造紙烘缸球墨鑄鐵軸頭超聲波檢測

黨林貴，薛永盛，張海營，暴永銘

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

造紙烘缸作為典型鑄鐵壓力容器，在造紙企業生產設備上廣泛應用，隨著近年來烘缸向寬幅大直徑方向發展，烘缸材質也由單一灰鑄鐵逐步向球墨鑄鐵和灰鑄鐵共用情況變化，軸頭材質采用球墨鑄鐵更為普遍。QB／T 2556—2008標準《造紙機械用鑄鐵烘缸設計規定》與QB／T 2556—2002標準相比在材質方面的重大變化就是增加了球墨鑄鐵材料。新標準規定灰鑄鐵設計壓力不大于0.8MPa，球墨鑄鐵設計壓力不大于1.1MPa，球墨鑄鐵烘缸外徑可由3800mm擴大至4600mm。

對烘缸軸頭的傳統檢查方法包括爐前成分檢驗、金相檢查、機械性能測試等。因為分析和檢測是用取樣試塊而不是用實體鑄件，所以不能保證鑄件在所有截面內具有給定的組織和性能。此外，這些方法是破壞性檢測方法，花費時間長，勞動量大，檢測效率低，檢測的覆蓋率和速度很難滿足生產要求。

鑄鐵具有晶粒粗大、含碳量高、硬度高、韌性差等特點，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。目前鑄鐵壓力容器的無損檢測技術在國內還缺少成熟的方法和完善的檢測標準，因此QB／T 2556—2008與QB／T 2551—2008標準《造紙機械用鑄鐵烘缸技術條件》都沒有提出對球墨鑄鐵鑄件的無損檢測要求。文章主要針對造紙烘缸球墨鑄鐵軸頭進行超聲波檢測，并圍繞工件球墨鑄鐵組織和內部缺陷，對其性能作出綜合性的檢測評價［1－3］。

1 檢測對象

2011年初，某造紙機械有限公司委托筆者所在單位對該廠烘缸軸頭進行超聲波檢測（因設備為出口產品，外商提出進行超聲波檢測要求），重點對軸的兩個R面部位進行檢測，從多起烘缸破壞事故看，此區域易發生裂紋和泄漏。

圖1 烘缸軸頭及缸體

圖2 QT450軸

烘缸主體如圖1所示，規格為φ1830mm×7350mm，轉速1100m／min，工作壓力0.7MPa。軸頭材質為QT450，內徑為110mm，R面兩側最小厚度為 80／103mm，118／210mm。內徑適合伸手進去，兩R面均在可探測范圍之內，可以從內部檢測。該軸實物如圖2所示。

2 檢測設備及器材

現場檢測設備有DAKOTA VX超聲波聲速測定儀（球化率儀）、DSM－3金相顯微鏡、HS610e數字式探傷儀、PXUT－360測厚儀、游標卡尺及卡鉗。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的對比試塊（如圖4所示），不同K值斜探頭等。采用機油作耦合劑。

圖3 單晶、雙晶縱波探頭

圖4 對比試塊（φ3mm×20mm，φ5mm×20mm）

3 檢測工藝

3.1 球化率（聲速）測定

球化率是球墨鑄鐵鑄件的重要質量指標，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應關系，因此可通過測定球墨鑄鐵鑄件聲速來判定球化率狀況。

球化率（聲速）測定既可以預測球墨鑄鐵鑄件的組織和性能，也是采用超聲波檢測鑄件的前提條件。球化率的大小直接影響鑄鐵超聲檢測的結果，當球化率低于80%（廠方要求球化率不得低于80%），進一步的超聲波檢測已無意義。現場筆者使用DAKOTA VX球化率儀對其進行聲速及球化率的測定。

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

對現場14個軸進行測定，聲速范圍在5562～5736m／s，對應球化率在86%～97%之間，均符合質量要求。在4號和5號軸上隨機取點直接拋光后進行金相分析，所得結果與球化率儀測定的球化率值基本一致，如圖5所示。

3.2 厚度測定

超聲檢測前必須采用測厚儀配合游標卡尺及卡鉗對所檢測部位進行厚度標定（聲速應以球化率儀為準）。現場檢測中，靠近軸冒口位置壁厚值采用超聲波檢測結果與卡尺卡鉗的測試結果相差較大，說明軸類球墨鑄鐵靠近冒口位置的組織不均勻。

3.3 檢測方法

探傷前必須詳細了解鑄造工藝，確定冒口的位置，熟悉鑄鐵的結構，了解可能存在缺陷的多發區，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R過渡區氣孔、縮孔及夾雜等缺陷，在近表面區域選擇雙晶縱波直探頭，有懷疑時采取斜探頭進行輔助檢測（45°折射角）。

