1、鑄件的基本情況介紹
某公司生產的1000MW機組中壓外缸是國產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），材質為EN-GJS-400-18U-RT（GGG40.3），工作溫度為280℃左右，探傷標準PA11.70，實物外形見圖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
鑄件因表面粗糙，晶粒粗大，組織不均勻，造成晶界面散射強烈，容易發(fā)生散亂反射，產生林狀或草狀回波，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部形成的小空洞，其內壁光滑，內含氣體，對超聲波具有較高的反射率，但是又因為其基本上呈圓形或橢圓形狀，也因為點狀缺陷，會影響其反射波幅。通常氣孔不單獨存在，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，當氣孔嚴重聚集在一起時，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為得不到液態(tài)金屬的補充，會形成空洞狀的缺陷。大而集中的空洞稱為縮孔，細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。其內壁粗糙。周圍多伴有許多雜質和細小的氣孔。由于熱脹冷縮的規(guī)律，縮孔是必然存在的，當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計有關，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，因為液態(tài)金屬表面冷卻形成的半固態(tài)薄膜留在鑄件本體內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，當收縮受到阻礙會產生較大的內應力造成收縮裂紋。產生收縮裂紋的位置，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。而當裂紋呈傾斜性時，反射波高度明顯不同，當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入液態(tài)金屬中，在澆注時被卷入鑄件或鋼錠本體內，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/氧化產物不可能全部從冒口浮出，在工件上的表面凝固形成機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（圖2）。缺陷波位置接近底波，嚴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
被檢表面應作噴丸或打磨處理，使檢驗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。其粗糙度要達到有關標準規(guī)定、
3.2 超聲可探性的測試
球鐵件的機械性能應達到規(guī)定要求，如石墨球化不好，則粗大的石墨和基體結構就會作為聲散射源而產生散射，加劇聲傳播過程中的衰減并大大增加了結構噪聲，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。
表1 被探件力學性能要求 | ||||
壁厚T/mm | 屈服強度0.2 （N·mm-2） | 抗粒強度 （N·mm-2） | 延伸率 L0=5d/% | 沖擊試驗/J |
≤60 | ≥250 | ≥390 | ≥15 | ≥14 |
60＜T≤200 | ≥240 | ≥370 | ≥12 | ≥12 |
＞2001） | ≥220 | ≥350 | ≥10 | ≥10 |
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） 在工件上調節(jié)底面回波為40%屏高。
（2）提高回波幅度，使噪聲信號達20%屏高。
（3）按相應的最大聲程，從DGS圖表中確定等效缺陷尺寸。從
圖表中可得，當鑄件厚度＜20mm時，最小檢測靈敏度為Φ3mm平底孔，當20mm≤T≤100mm時為Φ5mm平底孔，當100mm≤T≤250mm時為Φ8mm平底孔，當T＞250mm時為Φ10mm平底孔。
在設置檢測系統(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在報告中注明。此套氣缸最小檢測檢測靈敏度能滿足標準要求。
3.3 球墨鑄鐵的聲速測量
超聲波的傳播速度與介質的的性質有關（如彈性模量、密度、泊松比），不同的物質不同的組織結構有各自固定的傳播速度，石墨球化程度的不同會導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證【1】。有資料表明【2】，聲速5500m/s相當于球化級別三級）。聲速的測試可以采用下列步驟：
（1）在CSK-ⅠA型試塊上校準設備，調出相應的水平距離，并設定該試塊縱波聲速為5920m/s。
（2）用機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，為改善聲束的指向性，盡量減少擴散衰減，使聲束能盡量穿透足夠的距離，應選用大直徑，適當頻率的探頭，但實際上還應根據(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 探傷靈敏度及標準
檢測時以能達到最低檢敏度為探傷靈敏度。對遠場區(qū)在實物上用DGS圖表方法確定增益值，以進行靈敏度校準（圖3），對近表面檢測可使用同材料的K1試塊中的25mm厚度來校準靈敏度（圖4），也可使用一個同材料的階梯試塊來校準。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的電子和結構噪聲為止，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。當然還要考慮表面補償，視情況加2—4dB，當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厚度上調整，從圖4中可得出需 25 dB（未考慮其它因素）。
圖3 遠場區(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，熟悉鑄件的結構，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計算（按當量），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)不同標準中的要求并考慮機加工余量判斷浮渣是否合格。
浮渣面積的測量，根據(jù)不同標準的規(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≤缺陷當量尺寸≤Φ4mm。
缺陷區(qū)域為距外側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。
5、對缺陷的處理意見
對缺陷可挖除后進行焊補，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）加工一個帶有內螺紋的襯套，保證與螺紋相配處的內孔無缺陷。
經(jīng)對產品缺陷分析認為，由于鑄鐵件的可焊性差，且焊接周期長?？蓛?yōu)先選取鑲套的方案。根據(jù)目前超聲波探傷判定缺陷結果，首先確認螺紋及鉆孔尺寸，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，為保證對缺陷更準確的定位，因此需要在進一步的加工過程中，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)目前探傷的結果，對缺陷部位開孔鑲套建議采用尺寸M72，深100mm的襯套，因為采用尺寸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，并進行超聲波探傷檢驗，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)鉆孔后檢驗缺陷的實際情況，如先打Φ42mm（圖7），再確定各自部位的實際尺寸。比如1號缺陷區(qū)域開孔尺寸最大，2號和3號缺陷應視情況而定。
（4）在鉆孔之前要測量抽汽口處內部尺寸，以及法蘭高度，根據(jù)實際尺寸再開始實施鑲套鉆孔方案。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、結語
超臨界1000MW機組中壓內缸以前全靠進口，現(xiàn)已逐步實行國產化，通過第一套汽缸按照西門子的方法與標準對其內在質量進行評定，比較完整地掌握了西門子的超聲波檢驗員標準和操作方法，在實際產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、探傷操作和處理缺陷方面積累了寶貴的經(jīng)驗。