汽輪機(jī)鑄件汽缸疏松缺陷超聲波檢測(cè)研究

陳輝，朱易坤，周林娟，鄒志明

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汽輪機(jī)鑄件汽缸疏松缺陷超聲波檢測(cè)研究

陳輝1，朱易坤1，周林娟1，鄒志明2

（1.東方電氣集團(tuán)東方汽輪機(jī)有限公司，四川 德陽(yáng) 618000；2.成都儀器廠，四川 成都 610000）

分析了鑄件汽缸的缺陷中結(jié)構(gòu)松散類(lèi)似針型海綿團(tuán)狀的疏松缺陷對(duì)工件性能和后期加工的影響，詳細(xì)介紹了汽輪機(jī)鑄件汽缸超聲波檢測(cè)方法，介紹了超聲波檢測(cè)儀器、探頭和檢測(cè)用試塊的選擇，介紹不同探頭檢測(cè)靈敏度設(shè)置方法，分析了鑄件疏松波形的判定和測(cè)試，通過(guò)疏松缺陷的解剖驗(yàn)證了其超聲波缺陷波形特征與實(shí)物的相符性，最終確定鑄件疏松缺陷超聲波檢測(cè)控制方法。

鑄件汽缸；疏松缺陷；超聲波檢測(cè)

鑄件汽缸是電力發(fā)電關(guān)重設(shè)備汽輪機(jī)的主要部件，它的作用主要是將汽輪機(jī)的通流部分與大氣隔開(kāi)，保證高溫高壓蒸汽在汽輪機(jī)內(nèi)完成做功，此外它還需支撐汽輪機(jī)相關(guān)靜止部件，并承受重量，同時(shí)承受各種由于沿汽缸軸向、徑向溫度分布不均而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。因此，鑄件汽缸設(shè)計(jì)制造及質(zhì)量控制的水平，直接影響汽輪機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。

在鑄件汽缸的缺陷中，結(jié)構(gòu)松散類(lèi)似針型海綿團(tuán)狀的疏松缺陷，不僅嚴(yán)重影響汽缸本體的剛度、強(qiáng)度等機(jī)械性能，甚至還常因其暴露于機(jī)加工后的反復(fù)修補(bǔ)擴(kuò)大、惡化等情況而導(dǎo)致整個(gè)汽缸的報(bào)廢，對(duì)汽輪機(jī)整體質(zhì)量和生產(chǎn)進(jìn)度的影響巨大。如某燃機(jī)壓氣機(jī)缸在精加工后滲透檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)內(nèi)孔及槽底有疏松鑄造缺陷，經(jīng)多次返修后的任存在較大缺陷刨坑深度達(dá)一百多深，再次滲透檢測(cè)后發(fā)現(xiàn)槽底還存在鑄造缺陷如圖1所示，該缺陷返修合格長(zhǎng)達(dá)56天，可見(jiàn)鑄件疏松缺陷的影響是非常大的。

圖1 某燃?xì)廨啓C(jī)疏松缺陷情況

1 超聲波檢測(cè)方法

鑄件汽缸（常規(guī)火電、核電和燃機(jī)）毛坯粗加工后要求進(jìn)行100%超聲波檢測(cè)，項(xiàng)目不一樣使用標(biāo)準(zhǔn)也不相同。本文以常規(guī)火電汽輪機(jī)汽缸（DZ系列）超聲波檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)介紹鑄件汽缸超聲波檢測(cè)方法。

1.1 儀器、探頭、試塊及耦合劑的選擇

1.1.1 儀器的選擇

為了方便參數(shù)的調(diào)節(jié)、讀取和記錄，且攜帶輕巧方便，通常選用脈沖反射數(shù)字式超聲波探傷儀作為檢測(cè)儀器。儀器的水平線性、垂直線性和分辨力等特性又直接影響到缺陷的定位、定量和分辨，應(yīng)選用性能穩(wěn)定，水平線性、垂直線性好、精度高的超聲波探傷儀，其性能滿(mǎn)足JB/T 10061要求，如漢威或華光系列儀器。

1.1.2 探頭的選擇

鑄件的超聲波檢測(cè)一般以單晶、雙晶直探頭為主，對(duì)于加工的焊接坡口部位、因結(jié)構(gòu)原因無(wú)法滿(mǎn)足直探頭檢測(cè)、消缺補(bǔ)焊部位等位置還需采用斜探頭進(jìn)行檢測(cè)。由于鑄件一般壁厚較大、且內(nèi)部晶粒較為粗大，根據(jù)超聲吸收波衰減公式α＝1和散射衰減系數(shù)公式α＝234（式中：1和2為常數(shù)；為頻率；為各向異性因子；為粒子直徑）可知，為避免超聲波能量的過(guò)度衰減宜選擇頻率較低的探頭，檢測(cè)時(shí)常選用B2S單晶直探頭和SEB4S雙晶直探頭，同時(shí)還應(yīng)搭配探頭軟保護(hù)膜以減少鑄件粗糙表面的影響。如圖2所示。

