Ультрозвуковой контроль сварных стыков рельсов

Введение
Фундаментальные исследования по созданию и практическому использованию технических средств и методов неразрушающего контроля в различных областях человеческой деятельности были начаты в нашей стране в начале прошлого столетия. Однако крупносерийное промышленное производство технических средств НК получило развитие у нас только во второй половине прошлого столетия.
Необходимым условием безопасности движения на железнодорожном транспорте является надежное функционирование элементов путевого хозяйства. К наиболее ответственным элементам конструкции пути относятся железнодорожные (ЖД) рельсы [1].
Неразрушающие физические методы контроля являются эффективными, а в ряде случаев — единственно возможными средствами предотвращения чрезвычайных ситуаций на ЖД транспорте из-за изломов рельсов по дефектам в них. Наиболее распространенными и основными методами, используемыми в рельсовой дефектоскопии, являются ультразвуковые — эхо- и зеркально-теневой при импульсном излучении упругих колебаний.
Разнообразие дефектов, возникающих в ЖД рельсах в процессе их эксплуатации, обуславливает использование систем преобразователей, осуществляющих ввод ультразвуковых колебаний под разными углами к поверхности сканирования. Комплекс преобразователей формирует схему прозвучивания сечения рельса, являющуюся одним из основных факторов, влияющих на эффективность обнаружения потенциальных дефектов.
Теоретико-экспериментальное обоснование принципов создания таких схем с учетом вероятности образования дефектов в рельсах и оптимизации реализующих их дефектоскопических каналов является одной из первых и основных задач создания многоканальных систем контроля. Для решения этой задачи с минимальными временными и техническими затратами необходимо разработать соответствующую математическую модель и программное обеспечение (ПО), позволяющее синтезировать новые схемы прозвучивания, ориентированные на обнаружение определенной группы дефектов и предназначенные для реализации в ультразвуковых средствах контроля рельсов различного назначения.
Исходя из этого, актуальность применения и изучения ультразвуковых методов контроля сварных стыков рельсов является колоссальной на сегодняшний день. Таким образом, основной целью данной работы является изучение ультразвуковых методов контроля сварных стыков рельсов.
Для достижения поставленной цели выделены следующие задачи:
- изучить основные причины появления дефектов рельсов;
- изучить возникновение ультразвуковой дефектоскопии как метода неразрушающего контроля;
- изучить различные методы ультразвукового контроля сварных стыков рельсов;
- изучить методологию автоматизированного ультразвукового контроля сварных стыков рельсов;
- изучить эффективность применения ультразвукового контроля в настоящее время и изучить перспективы его развития.
1 Основные причины появления дефектов рельсов
1.1 Основные положения по классификации и определению дефектных рельсов
В рельсах в процессе эксплуатации по мере наработки тоннажа, измеряемого в млн. т брутто, происходят процессы износа, смятия, коррозии и усталости, в том числе контактной, изгибной и коррозионной усталости. В результате протекания этих процессов в рельсах образуются различные повреждения и дефекты. Дефект рельса характеризуется отклонениями от установленных норм его геометрических параметров или прочности, соблюдение которых обеспечивает работоспособное состояние рельса в установленных условиях эксплуатации.
К дефектам рельсов относятся: выкрашивания, выколы, трещины, изломы, все виды износа, пластические деформации в виде смятия, сплывов металла головки рельса, коррозия, механические повреждения, величины которых превышают нормированные значения. Отказ рельса вызывается дефектом, при котором исключается пропуск поездов (полный отказ, например, при изломе рельса) или возникает необходимость в ограничении скоростей движения поездов (частичный отказ, например, образование волнообразных неровностей сверх нормируемых значений на поверхности катания головки рельса и т.п.).
Классификация и каталог дефектов рельсов предназначены для правильного определения кода дефектов в рельсах, основной причины их появления и развития, а также для принятия мер по безопасной эксплуатации рельсов, для статистического учета поврежденных рельсов, анализа уровня эксплуатационной стойкости и надежности рельсов. В каталоге дефектов рельсов представлены способы их выявления [2].
