造纸烘缸球墨铸铁轴头超声波检测

党林贵，薛永盛，张海营，暴永铭

（1.河南省锅炉压力容器安全检测研究院，郑州 450016；2.北京铭诚泰达科技有限公司，北京 101125）

造纸烘缸作为典型铸铁压力容器，在造纸企业生产设备上广泛应用，随着近年来烘缸向宽幅大直径方向发展，烘缸材质也由单一灰铸铁逐步向球墨铸铁和灰铸铁共用情况变化，轴头材质采用球墨铸铁更为普遍。QB／T 2556—2008标准《造纸机械用铸铁烘缸设计规定》与QB／T 2556—2002标准相比在材质方面的重大变化就是增加了球墨铸铁材料。新标准规定灰铸铁设计压力不大于0.8MPa，球墨铸铁设计压力不大于1.1MPa，球墨铸铁烘缸外径可由3800mm扩大至4600mm。

对烘缸轴头的传统检查方法包括炉前成分检验、金相检查、机械性能测试等。因为分析和检测是用取样试块而不是用实体铸件，所以不能保证铸件在所有截面内具有给定的组织和性能。此外，这些方法是破坏性检测方法，花费时间长，劳动量大，检测效率低，检测的覆盖率和速度很难满足生产要求。

铸铁具有晶粒粗大、含碳量高、硬度高、韧性差等特点，铸铁组织和铸造缺陷是影响其性能的重要因素，也是衡量铸铁压力容器安全和可靠的基本指标。目前铸铁压力容器的无损检测技术在国内还缺少成熟的方法和完善的检测标准，因此QB／T 2556—2008与QB／T 2551—2008标准《造纸机械用铸铁烘缸技术条件》都没有提出对球墨铸铁铸件的无损检测要求。文章主要针对造纸烘缸球墨铸铁轴头进行超声波检测，并围绕工件球墨铸铁组织和内部缺陷，对其性能作出综合性的检测评价［1－3］。

1 检测对象

2011年初，某造纸机械有限公司委托笔者所在单位对该厂烘缸轴头进行超声波检测（因设备为出口产品，外商提出进行超声波检测要求），重点对轴的两个R面部位进行检测，从多起烘缸破坏事故看，此区域易发生裂纹和泄漏。

图1 烘缸轴头及缸体

图2 QT450轴

烘缸主体如图1所示，规格为φ1830mm×7350mm，转速1100m／min，工作压力0.7MPa。轴头材质为QT450，内径为110mm，R面两侧最小厚度为 80／103mm，118／210mm。内径适合伸手进去，两R面均在可探测范围之内，可以从内部检测。该轴实物如图2所示。

2 检测设备及器材

现场检测设备有DAKOTA VX超声波声速测定仪（球化率仪）、DSM－3金相显微镜、HS610e数字式探伤仪、PXUT－360测厚仪、游标卡尺及卡钳。定做了软膜纵波探头2P10N和DA2P7×18F30，如图3所示。其它器材还包括与该轴同材质的对比试块（如图4所示），不同K值斜探头等。采用机油作耦合剂。

图3 单晶、双晶纵波探头

图4 对比试块（φ3mm×20mm，φ5mm×20mm）

3 检测工艺

3.1 球化率（声速）测定

球化率是球墨铸铁铸件的重要质量指标，在球墨铸铁中，石墨球化的程度称为球化率。球墨铸铁球化率在一定范围与声速有对应关系，因此可通过测定球墨铸铁铸件声速来判定球化率状况。

球化率（声速）测定既可以预测球墨铸铁铸件的组织和性能，也是采用超声波检测铸件的前提条件。球化率的大小直接影响铸铁超声检测的结果，当球化率低于80%（厂方要求球化率不得低于80%），进一步的超声波检测已无意义。现场笔者使用DAKOTA VX球化率仪对其进行声速及球化率的测定。

按厂家要求铸铁热处理后的合格声速下限为5480m／s，每个工件至少在三个不同的部位进行球化率的检测。球化率由80%变到95%时，声速可由5480m／s变到5720m／s。

对现场14个轴进行测定，声速范围在5562～5736m／s，对应球化率在86%～97%之间，均符合质量要求。在4号和5号轴上随机取点直接抛光后进行金相分析，所得结果与球化率仪测定的球化率值基本一致，如图5所示。

3.2 厚度测定

超声检测前必须采用测厚仪配合游标卡尺及卡钳对所检测部位进行厚度标定（声速应以球化率仪为准）。现场检测中，靠近轴冒口位置壁厚值采用超声波检测结果与卡尺卡钳的测试结果相差较大，说明轴类球墨铸铁靠近冒口位置的组织不均匀。

3.3 检测方法

探伤前必须详细了解铸造工艺，确定冒口的位置，熟悉铸铁的结构，了解可能存在缺陷的多发区，明确铸件的浇铸方位，分清铸造上下面以及各部位探伤要求。以单晶纵波直探头脉冲反射法为主，用纵波双晶小角度探头检测R过渡区气孔、缩孔及夹杂等缺陷，在近表面区域选择双晶纵波直探头，有怀疑时采取斜探头进行辅助检测（45°折射角）。

