大型风电球墨铸铁件的超声波检测技术

实践经验2010年第32卷第7期大型风电球墨铸铁件的超声波检测技术彭建中,刘玲霞(中国兵器科学研究院宁波分院,宁波 315103)摘 要:针对厚大截面球墨铸铁件的特点,采用双晶探头、单晶探头纵波和仪器自有功能绘制DGS 曲线的方法,可有效地检测出大型风电机组用厚大截面球墨铸铁轮毂中的常见缺陷。

通过球墨铸铁轮毂的超声波检测实践,制定出了一套球墨铸铁件内部缺陷定量和定性的判断方法,检测准确率较高。

关键词:球墨铸铁;轮毂;超声波检测;缺陷中图分类号:T G 115.28 文献标志码:B 文章编号:10006656(2010)07 0539 04Ultrasonic Testing Technology of Large Scale Wind Power Nodular Cast Iron CastingPENG Jian Zhong,LIU ling Xia(N ingbo Branch o f China A cademy of O rdnance Science,N ingbo 315103,China)Abstract:A s to the char acter istics of the thick sectio n of nodular cast iro n w heel hubs,the double cr ystal sensor and single cr ystal long itudinal wav e sensor and self pr ov ided DGS cur ve draw ing instrument wer e used to detect defects in no dular cast ir on wheel hubs fo r L arg e scale Wind Pow er g ener atio n.T he detecting met ho d o f the determ inat ion of the defect quantity and natur e w ithin the no dular cast iron w as designed by ult rasonic detectio n pr act ice.T he det ection was hig h effectiv e.Keywords:No dular cast iro n;Wheel hub;U lt rasonic testing;Defect风能是最有前途的可再生的清洁能源,世界发达国家有十几年的成功应用,各国相继投巨资发展风电产业。

我国也在大力发展风电,截止2007年底,我国已建成风力发电场158个,累计安装风电机组6469台,与2000年相比增长147.1%[1]。

现在发展兆瓦(M W )级风力发电机,单台功率为1~3M W,质量在3~15t 之间。

大型风力发电机组主要部件有轮毂、底座、轴承座和齿轮箱箱体等,这些铸件所用材质均为球墨铸铁。

风电铸件工作环境恶劣,零件安装在几十米甚至百米的高空,在-20~-40 低温环境下运行的部件必须保证20年不更换,可靠性要求极高,如铸件质量发生失效,损失巨大。

因此,对铸件的质量要求较高,要求对球墨铸铁件进行严格的超声波检测收稿日期:2009 08 03作者简介:彭建中(1955-),男,工程师,主要从事大型结构件无损检测技术的开发及应用研究。

和磁粉检测,如在铸件中检出有超标缺陷则必须报废,不可补焊。

兆瓦级风力发电机的轮毂是风电设备的关键部件,已成为现代发电机制造的核心技术之一。

目前国内对风电球墨铸铁件还没有相关的超声波检测标准、试块及规定的技术方法。

笔者参照欧洲EN 12680.3 2003!球墨铸铁件的超声波检测∀标准[2],自行设计了对比试块,并通过选用不同规格的探头,进行了对比试验和实际检测。

通过反复摸索和实践,提出了适合球墨铸铁件的探伤灵敏度和技术条件,总结出了一套行之有效的超声波检测方法。

1 试验仪器和器材(1)超声波检测仪选用美国GE 公司旗下德国K #K 公司生产U SM 35X S 型A 型显示脉冲反射数字式超声波探伤仪。

5392010年第32卷第7期(2)探头∃德国K #K 公司生产的B1S 和B2S 带软保护膜的直探头。

%德国K #K 公司生产的双晶纵探头,频率为2~4MH z 。

探头型号SEB2,SEB2 0&,MSEB2和M SEB4。

(3)试块依据EN 12680标准设计试块,试块的尺寸见图1,试块的材质为EN GJS 400 18U LT (相当于GB/T 1348 2009标准中的Q T 400 18L),平底孔直径分别为 3m m 和 5m m,平底孔长度20m m 。

根据球墨铸铁件应用质量要求和球墨铸铁件横截面壁厚,选择不同孔径的对比试块来校准检测系统灵敏度和探伤范围等。

采用直探头检测球墨铸铁轮毂适应性的具体要求见表1。

图1 对比试块表1 超声波检测适应性的要求铸件探伤区域的壁厚/mm 需探的最小平底孔直径/mm铸件探伤区域的壁厚/mm 需探的最小平底孔直径/mm>10~20 3.0>100~2508.0>20~1005.0>250~50010.0(4)耦合剂对于铸件,无腐蚀、经济和透声性能好的化学浆糊或类似物质都可作为耦合剂。

