1、外高桥 姗汽轮机球墨铸铁轴承座的超声波检测 胡文杰 缪启才 （上海汽轮机有限公司上海闽行江川路号）摘要：俸文介绍了外高桥姗汽轮机球墨铸铁轴承座的超声波检测方法，测试了球铁的超声波声速及功学性能，并根据测试结果分析了超声波传播速度与球化率、力学性能的关系为其它球铁件的质量检测提供了参考关键词：超声学检测；球墨箩铁；辫；毒渣中图分类号： 文献标识码：，文章编号：（） （） （ ）： （） ， ， ， ： ； ；前言： 年月日球铁首次研究成功，我国的球 铁研究始于年，同铸钢相比，铸铁的铸造性能更好，可以铸成各种形状，而球 铁中的石墨呈球状，使其在保留 铸铁基础成分、工艺性能及多种优点的同时， 强度、
2、塑性、韧性都发生了质变，赶上甚至超过了钢，使其能部分代替铸钢和焊接件，球 铁的发现是二十世纪材料科学最重大的技术进步之一” 。 外高桥电厂超临界删汽轮机机组是由公司承接，由我公司分包制造的项目，其中低 压部分轴承座为球墨铸铁件，材料牌号为，该轴承座为厚大断面球铁铸件，最大截面达，最小厚度为，最大长度为， 这次是我厂为公司首次铸造如此大功率、大截面的球铁件，轴承座是汽轮机组中的重要部套之一，整个轴系转子的动力载荷都由轴承座支承，其强度和刚度直接影响着机组的震动和安全运行，根据合同，作为我公司为承制的首件大型球墨铸铁轴承座，该轴承座要求表面检查和内部超声探 伤，由于目前国内对球墨铸铁还无一个正式的
3、探伤标准，此次我们在充分了解工件铸造工艺特点的基础上，分析了定货合同要求，汲取了国内外的相关经验，做了必要的试验， 对轴承座按要求进行了表面和内部检测，对附铸试块作了相应的力学性能试验，检测结果不仅让外国专家对我厂的超声波探伤水平有了直观的认识，也为铸造部门改进铸造工艺提供了依据。球铁铸件超声波探伤的特点： 铸件因表面粗糙，晶粒粗大，组织不均匀，超声波传播时衰减大，穿透性差，易发生散乱反射，产生林状或草状回波。球墨铸铁中的石墨形态对超声波的穿上海汽轮机有限公司探伤室从事探伤工作（包括超声，射线、磁粉、渗透 检测）年进入上海市锅炉压力容器检验所工作，持有多个探伤高掇证 一透性影响较大，片状石墨的
4、超声穿透性差，影响球铁的超声可检性，而球化良好的球状石墨的超声穿透性好，故珠铁超声波探伤具有一定的特殊性。超声波探伤前的准备主要缺陷分析与波形判断 铸造常见缺陷主要有冷隔、缩孔、疏松、裂 纹、夹砂和夹杂物、气孔等。而球墨铸铁除以上缺陷外， 还 有一典型常见缺陷是浮渣。 冷隔：主要是浇注温度太低，金属熔液在铸型中不能充分流动而未能完全熔合在铸件表面形成的不融合；冷隔往往用内眼可以发现 缩孔：缩孔是铸件在凝固过程中由于收缩或补缩不足产生的，其表面粗糙，声阻抗大，反射波形较低，呈锯齿形，根部较宽； 疏松：疏松发生在厚大、最后凝固的地方，如热节中心，呈 树枝状多孔性组织分布。其反射波与缩松、材质不佳类
5、似，呈草状或林状，底波低，有时完全消失。 裂纹：在冷却过程中产生巨大内应力或收缩受到限制或开箱、热处理不妥产生的。裂纹属平面缺陷，不同方向探测，反射波高度明 显不同，垂直缺陷方向探测，反射波很高，有时可以得到多次反射。 夹砂和夹渣：夹砂是浇铸时砂型剥落混进铸件形成的；夹渣是铁水中的熔渣没有与铁水分离混进铸件形成的。其反射波不高，波沿模糊，常有多个反射波 气孔：金属凝固过程中，其中的气体来不及逃逸而在金属内部或表面发生的圆孔。因气孔表面较为光洁，故反射波尖 锐、陡直。 浮渣：在浇注过程中，氧化夹杂物不可能全部从冒口浮出，是在工件上表面凝固形成基体的一部分而减少了工件正常组织厚度的一种缺陷。浮渣一
