紀曉明

（中國鐵路沈陽局集團有限公司 通遼機務(wù)段，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

1 探傷現(xiàn)狀

HXN3型機車高低溫冷卻風(fēng)機、電阻制動風(fēng)機是機車重要的熱交換設(shè)備之一，中國鐵路總公司《HXN3型內(nèi)燃機車檢修技術(shù)規(guī)程（試行）》（鐵總運〔2016〕245號）規(guī)定，機車C5修時對風(fēng)機鋁合金葉片進行“X光”或滲透檢測。因“X光”具有放射危害性，段修時檢測項目單一，故該方法不適用于現(xiàn)場[1-3]。目前，段修時葉片不分解且沒有專用整體翻轉(zhuǎn)設(shè)備，為防止葉片撓度形變，僅對葉片向上的非受力凸面進行滲透檢測；而葉片根部及凹面的裂紋多發(fā)區(qū)域向下，無法進行滲透操作，由此產(chǎn)生關(guān)鍵部位檢測工藝缺項的漏檢隱患。葉片滲透檢測前，需化學(xué)去除表面積碳、油污，極易造成人為的“腐蝕”傷損和環(huán)境污染。嘗試采用渦流方法對風(fēng)機葉片進行全面檢測，消除隱患。

2 風(fēng)機葉片概況及裂損分析

HXN3型機車電阻制動風(fēng)機有8長4短共12個葉片、高低溫冷卻風(fēng)機有11個葉片，弧度與厚度均不一致，風(fēng)機轉(zhuǎn)速分別為3 900 r/min 和2 000 r/min；合金鑄鋁型材的葉片用螺栓緊固在轉(zhuǎn)軸基體上，葉片材質(zhì)牌號為A357，熱處理工藝采用T6方法，表面噴砂處理后略顯粗糙。

風(fēng)機葉片產(chǎn)生缺陷的原因有多方面，在生產(chǎn)過程中會出現(xiàn)空隙、分層和夾雜等典型缺陷；在運行過程中會出現(xiàn)裂紋、斷裂和機體老化等缺陷。

風(fēng)機在高速運行時，在蠕變-疲勞的交互作用下，葉片材料的組織、性能會發(fā)生相應(yīng)的變化，葉片表面及內(nèi)部原始冶金缺陷周圍會產(chǎn)生微裂紋并擴展導(dǎo)致斷裂事故，及早探傷檢測可發(fā)現(xiàn)缺陷并排除隱患。

3 渦流檢測原理及依據(jù)

3.1 檢測原理

渦流檢測是以電磁感應(yīng)理論為基礎(chǔ)的一種常用的探傷方法，當檢測線圈在葉片上運動，由于交變磁場的作用，會使試件中產(chǎn)生同頻率的反作用磁場，即改變線圈的阻抗性質(zhì)[4]。當材料的電阻率、磁導(dǎo)率、幾何形狀發(fā)生變化，葉片中有無缺陷均能通過檢測線圈的阻抗產(chǎn)生的變化量來判斷（見圖1）。

3.2 渦流檢測風(fēng)機葉片的技術(shù)特點

（1）渦流檢測的趨膚深度一般位于表面下0～5 mm，檢測靈敏度高，可檢出最小長5.0 mm、深0.5 mm的內(nèi)表面?zhèn)?。對于鋁合金類的風(fēng)機葉片表面或近表面缺陷，有較高的檢測靈敏度。

（2）用于風(fēng)機葉片檢測時，檢測速度快，易于實現(xiàn)手工操作；對各類異型葉片和葉片不同部位均有很好的適應(yīng)性，如風(fēng)機葉片根部、葉片凹面及螺栓安裝座的檢測。

圖1 電阻抗測量原理示意圖

圖2 鋁試塊

（3）檢測風(fēng)機葉片時，根據(jù)渦流的趨膚效應(yīng)及相位滯后效應(yīng)，檢測人員依據(jù)缺陷信號的相位、幅度大小，可明確區(qū)分缺陷的性質(zhì)及缺陷類型，如是否屬于貫穿性疲勞缺陷、缺陷是位于表面還是近表面、缺陷大小等。

