黄建明实战案例专栏 | 【案例24】超声检测之策略和步骤+ 查看更多

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有规律常出现疲劳裂纹的关键位置,可参考曾出现过断裂事故的情况和原因,推断裂纹最可能的起源点在那里,从断口分析找出来疲劳裂纹源头的特征,同时应考虑构件的特性。


温馨提示:
本系列专栏案例均在夏紀真老师的网站发布过,经作者本人修改和补充后,由本公众号发布,以满足当下年轻人互联网浏览习惯。
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实战案例专栏 / 案例24
1.锁定目标位置
1.1使用的年期;
1.2制造的年份;
1.3使用过程
1.4常出现问题的位置;
有规律常出现疲劳裂纹的关键位置,可参考曾出现过断裂事故的情况和原因,推断裂纹最可能的起源点在那里,从断口分析找出来疲劳裂纹源头的特征,同时应考虑构件的特性:
Ø材质:铜、铁、钢、合金;
Ø制造方法:锻造、铸制;
Ø加工方法:机械加工、焊接;
Ø形状尺寸:厚度、直径、台阶、锐角以及整体结构等;
2.作图分析
有原厂图纸时按1:1 比例绘制实物扫查图;没有图纸时,用UT测量出其主要尺寸和构件上的特征,例如:全长、直径、厚度、台阶、键销槽、油孔等,作简易图和扫查图,同时亦需要参考结构图上显示之内外尺寸。
从图上作“三看”分析,以主声束计算,分析直探头及斜探头能有效扫查到范围和无法扫查到的位置, 对照实物上的或以前曾出现的裂纹位置。
针对不清楚、有混淆的回波,采取“四换”方法 - 换角度、换方向、换位置、换方法解决。
3.应用仿真/真实试块
对比试块 :
3.1按照实物,加工仿真试件幷加上人工缺陷。
3.2用真实构件上加上人工缺陷。
3.3直接使用已有裂纹的真实构件作试块。
4.现场探伤
在现场往往需要在不拆开或者尽量少拆开的情况下进行检测。
注意:若检测整批所有相同的构件时,就算全部都有可疑讯号时,却不一定就是缺陷。
5.表面处理
表面处理状况很大程度会影响试验结果:
Ø表面是否平整?
Ø有否倾斜、凹凸等?
Ø有否腐蚀凹坑、粗糙表面?
Ø油漆、涂层等要否去除等?
6.耦合剂涂抹
机油、黄油、浆糊、水、甘油;
7.透声性能测验
对比多于一件相同试件的底波,设置回波在80%FSH时的分贝值,例如:直径50以上长度1000mm轴,用低频2.5MHz 20mm直探头作A型扫描,结果以30dB以下者为良好;30~50dB可以探伤;60dB以上不适合探伤或者只能局都探伤,不能全长检测。
透声性能差有两个原因:
Ø材料本身晶粒粗大或未经热处理调质的材料;
Ø存在疲劳现象(小心很有可能已经有裂纹,在常出现裂纹的位置会有像焊缝热影区的反射回波,这是产生裂纹前的「预兆」,必要时要采取定期的监控检测)。
8.仪器量程调校
设置底波在80%FSH,测量构件尺寸是否与图纸有出入,若有则作出记录。进行分段检测:
Ø全程(全长);
Ø两端或局部;
Ø重点部位(可能出现裂纹的目标位置)。
灵敏度可用1mm锯槽深度为基准(若有真实裂纹作对比是最好的参考试块)。
9.回波分析
出现正常回波的,分析台阶、油孔、键销、过盈配合组件;
出现可疑回波时,要确认是否缺陷回波, 最好从两个方向或两种角度都能看见该回波,这对确定缺陷有很大的帮助。
发现缺陷后的确定步骤如下:
Ø重新校验仪器(量程、角度、灵敏度);
Ø再次扫查找出之前的缺陷回波(重复性);
Ø对比其它同样构件,是否在相同位置也有回波,或者回波大小有否不同?
Ø从另一方向或位置扫查(方向性);
Ø换角度扫查(方向性);
Ø换方法(如果可以拆出或者靠近时:用内窥镜、磁粉、渗透探伤法)。
个案分析
某隧道通风系统中的抽风扇主轴断裂事故分析及探伤步骤。
1.事故经过
某隧道通风系统中的抽风扇主轴出现断裂,连续引致了两次风扇叶片断裂事故。
查看有关机件使用时间仅不足四年(见图1),从断口看到的是典型的金属疲劳断裂(见图2,图3),断口的起源是从“圣诞树”两侧的圆弧坑底开始扩展到两侧角焊缝,再侵入螺栓引致最终断裂。

(图1)

(图2)