6、般在工件表面的一侧，波形接近底波，使底波降低或消失” 试块准备和力学性能的测试 为 便于灵敏度校准和缺陷的定量，我们特制作二块随本体铸造的冰墨铸铁试块，一块用于近表面的缺陷校准与定量（反射体为平底孔巾），另一块为对比试决（含三种反射体平底孔由，由，由）。另外我们测试了指定部位的附铸球铁试块的化学成分和力学性能，其力学性能达到了技术采购规范要求。结果如表： 表 撑轴承座球墨铸件试块的力学性能 力学性能 金相组织 轴承 球化 石墨 珠光体 磷共晶 编号 ，（） （） （） 分级 大小 （） （） 舟 可超声检验性的评价 铸件力学性能应能达到规定要求，而力学性能与石墨球化程度有关，如石墨球化不佳，则
7、粗大的石墨和基体结构就会作为声散射源而产生散射，加剧了声传播过程中的衰减并大大增加了结构噪声，使灵敏度降低，可透距离减小，甚至造成不可检，故在超声波探 伤前 须进行可超声检验性评价，可超声检验性要求见表 表 可超声检验性要求 检测区铸件厚度 须检测到的最小平底孔直径（最低检测灵敏度） 在设置检测系统灵敏度时 ，使表中平底孔回波水平在需获得的深度范围最深处波高达屏高，如不能获得此最小检测灵敏度，则能检测到的最小可检尺寸应在报告中注明，在这种情况下由制造厂和用户来协商采用其他方法。 下列步骤可确定最小超声可检测缺陷尺寸： 底面回波设置为屏高； 提高回波幅度，直至噪声水平达屏高；按响应的最大声程，从
8、图表中确定等效缺陷尺寸。球墨铸铁超声声速的测量： 超声波的传播速度与介质的性质（弹性模量、密度、泊松比）有关，不同的物质、不同的组织结构有各自固定的传播速度，石墨球化程度的不同会导致超声传播速度不同，根据这个特点我们可以通过测试超声波在球墨铸铁中的传播速度来测试获知石墨的球化率 球墨铸铁中的超声波最小声速应不低于，声速测量可采用以下步骤：用试决校准设备用机械法测量铸件厚度（）用超声反射法 测量“显示出”的铸件厚度（）按下列公式计算球铁声速（纵波速度） 球帙；（ 铸件厚度显示厚度） 。鹿（）超声波检测检测时机：铸件应按发货状态或需要时在铁素体化热处理后进行。探伤方法的选择： 我们以直探头纵波脉冲
9、反射法检测为主，对近表面的探伤我们选用双晶纵波探头，斜探头可用于辅助检测（一般选用折射角）。探测条件超声波 检测设备：可选用、等。探头：由于铸件的截面厚度大，超声波 传播距离远，根据声束半扩散角： 甲（入） 一声束半扩散角 入一波长 一探头晶片直径为改善声束的指向性，尽量减少扩散衰减，使声束能尽量穿透足够远的距离，通常 认为应选用大直径、高频率的探头，但实际上我们应根据铸件几何形状及铸件的特殊情况选择探头尺寸和频率，这里主要采用探 头，但 对小壁厚和大曲率部位我们还使用了双晶探头（如）和小尺寸探头（如）。 注：如球铁的超声可检性较差时，经双方协商可以采用更低的频率来增加超声波波长，降低声束对散
10、射源的敏感性。探伤灵敏度及校准 检测时以能发现表中所列平底孔为探伤灵敏度（有的标准以中平底孔为探测灵敏度）：近表面探伤灵敏度用近表面试块校准（对不同检测灵敏度要求的，应作适当增益调整）；远场区查图表方法确定增益值以进行灵敏度校准。在实际探伤时，扫查灵敏度可再增加一定的值直至出现不影响有用信号辨认的电子和结构噪声为止。但如以规定的探测灵敏度探测时，噪声信号较高时，可以适当采用抑制使噪声水平限制在较低水平，或采用分层探测法，以保证有一定的信噪比。探测方向的选择 因为球墨铸铁的缺陷形态与一般铸钢件有一定的差别，探伤前，我们需要对球铁件的铸造工艺有一个了解，确定冒口位置、熟悉铸件结?埂私饪赡 艽嬖谌毕