Все дефекты в зависимости от их типа, расположения по сечению рельса, основных причин их происхождения и места расположения по длине рельса имеют свой цифровой код. Ниже объясняется структура кодового цифрового обозначения дефектов рельсов, в разделе «Каталог дефектов рельсов» дается подробное описание каждого дефекта и его фотографии, способы выявления и указания по эксплуатации дефектных рельсов, в разделе «Параметры дефектных и остродефектных рельсов» определяется степень опасности конкретных дефектов рельсов для движения поездов.
Поврежденные рельсы в зависимости от степени опасности дефектов подразделяются на два вида: остродефектные (ОДР) и дефектные (ДР).
К остродефектным рельсам относятся рельсы с изломами, выколами и трещинами, которые могут привести к внезапным разрушениям. Остродефектные рельсы непосредственно угрожают безопасности движения поездов из-за непредсказуемости последствий разрушений рельсов и поэтому требуют изъятия их из пути после обнаружения дефекта без промедления в соответствии с установленным порядком.
По остродефектным рельсам пропуск поездов производится в соответствии с нормами, приведенными ниже в разделе «Параметры дефектных и остродефектных рельсов».
Дефектные рельсы, как правило, не препятствуют пропуску поездов, но при достижении определенных параметров дефектов требуют ограничения скоростей движения поездов. В связи с возможностью визуального наблюдения за развитием этих дефектов, изменение их размеров в большинстве случаев можно прогнозировать.
В зависимости от категории пути, типа и степени развития дефектов на поверхности катания головки, на шейке или подошве для дефектных рельсов устанавливается соответствующий порядок их изъятия из пути от замены в плановом порядке до замены в первоочередном порядке.
По дефектным рельсам на срок до устранения дефекта или замены дефектных рельсов при достижении определённых параметров дефектов устанавливаются ограничения скорости движения поездов с учетом конкретных условий состояния пути.
Все остродефектные рельсы, внутренние дефекты в которых обнаружены при дефектоскопировании, после изъятия из пути должны подвергаться обязательному вскрытию для подтверждения кода дефекта. Долом рельсов для вскрытия дефектов должен производиться средствами дистанций пути. При анализе вскрытых дефектов должно быть обращено внимание на источник (фокус) зарождения дефекта, на его место расположения и ориентацию в рельсе, на характер развития дефекта. Вид излома рельса фотографирует цифровым фотоаппаратом работник дистанции пути [3].
Результаты вскрытия остродефектного рельса фиксируются в специальном журнале и передаются вместе с цифровыми фотографиями для анализа в Центры диагностики и мониторинга.
1.2 Структура обозначения дефектов рельсов
 
Все дефекты рельсов в классификации кодированы трехзначным числом. Использована следующая структура кодового обозначения:
-  первая цифра кода определяет группу дефектов по месту появления дефекта по элементам сечения рельса (головка, шейка, подошва, всё сечение);
-  вторая цифра определяет тип дефекта рельсов с учетом основной причины его зарождения и развития;
-  третья цифра указывает на место расположения дефекта по длине рельса.
Первые две цифры кода дефектов рельсов отделяются от третьей цифры точкой.
Группа дефектов и место их появления по элементам сечения рельса (головка, шейка, подошва, все сечение) определяются следующими цифрами (первый знак):
1 – трещины и выкрашивания металла на поверхности катания головки рельса;
2 – поперечные трещины в головке рельса;
3 – продольные трещины в головке рельса и в зоне перехода головки в шейку в стыке;
4 – пластические деформации (смятие), вертикальный, боковой и неравномерный износ головки рельса (длинные волны и короткие волны-рифли);
5 – дефекты и повреждения шейки рельса;
6 – дефекты и повреждения подошвы рельса;
7 – изломы рельса по всему сечению;
8 – прочие дефекты и повреждения рельса, включая коррозию подошвы и шейки, а также лишние отверстия в зоне накладок и вдавленная маркировка в зоне стыка.