(图3)
有关该机件的一些资料如下:
Ø风扇型式/产地/编号:德国;
Ø使用时间:不足4年;
Ø叶片整体结构:螺栓与10mm厚度的钢板切割成的“圣诞树”焊接而成一体;
Ø断口图貌出现的位置:从“圣诞树” 第一圆弧凹坑处开裂焊缝螺栓母材最后断裂;
Ø现场条件:要求在不拆开叶片的情况下进行现场检测-只能采用超声波检测!
注意:根据这种型式的裂纹走势,若裂纹断裂之扩展未传入螺栓本体,用超声波方法是无法检测出来的!这点一定要事先告知客户,这是结构上的局限性,也可以说是超声波的盲区。
2.作图分析(纸上谈兵)
1:1作图可以看到,用0˚探头检测时,对小裂纹(1mm 以下)有可能无法检测到,因为:
Ø在螺栓的左侧,樽颈位直径只有Φ35mm,而螺栓是Φ42mm;
Ø右侧加工成大圆孤出现裂纹的位置也大于 35mm,也就是说,直探头的声束波受Φ35mm的樽颈限制,而无法抵达到大圆弧出现裂纹的位置,若单一使用0˚直探头就可能漏检,除非裂纹大到 Φ35mm以下;
Ø通过1:1作图可以看到,用小角度的纵波斜探头,主声束是可以抵达大圆孤出现裂纹的位置,我们选用了6.5° Φ20mm 2.5 MHz纵波斜探头,效果很好(见图4,图5);

(图4 X光片)

(图5)
3.仿真试块
仿真加工一个同材质、同样形状尺寸的螺栓,幷在大圆弧估计出现裂纹的位置,用1mm宽锯片锯一个1mm深的锯槽,然后用6.5˚探头测试调校仪器,在 147mm声程位置能清晰出现回波80%FSH,没有任何杂波,而且对比没有锯槽的方向不会出现回波,这样的效果就很好!记下这灵敏度,备存检测数据,待到现场时使用。
4.真实试块
将叶片解体得到螺栓连“圣诞树”的构件,在“圣诞树”的第一圆弧凹坑位置用1mm宽锯片锯槽,深至刚好在螺栓大圆孤的表面。
用0˚和6.5˚探头测试,真实的螺栓整圈在140~142mm声程位置会出现一个有规律的回波,这可能是螺栓右侧台阶和大圆弧的R位置,在6.5˚射入时正好垂直,所以有一正常回波,而0˚探头因为方向不垂直没有回波。
将探头方向对准有锯槽的位置,调校灵敏度,使锯槽讯号达到80%FSH,从图6,图7可以看到出现两个回波,前面142mm是正常的圆弧角反射回波,后面149mm回波是锯槽回波。储存这讯号和参数,留待现场时调用即可。

(图6)

(图7)
5.现场检测
客户工程人员拆开外壳和前罩,我们可将每一个螺栓头平面的油漆、垃圾等刮去,有需要时可以用手磨砂轮磨平表面即可。
由于风扇是横向安装和风扇是可以旋转的,我们只需要站在最底层,将探头垂直放在螺栓头上,即可按以下步骤进行探伤。
5.1 用0˚Φ20mm 2.5MHz或0˚ Φ14mm 5MHz探头进行:
Ø设定250mm量程、底波80%FSH 加10dB扫查;
Ø看到底波和检测左侧螺栓的螺纹,重点在螺栓的樽颈位置;
Ø若有不正常回波,记下幷储存回波DataSet。
5.2 用6.5˚ Φ20mm 2.5MHz探头:
Ø沿用0˚探头设定好的250mm量程即可;
Ø用仿真试块上1mm锯槽设置回波80%FSH;
Ø或用真实试块1mm锯樽设置回波80%FSH;
Ø注意探头方向要垂直于轴心;
Ø正常情况下整圈都会有一个单一的台阶圆角回波;
Ø此探头重点检测曾经出现断裂的位置。
5.3 当出现回波与仿真/真实试块回波一样的时,分辨回波高度、判断为三个等级:
ØA 级 - 小于1mm;
ØB 级 - 等于1mm;
ØC 级 - 大于1mm;
ØD 级 - 6.5˚和0˚都能发现。
5.4 记下螺栓编号和风扇的型号、编号、整理报告。有需要时拆开后用其它NDT方法验证!
6.检测结果
6.0 现场超声波检测结果:发现有可疑反射回波A和D级,建议拆卸和熔解铝合金叶片,验证超声波的检测结果。
6.1 结果与我们之前的判断非常吻合,而且发现裂纹未进入螺栓本体时超声波是无法检测出来的,其它的等级都与我们之前的校验灵敏度标准吻合。

(用火熔解铝合金)

(刚刚进入螺栓本体的裂纹 A 级)

(未进入螺栓本体的小裂纹)

(D 级的大裂纹 X 光也能检出)

(D 级的大裂纹几乎快断了)

(熔解后的螺栓和“圣诞树”)

关于作者

黄建明 ,长期从事在役无损检测技术工作近40年。任职于香港安捷材料试验有限公司,北京理工大学珠海学院“应用物理(无损检测方向)”本科专业兼职教授。美国焊接学会会员,美国无损检测学会会员,中国机械工程学会会员暨无损检测分会理事。英国焊接和无损检测人员考试发证章程(CSWIP)焊接检验督察,英国无损检测人员考试发证章程(PCN)II级焊缝射线照相评片员,美国焊接学会(AWS)高级焊接检验督察,AWS焊接导师,美国无损检测学会(ASNT)NDT检验师-UT、RT、MT、ET III级(高级)技术资格,中国机械工程学会无损检测分会RT、UT 3级(高级)技术资格。
联系方式:
邮箱:kmwong@aes.hk
公司:香港安捷材料试验有限公司
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