4 渦流檢測試驗

為進一步完善葉片的探傷檢測工藝，使用愛德森（廈門）電子有限公司多頻渦流檢測儀及相關(guān)探頭對葉片自然裂紋進行檢測試驗，目的是驗證渦流檢測風(fēng)機葉片的可行性。

4.1 試驗條件

檢測儀器：EMT-2006C掌上型多頻渦流檢測儀。檢測探頭：筆式探頭（差動式）、彎角斧式探頭、低頻探頭、邊緣探頭。

檢測試塊：刻有深度為0.2 mm、1.0 mm人工缺陷的鋁試塊（見圖2）。

試件：風(fēng)機葉片（葉片表面、邊緣、根部、內(nèi)部），材質(zhì)為合金鑄鋁（見圖3）。

各檢測參數(shù)設(shè)置見表1。

4.2 葉片邊緣檢測

圖3 風(fēng)機葉片

表1 檢測參數(shù)設(shè)置

檢測探頭采用邊緣探頭， 驅(qū)動電壓為5 V，檢測頻率為553×103Hz，高通濾波為1 Hz，前置20 dB，增益38.0 dB。對人工缺陷深度為0.2 mm的鋁試塊進行檢測，檢測波形見圖4。

檢測結(jié)果表明：渦流檢測方法對疲勞裂紋具有很好的檢出能力和探傷能力，且波形清晰，方便分辨。該探頭為邊緣探頭，可以克服渦流檢測中的邊緣效應(yīng)，減少誤報警現(xiàn)象，檢出率比較可靠。但受試件表面粗糙度影響較大，且需根據(jù)葉片的厚度不同設(shè)計不同的探頭。通常葉片表面裂紋是由葉片邊緣裂紋發(fā)展而成，所以建議重點檢測葉片邊緣。

4.3 葉片表面檢測

檢測探頭采用筆式探頭， 驅(qū)動電壓為3 V，檢測頻率為260×103Hz，高通濾波為1 Hz，前置15 dB，增益35.0 dB。對人工缺陷深度為0.2 mm的鋁試塊進行檢測，檢測波形見圖5。

檢測結(jié)果表明：相對于普通絕對式探頭，采用筆式探頭檢測靈敏度更高，缺陷波形比較容易分辨，但該探頭由于受檢測面積限制和具有方向性的特點容易發(fā)生漏檢。綜上考慮，如果所需檢測靈敏度不是很高，可以考慮普通絕對式探頭。

4.4 葉片狹窄區(qū)域檢測

圖4 葉片邊緣檢測波形

檢測探頭采用彎角斧式探頭，驅(qū)動電壓為3 V，檢測頻率為553×103Hz，高通濾波為1 Hz，前置20 dB，增益38.0 dB。對人工缺陷深度為0.2 mm的鋁試塊進行檢測，檢測波形見圖6。

檢測結(jié)果表明：根據(jù)檢測試件前端的形狀，彎角斧式探頭比較適用于試件的狹窄區(qū)域，一般為可作為其他探頭的補充檢測，不適用于大面積檢測。

4.5 葉片內(nèi)部檢測

檢測探頭采用低頻探頭，驅(qū)動電壓為8 V，檢測頻率為256 Hz，高通濾波為1 Hz，前置35 dB，增益33.5 dB。對人工缺陷埋藏深度為2.0 mm的鋁試塊進行檢測，檢測波形見圖7。

圖6 葉片狹窄區(qū)域檢測波形

圖5 葉片表面檢測波形

圖7 葉片內(nèi)部檢測波形

檢測結(jié)果表明：一般渦流探頭檢測試件表面以及近表面的開口裂紋，低頻探頭可以檢測鋁合金的埋藏缺陷（一般也有相應(yīng)的檢測范圍），本次試驗檢測到相應(yīng)波形，但缺陷的具體性質(zhì)還需進一步分析。

