1、鑄件的基本情況介紹

   某公司生產(chǎn)的1000MW機(jī)組中壓外缸是國產(chǎn)第一次制造的大型球鐵鑄件。鑄件參數(shù)為重量43380kg，外型尺寸為6075mm（長）×4200mm（寬）×2090mm（高），材質(zhì)為EN-GJS-400-18U-RT（GGG40.3），工作溫度為280℃左右，探傷標(biāo)準(zhǔn)PA11.70，實(shí)物外形見圖1。

            （a）上半部                          

（b）下半部

                             圖1  中壓外缸的外形

2、球墨鑄鐵超聲波探傷的特點(diǎn)

   鑄件因表面粗糙，晶粒粗大，組織不均勻，造成晶界面散射強(qiáng)烈，容易發(fā)生散亂反射，產(chǎn)生林狀或草狀回波，超聲波傳播時衰減大，穿透力差。球墨鑄鐵中的石墨形態(tài)對超聲波的穿透力影響較大，片狀石墨的超聲波穿透性能差，而球化良好的球狀石墨的超聲穿透性能好。一般使用2MHz的探頭檢查球墨鑄鐵，不能滿足時也可使用1MHz探頭輔助檢查，但有一定的條件限制。

    鑄造常見的缺陷主要有氣孔、縮孔、疏松、冷隔、裂紋和夾渣等，而球鐵中除了以上的缺陷外，還有一種典型的缺陷就是浮渣。

（1）氣孔    是金屬凝固過程中未能逸出的氣體留在金屬內(nèi)部形成的小空洞，其內(nèi)壁光滑，內(nèi)含氣體，對超聲波具有較高的反射率，但是又因?yàn)槠浠旧铣蕡A形或橢圓形狀，也因?yàn)辄c(diǎn)狀缺陷，會影響其反射波幅。通常氣孔不單獨(dú)存在，往往成群聚集。超聲波檢查時的波形常為可分辨的柱狀回波，當(dāng)氣孔嚴(yán)重聚集在一起時，波形為不可分辨的回波。

（2）縮孔與疏松    鑄件或鋼錠冷卻凝固時，體積要收縮，在最后凝固的部分因?yàn)榈貌坏揭簯B(tài)金屬的補(bǔ)充，會形成空洞狀的缺陷。大而集中的空洞稱為縮孔，細(xì)小而分散的空隙則稱為疏松，一般位于鋼錠或鑄件中心最后凝固的部分。其內(nèi)壁粗糙。周圍多伴有許多雜質(zhì)和細(xì)小的氣孔。由于熱脹冷縮的規(guī)律，縮孔是必然存在的，當(dāng)其延伸到鑄件或鋼錠本體時就成為缺陷。其表面粗糙，聲阻抗大，反射波形低，呈鋸齒形，根部較寬。有時呈草狀或林狀，底波很低或完全消失。

（3）冷隔    鑄件中特有的一種分層性缺陷，主要與鑄件的澆鑄工藝設(shè)計(jì)有關(guān)，它是在澆注液態(tài)金屬時，由于飛濺、翻狼、澆注中斷，或者來自不同方向的兩股（或多股）金屬流相遇等原因，因?yàn)橐簯B(tài)金屬表面冷卻形成的半固態(tài)薄膜留在鑄件本體內(nèi)而形成一種隔膜狀的面積型缺陷。冷隔往往肉眼就可以發(fā)現(xiàn)。

（4）裂紋    由于鑄件在澆鑄成型的過程中，存在液態(tài)收縮、凝固收縮和固態(tài)收縮等多個過程，當(dāng)收縮受到阻礙會產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力造成收縮裂紋。產(chǎn)生收縮裂紋的位置，多發(fā)生在截面變化處。裂紋屬平面性缺陷，當(dāng)裂紋與聲波方向垂直時，反射波很高，有時可以得到多次反射。而當(dāng)裂紋呈傾斜性時，反射波高度明顯不同，當(dāng)裂紋與聲波傳播方向平行時，往往會檢測不到。裂縫的超聲波檢查通常使用斜探頭，對于表面裂縫的檢查雙晶斜探頭是不錯的選擇。

