Non-destructive measurement of near-surface cracks in railheads : with focus on ultrasonic inspections

• Near-surface cracks in railhead that caused by rolling contact fatigue (RCF) is one of a kind rail defects that degrade rail track quality. Dependent on the trail load, the cracks can reach to severe level quickly. From many studies, the crack growth can be summarized as follows: At the first phase, the crack is initiated at the rail surface due to shear stresses created by the interaction between wheel and rail. The crack then propagates at about 30⁰ angle underneath. After a certain period of transition, the cracks starts propagating horizontally, vertically, or branching. If they propagates horizontally, the cracks potentially cause rail spalling. If they propagates vertically, then the cracks become more severe and dangerous.To overcome such defects, the infrastructure manager remove the top of railhead by performing rail grinding periodically. Prior the grinding, rail tracks need to be inspected to figure out how deep the cracks are by performing non-destructive testing (NDT). Eddy current testing (ECT) is one of the common method to estimate rail surface crack depths. Most of the practices in the industry, ECT estimates only the crack depth, without analyzing any other crack parameters, such as crack angle propagation, crack length, crack area, crack branches, etc. It also has no ability to identify multi-leveled cracks, sub surface cracks, dense cracks etc. Since depth is the only crack parameter that can be provided from ECT, the inspector have no knowledge about how severe the surface crack is. Whereas, information of crack phase, that is known from the crack profile (crack angle, crack depth and crack length) is beneficial to determine whether the crack is in initial or severe level. It also helps to decide the right time for grinding and avoid severe cracks remain long in the rails.Motivated by the benefit of knowing crack parameters, in this study, phased array ultrasonic transducer (PAUT) was used to inspect rail surface cracks. Generally, ultrasonic testing is used to inspect defect of rails at the far-field of the surface, such as at the body or bottom of the rails. Ultrasonic testing is not used to inspect near-surface cracks since the existence of dead zone at the few mm front of the transducer that is caused by piezoelectric crystal ringing inside the transducer. In this study, by utilizing wedge, phased array technique, and setting the optimum gain at the calibration process could decrease the existence of the dead zone. Thus the surface cracks can be observed clearly from the breaking surface to the deepest tip. At the measurement result, crack profile (propagation angle, depth and length), crack branches and multi-level cracks could be observed well. To verify the measurement result, the inspected railheads were sliced into pieces with uniform 0.65-mm thickness. From these pieces, 3D cracks networks were reconstructed. Complete information of crack profiles (angle, depth and length) of all cracks under the inspected surfaces were collected and well presented. From the reconstructed crack images, crack tips, multi-level cracks, and crack branches can be seen. These confirms that the measurement results could be used to observe crack profile well. For a brief description about the results, 3.5 mm crack tip depth and 6 mm crack length were estimated well with 8% and 4% error, respectively. Although the measurement system still have lack of detection for crack path that oriented sharply from the horizontal line parallel to the surface, since the ultrasonic waves could not be reflected back by these paths.At the end of this study, assessment about the potential of measurement speed of the used system when be applied to the rail field inspection was presented. The study is based on the state of the art available at this topic. The discussion is provided in order to motivate the application of the system to be chosen by the rail inspector to use it for the real rail field inspection. 