4.6 缺陷測深

由于渦流檢測是一個相對量的檢測方法，無法直接檢測出缺陷的實際大小，但可以采用比較法來判斷缺陷實際大小。若采用比較法，就必須保存已知缺陷波形的幅度及所對應(yīng)的實際缺陷大小，需要做缺陷幅度的標定曲線。一般采用筆式探頭，檢測標準試塊深度為0.2、0.5、1.0 mm的人工缺陷，通過標定試塊缺陷大小來測量其他缺陷，用數(shù)字顯示缺陷的實際深度。

試驗發(fā)現(xiàn)，2.0 mm深的斜向自然裂紋與徑向人工缺陷在阻抗平面圖中顯示的缺陷波形特點略有不同，需要進一步探索檢測參數(shù)設(shè)置、探頭匹配以及缺陷定性、定量分析的對應(yīng)關(guān)系。

本次試驗中，多頻渦流對葉片檢測的判廢標準為深0.5 mm、長5.0 mm的缺陷，以鋁合金試塊深0.5 mm的橫向人工刻槽作為報警參照，對葉片表面、根部、邊緣部位進行檢測。如果在檢測過程中出現(xiàn)超過報警區(qū)域的信號、長度判定為5.0 mm以上的缺陷，均按判廢處理。

5 典型裂紋

通過外觀檢查，可發(fā)現(xiàn)電阻制動風(fēng)機12個葉片均有流線形連續(xù)狀缺陷痕跡，且與葉片約15°角平行走向，呈密集狀均勻分布，直達葉片邊緣，最長為56 mm（見圖8、圖9）。葉片根部未見與運行方向一致的橫向裂紋，螺栓安裝座、葉片背部完好。在進行滲透探傷檢測后，出現(xiàn)的微裂紋顯示更加清晰、邊緣整齊光滑，表面擦拭干凈后滲進內(nèi)部的滲液無法去除，局部打磨可見未消除的痕跡，且打磨部位也無法處理干凈。微裂紋在葉片端部斜向顯示，與水平面夾角約35°、深度達2.0 mm（見圖10）。在風(fēng)機葉片上偶見單個短線狀缺陷，極少有這樣密集型的缺陷，該情況在航空發(fā)動機也極其罕見。具體成因和失效性質(zhì)有待進一步對缺陷的樣品進行能譜分析和材料金相分析來判定。

通過對風(fēng)機葉片試件的檢測數(shù)據(jù)進行分析，可以得出：（1）多頻渦流檢測儀配合幾種專用探頭可以實現(xiàn)對風(fēng)機葉片檢測的全覆蓋，特別是葉片根部圓弧部位；（2）對葉片表面和近表面裂紋、夾雜和氣孔等類型缺陷具有較高的檢測靈敏度，能夠發(fā)現(xiàn)表面長2.5 mm的缺陷；（3）對葉片表面噴砂形成的粗糙面，可通過2個不同檢測頻率的混頻技術(shù)濾除雜波干擾。

圖8 缺陷密集分布

圖9 葉片邊緣缺陷

圖10 葉片端部缺陷深度

6 結(jié)論

（1）多頻渦流檢測適用于各型機車風(fēng)機鋁合金葉片，具有便于現(xiàn)場操作、對試件表面要求不高、不需耦合劑、對環(huán)境無污染等優(yōu)點；但其缺點是缺陷顯示不直觀，難于定性和定量分析缺陷，并且只適用于表面以及近表面缺陷。

（2）針對葉片材質(zhì)的差異，需要制作同材質(zhì)的實物試塊，建議重點在葉片根部、表面、邊緣以及螺孔相應(yīng)部位分別設(shè)置深度為0.5、1.0、2.0 mm的人工缺陷，以滿足靈敏度校準需要。

（3）為適應(yīng)葉片弧度的差異和提高渦流技術(shù)的檢出率，需要有針對性地制作專用檢測探頭，制定相應(yīng)的檢測工藝和規(guī)范。

通過實踐確定，多頻渦流檢測方法完全滿足HXN3型機車C5修風(fēng)機葉片檢測的需要，可彌補現(xiàn)有探傷技術(shù)的不足。