相控陣超聲技術在軸類鍵槽磨損修復中的應用

唐飛陽亮，魏培生，陳春鋒

(中國石油獨山子石化分公司，獨山子 833699)

鍵槽是在軸上加工出的一條與鍵相配的槽，用來安裝鍵，以傳遞扭矩，這種形式廣泛應用在如電機轉子軸這樣的機械傳動設備中。在設備啟動、停止時，作用力會破壞鍵槽，甚至出現滾鍵及軸頸磨損，如果不及時更換或修理將產生安全隱患。

國內通常通過更換新部件或使用刷鍍噴涂、高分子聚合物及堆焊的方法對鍵槽的磨損進行修復。采購、更換新部件會延長停工時間，庫存備件會占用大量資金，拆裝過程費工費時；刷鍍噴涂方法受鍵槽損壞程度和設備自身的限制，對維修設備人員的要求較高，維修成本高；金屬高分子聚合物修復技術修復用時短、性價比高。

堆焊修復是一種經濟快速的用于材料表面改性的工藝方法，廣泛應用于工業零件的修復中，尤其適用于鍵槽的磨損修復工作。堆焊修復有以下優點：① 表面處理效率高且能產生較厚的堆焊層；② 堆焊層不受尺寸限制,適用范圍廣；③ 設備和操作簡單；④ 適用于大多數金屬材料。

目前，堆焊修復的實際應用效果并不理想，主要原因為：① 材料存在一定的差異；② 堆焊的高溫損傷及熱應力影響；③ 堆焊也會和一般電弧焊一樣產生焊接缺陷。對于堆焊產生的焊接缺陷，可以選用一種合適的無損檢測技術，從而實現對堆焊部位的有效檢測，降低其不良影響。

1 相控陣超聲技術在軸類鍵槽磨損堆焊修復中的應用優勢

目前，國內主要用于軸類工件內部缺欠檢測的無損檢測方法是超聲檢測技術。該技術使用縱波直探頭、小角度縱波斜探頭從軸的端面進行檢測，或使用橫波斜探頭沿外圓周掃查的方式進行檢測。這種技術已廣泛應用于鐵路行業的車軸檢測中[1]，鍵槽磨損后堆焊修復部位的無損檢測通常也是使用同樣的工藝方法。

但是，由于軸類工件結構復雜，結構回波和波形轉換很大程度上加大了檢測結果的分析難度，同時常規超聲檢測存在如下缺點：① 檢測結果缺乏記錄，檢測可靠性受人員的技術水平和經驗的影響；② 檢測結果僅為抽象的波幅顯示，不能形象地展現缺陷形貌特征；③ 檢測中使用單一角度探頭，超聲聲場覆蓋范圍小，易導致缺陷漏檢；④ 檢測效率和精度較低。因此，迫切需要新的檢測技術來解決目前存在的困難。

近幾年，隨著計算機技術的迅猛發展，常規超聲檢測與計算機成像技術的有機結合，產生了相控陣超聲檢測(PAUT)技術。PAUT技術在鍵槽磨損修復中的應用優勢如下所述。

(1) PAUT技術可使用帶編碼的半自動化檢測，可實時顯示檢測結果。檢測結果客觀真實，缺陷定位、定量誤差小，檢測靈敏度高。檢測數據為電子文件，方便保存分析和再現。

(2) 相控陣超聲成像技術除了能夠提供常規超聲A型顯示以外,同時可以實現缺陷的D型顯示(側面投影)、C型顯示(平面投影)和S型顯示(扇掃描聲束組成的扇形圖像顯示)等多種顯示模式，檢測圖像形象生動，目前部分先進的儀器已經能實現工件仿真模擬和缺陷三維動態成像等功能。

(3) 相控陣超聲技術的核心是利用計算機控制相控陣超聲探頭上的多個相互獨立的壓電晶片，按一定延遲時間激發和接收，從而達到改變聚焦特性、聲束偏轉、聲束位移等效果，實現不移動或少移動探頭來對軸進行高速、全方位、多角度的檢測。

(4) 超聲聲場的一次掃查覆蓋范圍大、檢測速度快、效率高，檢測工藝的設置、超聲聲場的傳播覆蓋、檢測數據的分析等均通過計算機完成，大大提高了檢測結果的準確性。

2 脈沖應用案例

由于某工廠110 kW電機經常啟停和裝備間隙過大，其鍵槽部位磨損嚴重并有裂紋產生，計劃對鍵槽部位進行堆焊修復。修復過程如下：首先，對鍵槽部位進行打磨處理，并進行滲透檢測，確保裂紋完全消除；其次，進行圓弧過渡處理，防止后續焊補處理的應力集中而產生裂紋；最后，進行堆焊，再通過車削等機械加工處理完成軸頭的修復工作。為了確保修復效果，需對該部位進行相控陣超聲檢測。

2.1 相控陣超聲檢測方案

對鍵槽修復部位的相控陣超聲檢測，參考標準NB/T 47013.3-2015 《承壓設備無損檢測 第3部分 超聲檢測》 中第5.5條附錄E的相關要求，制定出檢測工藝，部分參數如表1所示。