Тип дефекта рельсов, определяемый основной причиной его зарождения и развития (второй знак), обозначается следующими цифрами:
0 – дефекты, связанные с нарушениями технологии изготовления рельсов;
1 – дефекты, зависящие от недостаточно высокого металлургического качества рельсовой стали (например, от местных скоплений неметаллических включений, вытянутых вдоль направления прокатки в виде дорожек-строчек) и недостаточной прочности рельсового металла, приведшие к отказам рельсов после пропуска гарантийного тоннажа (после окончания срока гарантии);
2 – дефекты, зависящие от недостаточно высокого металлургического качества рельсовой стали (например, от местных скоплений неметаллических включений, вытянутых вдоль направления прокатки в виде дорожек-строчек) и недостаточной прочности рельсового металла, приведшие к отказам рельсов до пропуска гарантийного тоннажа (в пределах срока гарантии);
3 – дефекты в зоне болтовых стыков, связанные с повышенным динамическим воздействием колёс на путь, с нарушением требований инструкции по текущему содержанию железнодорожного пути; с нарушениями технологии обработки болтовых отверстий и торцов рельсов металлургическими комбинатами, линейными подразделениями и промышленными предприятиями путевого хозяйства дорог;
4 – дефекты, связанные с ненормативным специфическим воздействием подвижного состава на рельсы и условиями эксплуатации рельсов (боксование, юз, ползуны и др.), в том числе из-за нарушения режимов вождения поездов, из-за недостатков подвижного состава, из-за нарушений норм текущего содержания пути;
5 – дефекты рельсов, полученные в результате ненормативных механических воздействий на рельсы (удар инструментом, рельса о рельс и т.п.);
6 – дефекты в зоне сварных стыков, связанные с недостатками и нарушениями технологии сварки рельсов и обработки сварных стыков, приведшие к отказам рельсов после пропуска гарантийного тоннажа;
7 – дефекты в зоне сварных стыков, связанные с недостатками и нарушениями технологии сварки рельсов и обработки сварных стыков, приведшие к отказам рельсов до пропуска гарантийного тоннажа;
8 – дефекты, связанные с недостатками и нарушениями технологии наплавки рельсов, приварки рельсовых соединителей и другие дефекты;
9 –  дефекты, вызванные коррозионной усталостью, контроленепригодностью рельсов, и изломы без усталостных трещин.
Примечание:
Появление дефекта рельса часто бывает следствием нескольких причин. Так, недостатки в содержании пути ускоряют развитие заводских дефектов. В связи с этим при определении типа дефекта должна быть выявлена основная причина, с которой связано его появление и развитие.
Цифровое обозначение места расположения дефекта (третья цифра в коде дефекта) принято следующим:
0 - по всей длине рельса;
1 - в болтовом стыке на расстоянии 750 мм и менее от торца рельса;
2 - вне болтового стыка на расстоянии более 750 мм от торца рельса;
3 - в сварном стыке, полученном электроконтактной сваркой;
4 - в сварном стыке, полученном алюминотермитной сваркой.
2 Возникновение ультразвуковой дефектоскопии как метода неразрушающего контроля
2.1 Предпосылки к созданию ультразвуковой дефектоскопии как метода неразрушающего контроля
В 1880, Пьер и Жак Кюри сделали важное открытие, которое в конечном счете привело к развитию современного ультразвукового преобразователя. Братья Кюри заметили, что при оказании давления на кристаллы кварца или соли, генерируется электрический заряд. Этот заряд был прямо пропорционален прикладываемой к кристаллу силе; это явление было названо "пьезоэлектричеством" от Греческого слова, означающего "нажать".
Кроме того, они продемонстрировали обратный пьезоэлектрический эффект, который проявлялся тогда, когда быстро изменяющийся электрический потенциал применялся к кристаллу вызвав его вибрацию [4].
Нынешние ультразвуковые преобразователи содержат пьезоэлектрические кристаллы, которые расширяются и сжимаются, для преобразования электрическую и механическую энергию, что является сутью ультразвукового преобразователя. К сожалению, из-за слабого развития электроники в то время, эти эффекты полностью не использовались.
2.2 Начало практического применения для неразрушающего контроля
Начало практического применения для неразрушающего контроля твердых тел высокочастотных акустических волн ультразвукового диапазона имеет в нашей стране точно определенную дату — 2 февраля 1928 г. Именно в этот день преподаватель Ленинградского электротехнического института, впоследствии профессор СССР С.Я. Соколов подал заявку на способ и устройство испытания металлов, на которую получил патент СССР за № 11371.