對曲率大的部位，采用小尺寸探頭掃查，以保證不漏檢。條件合適時，采用內外表面探測。如圖6所示是直探頭內部檢測布置圖。

3.4 靈敏度調整

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，調整底波到滿刻度的60%處，再增加ΔdB值，ΔdB值按下式計算：

圖6 內部檢測

式中d為空心圓柱體內徑，mm；D為空心圓柱體外徑，mm。檢測靈敏度的設定必須考慮表面狀況和鑄件檢測部位實際聲速。

4 檢測情況

對該廠14個軸進行超聲波檢測后，R面位置未發現缺陷波，在軸的冒口段發現部分缺陷。3號軸缺陷距外表面深度在10～40mm，缺陷最大指示長度為125mm，缺陷指示面積為5750mm2；12號軸缺陷距外表面深度在21～30mm，缺陷最大指示長度為35mm，缺陷指示面積為700mm2（圖7）。

5 缺陷類型分析

根據超聲檢測缺陷圖分析，初步定性該缺陷屬于縮孔和縮松，縮孔時底波的降低明顯，缺陷波高而直，有時還有二次波出現，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，不易看清且細小分散的空洞叫縮松，有的縮松體積很小，呈多角形，連續有一定面積，此稱顯微縮松。縮孔一般發生在厚大斷面最后凝固的地方，大多在鑄件熱節的上部。

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，其中有部分波透過界面，表面形成多次反射，所以夾雜的波形寬，還帶有鋸齒，氣孔界面光滑，界面反射高，故波形陡直尖銳 鑄件偏析嚴重，會造成聲能漫散射，使聲能衰減較大，底波會在熒光屏上消失，出現無底波區。

氣孔屬于體積狀缺陷，在球墨鑄鐵中形成的氣孔是氮氣孔和皮下氣孔。根據氣孔出現在鑄件的部位不同，可分為皮下氣孔和內部氣孔兩類。皮下氣孔往往位于鑄件表面0.5～5mm范圍內，多為孔徑0.5～2mm的針孔，其內壁光滑，一般均勻分布在鑄件上表面或遠離內澆口的部位。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。內部氣孔有單個氣孔和氣孔群兩種，單個氣孔反射特征是一個比較尖銳，較高的反射波，當探頭移動時此波很快消失。氣孔群反射波特征是在一次底波前有一較高缺陷波，它的前后又有多個小缺陷反射波出現，這種情況下有時底波存在，但有時底波降低。此時因出現深度范圍不同而不同，與聲程、聲束截面積和缺陷大小有關，缺陷大于聲束截面則無底波，只有氣孔群的反射波。

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

6 評價

綜合考慮鑄造壓力容器的特點、球墨鑄鐵的質量標準以及用戶提出的要求，可按下述條件對造紙烘缸球墨鑄鐵軸頭性能作出綜合性的檢測評價：

（1）造紙烘缸球墨鑄鐵軸頭應按照球化率＞80%或聲速＞5480m／s驗收。

（2）不允許有裂紋缺陷存在。

（3）應對縮孔、縮松、氣孔、夾渣等缺陷進行尺寸確定，并做好詳細的記錄，缺陷按雙方協商的標準進行評定，不允許有影響使用的缺陷存在。

7 小結

（1）用超聲聲速法測定球墨鑄鐵的球化級別是一種可靠的無損檢測方法，它可準確、迅速地確定鑄件質量。試驗所獲得的數據證實，超聲波測量的聲速數值可判定鑄鐵的組織和性能，因此可以用超聲波檢測作為判定球墨鑄鐵質量的一種方法。

（2）進行超聲波檢測時，對發現缺陷位置應測試其聲速，以修正被檢部位與對比試塊之間的靈敏度及聲程差異，同時采用衰減法測試缺陷面積。

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

（4）鑄鐵承壓設備的無損檢測技術在國內還沒有成熟的方法和檢測標準，企業只能靠企業標準或相關工藝來檢測和驗收，因此需要做進一步的試驗研究。通過積累與分析實測數據，來探討和完善評價與驗收條件。條件允許時可采用相控陣對其進行檢測，將被檢件內部缺陷的位置、大小、形狀及測量的相關數據在熒光屏上準確顯示，提升檢測的準確性，使超聲波檢測技術在鑄鐵壓力容器質量檢測和控制中得到更廣泛的應用。

［1］李德根.超聲波檢測球化率的研究與應用［J］.現代鑄鐵，2010（2）：74－78.

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

［3］周長輝.球墨鑄鐵回轉頭座的超聲波檢測［J］.無損探傷，2006（2）：6－9.