在役火车车轴超声波探伤及质量研究

陈昌华、汤志贵、陈能进、吴骏

马钢股份有限公司技术中心、铁运公司

 

   车轴是火车的重要运动和承载部件,其质量优劣对保证火车的安全运行起着至关重要的作用,一旦引发事故,往往是灾难性的。车轴疲劳裂纹一般集中在轮座的R部位,是造成切轴的主要原因。马钢车轴R部位缺陷的检测主要采用纵波和小角度纵波二种超声波方法。为确保车轴质量普查工作,将运行的车轴分出质量等级,我们建立了车轴质量控制工艺卡。采用动态跟踪及静态检测的方案,开展了火车车轴载荷、运行时间、运行路线等相关参数跟踪的分析工作,为研究车轴载荷、缺陷与寿命三者之间联系提供了相关信息。

主题词  火车车轴;超声波探伤;透声性;切轴剩余寿命

 

Ultrasonic Testing And Quality Research Of Axles In Trains

Chen Changhua, Tang Zhigui, Chen Nengjin, Wujun

(Technology Center of Maanshan Iron & Steel Company  Limited)

 

Abstract: It is an important exercise and train axle bearing components the quality of its quality assurance plays a vital role in ensuring the safe operation of trains, once to cause the accident, is often disastrous. Axle fatigue cracks are located in the R-part location is the main reason causing broken axis. Masteel R axle parts defect detection mainly longitudinal wave and small-angle wave two types of ultrasound method. To ensure the quality of the axles, axle operation of the separation of quality grade, we had to establish a quality control process axle cards. Static and dynamic tracking and detection programs, the train axle load, the running time. operating parameters, such as line tracking analysis for the study of axle load, Remaining life among the defects associated with the provision of relevant information.

Keywords: Train Axle, Ultrasonic Testing, Sound Transparent Character, Broken Axle, Remaining Life

 

1.      前言

目前,马钢铁运公司拥有300多列货运火车,分别承担着马钢内部各个分公司繁重的原材料、物资和产品的运输任务。长期以来,这些火车的运行状况比较恶劣,超载或严重超载运行的情况十分普遍。随着近年来马钢生产的快速发展,铁运公司货运火车的运输压力将进一步加大,机车和车辆运行的安全性越来越引起马钢公司的关注。由于没有充分的研究工作的支持,车轴在什么条件下可以保证火车的安全运营并实施等级维修制度,尚无一定的科学依据,根据国标在役车轴超声波探伤TB/T 2492.21994轨道车辆车轴探伤方法》也未能明确超过几级人工缺陷不合格。为此,马钢公司不得不紧急调拨资金,用于裂纹车轴的更新和相关检测设备的购买,但存在的问题尚待科学的解决。形势会随着马钢公司超重载火车进入生产变得更加严峻,“轮—轴”疲劳断裂失效,已成为是马钢公司铁路实施快速、重载与安全战略中的重大关键科技课题。

铁路系统由于车缺陷而引发的列车运行事故不断发生,尤其在2005年至2006年间,发生火车运输事故的隐患五起以上,虽然未造成重大事故,但隐患仍然存在,不可忽视。车一旦出现切轴,一方面可能会在火车连续重载下使其它车轴中缺陷不断扩展,而另一方面可能会由于行车中的振动,使其它车轴的负荷加大,严重时即导致其它车轴的断裂,甚至列车倾覆。过去,铁路系统的大多数列车事故都因此而发生。在目前马钢货运火车严重超负荷运行并疏于质量定期检查的情况下,随时都有可能发生此类事故。

由于现有的车轴冶金制造技术不可能完全杜绝缺陷的产生,而在火车运行中车轴原有的冶金缺陷又会不断扩展,同时新的缺陷还会不断产生,等等这些,就使得车轴在使用过程中的探伤显得尤为必要。特别是在马钢内部货运火车长期地超负荷运行的情况下,实现对车轴的无损检测,用以经常性地监视车轴质量状况,消除事故隐患,避免财产损失,确保火车安全运行,更是势在必行。

 

2.      车轴切轴原因分析

车轴是火车的重要运动和承载部件,其质量优劣对保证火车的安全运行起着至关重要的作用,一旦引发事故,往往是灾难性的。引发铁路货车事故的车轴缺陷的主要原因是,在车轴用钢的冶炼和加工过程中,往往会在车轴的表面、R部位和内部产生一些气孔、砂眼、夹杂物和划痕等缺陷。由于这些缺陷的存在,在火车运行过程中造成了车轴应力集中,在应力集中区域金属的承载能力较小,极易延展出小裂纹,而在裂纹端头又会形成新的应力集中。在连续承载情况下,裂纹不断地扩展,使金属能够传递应力的部分越来越少,直至剩余部分不足以传递载荷时,金属构件即彻底崩溃,灾难性事故也就随之发生了。因此可见,车轴事故是遵循“应力集中——裂纹——新的应力集中——裂纹扩大——车轴破坏”的恶性循环过程发展而来。

