黨林貴，薛永盛，張海營(yíng)，暴永銘

（1.河南省鍋爐壓力容器安全檢測(cè)研究院，鄭州 450016；2.北京銘誠(chéng)泰達(dá)科技有限公司，北京 101125）

造紙烘缸作為典型鑄鐵壓力容器，在造紙企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備上廣泛應(yīng)用，隨著近年來(lái)烘缸向?qū)挿笾睆椒较虬l(fā)展，烘缸材質(zhì)也由單一灰鑄鐵逐步向球墨鑄鐵和灰鑄鐵共用情況變化，軸頭材質(zhì)采用球墨鑄鐵更為普遍。QB／T 2556—2008標(biāo)準(zhǔn)《造紙機(jī)械用鑄鐵烘缸設(shè)計(jì)規(guī)定》與QB／T 2556—2002標(biāo)準(zhǔn)相比在材質(zhì)方面的重大變化就是增加了球墨鑄鐵材料。新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定灰鑄鐵設(shè)計(jì)壓力不大于0.8MPa，球墨鑄鐵設(shè)計(jì)壓力不大于1.1MPa，球墨鑄鐵烘缸外徑可由3800mm擴(kuò)大至4600mm。

對(duì)烘缸軸頭的傳統(tǒng)檢查方法包括爐前成分檢驗(yàn)、金相檢查、機(jī)械性能測(cè)試等。因?yàn)榉治龊蜋z測(cè)是用取樣試塊而不是用實(shí)體鑄件，所以不能保證鑄件在所有截面內(nèi)具有給定的組織和性能。此外，這些方法是破壞性檢測(cè)方法，花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，勞動(dòng)量大，檢測(cè)效率低，檢測(cè)的覆蓋率和速度很難滿足生產(chǎn)要求。

鑄鐵具有晶粒粗大、含碳量高、硬度高、韌性差等特點(diǎn)，鑄鐵組織和鑄造缺陷是影響其性能的重要因素，也是衡量鑄鐵壓力容器安全和可靠的基本指標(biāo)。目前鑄鐵壓力容器的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)還缺少成熟的方法和完善的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，因此QB／T 2556—2008與QB／T 2551—2008標(biāo)準(zhǔn)《造紙機(jī)械用鑄鐵烘缸技術(shù)條件》都沒有提出對(duì)球墨鑄鐵鑄件的無(wú)損檢測(cè)要求。文章主要針對(duì)造紙烘缸球墨鑄鐵軸頭進(jìn)行超聲波檢測(cè)，并圍繞工件球墨鑄鐵組織和內(nèi)部缺陷，對(duì)其性能作出綜合性的檢測(cè)評(píng)價(jià)［1－3］。

1 檢測(cè)對(duì)象

2011年初，某造紙機(jī)械有限公司委托筆者所在單位對(duì)該廠烘缸軸頭進(jìn)行超聲波檢測(cè)（因設(shè)備為出口產(chǎn)品，外商提出進(jìn)行超聲波檢測(cè)要求），重點(diǎn)對(duì)軸的兩個(gè)R面部位進(jìn)行檢測(cè)，從多起烘缸破壞事故看，此區(qū)域易發(fā)生裂紋和泄漏。

圖1 烘缸軸頭及缸體

圖2 QT450軸

烘缸主體如圖1所示，規(guī)格為φ1830mm×7350mm，轉(zhuǎn)速1100m／min，工作壓力0.7MPa。軸頭材質(zhì)為QT450，內(nèi)徑為110mm，R面兩側(cè)最小厚度為 80／103mm，118／210mm。內(nèi)徑適合伸手進(jìn)去，兩R面均在可探測(cè)范圍之內(nèi)，可以從內(nèi)部檢測(cè)。該軸實(shí)物如圖2所示。

2 檢測(cè)設(shè)備及器材

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備有DAKOTA VX超聲波聲速測(cè)定儀（球化率儀）、DSM－3金相顯微鏡、HS610e數(shù)字式探傷儀、PXUT－360測(cè)厚儀、游標(biāo)卡尺及卡鉗。定做了軟膜縱波探頭2P10N和DA2P7×18F30，如圖3所示。其它器材還包括與該軸同材質(zhì)的對(duì)比試塊（如圖4所示），不同K值斜探頭等。采用機(jī)油作耦合劑。

圖3 單晶、雙晶縱波探頭

圖4 對(duì)比試塊（φ3mm×20mm，φ5mm×20mm）

3 檢測(cè)工藝

3.1 球化率（聲速）測(cè)定

球化率是球墨鑄鐵鑄件的重要質(zhì)量指標(biāo)，在球墨鑄鐵中，石墨球化的程度稱為球化率。球墨鑄鐵球化率在一定范圍與聲速有對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此可通過(guò)測(cè)定球墨鑄鐵鑄件聲速來(lái)判定球化率狀況。

