杨帆

（中车广东轨道交通车辆有限公司，广东 江门 529100）

1 前言

轨道车辆的零部件或焊缝在运行中失效，将带来重大的人员伤亡与财产损失，因此对易发生缺陷部位进行定期检测是至关重要的。随着我国自动化技术、电子技术以及传感技术等领域飞速发展，传统的无损检测手段精度不断提高，越来越多的新兴无损检测手段被应用于轨道车辆制造或检修中。无损检测技术本质上是利用物理学方法，在不损坏被检测对象的条件下，分析并发现被检测对象表面或内部存在的缺陷（裂纹、脱粘或腐蚀等）。根据交通运输部《城市轨道交通设施设备运行维护管理办法》（交运规〔2019〕8号）的相关规定，车辆系统架修间隔应不超过5年或80万车公里、大修间隔应不超过10年或160万车公里。

近年来，在5大常规无损检测手段（超声检测、渗透检测、涡流检测、射线检测和涡流检测）的基础上，发展出许多新兴检测手段，其实际应用效果有待进一步验证。本文对轨道车辆中常用检测手段与新兴检测手段的应用情况进行了综述。

2 无损检测简史

无损检测技术是一项起源于20世纪的技术。因为工业生产要求，迫切寻求一种不需要破坏物体表面即可判断是否合格品的技术，利用物理方法进行检测的无损检测技术应运而生。这项技术在20世纪初出现，40年代高速发展，1941年美国无损检测学会成立，1955年，第一届无损检测国际会议召开，这项技术在世界范围内确立。

无损检测技术除了用于探伤外，还可以用于进行应力、黏度、流量以及浓度等物理量的测定。如今无损检测技术再次拓宽为“无损评估”，根据检测对象的缺陷情况、材质等条件进行使用寿命预测，可进一步在生产安全的条件下压缩生产成本。

在无损检测技术教育上，工业发达国家通常具有较完善的教育体系，在课程中可选修无损检测相关课程，并建立有无损检测操作人员培训考证体系。目前主流的无损检测仪器品牌通常源于这些国家，它们不仅从事无损检测技术研究时间早，如今仍在研究前沿的无损检测技术，如工业CT、激光超声等。1979年，美国为确保其科技优势，政府主导成立的无损检测技术中心是新成立的六大中心之一。同时，全美超过100所高校开设了无损检测与评价课程，

我国无损检测技术从20世纪30年代有小范围应用，从20世纪50年代开展，主要引入国外无损检测技术，仿制国外探伤仪器。但从古至今，书中记载不少和无损检测相关的故事。1982年，为提升军工武器装备生产质量与可靠性，南昌航空工业学院（现为南昌航空大学）创办了国内首个“无损检测”本科专业（军（0602）（试办）），充实无损检测技术人才队伍，将无损检测技术人才培养规范化。

以涡流检测为例，法国国铁使用涡流检测技术对导管和轴承进行探伤，俄罗斯制造笔式差动探头，英国Staveley公司推出商用涡流检测仪器。轨道交通车辆中超声检测的研究进展迅速，日本新干线采用全自动挪动式超声探伤设备，对车轴进行检测，完成一根车轴检测时间小于3min。

3 常用无损检测标准与常见缺陷

3.1 无损检测标准概述

针对轨道车辆无损检测领域，国外制定了系列标准与质量体系，以往我国在这方面主要参照国际化标准组织ISO、欧洲标准EN、法国标准NF、德国标准DIN等，例 如，ISO 9001：2015、DIN 6701、EN 15085、EN1291：2002《焊缝磁粉探伤验收等级》、NF F00-090《铁路制件磁粉探伤》。

国内轨道交通车辆生产质量安全法律法规主要有《中华人民共和国产品质量法》《中华人民共和国铁路法》等，此外，还有《强制性产品认证管理规定》等法规，《铁路机车车辆设计制造维修进口许可办法》等行业规章，但这些都是产品质量把关的综合性文件。

如今国内也陆续建立相关铁路行业标准，诸如GJB9001、TB/T 3256-2011《机车在役零部件无损检测》、TB/T 2047-2011《铁路用无损检测材料技术条件》《铁路客车轮轴组装检修及管理规则》等。2021年10月，我国主导的ISO铁路车辆系统部件国际标准（ISO 22752:2021《铁路应用-机车车辆车体侧窗》）正式实施。

