА-способ). В чем его особенности?

Отличительными особенностями ЭМА-способа являются:

— возбуждение и регистрация УЗК без применения контактной жидкости;

— возможность генерирования и регистрации ультразвуковых колебаний различной поляризации (продольных, поперечных, поверхностных волн);

— способность возбуждать и регистрировать ультразвуковые колебания в широком диапазоне изменения частот, температур и скоростей движения объектов контроля;

— наличие воздушного зазора, существенно повышающего надежность и долговечность ультразвуковых преобразователей, механического оборудования и, как следствие, всего комплекса приборов контроля в целом.

Кроме того, при использовании ЭМА-преобразователей требования к качеству подготовки поверхности объектов контроля оказываются значительно ниже, чем при использовании контактных способов. А это открывает возможность применить неразрушающие методы контроля в тех областях, где доступ к контролируемым поверхностям изделий затруднен или в целом невозможен.

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ, КОНСТРУКТИВНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ

Основным элементом установки УД-ЭМА-РСП-01 является дефектоскопический комплекс, состоящий из стойки генераторной, блока ЭМА-преобразователей, усилительного и согласующего блоков. Электрические сигналы, вырабатываемые генераторной стойкой, после согласования подаются на ЭМА-преобразователи, которые возбуждают в контролируемом рельсе ультразвуковые колебания. Отраженные от отражателя УЗ волны возвращаются в ЭМА-преобразователь, где преобразовываются в электрический сигнал. Преобразованный сигнал после усиления подается на вычислительный комплекс для обработки и регистрации.

ЭМА-преобразователи размещены на следящей каретке, служащей для центровки положения преобразователей по оси поверхности катания головки рельса. Система слежения служит для позиционирования положения рельса при подаче его на контроль и в процессе проведения контроля. Зазор между рабочей поверхностью ЭМАП и поверхностью катания головки рельса составляет не более 1 мм.

ЭМА-преобразователи, излучающие звук под нормальным к поверхности углом (a = 00), применяются для контроля шейки рельса и ее проекции в головку и подошву. Ими используется эхо-импульсный и зеркально-теневой методы. Плоскость поляризации вектора смещения преобразователей параллельна горизонтальной плоскости и перпендикулярна продольной оси рельса. Наклонный ЭМА-преобразователь (угол наклона луча a = 330-370) используется для контроля эхо-методом шейки рельса, ее продолжения в подошву и головку. ЭМА-преобразователи поверхностных волн (a = 900) предназначены для контроля головки рельса низкочастотными рэлеевскими волнами эхо-импульсным методом одновременно в двух противоположных направлениях. Наклонный ЭМА-преобразователь (a = 330-370) применяется для выявления дефектов 30Г, 52, 53, 69 типов. А ЭМА-преобразователь (a = 00) используется для выявления дефектов типов: 52, 53, 69.

Одной из особенностей ЭМА возбуждения и приема УЗК под углом является двунаправленное излучение и прием УЗК. Это создает дополнительные возможности при проведении контроля, однако усложняет расшифровку результатов контроля. Эффективное возбуждение и регистрация поверхностных волн Рэлея достигается в том случае, если d=C_Ф/2f , где C_Ф — фазовая скорость ультразвуковой волны на поверхности головки рельса, f — частота УЗК, а d — период меандра катушки возбуждения — приема. При этом приемно-излучающий тракт дефектоскопа работает как антенна бегущей волны.

Читайте также: Все способы ловли леща

Особенность распространения волн Релея заключается в том, что они распространяются только вдоль поверхности, огибая ее конфигурацию, не обладают дисперсией и слабо поглощаются при распространении. По глубине эти волны ослабляются экспоненциально и убывают в 2.71 раза уже на глубине, которую можно оценить с помощью следующего выражения: Z_R=1.3/f

Здесь глубина определяется в миллиметрах, а частота в мегагерцах.

Поэтому, чем ниже рабочая частота, тем на большую глубину проникает ультразвук. В частности, в установке УД-ЭМА-РСП-01 преобразователи рэлеевских волн работают на частотах 0.5 и 0.2 МГц, поэтому зона их контроля оказывается равной, соответственно, 2.6 и 6.5 мм, а применение фокусирующих преобразователей позволяет контролировать зону головки рельса не менее 15 мм.

Подача рельсов на контроль может осуществляться в двух режимах — ручном и автоматическом. Причём, в автоматическом режиме управление осуществляется системой автоматики, а в ручном — оператором с пульта управления.

