A study on the application of ultrasonic EMAT technology to defect detection in rails

The integrity of railway rails must be guaranteed to avoid the catastrophic consequences that their failure could induce. Because of the high amount of rails present, they are usually tested by means of an in-movement system such as diagnostic trains equipped with ultrasonic instrumentation, then, teams of operators are sent to perform more accurate inspections where anomalies are reported. One of the potential failure zones of the rail is represented by the foot, where semi elliptical fatigue cracks may nucleate and grow. The peculiar shape of the rail section in conjunction with the necessity to work, during an in-movement test, exclusively from the rail head, causes the usually adopted ultrasonic probes not to carefully inspect this part of the section. Electro-magnetic acoustic transducers (EMAT) are sensors able to generate different type of ultrasonic waves in magnetic materials, with the peculiarity of avoiding contact with the part to be inspected. In this thesis work, the potentialities of EMAT technology for defect detection in the rail foot are studied, with the goal of obtaining a dynamic inspection solution. Specifically, two types of ultrasonic waves are studied: bulk waves and guided waves. Concerning the ultrasonic bulk waves, tests are performed both statically and dynamically on a set of artificial defects of increasing size, supported by the design and realization of a trolley for the sensor movement. Eventually, the instrumentation is mounted on a railway bogie placed on a segment of permanent way having artificial defects to emulate real testing conditions. Similarly, guided waves are firstly utilized in a static configuration, after a numerical investigation about rail natural frequencies, on a segment of intact rail, to study their behaviour. Then, tests are performed statically and dynamically on the same permanent way defects with and without the bogie.

Affinché le conseguenze catastrofiche dovute alla rottura di un binario vengano evitate, la loro integrità va garantita. Considerata la grande quantità di binari presenti, questi vengono solitamente ispezionati con sistemi in movimento quali treni diagnostici equipaggiati per controlli ultrasonori, dopodiché, squadre di operatori sono mandate a controllare in maniera più approfondita laddove siano state segnalate eventuali anomalie. Una delle potenziali zone di rottura del binario è rappresentata dal piede, dove cricche da fatica possono nucleare e crescere fino a rottura. La particolare forma della sezione della rotaia, congiuntamente alla necessità di lavorare esclusivamente dalla testa del binario durante un’ispezione in movimento, provoca frequentemente la non corretta ispezione di tale zona. Gli EMAT (electro-magnetic acoustic transducers) sono sensori in grado di generare differenti tipologie di onde ultrasonore in materiali magnetici, con la particolarità di non richiedere il contatto con la parte ispezionata. In questa tesi, vengono studiate le potenzialità di un sistema EMAT per la rilevazione di difetti nel piede di rotaia, con l’obiettivo di ottenere un sistema di ispezione dinamico. Nello specifico, due tipologie di onde ultrasonore vengono utilizzate: le onde convenzionali e e le onde guidate. Utilizzando le onde convenzionali, sono state realizzate una serie di prove, sia in maniera statica che dinamica, su un gruppo di difetti artificiali di dimensioni via via crescenti, il tutto utilizzando un carrello progettato e realizzato per la movimentazione dei sensori. Il sistema è stato poi montato su di un carrello ferroviario situato su un tratto di armamento con difetti artificiali, in modo da emulare le condizioni reali di un ispezione. In maniera simile, in una prima parte le onde guidate vengono utilizzate in maniera statica, dopo aver condotto analisi numeriche sui modi di vibrare del binario, su un tratto di rotaia integra, per studiarne il comportamento. Dopodiché, una serie di test sia statici che dinamici viene eseguita sul tratto di armamento già citato, con e senza l’utilizzo del carrello ferroviario.