淺談鑄鐵烘缸的超聲波測(cè)厚

陳帥++鄧傳奇++伍廣++周傳健

【摘 要】本文介紹了超聲波測(cè)厚的原理及其特有優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明了超聲波測(cè)厚的材料選取及準(zhǔn)備事項(xiàng)，將各種材料進(jìn)行了比較。通過(guò)此方法，可測(cè)得對(duì)鑄鐵烘缸較精確的厚度。最后總結(jié)了超聲波測(cè)厚技術(shù)的發(fā)展方向。

【關(guān)鍵詞】超聲波；測(cè)厚；鑄鐵烘缸

Introduction to ultrasonic thickness of cast iron cylinder

CHEN Shuai1 DENG Chuan-qi1 WU Guang1 ZHOU Chuan-jian2

（1.School of Mechanical Engineering， Anhui University Of Science And Technology， Huainan Anhui 232001， China；

2.Bengbu special equipment supervision and inspection center， Bengbu Anhui 233000， China）

【Abstract】This paper introduces the principle of ultrasonic thickness and its unique advantages，analyzes the ultrasonic thickness of material selection and preparation matters，and the different materials were compared. Through this method， precise thickness can be measured on cast iron cylinder.Finally ，it summarizes the development direction of ultrasonic thickness measurement technology.

【Key words】Ultrasonic； Thickness； Cast iron cylinder

鑄鐵烘缸是烘缸中最為常見(jiàn)的，因其鑄鐵耐磨性、耐腐蝕性、耐急冷急熱性、低缺口敏感性和制造工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，被廣泛應(yīng)用于造紙行業(yè)的烘干和定型；而且也因其工作壓力低，工作介質(zhì)為普通的蒸汽介質(zhì)，往往難以得到社會(huì)各方應(yīng)有的重視。因此鑄鐵烘缸在特種設(shè)備事故統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果排名中榜上有名，且位居“易發(fā)事故特種設(shè)備”前三甲。我們?cè)趯?duì)鑄鐵烘缸進(jìn)行測(cè)厚中發(fā)現(xiàn)，由于其材質(zhì)對(duì)超聲波衰減非常大，且每個(gè)鑄鐵烘缸單獨(dú)鑄造，其衰減差別各異，較其他壓力容器其測(cè)厚不能采用普通測(cè)厚的方法。

1 超聲波測(cè)厚的原理及特點(diǎn)

超聲波具有很強(qiáng)的方向性，在介質(zhì)傳播的過(guò)程中會(huì)發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。在進(jìn)行厚度測(cè)量時(shí)，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過(guò)被測(cè)物體到達(dá)材料分界面時(shí)，脈沖被反射回探頭，通過(guò)精確測(cè)量超聲波在材料中傳播的時(shí)間來(lái)確定被測(cè)材料的厚度。測(cè)量超聲波脈沖在材料中的往還時(shí)間t，即d=c*t/2，當(dāng)聲速c已知時(shí)，就可求得材料厚度d。

超聲波測(cè)厚在工業(yè)領(lǐng)域中時(shí)一門(mén)成熟的高新技術(shù)，它的最大優(yōu)點(diǎn)在于無(wú)損檢測(cè)、安全、可靠及精度高，而且它可以巡回、在線運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。

2 測(cè)厚前的準(zhǔn)備

2.1 測(cè)厚所需材料的選擇

2.1.1 鑄鐵材料的聲速選擇

固體材料組織均勻性對(duì)聲速的影響在鑄鐵中表現(xiàn)較為突出。鑄鐵表面與中心，由于冷卻速度不同而具有不同的組織，表面冷卻快，晶粒細(xì)，聲速大；中心冷卻慢，晶粒粗，聲速小。此外，鑄鐵中石墨含量和尺寸對(duì)聲速也有影響，石墨含量和尺寸增加，聲速減小。一般鑄鐵的聲速在3500～5600m/s范圍內(nèi)，我們一般取4600m/s。

2.1.2 儀器及探頭的選擇

在這里我們儀器主要選擇南通友聯(lián)（PXUT-350+型號(hào)）超聲波探傷儀進(jìn)行介紹。探頭方面的選擇，由于液態(tài)金屬注入鑄模后，與模壁首先接觸的液態(tài)金屬因溫度下降更快且模壁有大量固態(tài)微粒形成晶核，因此很快凝固成為較細(xì)晶粒。隨著與模壁距離的增加，模壁影響逐漸減弱，晶粒體的主軸沿散熱的平均方向而生長(zhǎng)，即沿與模壁相垂直的方向生長(zhǎng)成彼此平行的柱狀晶體。在鑄件的中心，散熱已無(wú)顯著的方向性，冷卻凝固緩慢，晶體自由地向各個(gè)方向生長(zhǎng)，形成等軸晶區(qū)。所以說(shuō)鑄件的組織是不均勻的，晶粒比較粗大。由于晶粒比較粗大，衰減嚴(yán)重，宜選用較低的頻率探頭，一般為0.5～2.5MHz，縱波直探頭的直徑一般為Φ10mm～Φ30mm。

2.1.3 耦合劑的選擇

超聲耦合是指超聲波在檢測(cè)面上的聲強(qiáng)透射率。聲強(qiáng)透射率高，超聲耦合好。為了改善探頭與工件間的聲能的傳遞，而加在探頭和檢測(cè)面之間的液體薄層稱(chēng)為耦合劑。