11、莸 ?热节区、分清铸造？面，以浇铸底面为主探伤面，另外还须知道铸件不同区域的各自探伤级别要求，对级别要求高的部位，尽可能在各个方向对铸件进行扫查， 对热节区，还要用斜探头进行辅助扫查，对转角区，曲率大的部位，则应用小尺寸的探头扫查，以保证不漏检。缺陷信号的评价 缺陷信号可以是缺陷回波或底波降低，只要不是因铸件形状或耦合引起的，都认为是相关的应予以评价。与回波高度无关而要评价的回波信号具有明显长度和深度延伸的回波指示对声束处于不利位置的铸造缺陷的指示与回波高度有关的须评价的回波指示参见表 表需评价的超声信号 不连续区的厚度 底波降低 回波高度 比噪声水平高 比噪声水平高 比噪声水平高 不连续尺寸
12、的确定在确定不连续的尺寸时，尽可能使用最小声束直径的探头，特别是对不平行于探测面的反射体，有时甚至要用聚焦探头的焦点或双晶斜探头的自然焦点；对单个反射体，其大小可用对比试块或方法计算；反之需 测出反射体的深度与长度或面积。探头声束直径可由下列近似公式计算： （）（入） 式中：（）一一（降）声束直径一探头晶片直径 入一波长 一声程 一近场长度（入）反射体的测量 主要介绍有可测量延伸长度的反射体：缩孔、缩松和浮渣的尺寸测量。缩孔、缩松尺寸的确定 在探测表面移动探头，确定回波高度降到仅比噪声背景高的区域，并尽可能用直探头从相对的两个面测量整个壁厚方向的不连续尺寸，在工件表面作好标记和记录，标记点围成
13、的面积即为缺陷尺寸。浮渣尺寸的确定 所有底波回波降低超过的区域，应采用频率的探头确定这些区域内其剩余正常部分的厚度及浮渣厚度与浮渣的面积：在底波降低区域，用超声波从铸件的另一面测量剩余部分的厚度，在不连续处 得到的比噪声水平高的第一次回波，即表示其剩余的正常部分厚度。在没有不连续区域，用超声波或机械法确定其探测厚度， 则浮渣的厚度为 正常厚度与剩余厚度的差值即：，。一，用探头在不连续区上移动， 标出所有底面回波比干扰底波水平低的位置 点，由这些点围成的面积即为浮渣面积。 注：当用频率检出的渣，如用频率去检测，底波降低小于 ，则这种情况的渣的区域可根据浮渣的厚度的不同作不同的处理（如有的标准规定
14、：浮渣厚度小于壁厚，浮渣的区域可不作记录）测试结果分析 一球化率与声速的关系 超声波传播速度与球墨铸铁之间及超声波传播速度与球墨球化率之间的定性关系可参见图一和图二）。 一” 一少 形 膏 名 一 已 ， 一， ， ， 广， ， 名 ， 卢 己己 仑 已 一曲 图一超声波传播速度与灰铸铁和 图二超声波传播速度与石墨球化率之间 球墨铸铁之间的关系 的关系（：球墨铸铁的球化率）注：图一中表示球铁组织以片状石墨为主，表示球铁组织以球状石墨为主，即箭 头方向表示球铁组织由片状石墨向球状石墨转化。由图可知：趋声波在球状石墨中的传播速度比在片状石墨中快。注：由图二可知，超声波传播速度越快，则石墨球化率越高
15、。经测量该球墨铸铁件的超声波声速平均达到，最大达到了，远大于，球铁的球化率达到了左右，表明石墨球细小，圆整度较好，与表金相检测结果相符。超声波检测与铸造工艺改进 铸件的内外检测结果表明，该球铁铸件具有良好的可超声波检验性。经表面和内部无损检测，在第一套轴承座铸件上发现了一些浮渣（主要缺陷情况见表） 表主要缺陷情况列表 检测 缺陷 缺陷 缺陷 缺陷 壁 底波降 序号 探头 备注 区 长度 宽度 深度 厚度 厚 低（） 法兰 浮渣 法兰 浮渣 法兰 浮渣 法兰 浮渣 吊攀 浮渣 吊攀 浮渣的规律。浮渣厚度一般为，面积大小不等，内部未发现有大面积的缺陷和须评价的信号指示。根据探伤结果，在 铸造第二套