球化率（聲速）測(cè)定既可以預(yù)測(cè)球墨鑄鐵鑄件的組織和性能，也是采用超聲波檢測(cè)鑄件的前提條件。球化率的大小直接影響鑄鐵超聲檢測(cè)的結(jié)果，當(dāng)球化率低于80%（廠方要求球化率不得低于80%），進(jìn)一步的超聲波檢測(cè)已無(wú)意義?，F(xiàn)場(chǎng)筆者使用DAKOTA VX球化率儀對(duì)其進(jìn)行聲速及球化率的測(cè)定。

按廠家要求鑄鐵熱處理后的合格聲速下限為5480m／s，每個(gè)工件至少在三個(gè)不同的部位進(jìn)行球化率的檢測(cè)。球化率由80%變到95%時(shí)，聲速可由5480m／s變到5720m／s。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)14個(gè)軸進(jìn)行測(cè)定，聲速范圍在5562～5736m／s，對(duì)應(yīng)球化率在86%～97%之間，均符合質(zhì)量要求。在4號(hào)和5號(hào)軸上隨機(jī)取點(diǎn)直接拋光后進(jìn)行金相分析，所得結(jié)果與球化率儀測(cè)定的球化率值基本一致，如圖5所示。

3.2 厚度測(cè)定

超聲檢測(cè)前必須采用測(cè)厚儀配合游標(biāo)卡尺及卡鉗對(duì)所檢測(cè)部位進(jìn)行厚度標(biāo)定（聲速應(yīng)以球化率儀為準(zhǔn)）?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中，靠近軸冒口位置壁厚值采用超聲波檢測(cè)結(jié)果與卡尺卡鉗的測(cè)試結(jié)果相差較大，說(shuō)明軸類球墨鑄鐵靠近冒口位置的組織不均勻。

3.3 檢測(cè)方法

探傷前必須詳細(xì)了解鑄造工藝，確定冒口的位置，熟悉鑄鐵的結(jié)構(gòu)，了解可能存在缺陷的多發(fā)區(qū)，明確鑄件的澆鑄方位，分清鑄造上下面以及各部位探傷要求。以單晶縱波直探頭脈沖反射法為主，用縱波雙晶小角度探頭檢測(cè)R過(guò)渡區(qū)氣孔、縮孔及夾雜等缺陷，在近表面區(qū)域選擇雙晶縱波直探頭，有懷疑時(shí)采取斜探頭進(jìn)行輔助檢測(cè)（45°折射角）。

對(duì)曲率大的部位，采用小尺寸探頭掃查，以保證不漏檢。條件合適時(shí)，采用內(nèi)外表面探測(cè)。如圖6所示是直探頭內(nèi)部檢測(cè)布置圖。

3.4 靈敏度調(diào)整

在鑄件本體上找一處被檢部位，該位置必須是被檢部位的最大厚度，調(diào)整底波到滿刻度的60%處，再增加ΔdB值，ΔdB值按下式計(jì)算：

圖6 內(nèi)部檢測(cè)

式中d為空心圓柱體內(nèi)徑，mm；D為空心圓柱體外徑，mm。檢測(cè)靈敏度的設(shè)定必須考慮表面狀況和鑄件檢測(cè)部位實(shí)際聲速。

4 檢測(cè)情況

對(duì)該廠14個(gè)軸進(jìn)行超聲波檢測(cè)后，R面位置未發(fā)現(xiàn)缺陷波，在軸的冒口段發(fā)現(xiàn)部分缺陷。3號(hào)軸缺陷距外表面深度在10～40mm，缺陷最大指示長(zhǎng)度為125mm，缺陷指示面積為5750mm2；12號(hào)軸缺陷距外表面深度在21～30mm，缺陷最大指示長(zhǎng)度為35mm，缺陷指示面積為700mm2（圖7）。

5 缺陷類型分析

根據(jù)超聲檢測(cè)缺陷圖分析，初步定性該缺陷屬于縮孔和縮松，縮孔時(shí)底波的降低明顯，缺陷波高而直，有時(shí)還有二次波出現(xiàn)，圖8所示為軸承球墨鑄鐵件縮松和縮孔波形圖。

圖7 缺陷波形及實(shí)際外觀

圖8 球墨鑄鐵縮孔和疏松波形圖

縮孔和縮松在球墨鑄鐵件中普遍存在。能夠明顯看出的尺寸較大又集中的空洞叫縮孔，不易看清且細(xì)小分散的空洞叫縮松，有的縮松體積很小，呈多角形，連續(xù)有一定面積，此稱顯微縮松?？s孔一般發(fā)生在厚大斷面最后凝固的地方，大多在鑄件熱節(jié)的上部。

此外鑄件中常見缺陷為夾雜和氣孔，夾雜一般為非金屬物，界面反射低，其中有部分波透過(guò)界面，表面形成多次反射，所以?shī)A雜的波形寬，還帶有鋸齒，氣孔界面光滑，界面反射高，故波形陡直尖銳 鑄件偏析嚴(yán)重，會(huì)造成聲能漫散射，使聲能衰減較大，底波會(huì)在熒光屏上消失，出現(xiàn)無(wú)底波區(qū)。