2 检测方法2.1 方法确定先用磁粉检测法检测轮毂全部内外表面,再进行超声波检测。

超声检测时,首先,对球铁件进行声速的测量,选择两个有代表性的部位或客户指定的部位进行声速测量。

要求被测部位两个面要相互平行,所测得的声速值是全部被测壁厚的平均值。

超声波声速能反映球墨铸铁件由外到内的球化状况,石墨球的大小、形状分布及球化率的高低与声速大小成正比,球化率越高超声波速度也越高,而且一定程度也间接反映球墨铸铁的力学性能。

对于球墨铸铁轮毂,声速必须控制在5500~5700m/s 之间。

2.2 检测灵敏度调整(1)计算法在铸件本体上找一处要检的部位,该位置是要探测的最大横截面厚度,且两个面互相平行。

调整底波使其达到荧屏满刻度的50%高度,再增加 dB 值, dB 值按下式计算:dB =20log 2X !D f 2(1)式中 X 工件横截面厚度,m m;波长,mm ;D f 平底孔直径,m m 。

(2)查DGS 图法每一型号探头的DGS 曲线图都不一样,实际检测用的探头型号必须与相应探头的DGS 曲线图对应,不能有误。

如型号SEB2 0&探头的DGS 曲线图见图2。

可通过查DGS 曲线图,求出需增加的增益量 dB,探头放置在铸件一处互相平行的位置上,然后调整仪器使底波达到荧屏的50%高度,再增加 dB 。

图2 SEB2 0&探头的DGS 曲线(3)制作DGS 曲线利用仪器自有的功能,在铸件本体上制作DGS曲线。

制作要点需设定一个基准波高,如50%。

在轮毂本体找一处相互平行的探测面,使最大底波降到荧光屏满幅的50%,然后按照仪器使用说明书的方法进行操作即可。

2.3 检测方法与过程检测灵敏度调整完毕后,在铸件表面均匀刷上耦合剂进行检测。

探头在铸件表面扫查速度最大值为150m m/s,选用SEB2、SEB2 0或B2S 探头对铸件进行100%的检测。

检测灵敏度以 3m m 平底孔为基准。

调整基准波高度统一为荧屏的50%。

5402010年第32卷第7期3 检测结果与分析共检测了如图3所示风电球墨铸铁部件 轮毂近180件,拒收轮毂23件,造成轮毂报废的缺陷有疏松、缩松、缩孔、夹渣及夹杂物、砂眼和气孔。

有的轮毂在法兰面、装桨叶筋板处发现有面积较大的缩松,高应力区附近有较小的缩孔和夹砂等缺陷。

图3 轮毂实物3.1 主要缺陷的分类与判断风电球墨铸铁轮毂在生产中产生的缺陷主要有疏松、缩松、缩孔、夹渣及夹杂物、砂眼、气孔、石墨畸变、球化不良与球化衰退和石墨漂浮。

3.2 缩孔和缩松缩孔和缩松在风电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。

在热节处,在缩孔的下方往往有分散的缩松,在一些筋板壁厚均匀的中心有时会出现缩松,面积在15000~26000mm 2,在缩孔的周围往往伴有缩松。

当超声波入射到这些缺陷上时,产生漫反射,使声能量损失,造成底波明显的降低,一般缺陷波出现在一次底波之前,且伴有一群缺陷波出现。

疏松密集时会使底波全部消失,几乎看不到缺陷波。

3.3 夹渣及夹杂物风电球铁件的夹渣或夹杂物出现的位置有一定规律。

在超声检测中发现,夹渣缺陷多出现在铸件上表面或型芯下表面的死角处[3],球墨铸铁轮毂的夹杂物常出现在工件铸造砂箱的上砂箱的工件表面。

夹杂物等缺陷与材料之间的声阻抗差异小,有透射波,当超声波束入射到夹渣或夹杂物上时,大部分能量被吸收,严重的夹渣或夹杂物出现林状波,底波消失,反射波呈锯齿形,根部较宽。

打磨后用放大镜看夹渣呈灰褐色,无金属光泽,有的呈大面积分布,有的则呈斑点分布,形态呈多角形。

夹渣和夹杂物表面相对粗糙,声波在界面的反射率是由界面两边介质的声阻抗决定的[4],因此反射波较低。

3.4 气孔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,孔径多为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。

这种情况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。

3.5 球化不良与球化衰退球化不良指的是球化处理没有达到预期的效果,球化不良使球体的力学性能达不到相应的要求指标。

球化不良的金相组织为:集中分布的厚片状石墨和少量球状或团状石墨,严重时还有水草状石墨。

球化衰退特征表现是:在球化处理回炉前检验球化良好,但在铸件上球化不好,或者同一炉浇注的铁液,先浇注的铸件球化良好,后浇注的铸件球化不好。

其原因是镁量和稀土量随铁液放置时间长[3]而发生衰退,出现∋回硫(现象。

球墨铸铁中的球化不良和球化衰减,使超声声速值降低,超声波底波降低,波宽度减少,在一次底波前有整齐的且波峰圆滑高度几乎一致的反射波。