16、轴承座时， 调整了冒口位置、冒口数量并改进了相关的浇注系统，大大减少了浮渣的产生。结束语 用超声波对球墨铸铁检测是可行与有效的，是保证质量的一种有效方法，在检测前如果对工件的结构和浇注系统有一个了解，熟悉铸造缺陷的类型和波形特点，知道石墨球化状态的好坏与可超声检验性之间的关系，那么在检测时，对如何选择探测频率和探测面、判断缺陷的类型和位置一定会起到事半功倍的效果。 一弱一参考文献：）房贵如王云昭现代铸铁现代球墨铸铁的的诞生、应用及技术发展趋势年第期）美国无损检测学会编美国无损检测手册（超生卷）世芥图书出版公司）杨风民现代铸铁 检测技术铸铁件的超声波检测 年月 外高桥900MW 汽 轮机球墨铸铁
17、轴承座的超声波 检测作者： 胡文杰， 缪启才作者单位： 上海汽轮机有限公司上海相似文献7条1.期刊论文 胡文杰.缪启才 外高桥900MW汽轮机球墨铸铁轴承座的超声波检测 -热力透平2003324 介绍了外高桥900MW汽轮机球墨铸铁轴承座的超声波检测方法测试了球铁的超声波声速并根据测试结果分析了超声波传播速度与球化率的关系为其它球铁件的质量检测提供了参考.2.期刊论文 周长辉 球墨铸铁回转头座的超声波检测 -无损探伤2006302 通过对球墨铸铁在铸造过程中的组织分析及回转头座的超声波检测实践总结球墨铸铁的特点并给出球墨铸铁内缺陷定量、定性的判断方法.3.期刊论文 李德根.武炳焕.张文杰.LI
18、 De-gen.WU Bing-Huan.ZHANG Wen-jie 超声波检测球化率的研究与应用 -现代铸铁2010302 采用超声波穿透法对铸件进行检测耦合方法为液浸法并适当提高探测灵敏度以补偿零件与耦合液之间的衰减.选用压电晶片较大、频率为5 MHz 的纵波直探头来检测零件的球化率.金相组织分析表明:石墨的球状越好超声波的 传播速度越快.4.期刊论文 朱丹.曾效舒.ZHU Dan.ZENG Xiao-shu 铸铁件超声波检测方法的应用和发展 -现代铸铁2009295 介绍了国内外超声波检测技术在铸铁件上的应用和发展简述了利用超声波技术检测灰铸铁和球墨铸铁共晶度、抗拉强度、球化率和蠕化率的
19、方法以及铸铁件的缩孔、缩松、气孔、偏析、夹砂、裂纹等常见缺陷的区分方法.5.期刊论文 合金与熔炼.造型材料与工艺.特种铸造.设备与检测.其他. -铸造2001501 合金与熔炼0101101 铸钢年度综述.Wittekopf D.Giesserei2000874:8186德0101102 世界主要国家的铸钢件生产量.铸钢锻钢， 1999，512：73日0101103 日本铸钢生产及劳务概况.日本铸锻钢会调查部.铸钢锻钢， 1999，512：28日0101104 铸钢的特性.Foundry M amp T20001281:A24英0101105 经CrN 表面处理的H13 钢对铝合金的耐蚀性表面处理层厚度的影响.R.R.Aharonov.Al-，2000，3884：10日0101106 关于造纸业用负压轧辊铸钢材料特性的评估.野田博二铸钢锻钢，2000，513：3136日0101107 正火加热速度对20铸钢件质量的影响.M.H.-20004:910俄0101108 化学成分对45钢组织不均匀性和冷脆性的影响.B.-20004:79俄0101109 钢与合金凝固的研究.B.A.-20004:5 7俄0101110 11013钢的复合微合金化.B.-20004:1718俄0101111 铸.
