淺析超聲檢測在煤礦大型設備軸類工件檢測中的適用性

耿 虎，唐新偉，曹 陽，成高飛

(1．陜西煤礦安全裝備檢測中心有限公司，陜西西安 710001;2．陜西安技煤礦安全裝備檢測有限公司，陜西榆林 719000)

0 引言

近年來，隨著我國煤炭生產力的不斷加強，現代化的大型設備廣泛應用于煤礦生產的各個環節。礦井現代化管理應運而生，特別是針對人－機－環一體化的系統管理是一種發展趨勢。礦用大型設備軸類工件的安全檢測、試驗，也是礦井現代化管理中對“機”的一種安全管理方式。

煤礦用大型設備如主要通風機、提升機、長距離運輸皮帶等長期處于高負荷運行狀態，在運行中如果發生機械故障不僅會造成巨大經濟損失，嚴重的會導致人員傷亡。因此，礦用大型設備的安全運行是煤礦安全生產的首要保證，是關系到生產人員的生命安全、生產的連續性的前提條件。特別是各種大型礦用設備的安全運行更是重中之重，例如ABB生產的10 m/s大型摩擦式提升機、礦井主要通風機、長達幾千米的大型皮帶輸送機等，其共性都是受力構件－主軸處在大負荷、高強度運行狀態，因此對主軸的超聲波檢測及早發現和預知主軸隱患，對于煤礦生產的安全性、持續性具有重大意義。

1 煤礦大型設備軸類工件成型特點

煤礦大型機械設備主要有提升機、皮帶機、通風機等，且其主軸材料多以鍛件為主。鍛件是將鑄錠或鍛坯在鍛錘或模具的壓力下變形制成一定形狀和尺寸的零件毛坯。鍛造過程主要包括墩粗、拔長和滾壓，拔長主要用于軸類鍛件，拔長是鍛壓力施加于坯料的外圓，形變發生在長度方向。為了改善鍛件的組織性能，鍛后還要進行正火、退火或調質等熱處理，因此鍛件的晶粒一般都很細，有著良好的透聲性。

軸類鍛件在其制造過程中產生的自身固有缺陷，以及長期的服役后也會由于疲勞損傷等情況使其發生故障、甚至造成重特大事故。因此，煤礦必須定期對各類大型設備的軸類工件進行內部損傷超聲檢測及疲勞裂紋觀察等工作。對設備主軸產生的各類缺陷盡可能詳盡地做出定位、定性分析及定量分析，這是保證礦用大型設備安全運行的前提。

2 軸類鍛件的超聲波檢測

2．1 檢測方法

我國目前對煤礦軸類鍛件的周期性檢測任務主要是委托各省煤礦安全設備檢測中心來進行檢測，一般采用便攜式A型脈沖數字式超聲波探傷儀，但探傷結果的可靠性往往取決于超聲檢測操作人員的水平與經驗，因此，采取可靠性與重復性二次符合判定的設立，可以大大減少超聲檢測人員在操作過程中的失誤。另外，由于煤礦現場環境復雜，遲到波、三角反射波、側壁干擾波等的判定是困擾現場檢測人員的一個難題。因此，檢測任務開始前，針對設備主軸外部構造、工件材料的掌握也是提高超聲檢測可靠性的一個重要方面。

軸類鍛件檢測的時機，原則上應選擇在熱處理后，沖孔、開槽等精加工工序之前進行。因為孔、槽、臺階等復雜形狀會形成超聲波聲束無法到達的區域，增加檢測的盲區，同時可能產生因形狀引起的非缺陷波干擾，影響缺陷的檢測和判別。而在熱處理后進行檢測，有利于發現熱處理過程中產生的缺陷。同時，在同一個鍛件上需要同時采用縱波和橫波檢測，其中縱波直入射檢測應該是最基本的檢測方式。

軸類鍛件的鍛造工藝主要以拔長為主，因而大部分缺陷的取向與軸線平行，此類缺陷的檢測以縱波直探頭從徑向檢測效果最佳。考慮到缺陷會有其他的分布及取向。因此軸類鍛件檢測，還應該輔以直探頭在端面的軸向檢測，必要時還應輔以斜探頭的徑向檢測及軸向檢測。用直探頭作徑向檢測時要將探頭置于軸的外圓作全面掃查，以發現軸類鍛件中常見的縱向缺陷。用直探頭做徑向檢測時，探頭置于軸的端面，并在軸端做全面掃查，以檢出與軸線相垂直的橫向缺陷。但當軸的長度太長或軸有多個直徑不等的軸段時，會有聲束掃查不到的死區，因而此方法有一定的局限性。