“轮—轴”的疲劳断裂是极其复杂的环境疲劳问题,所有车轴断裂事故的失效分析结果表明:不仅存在机械交变载荷作用,而且交织有环境污染,以及随列车与气候温度变化(-10200)和高温车轮装退: 201200℃、车轴等众多原因造成车轴断裂(见图12)

 

12 典型的疲劳断裂事故

 

车轴断裂形式大多为疲劳断裂,由于试样周围磨损严重,无法判断疲劳源位置。疲劳区低倍形貌见照片3,疲劳初始阶段由于磨损较多,疲劳条纹不明显,其高倍形貌见照片4,在接近快速断裂区的疲劳区可见大量疲劳条纹,其高倍形貌见照片5。快速断裂区形貌为准解理,见照片6

 

4 疲劳初始阶段高倍形貌

 

3 疲劳区低倍形貌

 

 


5 快速断裂区高倍形貌

 

6 快速断裂区准解理形貌

 

 

 


在车轴上用金相方法分别取断裂处和非断裂处的试样,其结果表明:断裂处,靠断裂面附近有2.5级脆性夹杂见(图7)其附近组织铁素体带较严重见(图8),其余处硫化物为2.5级见(图9),基体组织为铁素体+珠光体且部分铁素体呈带状分布见(图10)。非断裂处,试样上非金属夹杂较多见(图1112),基体组织为铁素体+珠光体+针状铁素体且部分铁素体呈带状分布见(图1314)。车轴上夹杂物类型见表1

8 4%硝酸酒精浸蚀形貌

 

7 未浸蚀形貌

 

10 4%硝酸酒精浸蚀形貌

 

9 未浸蚀形貌

 
 

 

 

 

 


 


12 未浸蚀形貌

 

11 未浸蚀形貌

 

13 4%硝酸酒精浸蚀形貌

 

14 4%硝酸酒精浸蚀形貌

 

 


1 车轴夹杂物类型

试样部位

夹杂物类型(级别)

A

B

C

D

细系

粗系

细系

粗系

细系

粗系

细系

粗系

断裂处

2.0

2.5

2.5

0

0

0

0.5

0

非断裂处

3.0

2.5

3.5

0

0

0

0.5

0

 

3.      超声波探伤方法研究

为了保障马钢公司铁路运输安全运行,针对火车车轴接连发生切轴事故,我们进行了车轴超声波探伤检测,为确保车轴质量普查工作,将运行的车轴分出质量等级,我们建立了车轴质量控制工艺卡,采用动态跟踪及静态检测的方案,在2006年全面地对马钢铁运公司车轴进行了超声波探伤质量分析,并提供了马钢火车车轴突发性切轴质量跟踪及技术分析报告。由于车轴使用年限较长,无法考证每个车轴的使用年限、材质及使用寿命,通过检测手段建立了重要车辆车轴质量档案,制定了火车车轴切轴事故的超声波探伤检测工艺,准确分析了车轴超声波探伤质量。

车辆车轴超声波探伤试块,按标准应该使用TDS-1型标准试块、半轴实物对比试块或轻型轨道车辆轴头试块,但我们根据现场切轴的原因和使用状况,制作了轴头试块,用作定位、定量的参考。试块的结构及技术要求:试块全长等于200mm,型式尺寸、材料与被测车轴一致,内部无缺陷、晶粒度5级。在常见裂纹区轴面设人工缺陷,轮座内侧裂纹区缺陷刻槽5mm0.2mm底面中心及1/2R处分别钻直径4mm20 mm平底孔,如图15所示。实物检测照片见图16

 


 

 

 

 

 

16 实物检测轴头试块

 
 

 