В этой заявке впервые было предложено использовать ультразвуковые колебания для прозвучивания изделий с целью получения информации об их внутренних дефектах и структуре. Именно от этой даты мировая общественность ведет отсчет существования ультразвуковой дефектоскопии - науки о методах и приборах контроля качества материалов и изделий, которой в этом году исполняется 87 лет.
В статье, опубликованной в 1929 году в Германии, С. Я. Соколов обобщил результаты своих исследований по распространению ультразвуковых волн в различных металлах и сформулировал обнаруженные им свойства ультразвука:
- способность проникать на большую глубину в металлы и обнаруживать в них неоднородности;
- зависимость затухания от структуры металла и примесей, а в сталях - от степени их закалки;
- способность распространяться по проволоке на расстояние в несколько десятков метров и отражаться от ее конца.
Здесь же он впервые предложил использовать одну и ту же пьезопластину как в качестве излучателя, так и в качестве приемника ультразвука, т. е. сформулировал принцип совмещенного преобразователя с применением частотно-модулированных колебаний.
2.3 Основные исследования и изобретения в области ультразвуковой дефектоскопии
За десятилетний период (1931-1941) Соколовым были выполнены основные исследования и изобретения в области ультразвуковой дефектоскопии:
- разработан точечный пьезоэлектрический приемный преобразователь и исследовано распределение им амплитуд колебаний как по поверхности излучающих сложных вибраторов, так и по поверхности прозвучиваемых изделий с внутренними несплошностями;
- предложен фокусирующий излучатель, в том числе с регулируемым механическим способом фокусным расстоянием;
- предложен сквозной теневой метод с частотной модуляцией путем автоматического изменения емкости колебательного контура генератора;
- предложен и реализован сквозной теневой и зеркально-теневой временные методы с импульсным излучением и модуляцией частоты;
- предложен резонансный метод измерения скорости звука в материале изделия;
- предложен наклонный ввод ультразвука в изделие, в том числе с возбуждением только поперечных волн;
- предложен и реализован эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии с использованием раздельной схемы включения и частотно-модулированного излучения;
- предложен и осуществлен электромагнитно-акустический метод возбуждения колебаний в изделии, основанный на взаимодействии вихревых токов с полем постоянного магнита;
- реализован низкочастотный акустический метод измерения частот собственных колебаний турбинных лопаток с целью обнаружения в них внутренних дефектов (трещин);
- предложено и реализовано несколько типов теневых дефектоскопов с различными методами автоматического сканирования и записью контуров дефектов с помощью различных систем

.
В 1935 г. под руководством С.Я. Соколова были изготовлены промышленные образцы дефектоскопов, которые успешно применялись на Ижорском, Балтийском, Кировском и других заводах.
В 1930-е годы были сделаны первые попытки визуализации ультразвука. Вторым очень важным направлением работ С. Я. Соколова в области ультразвуковой дефектоскопии как до войны, так и в послевоенное время являются работы по звуковидению. Он считал, что необходимо не только обнаружить несплошности в изделии, но и установить их размеры и форму - визуализировать. К этому были все предпосылки, так как ультразвук оказался необычайно чувствителен к малейшим градиентам свойств вещества и способен визуализировать слабые неоднородности, которые не обнаруживаются другими методами [5].
Первой системой звуковидения, предложенной С. Я. Соколовым еще в 1928 году была система, основанная на создании распределения поля на поверхности жидкости - метод поверхностного рельефа. Значительно большей чувствительностью обладала система звуковидения, основанная на акустооптическом преобразовании в так называемой трубке Соколова - акустическом аналоге кинескопа, у которого светочувствительный экран заменен пьезоэлектрическим преобразователем.
На развитие отечественной науки и производства приборов и аппаратуры неразрушающего контроля определяющее влияние оказали сложившиеся в стране научные коллективы (школы) ведущих в этой области институтов и организаций. Прежде всего, это школа ЛЭТИ (г. Ленинград) под руководством уже ранее упоминавшегося профессора СССР С.Я. Соколова. Здесь были созданы первые образцы ультразвуковых дефектоскопов. Во время войны 1941-1945 гг. коллектив ЛЭТИ участвовал в решении актуальнейших задач оборонного значения. Созданная С.Я. Соколовым в ЛЭТИ научная школа внесла значительный вклад в развитие ультразвуковой дефектоскопии, нашедшей широкое применение практически во всех отраслях народного хозяйства. Работы С.Я. Соколова дважды отмечались Государственными премиями СССР.
