USM35XS風(fēng)力發(fā)電機(jī)組球墨鑄鐵件超聲波無(wú)損檢測(cè)

我國(guó)從2005年開(kāi)始大規(guī)模發(fā)展風(fēng)電，風(fēng)電設(shè)備自主化程度也越來(lái)越高。鑄件在風(fēng)電領(lǐng)域應(yīng)用較廣泛，風(fēng)電機(jī)組用鑄件主要有輪轂、底座(機(jī)艙座)、軸、 軸承座、齒輪箱箱體等。風(fēng)電鑄件材料主要采用球墨鑄鐵，球墨鑄鐵由于碳以球狀存在于鑄鐵基體中，改善了對(duì)基體的割裂作用，使得其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、塑 性、沖擊韌性大大提高，并具有耐磨、減震、工藝性能好、成本低等優(yōu)點(diǎn)^[1]。對(duì)于風(fēng)電機(jī)組球墨鑄件的無(wú)損檢測(cè)手段主要有超聲波檢測(cè) 和磁粉檢測(cè)，其中超聲波檢測(cè)主要檢測(cè)鑄件內(nèi)部缺陷應(yīng)用較為廣泛。國(guó)外的風(fēng)電制造企業(yè)例如Gamesa等在無(wú)損檢測(cè)企業(yè)規(guī)范中對(duì)于球墨鑄鐵的檢測(cè)都有嚴(yán)格的 規(guī)定，國(guó)內(nèi)的風(fēng)電企業(yè)很多參照EN12680歐洲標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)球墨鑄鐵。隨著風(fēng)電行業(yè)對(duì)質(zhì)量重視程度的提高，風(fēng)力發(fā)電機(jī)組球墨鑄鐵的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也于2009年頒 布實(shí)施。

本文先介紹球墨鑄鐵超聲波檢測(cè)的特點(diǎn)、然后介紹國(guó)外風(fēng)電企業(yè)球墨鑄鐵超聲波檢測(cè)的要求關(guān)鍵要點(diǎn)，*后介紹風(fēng)電機(jī)組中典型球墨鑄鐵結(jié)構(gòu)的超聲波檢測(cè)。 

一 球墨鑄鐵超聲波檢測(cè)的特點(diǎn) 

球墨鑄鐵中的缺陷主要有疏松、縮松、縮孔、夾渣及夾雜物、裂紋、砂眼、氣孔。

球墨鑄鐵探傷的主要特點(diǎn)有三點(diǎn):

1.透聲性差

球墨鑄鐵的主要特點(diǎn)是組織不致密，不均勻和晶粒粗大，使超聲波散射衰減和吸收衰減明顯增加，透聲性差。

2.聲耦合差

球墨鑄鐵表面粗糙，聲耦合差，探傷靈敏度低，且探頭磨損嚴(yán)重。

3.干擾雜波多

球墨鑄鐵探傷干擾雜波多，一是由于粗晶和組織不均勻性收起的散亂反射，形成草狀回波，使信噪比下降，特別是頻率較高時(shí)尤為嚴(yán)重，二是球墨鑄鐵形狀復(fù)雜，一些輪廓回波和遲到變形波引起的非缺陷信號(hào)多，此外鑄件表面粗糙表面也會(huì)產(chǎn)生一些反射回波，干擾對(duì)缺陷波的正確判定。

球墨鑄鐵超聲波檢測(cè)一般采用縱波脈沖反射法，由于球墨鑄鐵的超聲衰減較大宜采用穿透能力較強(qiáng)的設(shè)備，例如設(shè)備的激發(fā)電壓較高、同時(shí)支持方波激勵(lì)；檢測(cè)頻率不宜過(guò)高，一般為2MHz~2.25MHz。

球墨鑄鐵超聲波檢測(cè)時(shí)要注意因鑄件結(jié)構(gòu)形狀影響底波的現(xiàn)象；要注意因檢測(cè)面為曲面而需要的增益補(bǔ)償；對(duì)于位于鑄件表面以下3~4mm之內(nèi)的表層缺 陷，即使采用表面檢測(cè)手段例如磁粉或渦流檢測(cè)也能以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)的單晶直探頭也可能位于其盲區(qū)之內(nèi)，故宜采用單晶探頭斜射檢測(cè)或者采用雙晶直探頭或者斜探頭 檢測(cè)解決該問(wèn)題。

二 國(guó)外風(fēng)力發(fā)電企業(yè)對(duì)球墨鑄鐵檢測(cè)要求 

國(guó)外風(fēng)電企業(yè)關(guān)于球墨鑄鐵的檢測(cè)一般采用EN12680-3，3級(jí)合格，但有很多公司認(rèn)為該標(biāo)準(zhǔn)較松，所以各企業(yè)根據(jù)EN標(biāo)準(zhǔn)編寫(xiě)了適合本公司的更 為嚴(yán)格的檢驗(yàn)及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn).如*的風(fēng)電生產(chǎn)制造商Vestas，Gamesa等企業(yè)，他們都分別有自己的無(wú)損檢測(cè)規(guī)范，其中對(duì)探頭和儀器及檢測(cè)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)都 有明確的規(guī)定。