对曲率大的部位，采用小尺寸探头扫查，以保证不漏检。条件合适时，采用内外表面探测。如图6所示是直探头内部检测布置图。

3.4 灵敏度调整

在铸件本体上找一处被检部位，该位置必须是被检部位的最大厚度，调整底波到满刻度的60%处，再增加ΔdB值，ΔdB值按下式计算：

图6 内部检测

式中d为空心圆柱体内径，mm；D为空心圆柱体外径，mm。检测灵敏度的设定必须考虑表面状况和铸件检测部位实际声速。

4 检测情况

对该厂14个轴进行超声波检测后，R面位置未发现缺陷波，在轴的冒口段发现部分缺陷。3号轴缺陷距外表面深度在10～40mm，缺陷最大指示长度为125mm，缺陷指示面积为5750mm2；12号轴缺陷距外表面深度在21～30mm，缺陷最大指示长度为35mm，缺陷指示面积为700mm2（图7）。

5 缺陷类型分析

根据超声检测缺陷图分析，初步定性该缺陷属于缩孔和缩松，缩孔时底波的降低明显，缺陷波高而直，有时还有二次波出现，图8所示为轴承球墨铸铁件缩松和缩孔波形图。

图7 缺陷波形及实际外观

图8 球墨铸铁缩孔和疏松波形图

缩孔和缩松在球墨铸铁件中普遍存在。能够明显看出的尺寸较大又集中的空洞叫缩孔，不易看清且细小分散的空洞叫缩松，有的缩松体积很小，呈多角形，连续有一定面积，此称显微缩松。缩孔一般发生在厚大断面最后凝固的地方，大多在铸件热节的上部。

此外铸件中常见缺陷为夹杂和气孔，夹杂一般为非金属物，界面反射低，其中有部分波透过界面，表面形成多次反射，所以夹杂的波形宽，还带有锯齿，气孔界面光滑，界面反射高，故波形陡直尖锐 铸件偏析严重，会造成声能漫散射，使声能衰减较大，底波会在荧光屏上消失，出现无底波区。

气孔属于体积状缺陷，在球墨铸铁中形成的气孔是氮气孔和皮下气孔。根据气孔出现在铸件的部位不同，可分为皮下气孔和内部气孔两类。皮下气孔往往位于铸件表面0.5～5mm范围内，多为孔径0.5～2mm的针孔，其内壁光滑，一般均匀分布在铸件上表面或远离内浇口的部位。气孔的声阻抗与铸件的声阻抗差异很大，近似于声波在缺陷表面是全反射。内部气孔有单个气孔和气孔群两种，单个气孔反射特征是一个比较尖锐，较高的反射波，当探头移动时此波很快消失。气孔群反射波特征是在一次底波前有一较高缺陷波，它的前后又有多个小缺陷反射波出现，这种情况下有时底波存在，但有时底波降低。此时因出现深度范围不同而不同，与声程、声束截面积和缺陷大小有关，缺陷大于声束截面则无底波，只有气孔群的反射波。

铸件中裂纹一般产生在铸件应力集中或几何尺寸变化较大的部位，同时裂纹属平面型缺陷，在不同的方向探测，反射波高度明显不同。在平行缺陷方向探测，反射波很低，所以利用超声波检测时应选择垂直于裂纹的方向，反射波较高，波形尖锐，波幅宽。

6 评价

综合考虑铸造压力容器的特点、球墨铸铁的质量标准以及用户提出的要求，可按下述条件对造纸烘缸球墨铸铁轴头性能作出综合性的检测评价：

（1）造纸烘缸球墨铸铁轴头应按照球化率＞80%或声速＞5480m／s验收。

（2）不允许有裂纹缺陷存在。

（3）应对缩孔、缩松、气孔、夹渣等缺陷进行尺寸确定，并做好详细的记录，缺陷按双方协商的标准进行评定，不允许有影响使用的缺陷存在。

7 小结

（1）用超声声速法测定球墨铸铁的球化级别是一种可靠的无损检测方法，它可准确、迅速地确定铸件质量。试验所获得的数据证实，超声波测量的声速数值可判定铸铁的组织和性能，因此可以用超声波检测作为判定球墨铸铁质量的一种方法。

（2）进行超声波检测时，对发现缺陷位置应测试其声速，以修正被检部位与对比试块之间的灵敏度及声程差异，同时采用衰减法测试缺陷面积。

（3）轴的壁厚测试在球化率仪的基础上采用超声波测厚仪测试，否则由于声速差异将造成测试结果误差偏大，同时可采用卡尺和卡钳进行辅助测试。

（4）铸铁承压设备的无损检测技术在国内还没有成熟的方法和检测标准，企业只能靠企业标准或相关工艺来检测和验收，因此需要做进一步的试验研究。通过积累与分析实测数据，来探讨和完善评价与验收条件。条件允许时可采用相控阵对其进行检测，将被检件内部缺陷的位置、大小、形状及测量的相关数据在荧光屏上准确显示，提升检测的准确性，使超声波检测技术在铸铁压力容器质量检测和控制中得到更广泛的应用。

［1］李德根.超声波检测球化率的研究与应用［J］.现代铸铁，2010（2）：74－78.

［2］彭建中，刘玲霞.大型风电球墨铸铁件的超声波检测技术［J］.无损检测，2010，32（7）：539－542.

［3］周长辉.球墨铸铁回转头座的超声波检测［J］.无损探伤，2006（2）：6－9.