3 Применение ультразвукового контроля к сварным стыкам рельсов
3.1 Общие требования к ультразвуковому контролю
УЗК применяют:
а) на этапе приемочного контроля, выполняемого после сварки рельсов в РСП и в пути;
б) на этапе эксплуатационного контроля сварных стыков рельсов в пути.
УЗК стыков электроконтактной сварки рельсов должен обеспечивать выявление следующих дефектов:
а) приемочный УЗК - дефектов типа трещин, непроваров, рыхлостей (пережогов), пузырей (свищей), кратерных усадок и силикатных скоплений;
б) эксплуатационный УЗК - дефектов типа усталостных трещин, развившихся в головке, в шейке и в подошве;
Не гарантируется выявление дефектов типа неполная сварка.
УЗК стыков электроконтактной сварки проводят эхоимпульсным методом по ГОСТ 18576 при вариантах методов (схемах прозвучивания и значениях основных параметров).
УЗК стыков алюмино-термитной сварки проводят эхоимпульсным и зеркальным методами по ГОСТ 18576 при вариантах методов (схемах прозвучивания и значениях основных параметров).
УЗК сварных стыков рельсов должен проводиться после устранения дефектов, выявленных при визуальном контроле.
Концевые участки длиной 300 мм свариваемых старогодных рельсов должны быть до сварки подвергнуты УЗК по технологии и в порядке, определенными подразделением аппарата управления ОАО «РЖД», ответственным за эксплуатацию железнодорожных путей и путевых сооружений.
УЗК сварных стыков рельсов должен проводиться с помощью средств УЗК после подготовки объекта контроля (очистки, нанесения контактной смазки), настройки (проверки) значений параметров временной селекции и чувствительности, заданных в ТИ на контроль.
Методы и варианты методов УЗК сварных стыков рельсов, не предусмотренные настоящим стандартом, являются предметом специального рассмотрения и могут применяться в порядке, определенным подразделением аппарата управления ОАО «РЖД», ответственным за эксплуатацию железнодорожных путей и путевых сооружений.
3.2 Требования к средствам ультразвукового контроля
Средства УЗК сварных стыков, в том числе дефектоскопы, автоматизированные или механизированные установки или блоки, входящие в их состав должны:
а) обеспечивать возможность реализации методов УЗК сварных стыков и других требований, содержащихся в настоящем стандарте;
б) быть сертифицированы (аттестованы) в соответствии с нормативной документацией Ростехрегулирования и внесены в Реестр средств измерений, оборудования и методик выполнения измерений, применяемых в ОАО «РЖД»;
в) быть поверены (калиброваны) в установленном порядке по методике, содержащейся в эксплуатационной документации на средство УЗК по ГОСТ 2.601, в соответствии с утвержденным графиком поверки (калибровки);
г) проходить ежесменную и после замены ПЭП или кабелей проверку работоспособности, а также проверку (настройку) основных параметров контроля в соответствии с ТИ на УЗК.
При проведении экспертиз, в частности при наличии разногласий в оценке результатов УЗК, настройка чувствительности должна выполняться по СО-ЗР, по которым задана чувствительность в настоящем стандарте.
Для обеспечения надежности обнаружения дефектов при зеркальном методе контроля сварных стыков рекомендуется использовать устройство сканирования, позволяющее соблюдать необходимую траекторию перемещения ПЭП.
3.3 Требования к технологической документации на проведение ультразвукового контроля
ТИ по УЗК сварных стыков рельсов должна содержать:
а) перечисление типов сварных стыков, на УЗК которых распространяется ТИ, и требования к их контролепригодности;
б) указание типов применяемых средств УЗК (включая ПЭП, СО, СОП);
в) требования к квалификации и указание ответственности персонала, выполняющего УЗК и оценку результатов УЗК;
г) значения основных параметров контроля, способы и параметры сканирования;
д) порядок, последовательность и нормы периодичности выполнения операций настройки и проверки основных параметров аппаратуры;
е) последовательность проведения УЗК;
ж) описание способов интерпретации результатов УЗК, в том числе методов выделения полезных сигналов на фоне помех и оценки наличия акустического контакта;
з) критерии оценки результатов УЗК (браковочные критерии);
и) перечень регистрируемых параметров и результатов УЗК;
к) требования по технике безопасности.