圖2 檢測(cè)探頭

1.1.3 試塊的選擇

鑄件的超聲波檢測(cè)對(duì)比試塊一般采用系列平底孔試塊。對(duì)比試塊應(yīng)采用與被檢鑄件材質(zhì)相同或相近的材料制作，其超聲波衰減系數(shù)應(yīng)與被檢鑄件材質(zhì)的衰減系數(shù)相同或相近。

單晶直探頭選擇孔徑6.4 mm的ASTM A609對(duì)比試塊，結(jié)構(gòu)如圖3所示，試塊尺寸如表1所示。

雙晶直探頭選擇孔徑為2.4 mm的ASTM A609對(duì)比試塊制作DAC曲線，如圖4所示。

圖3 ASTM A609單直探頭對(duì)比試塊

圖4 雙晶直探頭用對(duì)比試塊

表1 ASTM A609單直探頭對(duì)比試塊尺寸

試塊標(biāo)識(shí)號(hào)探傷距離B/mm試塊總長(zhǎng)度C/mm試塊寬度或直徑D/mm 16-0100254550 16-0200507050 16-0300759550 16-060015017075 16-1000255275100 16-B00bBB＋20125

1.1.4 耦合劑的選擇

鑄件表面粗糙，聲耦合性差，因此常選用高粘度耦合劑進(jìn)行超聲波檢測(cè)，如甘油等。

1.2 儀器參數(shù)設(shè)置和DAC曲線的制作

1.2.1 儀器參數(shù)的設(shè)置

根據(jù)被檢鑄件的壁厚和所選探頭的參數(shù)，將工件厚度、探頭頻率、晶片直徑、K值大小等參數(shù)輸入儀器，采用已知厚度的試塊ASTM A609系列（材質(zhì)性能與被檢鑄件形似），調(diào)節(jié)儀器[零偏]按鍵，使底波顯示的深度顯示和試塊厚度一致，完成零偏的校準(zhǔn)。

1.2.2 單晶直探頭基準(zhǔn)靈敏度DAC曲線的制作

使用B2S單晶直探頭找出6.4FBH平底孔對(duì)比試塊上人工缺陷深度為50 mm的最大反射波，將此波波高調(diào)至滿(mǎn)屏的80%，然后從低（25 mm）到高，逐一找出試塊上各自孔徑反射的最高波，然后用曲線連接這些點(diǎn)即生成DAC曲線，作為單晶直探頭基準(zhǔn)靈敏度曲線，曲線如圖5所示。

1.2.3 雙晶直探頭基準(zhǔn)靈敏度DAC曲線的制作

使用SEB4S雙晶直探頭逐一找出2.4FBH對(duì)比試塊上各自孔徑反射的最高波（最高一點(diǎn)為滿(mǎn)屏80%），然后用曲線連接這些點(diǎn)即生成DAC曲線，作為雙晶探頭基準(zhǔn)靈敏度曲線，曲線如圖6所示。

圖5 單晶直探頭DAC曲線

圖6 雙晶直探頭DAC曲線

2 鑄件的檢測(cè)要求

2.1 表面要求

為了細(xì)化晶粒、消除偏析，減小鑄件外觀對(duì)超聲波檢測(cè)時(shí)的不利影響，一般情況下需進(jìn)行超聲波檢測(cè)的鑄件應(yīng)在正火、回火等熱處理后進(jìn)行，檢測(cè)表面需經(jīng)機(jī)械加工、打磨或噴丸處理，使其平整、無(wú)油污、焊疤等，其表面粗糙度小于12.5 μm。

2.2 掃查靈敏度的調(diào)整及掃查方式

為了有效檢測(cè)鑄件缺陷，采用單晶直探頭進(jìn)行掃查時(shí)掃查靈敏度至少達(dá)到3FBH，采用雙晶直探頭時(shí)掃查靈敏度至少達(dá)到2FBH。原則上，首先采用單晶直探頭從兩個(gè)相對(duì)的平行面進(jìn)行掃查，若僅能滿(mǎn)足一面進(jìn)行掃查時(shí)則增加雙晶直探頭進(jìn)行掃查。無(wú)論哪種掃查方式，掃查范圍均是100%，每次掃查均應(yīng)重疊15%及以上，掃查速度均不得超過(guò)150 mm/s。