3.2 常见缺陷位置

轨道交通车辆车体通常使用铝合金材质达到轻量化结构，端墙、侧墙等均采用焊接加工连接，因此，在车体制造过程中存在大量的焊缝需要无损检测。焊缝中最常见的是气孔和裂纹缺陷，除此之外，未焊透、错边等均是常见缺陷。此外，转向架承载着列车的重量，且运行时还承受着振动与列车的制动功能，因此容易出现缺陷。轮轴在运行过程中容易擦伤和磕伤等。

4 轨道车辆常用无损检测方法

4.1 目视检测

目视检测（Visual testing, VT）是针对肉眼可见缺陷的检测，是所有行业中最常用的无损检测方法，但它高度依赖操作人员的技能水平。检测可见缺陷类型例如结构变形、焊接表面缺陷和内外表面腐蚀。在检测过程中可以使用辅助工具，例如尺子、放大镜和相机等，复杂结构下可使用内窥镜。

一般情况下，目视检测不需要额外的设备，对于检测过程来说非常高效。该检测手段适用于全车任何区域，成本低廉，易操作。

4.2 渗透检测

渗透检测（Penetrant testing，PT）是利用渗透剂在毛细管作用下，渗入表面开口微小缺陷内。在对工件表面多余的渗透剂清洁后，通过显象剂的毛细管作用将缺陷内的渗透剂吸附到工件表面形成痕迹，从而达到“放大”缺陷显示的效果。

这意味着车辆检测采用该手段是最有效的检测工件表面是否有开口缺陷的方法，对表面点状和线状缺陷的发现有重大帮助。表面裂纹在使用过程中容易扩展延伸导致失效，因此对表面裂纹的检出极其重要，渗透检测对该类缺陷易检出。但其使用的渗透剂在生产车间中存在清洁困难的问题，适用于涂装前的无损检测需求。检测对象无材质要求，要求表面状态良好，适用于车体焊缝、转向架、紧固螺栓螺纹等。

荧光渗透检测是采用荧光渗透液，其物理基础与普通渗透检测类似，但其需要借助黑光灯观察结构，对更细微的裂纹有更明显的指示性，但不适用于大部件检测。

4.3 磁粉检测

磁粉检测（Magnetic particle testing, MT）用于检测铁磁材料（如铁、镍、钴及其合金）中的表面和近表面磁场畸变。当电流通过检测对象，或施加在检测对象外部，材料中会直接磁化。电流可以是交流电或直流电，磁力线总是垂直于电流方向。材料中存在表面或次表面不连续性会导致磁通泄漏，从而通过喷洒磁悬液时会使磁粉聚集，即磁粉被吸引到漏磁区域并形成缺陷指示，对其进行记录并确定其性质。

由于只能检测铁磁性材料，磁粉检测通常用于检测车轴轮座、制动盘箍等使用钢材料的零部件。

4.4 超声检测

超声检测（Ultrasonic testing，UT）通常是指A型扫查脉冲反射法超声检测，是一种通过使用高频声波来表征试件厚度或内部结构的方法。用于超声检测的频率比人类听觉极限高出许多倍，最常见的范围是500kHz～20MHz。高频声波具有很强的方向性，它们会穿过一种介质（如钢或塑料），直到遇到与另一种介质（如空气）的边界，然后反射回其声源。通过分析反射特征，可以对试件厚度进行表征，或发现裂纹、其他内部缺陷。

在超声检测中，连接到探伤仪器的超声波换能器（探头）发射声波穿过被检查的物体，但由于声阻抗差异巨大，换能器通常通过耦合剂（例如油、水）检测对象相隔，如水浸法超声检测。