氣孔屬于體積狀缺陷，在球墨鑄鐵中形成的氣孔是氮?dú)饪缀推は職饪?。根?jù)氣孔出現(xiàn)在鑄件的部位不同，可分為皮下氣孔和內(nèi)部氣孔兩類。皮下氣孔往往位于鑄件表面0.5～5mm范圍內(nèi)，多為孔徑0.5～2mm的針孔，其內(nèi)壁光滑，一般均勻分布在鑄件上表面或遠(yuǎn)離內(nèi)澆口的部位。氣孔的聲阻抗與鑄件的聲阻抗差異很大，近似于聲波在缺陷表面是全反射。內(nèi)部氣孔有單個(gè)氣孔和氣孔群兩種，單個(gè)氣孔反射特征是一個(gè)比較尖銳，較高的反射波，當(dāng)探頭移動(dòng)時(shí)此波很快消失。氣孔群反射波特征是在一次底波前有一較高缺陷波，它的前后又有多個(gè)小缺陷反射波出現(xiàn)，這種情況下有時(shí)底波存在，但有時(shí)底波降低。此時(shí)因出現(xiàn)深度范圍不同而不同，與聲程、聲束截面積和缺陷大小有關(guān)，缺陷大于聲束截面則無(wú)底波，只有氣孔群的反射波。

鑄件中裂紋一般產(chǎn)生在鑄件應(yīng)力集中或幾何尺寸變化較大的部位，同時(shí)裂紋屬平面型缺陷，在不同的方向探測(cè)，反射波高度明顯不同。在平行缺陷方向探測(cè)，反射波很低，所以利用超聲波檢測(cè)時(shí)應(yīng)選擇垂直于裂紋的方向，反射波較高，波形尖銳，波幅寬。

6 評(píng)價(jià)

綜合考慮鑄造壓力容器的特點(diǎn)、球墨鑄鐵的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)以及用戶提出的要求，可按下述條件對(duì)造紙烘缸球墨鑄鐵軸頭性能作出綜合性的檢測(cè)評(píng)價(jià)：

（1）造紙烘缸球墨鑄鐵軸頭應(yīng)按照球化率＞80%或聲速＞5480m／s驗(yàn)收。

（2）不允許有裂紋缺陷存在。

（3）應(yīng)對(duì)縮孔、縮松、氣孔、夾渣等缺陷進(jìn)行尺寸確定，并做好詳細(xì)的記錄，缺陷按雙方協(xié)商的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)定，不允許有影響使用的缺陷存在。

7 小結(jié)

（1）用超聲聲速法測(cè)定球墨鑄鐵的球化級(jí)別是一種可靠的無(wú)損檢測(cè)方法，它可準(zhǔn)確、迅速地確定鑄件質(zhì)量。試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)證實(shí)，超聲波測(cè)量的聲速數(shù)值可判定鑄鐵的組織和性能，因此可以用超聲波檢測(cè)作為判定球墨鑄鐵質(zhì)量的一種方法。

（2）進(jìn)行超聲波檢測(cè)時(shí)，對(duì)發(fā)現(xiàn)缺陷位置應(yīng)測(cè)試其聲速，以修正被檢部位與對(duì)比試塊之間的靈敏度及聲程差異，同時(shí)采用衰減法測(cè)試缺陷面積。

（3）軸的壁厚測(cè)試在球化率儀的基礎(chǔ)上采用超聲波測(cè)厚儀測(cè)試，否則由于聲速差異將造成測(cè)試結(jié)果誤差偏大，同時(shí)可采用卡尺和卡鉗進(jìn)行輔助測(cè)試。

（4）鑄鐵承壓設(shè)備的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)在國(guó)內(nèi)還沒有成熟的方法和檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，企業(yè)只能靠企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或相關(guān)工藝來(lái)檢測(cè)和驗(yàn)收，因此需要做進(jìn)一步的試驗(yàn)研究。通過(guò)積累與分析實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，來(lái)探討和完善評(píng)價(jià)與驗(yàn)收條件。條件允許時(shí)可采用相控陣對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)，將被檢件內(nèi)部缺陷的位置、大小、形狀及測(cè)量的相關(guān)數(shù)據(jù)在熒光屏上準(zhǔn)確顯示，提升檢測(cè)的準(zhǔn)確性，使超聲波檢測(cè)技術(shù)在鑄鐵壓力容器質(zhì)量檢測(cè)和控制中得到更廣泛的應(yīng)用。

［1］李德根.超聲波檢測(cè)球化率的研究與應(yīng)用［J］.現(xiàn)代鑄鐵，2010（2）：74－78.

［2］彭建中，劉玲霞.大型風(fēng)電球墨鑄鐵件的超聲波檢測(cè)技術(shù)［J］.無(wú)損檢測(cè)，2010，32（7）：539－542.

［3］周長(zhǎng)輝.球墨鑄鐵回轉(zhuǎn)頭座的超聲波檢測(cè)［J］.無(wú)損探傷，2006（2）：6－9.