В процессе контроля устанавливается код дефекта и его местоположение в рельсе. Результаты контроля сохраняются для последующей расшифровки и принятия решения в автоматическом и ручном режимах. Отметка дефектных зон осуществляется дефектоотметчиком. Время контроля определяется скоростью перемещения рельса по рольгангу. Механизм слежения может выводиться из зоны контроля для периодического обслуживания и ремонта.

Для настройки установки используется контрольная плеть, состоящая из контрольных образцов с изготовленными в них искусственными моделями дефектов. В контрольной плети имеются модели дефектов типа 11, 21, 26.3, 27, 30Г, 30В, 50, 52, 55, 56.3, 60, 69.

В процессе контроля оператору в реальном режиме времени предоставляется следующая информация:

— номер, ФИО мастера и оператора текущей смены, текущее время;

— номер контролируемого рельса (предусмотрена автоматическая и ручная нумерация контролируемых рельсов);

— количество дефектов и их местоположение в рельсе (расстояние от начала рельса);

количество дефектов и их местоположение в рельсе (расстояние от начала рельса);

— дефектограммы получаемых от ЭМАП сигналов в виде В-разверток (при этом контрастность цвета пропорциональна амплитуде сигнала);

— отметка дефектных сечений (вертикальные синие линии в верхней половине экрана) с автоматическим срабатыванием звуковой сигнализации при нахождении дефекта.

Кроме этого, оператор может просмотреть А-развёртки сигналов, получаемых от ЭМАП, и вывести информацию о проконтролированных рельсах за любую прошедшую смену.

Комбинация из 4-х ЭМАП разных типов позволила получить различные схемы прозвучивания, позволяющие обнаруживать дефекты в зоне головки, шейки и подошвы рельса.

Установка для входного ультразвукового неразрушающего контроля старогодных рельсов в условиях РСП с применением ЭМАП обеспечивает обнаружение в старогодных рельсах типа Р50 и Р65 дефектов следующих типов (кодов):

— поперечные (код 20.2, 21.2, 24.2, 25.2, 26.3, 27.2, 56.3), продольные вертикальные (код 30В.2, 50.2, 60.2), продольные горизонтальные (код 30Г.2, 52.2, 55.2) и продольно-наклонные трещины (код 11), а также оценку степени коррозионных повреждений подошвы.

Установка обеспечивает выявление в контрольной плети все заложенные в них дефекты. А вот некоторые заложенные в плети дефекты (21, 30В), уверенно выявленные установкой, дефектоскопом «АВИКОН-01» обнаружены не были.

ЧТО ПОКАЗАЛА ЭКСПЛУАТАЦИЯ

В ходе опытно-промышленной эксплуатации на РСП-21 Октябрьской железной дороги (г. Лодейное Поле) установкой «УД-ЭМА-РСП-01» было проконтролировано свыше 75 000 погонных метров рельсов и обнаружено 475 дефектов. Заметим, что дефектоскопом «АВИКОН-01» в тех же рельсах было обнаружено всего 236 дефектов.

Аппаратная часть дефектоскопического комплекса состоит из электронной аппаратуры, системы регистрации и обработки информации (на базе 2-х персональных компьютеров).

Благодаря программному обеспечению и простотой конструкции Установка очень проста в обслуживании.

ЭМА-метод контроля рельсов имеет широкие перспективы развития и использования во многих направлениях рельсовой дефектоскопии. А внедрение ЭМА-преобразователей, работающих под углом 70 градусов, еще в большей мере расширит возможности установки. Но и это не все.

Массовое внедрение «УД-ЭМА-РСП-01» с применением ЭМАП обеспечит новый уровень культуры производства и много экономических преимуществ:

— из проекта исключаются такие дорогостоящие и неблагоприятные в экологическом отношении элементы, как система водоподготовки, подачи и утилизации воды, используемой для обеспечения акустического контакта;

— отпадает необходимость в удалении с поверхности рельсов коррозионных повреждений и ржавчины;

— упрощается процедура подготовки рельсов к контролю в зимних условиях и их хранения благодаря возможности контроля рельсов при температуре от -50 до +50 °С;

— полностью исключается укладка в путь старогодных рельсов с дефектами.

Изложенные достоинства ЭМА-метода контроля рельсов и результаты опытной эксплуатации установки неопровержимо свидетельствуют: разработанная в НПП «ВИГОР» установка «УД-ЭМА-РСП-01» является новым эффективным средством контроля рельсов.

Источник