风力发电机组球墨铸铁件的超声波检测

2012-05-14

无损检测 2012年5期

（1.GE检测控制技术，上海 201203；2.北京罗斯威尔新技术有限公司，北京 100123）

中国从2005年开始大规模发展风电，风电设备自主化程度也越来越高。铸件在风电领域应用较广泛，风电机组用铸件主要有轮毂、底座（机舱座）、轴、轴承座和齿轮箱箱体等。风电铸件材料主要采用球墨铸铁，球墨铸铁由于碳以球状存在于铸铁基体中，改善了对基体的割裂作用，使得其抗拉强度、屈服强度、塑性、冲击韧性大大提高，并具有耐磨、减震、工艺性能好、成本低等优点［1]。对于风电机组球墨铸件的无损检测手段，主要有超声波检测和磁粉检测，其中超声波方法主要检测铸件内部缺陷，应用较为广泛。国外的风电制造企业例如Gamesa等在无损检测企业规范中对于球墨铸铁的检测都有严格的规定，国内的风电企业很多参照EN 12680欧洲标准［2]检测球墨铸铁。随着风电行业对质量重视程度的提高，风力发电机组球墨铸铁的国家标准［3]也于2009年颁布实施。

笔者首先介绍球墨铸铁超声波检测的特点、然后介绍国外风电企业球墨铸铁超声波检测的关键要求，最后介绍风电机组中典型球墨铸铁结构的超声波检测方法。

1 球墨铸铁超声波检测的特点

球墨铸铁中的缺陷主要有疏松、缩松、缩孔、夹渣及夹杂物、裂纹、砂眼和气孔。球墨铸铁探伤的主要特点有：

（1）透声性差球墨铸铁的主要特点是组织不致密、不均匀和晶粒粗大，使超声波散射衰减和吸收衰减明显增加，透声性差。

（2）声耦合差球墨铸铁表面粗糙，声耦合差，探伤灵敏度低，且探头磨损严重。

（3）干扰杂波多球墨铸铁探伤干扰杂波多，一是由于粗晶和组织不均匀引起的散乱反射，形成草状回波，使信噪比下降，特别是频率较高时尤为严重；二是球墨铸铁形状复杂，一些轮廓回波和迟到变型波引起的非缺陷信号多，此外铸件的粗糙表面也会产生一些反射回波，干扰对缺陷波的正确判定。

球墨铸铁超声波检测一般采用纵波脉冲反射法，由于球墨铸铁的超声衰减较大，宜采用穿透能力较强的设备，例如设备的激发电压较高、同时支持方波激励；检测频率不宜过高，一般为2～2.25 MHz。

球墨铸铁超声波检测时要注意因铸件结构形状影响底波的现象；要注意因检测面为曲面而需要的增益补偿；对于位于铸件表面以下3～4 mm之内的表层缺陷，即使采用表面检测手段，如磁粉或涡流检测也可以发现，常规的单晶直探头也可能位于其盲区之内，故宜采用单晶斜探头检测或者采用双晶直探头或斜探头方法检测。

2 国外风力发电企业对球墨铸铁的检测要求

国外风电企业关于球墨铸铁的检测一般采用EN 12680－3标准，3级合格。但很多公司认为该标准较松，所以各企业根据EN标准编写了适合本公司的更为严格的检验及验收标准，如著名的风电生产制造商Vestas，Gamesa等企业，都分别有自己的无损检测规范，其中对探头和仪器及检测验收标准都有明确的规定。

2.1 超声波探伤仪

目前风电企业普遍采用美国GE公司的USM35X－S，A型显示脉冲数字式超声波探伤仪。

2.2 超声波探头

铸件探伤一般采用纵波直探头和纵波双晶探头，由于铸件晶粒比较粗大，衰减严重，宜选用较低的频率，一般为0.5～2.5 MHz，探头直径一般为10 mm～30 m。风电企业一般采用GE公司生产的B1S和B2S带软保护膜的单晶纵波直探头和SEB2，SEB2－0，MSEB2和 MSEB4探头。

2.3 耦合剂

铸件探伤时，常用粘度较大的耦合剂，一般采用化学浆糊或甘油等。

2.4 检测灵敏度调整

灵敏度调整有计算法以及DGS图法。

2.4.1 计算法

在铸件上最厚的地方找一位置，检测表面与底面平行，调整底波，使波高达到荧屏满刻度的50%或80%，依检验者的习惯，再调节增益，增加如下公式计算出来的数值：

式中x——工件横截面厚度，mm；

λ——波长，mm；

Df——平底孔直径，mm。

2.4.2 查探头DGS图法

GE公司生产的每一个探头在出厂前都经过了测试，附带DGS曲线，例如探头编号为57461的双晶直探头MSEB2（E）的测试报告如图1所示。

图1 编号为57461的MSEB2探头出厂测试报告

实际检测时，根据每个探头的DGS曲线，查找需要增加的dB数。如果检测铸件的厚度是100 mm，在铸件表面调节底波，使波高达到50%，要求工件中缺陷当量大小不超过φ3 mm，通过查DGS曲线，可知ΔdB为27 dB。

2.4.3 利用仪器制作DGS曲线

USM35仪器可以根据不同的工件制作不同的DGS曲线，更贴近工件的状态，检验灵敏度更高。根据制作好的DGS曲线，只要发现了缺陷，就可以很直观地知道缺陷的当量尺寸大小。

2.5 检测缺陷的记录及验收标准

依照图2所示对需超声波检测的组件进行区域划分。欧洲风电企业Gamesa的企业标准EQ009003对区域1和区域2的验收等级是不同的。

2.5.1 缺陷记录

根据EQ009003中的表2记录缺陷。该记录的缺陷为：

（1）反射波高度超过表1记录标准的缺陷。

（2）超过表1中底面回波高度降低量标准的底面回波降低的缺陷，注意这种底面回波降低不能是由几何形状或耦合引起的。

2.5.2 缺陷大小评定

缺陷的大小由下述方法评定：

（1）超出标准的最大回波高度或底面回波最大降低值都应该被测量和记录。

（2）在相关的记录标准下，缺陷的范围应该用6 dB法来决定。

2.5.3 缺陷大小修正

假如缺陷的大小比声束的直径小，则缺陷大小应被降低，允许降低值见EQ009003中的表3。

2.5.4 缺陷评估

EQ009003中表2中有三种缺陷类型：

（1）非测量性延伸缺陷非测量性延伸缺陷的反射波实际的超声波波程长度比超声波束的直径小（图3）。这类缺陷的大小不用报告，依照EQ009003中表2的参考标准（以平底孔为参考）和深度延伸进行评估。

（2）测量性延伸缺陷测量性延伸缺陷的反射波实际声波波程长度比声波束的直径大。此类缺陷的大小应该报告，并且应该通过探测两侧表面超出了实际区域和壁厚规定的参考标准（以平底孔为参考）的点来决定这些缺陷的深度延伸。缺陷应依照EQ009003中表2中的参考标准、区域及深度延伸。

（3）底面回波降低超过的区域和壁厚规定的记录水平的底面回波降低。此类缺陷根据EQ009003中表2进行评估，评估是在缺陷的范围在表面上的投影被确定后进行，投影的边界点是底面回波相对于记录标准降低了6 dB的点。在测试区域的底面回波降低应该不需要深度延伸的确定就可以验收通过，在测试区域降低应该小于记录水平＋6 dB。当底面回波降低量大于记录标准6 dB时定义为底面回波全部消失。