當(dāng)探頭和工件之間有一層空氣時(shí)，超聲波的反射率幾乎為100%，即使很薄的一層空氣也可以阻止超聲波傳入工件。因此，排除探頭和工件之間的空氣非常重要。耦合劑可以填充探頭與工件間的空氣間隙，使超聲波能夠傳入工件，這是使用耦合劑的主要目的。除此之外，耦合劑有潤(rùn)滑作用，可以減小探頭和工件之間的摩擦，防止工件表面磨損探頭，并使探頭便于移動(dòng)。

由于鑄鐵表面粗糙，耦合條件差。我們?cè)趯?duì)鑄鐵進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，常用黏度較大的耦合劑，如漿糊、黃油、甘油。在實(shí)際使用中一定要保持耦合劑的清潔，不能使其有污漬，不然會(huì)使探頭與檢測(cè)面接觸不良，從而影響檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，也會(huì)對(duì)探頭有所磨損。

漿糊的耦合效果比較好，也是一種常用的耦合劑。黃油的附著力和黏度都較適當(dāng)，也無(wú)腐蝕性，價(jià)格又不貴，因此是常用的耦合劑。甘油的優(yōu)點(diǎn)是聲阻大，耦合效果好，缺點(diǎn)是要用水稀釋?zhuān)菀资构ぜ纬筛g坑，價(jià)格較貴。

2.2 測(cè)量準(zhǔn)備

鑄鐵表面粗糙，耦合條件差，檢測(cè)前應(yīng)對(duì)其表面進(jìn)行打磨處理，要求粗糙度Ra不大于12.5μm。打磨時(shí)，我們一定要打磨平整，如不平整的話，會(huì)造成探頭與檢測(cè)面不能完全接觸，從而影響檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2.3 儀器校準(zhǔn)

由于鑄鐵材質(zhì)對(duì)超聲波衰減非常大，且每個(gè)烘缸單獨(dú)鑄造，其衰減差別各異，所以我們?cè)趦x器校準(zhǔn)用的試塊上就不能做到面面俱到。在此我建議大家在對(duì)每臺(tái)鑄鐵烘缸進(jìn)行測(cè)厚時(shí)，儀器的校準(zhǔn)最好在你所測(cè)的每臺(tái)鑄鐵烘缸上都進(jìn)行一次儀器的校準(zhǔn)。

3 檢測(cè)步驟

測(cè)量工具的準(zhǔn)備。儀器選擇：南通友聯(lián)（PXUT-350+型號(hào)）超聲波探傷儀；探頭選擇：由于晶粒比較粗大，衰減嚴(yán)重，宜選用較低的頻率探頭，一般為0.5～2.5MHz，縱波直探頭的直徑一般為Φ10mm～Φ30mm；游標(biāo)卡尺（備用）；耦合劑：化學(xué)漿糊。

儀器的設(shè)置。當(dāng)儀器開(kāi)機(jī)后，我們?cè)趦x器的設(shè)置中輸入：探頭類(lèi)型、探頭頻率、鑄鐵聲速（一般取4600m/s）等一些與所測(cè)量設(shè)備相關(guān)的數(shù)據(jù)等。

儀器的校準(zhǔn)。如果我們所測(cè)烘缸厚度為已知時(shí)，我們?cè)诔暡ㄌ絺麅x測(cè)零點(diǎn)一次聲程中輸入一倍厚度，在二次聲程中輸入二倍的厚度進(jìn)行儀器的校準(zhǔn)。如果我們所測(cè)烘缸厚度不明時(shí)，我們可以在烘缸的邊緣處進(jìn)行儀器的校準(zhǔn)，利用游標(biāo)卡尺量出烘缸邊緣處的厚度，再像前面所講的那樣，在測(cè)零點(diǎn)一次聲程中輸入一倍厚度，在二次聲程中輸入二倍的厚度進(jìn)行儀器的校準(zhǔn)。由于鑄鐵材質(zhì)對(duì)超聲波衰減非常大，且每個(gè)烘缸單獨(dú)鑄造，其衰減差別各異，所以我們?cè)趦x器校準(zhǔn)用的試塊上就不能做到面面俱到。在此我建議大家在對(duì)每臺(tái)鑄鐵烘缸進(jìn)行測(cè)厚時(shí)，儀器的校準(zhǔn)最好在你所測(cè)的每臺(tái)鑄鐵烘缸上都進(jìn)行一次儀器校準(zhǔn)。在對(duì)每臺(tái)烘缸進(jìn)行校準(zhǔn)后，我們可以發(fā)現(xiàn)，我們之前所在儀器設(shè)置中的鑄鐵聲速也隨之改變，而且每臺(tái)烘缸鑄鐵聲速都不一樣。也就是說(shuō)通過(guò)對(duì)每臺(tái)烘缸的校準(zhǔn)，我們可以得到每臺(tái)烘缸材質(zhì)的相應(yīng)聲速。

根據(jù)前面一系列的準(zhǔn)備和調(diào)試，我們就可以開(kāi)始對(duì)烘缸進(jìn)行測(cè)量。

4 結(jié)論

相對(duì)于國(guó)外的超聲波測(cè)厚技術(shù)，我國(guó)起步較晚一些，但隨著工業(yè)需求的增加，測(cè)厚技術(shù)得到了快速發(fā)展。近年來(lái)國(guó)內(nèi)問(wèn)世了很多超聲波測(cè)厚系統(tǒng)的產(chǎn)品，在精度和功能上已經(jīng)逐步與國(guó)外公司產(chǎn)品相接軌。

未來(lái)超聲波測(cè)厚技術(shù)將向超小型化、高精度、低功耗、多功能方向發(fā)展，同時(shí)兼具厚度分析功能，可以通過(guò)對(duì)歷史數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)，來(lái)分析工件的腐蝕及缺陷情況。

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[責(zé)任編輯：湯靜]