对车轴的超声波探伤采用的主要是比较法,因此检测前对设备的性能检验是十分重要的,整个车轴检测采用的仪器是模拟式CTS – 32型和数字式ECHOGRAPH – 1085型超声波探伤仪进行比对结果。其主要内容是检验设备的性能,确定裂纹波的位置(测距)及判定极限裂纹(缺陷)灵敏度,离开这种标定的探伤,必定会造成误判或漏检。当然实物轴试块不符合规定或标定之后又改变原来的状态,同未标定的后果是相同的。采用直探头和010°小角度探头接触法探伤,及粘度较大的清洁机油或机油稀释的黄油作为声耦合剂,对轴承座台阶作超声波探伤的重点区域检查,以轴的端面作为探伤面,采用不解体,不卸轴的探伤方式。在役车轴超声波探伤以探头和小角度探头纵波反射为主,必要时用斜探头在轴身用横波反射法校对。灵敏度调节以轴承座台阶对比试块中心人工孔,计算试块灵敏度与工艺要求灵敏度两者dB差值,将试块人工孔反射波调至基准高,然后增益2dB值。探头应能作全轴贯通透身检查,能探出车轴内部有害缺陷,探头全轴穿透检查,将探头在轴端面距圆心3/4半径范围内,做锯齿形周向移动,间距不超过2/3探头宽度。这里要指出的是穿透探伤的功能,其一是检查车轴的透声性能,以判断其晶粒度是否合格,其二是发现大裂纹,这是更重要、也是容易被忽视的。用直探头探测大裂纹,有的车辆段做了大量试验,并做出实物试块,对防止有大裂纹的车轴放出起到了很好的作用,成为第二道防线,很值得推广。

200642420061225,我们对马钢铁运公司300多根在役车轴进行了超声波探伤,并进行了车轴超声波探伤贯通透声性问题的检测。通过车轴内部质量和全轴贯通透声性检测方法,发现了在役车轴内部存在着一定的质量隐患(详见25,车轴探伤统计表、透声性检测统计表),需要在运行过程中跟踪并在管理上加以控制,以便总结出在役车轴超载运行使用周期。

2 300根在役车轴探伤统计表

名称

总数(根)

缺陷≤φ2

缺陷φ2-φ4

缺陷≥φ4

面积型缺陷

缺陷率

渣锅

188

3

3

0

5

8.9%

铁水

112

6

2

0

2

5.9%

合计

300

9

5

0

7

7.0%

 

3 复检在役车轴探伤统计表

名称

总数(根)

缺陷≤φ2

缺陷φ2-φ4

缺陷≥φ4

面积型缺陷

缺陷率

渣锅

5

1

0

0

3

60%

铁水

2

0

1

0

0

50%

合计

7

1

1

0

3

71%

 

4 更换新车轴探伤统计表

名称

总数(根)

缺陷≤φ2

缺陷φ2-φ4

缺陷≥φ4

面积型缺陷

缺陷率

渣锅

3

0

0

0

0

0%

铁水

1

0

0

0

0

0%

合计

4

0

0

0

0

0%

 

5 200根车轴透声性统计表(含复检及更换车轴)

名称

总数(根)

透声性良好

透声性差

透声性差透声率

渣锅

104

94

10

9.6%

铁水

96

95

1

1%

合计

200

189

11

5.5%

 

通过对在役车轴超声波探伤和运行状况分析,我们认为对内部存在有缺陷的车轴和透声性差的车轴应加强短周期的复检,进一步跟踪缺陷及透声性对车轴使用寿命的影响起到关键作用(详见在役车轴探伤结果表、透声性检测结果表)。因此要研究火车车轴使用寿命的评估状态,制订出车轴跟踪比对计划。

 

4.      束语

无损检测单位要重视对超声波探伤人员的培训,让检验者真正领会工艺的内涵,提高对“波”的识别能力。对发现有异常波应跟踪了解,必要时解剖检查,以积累经验。对检测在役车轴内部在φ2φ4mm/180mm平底孔当量之间的缺陷及内部有密集性缺陷,小于φ4mm/180mm平底孔当量的缺陷,应进行实时跟踪;对检测在役车轴内部大于φ4mm/180mm平底孔当量的缺陷及内部有危害性缺陷,应进行车轴更换,并对更换车轴进行超声波探伤。

对断裂轴源区缺陷发展程度与剩余寿命的关系开展试验研究,对失效分析是很有意义的。由于铁路车轮研究开发既是多学科的综合性问题,又是一个特定的专门性问题,没有配套的研发基础设施对其给予支持,不可能在自主创新上有大的作为,也就难以使马钢真正步入世界一流铁路车轮生产企业的行列。开展进行已检测过的火车车轴载荷、运行时间、运行路线等相关参数跟踪的分析工作,为研究车轴载荷、缺陷与寿命三者之间联系提供相关信息。.对有缺陷的车轴进行解剖试验及动态模拟试验,采用有限元计算车轴载荷受力的影响,找出了车轴断裂失效的基本原因。因此,确保车轴质量优良不仅是铁路用户的首要要求,也是提高车轴制造企业竞争力的关键。