（5）夾渣    熔煉過程中的熔渣或熔爐爐體上的耐火材料剝落進(jìn)入液態(tài)金屬中，在澆注時被卷入鑄件或鋼錠本體內(nèi)，就形成了夾渣缺陷。夾渣有單個，條狀，也會有密集，呈密集狀態(tài)時會在不同深度上分散存在，類似體積型缺陷然而又往往有一定長度。

（6）浮渣    在澆注過程中，氧化夾雜物/氧化產(chǎn)物不可能全部從冒口浮出，在工件上的表面凝固形成機(jī)體的一部分而減少了工件正常組織厚度的一種缺陷。浮渣一般在工件表面的一側(cè)（圖2）。缺陷波位置接近底波，嚴(yán)重時使底波降低或消失。

      （a）上半背部肉眼可見的浮渣              

（b）下半側(cè)面浮渣位置

                                圖2  浮渣缺陷

3、超聲波檢查過程

3.1  工件的表面狀態(tài)要求

     被檢表面應(yīng)作噴丸或打磨處理，使檢驗(yàn)表面無任何可能影響超聲波探傷的氧化皮，銹蝕、粘砂、切割殘留物、冒口和凹坑等。其粗糙度要達(dá)到有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定、

3.2  超聲可探性的測試

球鐵件的機(jī)械性能應(yīng)達(dá)到規(guī)定要求，如石墨球化不好，則粗大的石墨和基體結(jié)構(gòu)就會作為聲散射源而產(chǎn)生散射，加劇聲傳播過程中的衰減并大大增加了結(jié)構(gòu)噪聲，使靈敏度降低，穿透距離減少，甚至造成不可檢，故在超聲波探傷前需進(jìn)行可檢測性評價，其要求如表1，另外還需測量并記錄斷面收縮率。

注：1）如法蘭連接區(qū)。

下列步驟可測定最小可檢測尺寸（引用PA11.60）：

（1）    在工件上調(diào)節(jié)底面回波為40%屏高。

（2）提高回波幅度，使噪聲信號達(dá)20%屏高。

（3）按相應(yīng)的最大聲程，從DGS圖表中確定等效缺陷尺寸。從

圖表中可得，當(dāng)鑄件厚度＜20mm時，最小檢測靈敏度為Φ3mm平底孔，當(dāng)20mm≤T≤100mm時為Φ5mm平底孔，當(dāng)100mm≤T≤250mm時為Φ8mm平底孔，當(dāng)T＞250mm時為Φ10mm平底孔。

     在設(shè)置檢測系統(tǒng)靈敏度時，如不能得此最小檢測靈敏度，則能測得的最小可檢尺寸應(yīng)在報告中注明。此套氣缸最小檢測檢測靈敏度能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3  球墨鑄鐵的聲速測量

     超聲波的傳播速度與介質(zhì)的的性質(zhì)有關(guān)（如彈性模量、密度、泊松比），不同的物質(zhì)不同的組織結(jié)構(gòu)有各自固定的傳播速度，石墨球化程度的不同會導(dǎo)致超聲傳播速度不同，足夠的球化率可通過測量球墨鑄鐵的聲速來驗(yàn)證^【1】。有資料表明^【2】，聲速5500m/s相當(dāng)于球化級別三級）。聲速的測試可以采用下列步驟：

     （1）在CSK-ⅠA型試塊上校準(zhǔn)設(shè)備，調(diào)出相應(yīng)的水平距離，并設(shè)定該試塊縱波聲速為5920m/s。

      （2）用機(jī)械法測量鑄件截面厚度（T₁），用超聲波反射法測量出的鑄件截面厚度（T₂）。, , , ,

      （3）球鐵聲速計(jì)算公式

        按上述方法測出該球鐵件聲速在5600m/s左右。

3.4  探傷方法的選擇

     以直探頭縱波脈沖反射法為主，對近表面的探傷選用雙晶縱波探頭，必要時斜探頭也可作為輔助檢測（一般選用25°—70°折射角）。

3.5  探測條件

     （1）超聲波檢測設(shè)備選用信噪比較高的儀器，如USD10，USIP11或HS-616E等數(shù)字式儀器。

     （2）探頭：由于鑄件截面厚度大，超聲波傳播距離遠(yuǎn)，為改善聲束的指向性，盡量減少擴(kuò)散衰減，使聲束能盡量穿透足夠的距離，應(yīng)選用大直徑，適當(dāng)頻率的探頭，但實(shí)際上還應(yīng)根據(jù)鑄件的幾何形狀挑選探頭的尺寸和頻率。常用單晶探頭為B2S和MB2S，雙晶探頭為SEB2，斜探頭MWB45-2。