ТИ должна разрабатываться специалистами, сертифицированными на III или II уровень квалификации по акустическому виду НК, проходить экспертизу и утверждаться в порядке, установленном ОАО «РЖД».
4 Методы ультразвукового контроля сварных стыков рельсов
4.1 Эхо - импульсный метод
Непрерывные звуковые волны в 1940-е гг. были вытеснены ультразвуковыми импульсами. Первооткрывателем ультразвукового эхо-импульсного метода считается Р. Файерстоун, разработавший прототип современного дефектоскопа в 1940 г.
Эхо-метод основан на посылке в изделие коротких импульсов ультразвуковых колебаний и регистрации интенсивности и времени прихода эхосигналов, отражённых от несплошностей (дефектов). Для контроля изделия датчик эходефектоскопа сканирует его поверхность. Метод позволяет обнаруживать поверхностные и глубинные дефекты с различной ориентировкой [6].
В 1943 г. почти одновременно были выпущены первые эхо-импульсные приборы, основанные на работах Файерстона и Спроуля фирмами «Сперрипродактс инк.» (Денбери, США) и «Кельвин энд Хьюз лтд.» (Лондон). В 1948 г. под руководством С. Я. Соколова создан первый в СССР импульсный эхо-дефектоскоп.
Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения (ЦНИИТМАШ) начал с разработки дефектоскопической приставки УЗД-1 к серийному осциллографу. В 1951 г. А.С. Матвеевым, Ю.В. Богословским, В.Д. Королевым, М.Ф. Краковяком и В.В. Рахмановым (ЦНИИТМАШ) был создан один из первых в СССР массовых дефектоскопов УЗД-7. Типовая блок-схема импульсного ультразвукового дефектоскопа приведена на рис. 1.
Рисунок 1 - Блок-схема импульсного ультразвукового дефектоскопа УЗД-7Н. 1 — задающий генератор; 2 — генератор импульсов; 3 — пьезоэлектрический щуп; 4 — генератор развертки; 5 — приемный усилитель; 6 — электроннолучевая трубка; 7 — контролируемое изделие
Задающий генератор, питаемый переменным током, вырабатывает электрические колебания, передаваемые на генератор импульсов и пьезоэлектрический щуп. В последнем высокочастотные электрические колебания преобразуются в механические колебания ультразвуковой частоты и посылаются в контролируемое изделие. В интервалах между отдельными посылами высокочастотных импульсов пьезоэлектрический щуп при помощи электронного коммутатора подключается к приемному усилителю, который усиливает полученные от щупа отраженные колебания и направляет их на экран электроннолучевой трубки. Таким образом, пьезоэлектрический щуп попеременно работает как излучатель и приемник ультразвуковых волн.
Генератор развертки обеспечивает развертку электронного луча трубки, который прочерчивает на экране электроннолучевой трубки светящуюся линию с пиком начального импульса.
При отсутствии дефекта в контролируемом изделии импульс дойдет до нижней поверхности изделия, отразится от нее и возвратится в пьезоэлектрический щуп. В нем механические колебания ультразвуковой частоты снова преобразуются в высокочастотные электрические колебания, усиливаются в приемном усилителе и подаются на отклоняющие пластины электроннолучевой трубки. При этом на экране возникает второй пик донного импульса (как бы отраженного от дна изделия).
Если на пути прохождения ультразвука встретится дефект, то часть волн отразится от него раньше, чем донный сигнал достигнет пьезоэлектрического щупа. Эта часть волн усиливается приемным усилителем, подается на электроннолучевую трубку и на ее экране между начальным и донным импульсами возникнет пик импульса от дефекта.
Благодаря синхронной работе генератора развертки луча, генератора импульсов и других устройств дефектоскопа взаимное расположение импульсов на экране электроннолучевой трубки характеризует глубину расположения дефекта. Расположив на экране трубки масштабные метки времени, можно сравнительно точно определить глубину залегания дефекта.