• Sprickor nära ytor i rälhuvuden som orsakas av rullande kontaktutmattning (RCF) är en vanlig typ av järnvägsfel som försämrar spårkvaliteten. Beroende på spårbelastningen kan sprickorna snabbt nå en oacceptabel nivå. Tidigare forskning visar att spricktillväxten kan sammanfattas enligt följande: I den första fasen initieras sprickorna vid på rälytorna genom de skjuvspänningar som skapas av växelverkan mellan hjul och räl. Sprickan sprider sig sedan i ungefär 30⁰ vinkel under ytan. Efter en viss övergångsperiod börjar sprickorna föröka sig horisontellt, vertikalt eller förgrena sig. Om de sprider sig horisontellt kan sprickorna orsaka flisning. Om de sprider sig vertikalt blir sprickorna allvarligare och farligare.För att komma till rätta med sådana fel tar infrastrukturförvaltaren bort delar av toppen av rälshuvudet genom att utföra järnvägsslipning med jämna mellanrum. Före slipningen måste järnvägsspåren inspekteras för att ta reda på hur djupa sprickorna är genom att utföra oförstörande provning (NDT). Virvelströmsmätning (ECT) är en av de vanliga metoderna för att uppskatta sprickdjup på järnvägsspår. De flesta metoder inom branschen, inklusive ECT, ger endast en grov uppskattning av sprickdjupet utan att analysera några andra sprickparametrar, såsom sprickvinkelutbredning, spricklängd, sprickområde, sprickgrenar etc. De har inte heller någon förmåga att identifiera sprickor som ligger i flera nivåer, ytnära sprickor, täta sprickor etc. Eftersom djupet är den enda sprickparametern som kan tillhandahållas från ECT, har inspektören ingen kunskap om hur allvarliga ytsprickorna är, medan information om sprickfasen, som är känd från sprickprofilen (sprickvinkel, sprickdjup och spricklängd), är fördelaktig för att bestämma om sprickorna är i initial eller allvarlig nivå. Denna information är viktig för att bestämma rätt tid för slipning och därmed undvika att allvarliga sprickor blir kvar i rälen, som annars skulle kunna äventyra säkerheten.Motiverad av fördelen med att känna till dessa sprickparametrar, användes i denna studie fasvis array-ultraljudsgivare (PAUT) för att inspektera spårytor. Generellt används ultraljudstester för att inspektera skador på räl långt ner under rälytan, såsom vid skenans liv eller botten. Ultraljudstestning används inte för att inspektera sprickor nära ytan eftersom det finns en död zon vid några mm på framsidan av givaren som orsakas av piezoelektrisk kristallringning inuti givaren. I denna studie, genom att använda kil, Phased Array teknik, och ställa in optimal förstärkning vid kalibreringsprocessen förekomsten av den döda zonen kunnat minskas. Således kan då ytsprickorna observeras tydligt från rälytan till den sprickspetsarna.  Mätresultaten har visat att sprickprofilen (utbredningsvinkel, djup och längd), sprickgrenar och sprickor på flera nivåer kan observeras med förhållandevis god noggrannhet.För att verifiera mätresultatet skars de inspekterade rälhuvudena upp i tunna skivor med 0,65 mm tjocklek. Från dessa skivor rekonstruerades 3D-nätverk av sprickorna. Fullständig information om sprickprofiler (vinkel, djup och längd) för alla sprickor under de inspekterade ytorna samlades därmed in och uppmättes med god noggrannhet. Från de rekonstruerade sprickbilderna kan sprickspetsar, flernivåsprickor och sprickgrenar ses. Jämförelser med dessa verkliga data bekräftar att mätresultaten från de utvecklade mätprinciperna kan användas för att observera sprickprofilen väl. För en kort beskrivning av resultaten uppmättes 3,5 mm sprickdjup 6 mm spricklängd med 8 % respektive 4 % mätnoggrannhet. Dock saknar de utvecklade mätprinciperna fortfarande detekteringsförmåga för sprickor som orienterar sig kraftigt från den horisontella linjen parallellt med ytan, eftersom ultraljudsvågorna inte kunde reflekteras tillbaka.I slutet av denna studie presenteras en bedömning av möjligheten att genomföra mätningar vid hög tåghastighet för de utvecklade mätprinciperna om de i framtiden utvecklas så att de kan appliceras på mättåg.  Bedömningen tillhandahålls för att motivera tillämpningen av forskningsresultaten vid utveckling av ett system som kan monteras på mättåg för kontinuerlig mätning på verkliga spår. 

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Samhällsbyggnadsteknik -- Infrastrukturteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Civil Engineering -- Infrastructure Engineering (hsv//eng)

Nyckelord

rail inspection

phased array

ultrasonic testing

eddy current testing

surface cracks

non-destructive testing

NDT

railway

condition monitoring

Drift och underhållsteknik

Operation and Maintenance

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)