3.6  探傷靈敏度及標(biāo)準(zhǔn)

     檢測時以能達(dá)到最低檢敏度為探傷靈敏度。對遠(yuǎn)場區(qū)在實(shí)物上用DGS圖表方法確定增益值，以進(jìn)行靈敏度校準(zhǔn)（圖3），對近表面檢測可使用同材料的K1試塊中的25mm厚度來校準(zhǔn)靈敏度（圖4），也可使用一個同材料的階梯試塊來校準(zhǔn)。掃查時其靈敏度可以再增加一定的增益值直至出現(xiàn)不影響正常信號辨認(rèn)的電子和結(jié)構(gòu)噪聲為止，一般噪聲的高度為10%屏高，但如果以規(guī)定的探測靈敏度探測時噪聲較高也可以采用分層探測法，以保證有一定的信噪比。當(dāng)然還要考慮表面補(bǔ)償，視情況加2—4dB，當(dāng)使用頻率較高的探頭時還要檢查材料的聲衰減。

      如探測300mm的工件，使用工件校準(zhǔn)Φ3mm缺陷不漏檢，從圖3中可以查出需增加36 dB（未考慮其它因素）。

     如探測30mm近表面，2mm缺陷不漏檢，在25mm厚度上調(diào)整，從圖4中可得出需 25 dB（未考慮其它因素）。

圖3  遠(yuǎn)場區(qū)的靈敏度校正                     圖4  近表面檢測的靈敏度校正

3.7  探測方向的選擇

     球墨鑄鐵的缺陷形態(tài)與一般鑄鐵有一定的差別，探傷前應(yīng)對球鐵件的鑄造工藝有一個大概的了解，確定冒口的位置，熟悉鑄件的結(jié)構(gòu)，了解可能存在的缺陷多發(fā)區(qū)，分清鑄件的澆注方位，另外要知道不同區(qū)域的各自探傷等級要求，對等級要求高的部位，盡可能在各個方向進(jìn)行掃查。掃查速度≤150mm/s，掃查時聲束要覆蓋，以保證缺陷不漏檢。

3.8  對不連續(xù)尺寸的確定

在確定不連續(xù)尺寸時，盡可能使用小聲束直徑的探頭^【3】，特別是對與探測方向不平行的反射體。如反射體實(shí)際延伸長度比在反射深度處的聲束直徑（-6 dB）小，則反射體為不可測量延伸長度的反射體，其大小可以用試塊比較或用AVG計(jì)算（按當(dāng)量），反之，反射體為可測量延伸長度的反射體，則能測出反射體的深度與長度或面積（按長度或面積），探頭聲束直徑Φ可以查專用圖表或由下列近似公式計(jì)算：

式中λ=C/f；C為聲速；f為頻率；D為探頭晶片直徑；S為聲程。

3.9  浮渣厚度和面積的測量

     球墨鑄鐵檢查時容易發(fā)現(xiàn)浮渣，測定浮渣厚度時，在發(fā)現(xiàn)底波下降超過規(guī)定值的區(qū)域，用超聲波從鑄件的另一面（浮渣表面的相對面）檢查不連續(xù)處時，得到的比噪聲水平高6 dB的第一次回波以內(nèi)的厚度即為剩余的正常部分厚度。然后將壁厚減去這部分厚度就可以得到浮渣厚度，根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)中的要求并考慮機(jī)加工余量判斷浮渣是否合格。

     浮渣面積的測量，根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定一般考核底波下降值來測定面積。

4、超聲波探測結(jié)果

該球鐵件的鑄造工藝方法是中分面朝下管口向上。夾雜、氣體等缺陷容易向上浮起，故中分面上沒有發(fā)現(xiàn)缺陷信號，缺陷大部分出現(xiàn)在管口上。圖5是外徑Φ1080mm的管口，缺陷性質(zhì)為疏松，此處為冒口下部，該管口有三個冒口，三處缺陷部位均出現(xiàn)在冒口下。1號缺陷最大，在外圓探測時底波明顯消失（圖6、7）。2號，3號缺陷面積次之，從探傷情況看，缺陷由管口端部朝下逐漸減少。目前的加工尺寸，最高部位（內(nèi)圓止口處）有近10mm加工量。