Крупное достижение ЦНИИТМАШ – создание первого в мире наклонного пьезопреобразователя с призмой из органического стекла, позволившего использовать ультразвук для контроля сварных соединений поперечными волнами. Впервые в СССР осуществил контроль сварных швов с помощью наклонного преобразователя Н.В. Химченко (НИИХИММАШ) на Ангарском нефтехимическом комбинате.
4.2 Вагон-дефектоскоп
Особое научное направление в области неразрушающего контроля принадлежит коллективу ученых научно-исследовательского института мостостроения при Ленинградском институте инженеров железнодорожного транспорта (НИИмостов ЛИИЖТа), занятых с начала 50-х годов исследованием методов ультразвукового контроля деталей и узлов транспортных средств. Под руководством А.К. Гурвича группа разработчиков решила комплекс вопросов дефектоскопии сварных соединений мостовых конструкций и рельсов, а также общих задач ультразвуковой дефектоскопии. Совместно с ВНИИНК (г. Кишинев) разработаны приборы для контроля сварных швов и рельсов, организован их серийный выпуск на заводе «Электроточприбор», создано несколько вагонов-дефектоскопов.
Вагон-дефектоскоп — вид подвижного состава железных дорог, предназначенный для сплошного скоростного контроля рельсов, уложенных в путь, и выявления в них наружных и скрытых дефектов. Вагоны-дефектоскопы выпускаются на базе четырёхосных пассажирских вагонов, перемещаемых локомотивом, с ультразвуковым и магнитным искательными устройствами.
В ультразвуковом вагоне-дефектоскопе в основном используется эхо (признаком обнаружения дефекта является принятый отраженный сигнал от него) и зеркальнотеневой методы (признаком обнаружения дефекта является изменение интенсивности ультразвуковых сигналов, отражаемых подошвой рельса). (подробнее про методы).
В России до недавнего времени наибольшее распространение имели вагоныдефектоскопы с магнитными искателями. Принцип действия магнитного искателя основан на использовании магнитодинамического поля, возникающего в рельсе при намагничивании его движущимся постоянным магнитом. Дефект обнаруживается по изменению плотности вихревых токов и направления движения магнитного потока, обтекающего трещину в рельсе.
При движении вагона-дефектоскопа каждая рельсовая нить намагничивается электромагнитом, в искательной катушке наводится ЭДС в виде одиночных импульсов различного значения, длительности и формы. После усиления записываются на киноплёнке или бумажной ленте. Контроль этим способом позволяет выявить внутренние поперечные трещины, которые поражают до 35 % площади сечения головки рельса на глубине более 5—6 миллиметров, и продольные трещины на глубине 4—5 миллиметров. Рабочая скорость магнитного вагона-дефектоскопа достигает 70 километров в час.
В 2000-х годах идет постепенная замена магнитных и ультразвуковых вагонов на совмещенные, которые объединяют достоинства обоих методов: магнитным методом выявляются дефекты на малых глубинах и не требуется непосредственный контакт с рельсом, ультразвуковым — дефекты глубокого и среднего залегания.
В шестидесятых годах, когда особенно остро встала проблема оснащения трубопрокатных заводов высокопроизводительными средствами неразрушающего контроля, большую работу для решения этой задачи проводил НИИ интроскопии (НПО «Спектр») Минприбора СССР. Усилиями ученых института была разработана технологическая линия по комплексному контролю цельнометаллических труб. Был создан ряд дефектоскопов нового поколения, разработана аппаратура для контроля прочности и измерения упругих свойств бетона и других подобных материалов, решена задача обнаружения внутренних дефектов в бетоне на глубине до 500 мм.
Одна из важных проблем, успешно решаемых ультразвуковым эхо-методом – контроль нефте- и газопроводов в условиях их изготовления и эксплуатации. Задача обнаружения дефектов поперечных сварных швов решена в институте ВНИИСТ (позднее АО «ПОЛИТЕСТ»). Г.А. Гиллером и Л.Ю. Могильнером разработан эффективный способ контроля сварных швов «хордовыми» преобразователями с разделением функций излучения и приема ультразвуковых волн