3 疏松缺陷的分析與控制

從2012～2014年汽缸加工后的NCR統(tǒng)計(jì)分析可以得出，鑄件疏松在后工序發(fā)現(xiàn)甚多，從超聲波檢測(cè)方面分析原因主要由于疏松缺陷檢出特征不明顯：①鑄件汽缸結(jié)構(gòu)復(fù)雜許多部位沒(méi)有底波，無(wú)法測(cè)試缺陷底波衰減量；②缺陷當(dāng)量小，缺陷反射波形不能準(zhǔn)確觀察，達(dá)不到記錄要求，不能進(jìn)行評(píng)定記錄；③針對(duì)疏松類(lèi)缺陷反射波其國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)均無(wú)明確要求，檢查人員對(duì)縮松缺陷不能獨(dú)立處置，可能導(dǎo)致疏松缺陷漏檢而在后序加工階段出現(xiàn)。

由于鑄件疏松缺陷多為蜂窩狀，斷面組織呈海綿狀或呈樹(shù)枝狀結(jié)晶，造成鑄件內(nèi)壁粗糙且缺陷尺寸一般較大。因此，當(dāng)超聲波入射至疏松缺陷部位時(shí)聲波被大量散射和吸收，反映到儀器的A掃波形就會(huì)出現(xiàn)缺陷波反射較低，缺陷波根部寬大且伴有較低缺陷波，底波也很低或消失。收集和分析了鑄件大量疏松反射波形及其解剖后實(shí)物對(duì)應(yīng)疏松缺陷，圖7為其典型的疏松缺陷和缺陷反射波形。

圖7 鑄件疏松缺陷及反射波

從鑄件汽缸疏松靜態(tài)波形表現(xiàn)為有底波幾乎消失，缺陷反射波根部寬大、中空，且反射波幅較低，提高檢查靈敏度，會(huì)出現(xiàn)一些雜波，但對(duì)底波影響不大；移動(dòng)探頭時(shí)會(huì)出現(xiàn)波峰很低的蠕動(dòng)變形。經(jīng)過(guò)比對(duì)解剖試驗(yàn)分析確定了疏松缺陷波的判定和大小確定方法，并于2014年納入公司鑄件超聲波檢測(cè)方法中，同時(shí)編制了《鑄件疏松缺陷超聲波檢測(cè)操作指導(dǎo)書(shū)》應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)。

4 總結(jié)

首先介紹了鑄件疏松缺陷的性質(zhì)及其對(duì)汽缸性能、生產(chǎn)進(jìn)度帶來(lái)的不良影響，然后對(duì)鑄件汽缸疏松缺陷超聲波檢測(cè)方法和波形、缺陷形態(tài)分析進(jìn)行了介紹。統(tǒng)計(jì)表明，目前我司加工階段暴露出疏松缺陷的情況顯著降低，說(shuō)明超聲波對(duì)鑄件內(nèi)部疏松缺陷檢測(cè)的有效和可靠性，為檢查員對(duì)鑄件的超聲波檢測(cè)提供了參考和依據(jù)，保證了公司鑄件質(zhì)量的提升。

[1]JB/T 10061，A型脈沖反射式超聲波探傷儀通用技術(shù)條件[S].

Research on Ultrasonic Inspection of Turbine Cylinder Porosity Defects

CHEN Hui，ZHU Yikun，ZHOU Linjuan，ZOU Zhiming

( 1.DECDongFang Turbine Co., Ltd., Deyang 618000, China; 2.Chengdu Instrument Factory, Chengdu 610000, China )

In this paper, the influence of loosely structured looseness similar to needle-shaped sponge mass on workpiece performance and post-processing is analyzed. The ultrasonic testing method of steam turbine casting cylinder is introduced in detail. The selection of ultrasonic testing instrument, probe and test block is introduced. The setting method of sensitivity of different probes is introduced. The determination and test of the loose waveforms of the castings are analyzed. Through the analysis of the looseness defect, the waveform characteristics of the ultrasonic defect are verified to be consistent with the real object. Finally, the ultrasonic detection and control method of the casting looseness defect is determined.

casting cylinder；porosity defect；ultrasonic testing

TV698.1+5

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2018.10.017

1006－0316 (2018) 10－0077－04

2018－07－03

陳輝（1966－），男，四川蓬溪人，高級(jí)工程師，主要從事無(wú)損檢測(cè)工作；朱易坤（1988－），男，四川綿竹人，工程師，主要從事無(wú)損檢測(cè)工作；周林娟（1985－），女，四川成都人，技師，主要從事無(wú)損檢測(cè)工作；鄒志明（1963－），男，四川鄰水人，工程師，主要從事無(wú)損檢測(cè)及真空檢測(cè)儀器研發(fā)工作。