1、超聲波探傷儀

現(xiàn)在風(fēng)電企業(yè)普遍采用美國(guó)GE公司的USM35X-S  A型顯示脈沖數(shù)字式超聲波探傷儀。

2、超聲波探頭

鑄件探傷一般以縱波直探頭和縱波雙晶探頭，由于鑄件晶粒比較粗大，衰減嚴(yán)重，宜選用較低的頻率，一般為0.5″2.5 MHz，探頭直徑一般為10mm~30m。

在風(fēng)電企業(yè)一般采用GE公司生產(chǎn)的B1S和B2S帶軟保護(hù)膜的單晶縱波直探頭和SEB2，SEB2-0，MSEB2和MSEB4。

3、耦合劑

鑄件探傷時(shí)，常用粘度較大的耦合劑，一般采用化學(xué)漿糊，甘油等。

4、檢測(cè)靈敏度調(diào)整

靈敏度調(diào)整有計(jì)算法以及DGS圖法。

計(jì)算法 

在鑄件上厚度*厚的地方找一位置，檢測(cè)表面與底面平行，調(diào)整底波，使波高達(dá)到熒屏滿刻度的50%或80%，依檢驗(yàn)者的習(xí)慣，再調(diào)節(jié)增益，增加下面公式計(jì)算出來(lái)的數(shù):

△dB=20log(2λx/ πD_f²)

式中: x—工件橫截面厚度，mm

λ—波長(zhǎng)，mm

D_f—平底孔直徑，mm

 

通過(guò)查探頭DGS圖法 

GE公司的探頭，每一個(gè)探頭在出廠前都由廠商技術(shù)人員進(jìn)行測(cè)試，制作出每一個(gè)探頭的DGS曲線，例如雙晶直探頭MSEB2(E)，探頭編號(hào)為:57461，其測(cè)試圖如圖1所示。實(shí)際檢測(cè)時(shí)，根據(jù)每個(gè)探頭的DGS曲線，查找需要增加的dB 數(shù)。

 

 

如果檢測(cè)鑄件的厚度是100mm，在鑄件表面調(diào)節(jié)底波，使波高達(dá)到50%， 要求工件中缺陷當(dāng)量大小不超過(guò)φ3，通過(guò)查DGS曲線，可知△dB為27dB。

利用儀器制作DGS曲線

GE公司生產(chǎn)USM35 非常先進(jìn)，可以根據(jù)不同的工件制作不同的DGS曲線，可以更貼近工件的狀態(tài)，檢驗(yàn)靈敏度更高。

這種方法非常先進(jìn)和方便，檢測(cè)者只要在工件上做好DGS曲線，只要發(fā)現(xiàn)了缺陷，就可以很直觀地知道缺陷的當(dāng)量尺寸大小。

5、檢測(cè)缺陷的記錄及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn) 

依照?qǐng)D2所示對(duì)需超聲波檢查的組件進(jìn)行區(qū)域劃分。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)區(qū)域1和區(qū)域2的驗(yàn)收等級(jí)是不同的。

圖2區(qū)域類型及分類

A.根據(jù)表1記錄缺陷。該記錄的缺陷為：

l  反射波高度超過(guò)表1記錄標(biāo)準(zhǔn)的缺陷。

l  超過(guò)表1中底面回波高度降低量標(biāo)準(zhǔn)的底面回波降低的缺陷，注意這種底面回波降低不能是由幾何形狀或耦合引起的。

B.缺陷的大小由下述方法決定：

n  dB中紀(jì)錄標(biāo)準(zhǔn)之上的*大回波高度或底面回波*大降低值都應(yīng)該被測(cè)量和記錄。

n  在相關(guān)的記錄標(biāo)準(zhǔn)下，缺陷的范圍應(yīng)該用6dB法來(lái)決定。

C.缺陷大小修正：

假如缺陷的大小比聲束的直徑小應(yīng)該被降低，允許降低值已經(jīng)在表2中給出。

D.缺陷評(píng)估，表1中有三種缺陷類型：

類型一，非測(cè)量性延伸缺陷

非測(cè)量性延伸缺陷的反射波實(shí)際的超聲波波程長(zhǎng)度比超聲波束的直徑小(見(jiàn)圖3)。這類缺陷的大小不用報(bào)告，依照表1的參考標(biāo)準(zhǔn)（以平底孔為參考）和深度延伸進(jìn)行評(píng)估。

類型二，測(cè)量性延伸缺陷：

測(cè)量性延伸缺陷的反射波實(shí)際聲波波程長(zhǎng)度比聲波束的直徑大。次類缺陷的大小應(yīng)該報(bào)告，并且應(yīng)該通過(guò)探測(cè)兩側(cè)表面超出了實(shí)際區(qū)域和壁厚規(guī)定的參考標(biāo)準(zhǔn)(以平底孔為參考)的點(diǎn)來(lái)決定這些缺陷的深度延伸。缺陷應(yīng)依照表1中的參考標(biāo)準(zhǔn)、區(qū)域及深度延伸。