                     圖5  φ1080mm管口上的缺陷位置                           

 圖6  1號缺陷深度

圖7  打孔至42mm時暴露在孔壁上的1號缺陷

4.1  發(fā)現(xiàn)的缺陷情況

     用B2S探頭發(fā)現(xiàn)1號缺陷尺寸為320mm（周向）×150mm（深度），其距邊緣80mm，深度≤80mm，Φ3.5mm≤缺陷當(dāng)量尺寸≤Φ4mm。

     缺陷區(qū)域?yàn)榫嗤鈧?cè)55—120mm，覆蓋二個螺栓孔，最大缺陷在一螺栓孔或接近螺栓孔內(nèi)。

5、對缺陷的處理意見

   對缺陷可挖除后進(jìn)行焊補(bǔ)，也可在螺栓連接處盡量將缺陷去除掉，用與本體同牌號材料（無缺陷材料）加工一個帶有內(nèi)螺紋的襯套，保證與螺紋相配處的內(nèi)孔無缺陷。

經(jīng)對產(chǎn)品缺陷分析認(rèn)為，由于鑄鐵件的可焊性差，且焊接周期長。可優(yōu)先選取鑲套的方案。根據(jù)目前超聲波探傷判定缺陷結(jié)果，首先確認(rèn)螺紋及鉆孔尺寸，在鑲套孔中心位置鉆孔。

（1）采用鑲套方案是根據(jù)目前對缸體超聲波粗探中出現(xiàn)的缺陷判定結(jié)果而制定的，而缸體按交貨尺寸還有加工余量，所以缺陷的大小只是相對正確，為保證對缺陷更準(zhǔn)確的定位，因此需要在進(jìn)一步的加工過程中，分步驟精確判定缺陷的大小和狀態(tài)，便于考慮處理方案。

（2）根據(jù)目前探傷的結(jié)果，對缺陷部位開孔鑲套建議采用尺寸M72，深100mm的襯套，因?yàn)椴捎贸叽?/span>M84，深140mm的襯套，雖然接觸區(qū)域增大，即受力區(qū)域增加，但內(nèi)壁減薄，對使用同樣不利，所以若采用鑲套的方案，建議孔為M72，如果M72還不能保證受力區(qū)域（如果缺陷還存在很多），則也不可以加大鉆孔，要商量焊接方案。

（3）鑲套用的棒料，要與本體材料一致，并進(jìn)行超聲波探傷檢驗(yàn)，保證棒料無缺陷。1號、2號、3號缺陷大小各不相同，鑲套開孔尺寸要根據(jù)鉆孔后檢驗(yàn)缺陷的實(shí)際情況，如先打Φ42mm（圖7），再確定各自部位的實(shí)際尺寸。比如1號缺陷區(qū)域開孔尺寸最大，2號和3號缺陷應(yīng)視情況而定。

（4）在鉆孔之前要測量抽汽口處內(nèi)部尺寸，以及法蘭高度，根據(jù)實(shí)際尺寸再開始實(shí)施鑲套鉆孔方案。鑲套棒與基體間的管口平面處，套完之后要進(jìn)行焊接，焊接區(qū)域要做超聲波及表面檢查，開坡口深度要保證精加工后套與基體間無縫隙。

6、結(jié)語

    超臨界1000MW機(jī)組中壓內(nèi)缸以前全靠進(jìn)口，現(xiàn)已逐步實(shí)行國產(chǎn)化，通過第一套汽缸按照西門子的方法與標(biāo)準(zhǔn)對其內(nèi)在質(zhì)量進(jìn)行評定，比較完整地掌握了西門子的超聲波檢驗(yàn)員標(biāo)準(zhǔn)和操作方法，在實(shí)際產(chǎn)品的檢測中取得了一定的成果。也為今后球鐵件的鑄造工藝改進(jìn)、探傷操作和處理缺陷方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。