对超声波的接收方式有反射和衰减两种。在反射（收发式）模式下，当超声波被反射回设备时，换能器执行脉冲波的发送和接收。反射超声波来自一个界面，例如，物体的后壁或来自物体内的缺陷。探伤仪器以A扫信号显示这些结果，信号的幅度代表反射强度，距离用反射到达时间表示。在衰减（一发一收式）模式下，发射器通过一个表面发送超声波，而另一个接收器在检测对象的另一面接收信号。发射器和接收器之间若存在缺陷或其他特殊情况会减少传输的能量，从而发现缺陷的存在。同样的，无论哪种方法，都需要使用耦合剂。

该检测方法被广泛应用于动车组空心车轴、轮辋轮辐等位置。

4.5 射线检测

射线检测（Radiographic testing，RT）是使用 X射线和伽马射线（使用放射性同位素）来检查物体的内部或表面缺陷，而不会造成任何损坏。然后生成一张射线照片或图片，显示厚度的任何变化、缺陷（内部和外部）如裂缝和孔隙率以及被测样品的组装细节。与其他NDT技术相比，射线照相术具有几个优点。它具有高度可重复性、用途广泛，可用于多种材料，无须大量表面处理。

最常用的可控射线来源于X光机，其主控器发出的脉冲信号，经功率放大，产生高压给射线管阳极，同样主控发出的脉冲信号经放大给射线管灯丝，使射线管产生X射线。此时，被测物体放在X射线源与胶片之间，被曝光的底片经洗片后即可出现图像。

射线穿透工件后，由于缺陷部位和无缺陷部位透过射线强度不同，底片上相应部位等会出现黑度差异。射线检测人员通过对底片的观察，根据其黒度的差异，便能识别缺陷的位置和性质。

射线检测对动车金属或非金属结构件都能进行有效检测，但由于其作业具有一定危险性，作业需要相应资质和警戒，检测速度较慢等问题，因此并非动车组检测时首选。但其在动车组无损检测中，仍具有重要作用。

4.6 涡流检测

涡流检测（Eddy current testing, ECT）是一种非接触式检测手段，其物理基础是源于法国物理学家Léon Foucault于1851年发现的涡电流，因此涡流有时被称为Foucault电流。涡流通过电磁感应产生。当导线施加交变电流时，在导体中及其周围产变化磁场。当交流电流到最大值时，该磁场最大，当电流降至零时，磁场消失。如果在该变化磁场中存在另一导体，如被检测试件，则该导体中会产生感应电流，即涡流。

若被检测试件中存在缺陷，涡流场发生改变，涡流产生的次级磁场也会发生改变，这种变化会被磁传感器或线圈捕捉，经过放大电路等系列处理后，使用阻抗分析法分析缺陷。因涡流检测技术无须耦合剂、灵敏度高等优势，在高速列车转向架部件探伤中有广泛的应用。

变电流通过导线时,电流在导线横截面上的分布是不均匀的,导体表面的电流密度大于中心的密度,且交变电流的频率越高,这种趋势越明显,该现象称为趋肤效应。常规涡流检测同样受趋肤效应影响，通常只能检测表面或近表面缺陷。

5 新兴无损检测方法应用

5.1 ACFM检测

ACFM（Alternating current field measurement，交流电磁场检测技术）是基于电磁感应的新型无损检测技术。通交变电流的特殊线圈（激励线圈）靠近导体时，交变电流在周围的空间中产生交变磁场，被测工件（导体）表面的感应电流由于集肤效应聚集于工件的表面。当工件中无缺陷时，感应电流线互相平行，若存在缺陷，电流分布发生变化，表面磁场畸变，通过感应磁场大小变化可检测缺陷的存在性。

ACFM在轴承表面检测已展现优势，且其不需要去除表面喷漆，数据可长期存储，便于质量跟踪。

5.2 其他检测方法

动车组无损检测中有许多新技术，例如，磁记忆检测、激光全息以及微波检测等，这些检测手段还没有被生产广泛使用，但是在实验室中均已展现出良好的检测效果。例如，超声相控阵和TOFD（超声衍射时差法）凭借高精度、可视化、能检测试件各类埋深缺陷等优势，在实际生产应用中已广泛使用。

6 结语

随着无损检测技术的发展，越来越多的检测手段被用于轨道交通车辆中。无损检测一直存在于车辆设计、制造等阶段，发挥着至关重要的作用，为我国轨道交通车辆制造及稳定运营奠定了坚实的基础。