類型三，底面回波降低

超過(guò)的區(qū)域和壁厚規(guī)定的記錄水平的底面回波降低。此類缺陷根據(jù)表1進(jìn)行評(píng)估，評(píng)估是在缺陷的范圍在表面上的投影被確定后進(jìn)行，投影的邊界點(diǎn)是底面回 波相對(duì)于記錄標(biāo)準(zhǔn)降低了6dB的點(diǎn)。在測(cè)試區(qū)域的底面回波降低應(yīng)該不需要深度延伸的確定就可以驗(yàn)收通過(guò)，在測(cè)試區(qū)域降低應(yīng)該小于記錄水平+6dB。當(dāng)?shù)酌?回波降低量大于記錄標(biāo)準(zhǔn)6dB時(shí)定義為底面回波全部消失。

 

表1: 球墨鑄鐵的UT記錄和驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)

(1) 如果缺陷有深度延伸，那么必須按照區(qū)域的深度延伸規(guī)則進(jìn)行評(píng)估。

(2) 底面回波的全部損失=記錄標(biāo)準(zhǔn)＋6dB。

(3) 缺陷的掃描表面上的*大允許長(zhǎng)度等于實(shí)際斷面T。如果兩個(gè)相鄰缺陷之間的距離小于它們兩者之中*大的一個(gè)尺寸，那么它們可以認(rèn)為是一個(gè)缺陷。

(4) 通過(guò)區(qū)域2中的底面回波的全部損失得到的深度延伸應(yīng)該利用對(duì)兩側(cè)表面上點(diǎn)的探測(cè)來(lái)確定，在這些表面上，就區(qū)域1內(nèi)反射器而言，能夠發(fā)現(xiàn)一個(gè)超過(guò)記錄標(biāo)準(zhǔn)的 直接反射波。接著應(yīng)該依據(jù)就缺陷的深度延伸而言的規(guī)則，對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)估。覆蓋區(qū)域1和區(qū)域2的缺陷應(yīng)該具有一個(gè)實(shí)際斷面T的*大的總深度延伸，并且區(qū)域1 的深度延伸應(yīng)至多為實(shí)際斷面T 的10%。對(duì)于在區(qū)域1內(nèi)缺陷的*大區(qū)域來(lái)說(shuō)的規(guī)則應(yīng)該被考慮。

如果一個(gè)缺陷的*大長(zhǎng)度小于實(shí)際斷面T，那么區(qū)域2 的*大深度延伸可以被增加到30%。

(5) 在區(qū)域2 內(nèi)，記錄標(biāo)準(zhǔn)和記錄標(biāo)準(zhǔn)+6dB之間的底面回波降低可以驗(yàn)收通過(guò)而不必測(cè)量。

 

表2. 聲波束直徑的補(bǔ)償

超聲波路徑(mm)(1)	超聲波波束直徑 SEB2(mm)	超聲波波束直徑MSEB2(mm)	超聲波波束直徑 B2S(mm)
<20	15	5	-
20-60	15	15	-
60-120	20	20	12

(1)  超聲波路徑被定為從掃描表面到缺陷之間距離的兩倍

 

非測(cè)量性延伸缺陷                     測(cè)量性延伸缺陷

三 風(fēng)力發(fā)電機(jī)組球墨鑄鐵典型結(jié)構(gòu)超聲波檢測(cè)

輪轂檢測(cè)。輪轂屬于大型球形殼體類鑄件，壁厚一般為60mm~150mm范圍內(nèi)，不允許存在超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的縮孔、縮松、氣孔、夾渣以及表面裂紋等鑄 造缺陷。輪轂鑄造成型后需要進(jìn)行精加工及組裝，如果在精加工前或者在組裝過(guò)程中發(fā)現(xiàn)缺陷那么將無(wú)法返修，所以需要在精加工前對(duì)輪轂進(jìn)行超聲波檢測(cè)。

 

軸承座檢測(cè)。軸承座承受較高的載荷，對(duì)質(zhì)量要求較高，需要進(jìn)行檢測(cè)。

 

軸套檢測(cè)。國(guó)內(nèi)風(fēng)電企業(yè)出現(xiàn)過(guò)軸套斷裂的事故，所以部分風(fēng)電企業(yè)在安裝前對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。軸套檢測(cè)一般從軸的兩端以及軸的圓周進(jìn)行檢測(cè)。

 

 

四 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)外風(fēng)電企業(yè)對(duì)球墨鑄鐵超聲波探頭的介紹，希望對(duì)國(guó)內(nèi)的風(fēng)電企業(yè)有借鑒和學(xué)習(xí)的意義。隨著風(fēng)電行業(yè)球墨鑄鐵檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)的制定與實(shí)施，必將對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組球墨鑄鐵的質(zhì)量控制將有重大意義，有利于整個(gè)產(chǎn)業(yè)與國(guó)際接軌。