除去坯料固有內部缺陷，由其后期使用特性可知，由于受到彎曲交變應力、沖擊載荷及扭轉力等影響，軸類鍛件的鍵槽部分承受磕碰及相對滑動等作用，缺陷易于出現在軸頸、鍵槽和軸肩等位置。

由于軸類鍛件零件的外形復雜，拆卸和重新組裝都要花費大量的時間、財力和物力，因此，一般情況下，不能對主軸進行全面地掃查，只能在端面或者局部裸露位置進行局部掃查，其掃查方法如圖1所示，具體掃查部位如下:①直探頭沿軸向進行全軸穿透掃查;②斜探頭在接近軸不可見位置處掃查，盡可能減少掃查盲區;③在靠近軸不可見區域時，盡量選擇小角度縱波斜探頭掃查;④選用低頻率探頭，其聲束具有更廣的發散性，也可以盡可能地減少掃查盲區。但低頻率探頭聲束遇顆粒粗大的工件時，其信噪比較低，因此要注意選用探頭頻率的可取性。

圖1 煤礦大型機械主軸示意圖

2．2 缺陷的判定

軸類鍛件工件的檢測中，常有單個缺陷回波，其是指與鄰近缺陷間距大于50 mm，回波高不小于2 mm的缺陷，常見有夾層，裂紋等;分散缺陷回波是一般在邊長為50 mm的立方體內少于5個，不小于2 mm的缺陷，常見有分散性夾層等;密集缺陷回波是示波屏上同時顯示的缺陷回波很多，缺陷之間的間隔很小，甚至連成一片，實際檢測中，以單位體積內缺陷回波數量來劃分密集缺陷的方法較多，一般規定在邊長50 mm的立方體內，數量不少于5個，當量直徑不小于2 mm的缺陷為密集缺陷。

煤礦用大型機械主軸在熱加工后都會進行超聲波探傷而后完成刻槽等后續工藝。因此其在刻槽等工藝之前其內部缺陷已經是符合了國家相關標準的，在此基礎上，文中主要針對煤礦用大型機械主軸的使用疲勞缺陷進行定位與定量。缺陷定位的關鍵點是材料聲速的測取，而后可通過1∶n的比例來調劑掃描的速度，而缺陷的準確位置則需要至少在兩個垂直面上進行定位。

缺陷的定量主要指缺陷的大小，其中缺陷的大小要根據缺陷的長度和面積來確定。受煤礦現場檢測條件的限制，工件大平底反射計算法是主要的缺陷定量方法。對于有缺陷回波出現的檢測位置，則通過缺陷回波值的數值綜合計算獲得，但在一些沒有具體標準規定的探傷靈敏度時，應根據工件的受力情況，對易于發生裂痕的部位與委托方具體商議確定了可行方案后再實施檢測，例如大型軸鍛件的疲勞裂紋易產生在軸承支撐處、主要受力處等，這些部位屬于檢測重點。

3 結論

(1)綜合各種超聲波檢測技術的理論與實際應用，參照相關國家標準，如GB/T 6402－2008《鋼鍛件超聲檢測方法》、JB/T1581－2014《汽輪機、汽輪發電機轉子和主軸鍛件超聲檢測方法》等要求，對軸類鍛件的超聲檢測方法應以徑向檢測為主，軸向檢測為輔。

(2)考慮到煤礦生產的實際情況，個別大型軸類在未拆解的情況下，必須周期性地進行軸線超聲檢測。

(3)超聲波檢測對于煤礦大型軸類工件中的疲勞裂紋的定位與定量有很好的效果，但在超聲波檢測時要注意分辨非缺陷波對正確判定裂紋波的影響。

(4)超聲波檢測人員需要有專業且豐富的檢測經驗，同時要具備對缺陷波形分析的耐心與專業知識，這樣才能把超聲波檢測煤礦大型軸類工件這項工作做好。