表1 相控陣超聲檢測工藝參數

選用以色列ISONIC 2010 相控陣超聲檢測系統進行試驗，工藝方法主要考慮以下3個方面。

(1) 該儀器可針對不同被檢測工件的幾何結構進行工件仿真模擬，將真實結構實時顯示。工件仿真模擬功能界面如圖1所示，利用這個功能可以方便快捷地分辨出缺陷回波和結構回波，避免電機轉子軸頭凸臺對檢測的影響，可以降低檢測時誤判及錯判的概率，保證檢測結果的有效性及可靠性。

圖1 工件仿真模擬功能界面

(2) 工藝仿真設計界面如圖2所示，該儀器可對各種常見的檢測對象進行工藝仿真設計，模擬顯示出超聲聲場的覆蓋情況，保證聲場對檢測區域的全覆蓋，有效地避免缺陷漏檢，確保工藝設置的正確性。

圖2 工藝仿真設計界面

(3) 由于電機轉子軸頭端部直徑較小，僅為78 mm，探頭在該部位移動受到嚴重限制。因此，對該部位檢測時，選擇相控陣面陣探頭進行三維檢測，面陣探頭主要應用于難于接觸或探頭無法移動的檢測中。使用聲束進行三維掃查，形成預先設定的體積型波束，獲得動態三維圖像[2]。

(4) 軸頭為棒狀且有一定錐度，經測量，鍵槽堆焊修復部位直徑為95 mm，曲率較大，為了保證良好的耦合，在外圓面檢測時，探頭需要裝配曲率半徑為50 mm的曲面楔塊。

2.2 鍵槽磨損的相控陣超聲檢測

2.2.1 二維面陣探頭端部垂直面陣三維檢測

二維面陣探頭掃查方式示意如圖3所示，選用的二維面陣探頭頻率為2 MHz，陣元數量為64(8×8)，主、次軸晶片間距為1.5 mm，掃查方式為軸端面垂直掃查。檢測中發現一處缺陷，垂直面陣三維檢測圖譜如圖4所示，該缺陷距離端面78.9 mm。

圖3 二維面陣探頭掃查方式示意

圖4 垂直面陣三維檢測圖譜

2.2.2 一維線陣探頭外圓面縱波軸類切面成像檢測

利用以色列ISONIC 2010 相控陣超聲檢測系統的“軸類切面成像”功能，選擇頻率為5 MHz，陣元數量為32的一維線陣探頭，裝配曲率半徑為50 mm的曲面楔塊，對堆焊部位分區域切面成像。在距離端面78.9 mm處發現一處缺陷，軸類切面成像圖譜如圖5所示，其周向長度為5.6 mm。

圖5 軸類切面成像圖譜

2.2.3 一維線陣探頭外圓面橫波檢測

利用相控陣超聲斜探頭扇形掃描功能沿外圓面進行軸向掃查，對該缺陷進行精確測量和成像，扇掃成像圖譜如圖6所示，可見該缺陷距離外圓表面4.9 mm，距離端面78.9 mm，自身高度為6.4 mm，軸向長度為14.5 mm，該缺陷軸向分為兩個部分，間距小于最小部分，按一個缺陷進行評定；周向長度為5.8 mm。在獲得扇掃圖譜后，利用缺陷三維動態成像功能對缺陷進行成像，缺陷三維動態成像截圖如圖7所示，可見缺陷的空間立體形態詳細地展現了出來。

圖6 扇掃成像圖譜

圖7 缺陷三維動態成像截圖

2.3 相控陣超聲檢測數據匯總與驗證

為了更好地分析檢測結果，匯總以上數據，如表2所示。

應用案例中首先進行二維面陣探頭端部垂直面陣三維檢測，這是為了提高檢測效率。因為二維面陣探頭可在不移動探頭位置的情況下，對檢測區域進行三維覆蓋。通過一個檢測點即可檢測到整個檢測區域，并通過計算機技術實現快速成像，從而快速判斷檢測區域中是否存在缺陷，為后續檢測方法的實施提供依據。對發現缺陷的區域進行軸類切面成像檢測，可以獲得缺陷圓周方向的尺寸，并且進一步縮小檢測范圍。最后，利用橫波斜探頭沿外圓面軸向掃查，對缺陷進行三維動態成像，對缺陷進行精確測量和成像，最終獲得缺陷自身高度、軸向尺寸等關鍵數據，并且從表2中可以發現3種方法的檢測數據可以很好地相互印證。

表2 相控陣超聲檢測數據匯總 mm

為了驗證檢測結果和消除缺陷，在距離端面70 mm處進行了線切割解剖驗證。缺陷解剖結果如圖8所示，在距離外圓面4.5 mm處發現了該缺陷，缺陷軸向長14mm，圓周方向長5mm，缺陷形貌與圖6，7中的俯視圖極為相似；繼續打磨該缺陷，打磨至距離外圓面7 mm時，該缺陷消失。

圖8 缺陷解剖結果

通過解剖缺陷，進一步驗證了相控陣超聲檢測結果的準確性。

3 結語

相控陣超聲檢測技術在儀器、各類型工藝軟件標準和應用等方面日益成熟，從而受到廣泛的關注，在特種設備領域的應用需求也不斷增加。伴隨著國內涉及該技術應用的相關法規標準的發布，相控陣超聲檢測技術在特種設備、石油石化、電力等領域的應用被正式認可。

文中案例是相控陣超聲技術在軸類鍵槽磨損修復中的成功應用，可以實現對電機轉子鍵槽堆焊修復部位內焊接缺陷的有效檢測和精確定量，為軸類鍵槽堆焊修復的檢測工作提供了新思路。