統(tǒng)一機(jī)車超聲波探傷試塊靈敏度的必要性

張書利

(北京鐵路局 機(jī)務(wù)處,北京100086)

1 提出問題

1.1 試塊及作用

超聲波探傷經(jīng)常采用的是當(dāng)量比較法,它利用探傷儀器和探頭組成的探傷系統(tǒng),首先在規(guī)定的材料、加工成特定幾何形狀及尺寸的標(biāo)準(zhǔn)試塊上或在與被探傷工件相同并加工成固定缺陷的實(shí)物對比試塊上進(jìn)行,完成對試塊的幾何尺寸或缺陷的靈敏度標(biāo)定后,再到工件上進(jìn)行實(shí)際探傷,將探傷結(jié)果與標(biāo)定的靈敏度進(jìn)行比較,即可得出被檢工件的實(shí)際質(zhì)量狀態(tài)。試塊具有以下4方面的作用:①確定和校驗(yàn)探傷靈敏度;②調(diào)節(jié)探測范圍,確定缺陷位置;③評價(jià)缺陷大小,對被探工件評級和判廢;④測量材質(zhì)衰減和確定耦合補(bǔ)償。

1.2 鐵路局機(jī)車探傷管理特點(diǎn)

鐵路局的機(jī)車分別配屬在管內(nèi)各機(jī)務(wù)段,機(jī)車較大范圍的檢修(大修或中修)一般由配屬機(jī)務(wù)段自身或委托其他機(jī)務(wù)段進(jìn)行,其中的一項(xiàng)重要內(nèi)容就是對車軸和車輪進(jìn)行超聲波探傷。因此,要統(tǒng)一鐵路局管內(nèi)各機(jī)務(wù)段機(jī)車車軸和車輪的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn),就必須統(tǒng)一超聲波探傷試塊的靈敏度。

機(jī)車超聲波探傷用的標(biāo)準(zhǔn)試塊都是從試塊生產(chǎn)廠直接購買的產(chǎn)品,過去一直認(rèn)為這些標(biāo)準(zhǔn)試塊的探傷靈敏度應(yīng)該是完全一致的;車軸和車輪實(shí)物對比試塊一般由各機(jī)務(wù)段利用廢舊的車軸和車輪,根據(jù)探傷范圍和探傷工藝加工出人工缺陷,習(xí)慣地認(rèn)為相同型號的車軸和車輪的探傷靈敏度也應(yīng)該是一致的。試塊的靈敏度如果不一致,輕則引起委修機(jī)務(wù)段與承修機(jī)務(wù)段之間因?yàn)樘絺Y(jié)果不一致而爭執(zhí),并可能導(dǎo)致非正常更換車輪,嚴(yán)重時(shí)可能造成行車事故。但是,在一次偶然的事件中,發(fā)現(xiàn)了探傷試塊靈敏度不一致的現(xiàn)象。

1.3 問題及對策

2005年北京鐵路局機(jī)務(wù)處組織對各機(jī)務(wù)段的探傷工作進(jìn)行全面檢查,在進(jìn)行車軸透聲探傷前,要先在TS-1試塊上進(jìn)行靈敏度標(biāo)定,檢查人員意外地發(fā)現(xiàn)前、后檢查的兩個(gè)機(jī)務(wù)段的TS-1試塊靈敏度差別達(dá)到10 dB,這是一種出乎意料的結(jié)果。因?yàn)樵谶M(jìn)行超聲波探傷時(shí),必須先對探傷方法、探傷儀器和探頭的性能及參考試塊作出明確的規(guī)定,然后用試塊確定探傷儀器和探頭的組合靈敏度,使靈敏度統(tǒng)一。從此次抽查可以看出,在日常工作中,忽視了標(biāo)準(zhǔn)試塊的質(zhì)量問題。為此,北京鐵路局決定將各機(jī)務(wù)段的 TS-1試塊收集到一起,進(jìn)行一次普查篩選,淘汰靈敏度差值較大的試塊,保留靈敏度在3 dB差值范圍內(nèi)的試塊,并標(biāo)出與標(biāo)準(zhǔn)值相差的范圍值,以便在實(shí)際探傷作業(yè)中進(jìn)行相應(yīng)的修正。

2 試塊普查

2.1 TS-1試塊

為驗(yàn)證試塊的差別,安排專人、使用同一臺探傷儀器、同一組探頭對全鐵路局27個(gè)機(jī)務(wù)段的所有TS-1試塊進(jìn)行了普查,發(fā)現(xiàn)全鐵路局的TS-1試塊普遍存在較大的差異。測試時(shí),第10次底波均為80%波高情況下,靈敏度最高的70 dB,靈敏度最低的只有50 dB。表1是從中挑選的具有代表性的TS-1試塊普查統(tǒng)計(jì)情況。

從表1中可見,TS-1試塊靈敏度最多相差20 dB。

表1 TS-1試塊普查統(tǒng)計(jì)表

2.2 輪箍實(shí)物試塊

2000年鐵道部下發(fā)了“輪箍不動(dòng)車超聲波探傷技術(shù)條件(運(yùn)裝機(jī)檢(2000)335號)”,并要求各鐵路局按文件規(guī)定制作輪箍實(shí)物對比試塊,北京鐵路局對鐵道部的要求組織落實(shí)。并組織專人對各機(jī)務(wù)段的輪箍實(shí)物對比試塊進(jìn)行普查,發(fā)現(xiàn)存在以下問題:

(1)輪箍外側(cè)面的φ 3×30 mm的橫孔制作不規(guī)范。全部用手工鉆制作,尺寸不標(biāo)準(zhǔn)。

(2)輪箍材質(zhì)不佳。各機(jī)務(wù)段輪箍的實(shí)物試塊有部分機(jī)務(wù)段使用的是1993年以前φ 3.2 mm平底孔缺陷當(dāng)量的舊輪箍為標(biāo)準(zhǔn),與現(xiàn)在實(shí)際使用的進(jìn)口輪箍和馬鞍山生產(chǎn)的精品輪箍在φ 2 mm平底孔缺陷當(dāng)量上存在差異。

(3)輪箍型式不規(guī)范。有的機(jī)務(wù)段輪箍實(shí)物對比試塊是依照踏面樣板旋削成型的,探頭和探測面不能充分耦合,對探測的結(jié)果影響很大。

2.3 車軸實(shí)物對比試塊

在鐵路局內(nèi)各機(jī)務(wù)段進(jìn)行車軸質(zhì)量評定時(shí)一般采用當(dāng)量比較法,凡超過人工缺陷反射波的缺陷一律定為不合格,反之則判為合格。這就要求在制作實(shí)物試塊時(shí)必須達(dá)到統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。而目前各配屬機(jī)務(wù)段與承修工廠(或機(jī)務(wù)段)方之間經(jīng)常因?yàn)榇?、中修后返機(jī)務(wù)段的機(jī)車車軸復(fù)探時(shí)不符合要求而產(chǎn)生分歧,經(jīng)過再次普查發(fā)現(xiàn)各機(jī)務(wù)段的車軸實(shí)物試塊也存在較大差異,其原因是:

(1)人工模擬裂紋制作不規(guī)范。部分試塊軸用鋼鋸手工鋸成人工模擬裂紋,部分試塊軸用線切割加工人工模擬裂紋。手工鋸的模擬裂紋為1.1～1.5 mm寬,而線切割加工的模擬裂紋為0.1～0.2 mm寬。由于反射面積不同,兩者的反射波高會產(chǎn)生誤差,而線切割的人工模擬裂紋相對手工鋸成的人工模擬裂紋而言,反射回波與實(shí)際裂紋比較更為真實(shí)。

(2)人工模擬裂紋位置不當(dāng)。有的機(jī)務(wù)段制作的人工模擬裂紋偏離探頭的主聲束,也就是說當(dāng)探頭主聲束能探到人工缺陷的位置時(shí),其恰好在車軸端面的螺栓孔處。

(3)車軸實(shí)物對比試塊材質(zhì)不佳。各機(jī)務(wù)段的車軸實(shí)物對比試塊在選材時(shí)存在材質(zhì)不均現(xiàn)象。因此,在車軸超聲波探傷中,當(dāng)車軸與試塊的衰減明顯不同時(shí),材質(zhì)衰減不僅會影響探傷靈敏度的變化,而且會影響對缺陷定量的精度,造成在檢測車軸鑲?cè)氩苛鸭y及對裂紋深度定量時(shí)存在較大的誤差。

3 試塊制作要求

從輪箍和車軸實(shí)物對比試塊的普查中可以看出,各機(jī)務(wù)段在制作實(shí)物試塊時(shí)并沒有遵循以下的試塊制作基本原則:

(1)試塊材質(zhì)應(yīng)均勻,內(nèi)部雜質(zhì)少,無影響使用的缺陷。

(2)當(dāng)試塊的材料與被探材料相差較多時(shí),應(yīng)對聲速、材質(zhì)衰減等進(jìn)行修正。

(3)試塊表面之間的平行度、端面與鉆孔軸線或人工槽之間的垂直度、平底孔底面的平整度等都應(yīng)有一定的要求。

(4)對比試塊探測面光潔度與被探工件表面光潔度盡量保持一致。

4 統(tǒng)一試塊并標(biāo)志

為避免鐵路局管內(nèi)各機(jī)務(wù)段再次因?yàn)樵噳K不統(tǒng)一而造成分歧、爭議,我們決定統(tǒng)一購置和制作鐵路局管內(nèi)各機(jī)務(wù)段的TS-1試塊和車軸、輪箍實(shí)物對比試塊。

4.1 TS-1試塊

對于靈敏度值相差超過3 dB的TS-1試塊,決定全部廢棄,重新購置新試塊,并將購入的試塊由專人、使用專用儀器和探頭進(jìn)行逐一測試,發(fā)現(xiàn)差別較大的退貨,以使全鐵路局的TS-1試塊達(dá)到統(tǒng)一。對于相差不超過3 dB的試塊,統(tǒng)一在試塊上作標(biāo)志。如某機(jī)務(wù)段TS-1試塊的銘牌下方標(biāo)志的“+2 dB”,就是指在TS-1試塊上用探頭作透聲靈敏度校對時(shí),當(dāng)?shù)?0次底面回波調(diào)節(jié)到熒光屏的80%時(shí),再增益2 dB作為該型試塊的靈敏度。

各機(jī)務(wù)段統(tǒng)一TS-1試塊后,其上都有不同的標(biāo)志,表2是對應(yīng)表1中各機(jī)務(wù)段的TS-1試塊的修正表,并按此修正表在試塊上作出標(biāo)志。

表2 TS-1標(biāo)準(zhǔn)試塊誤差修正表

4.2 輪箍實(shí)物試塊

廢棄各機(jī)務(wù)段不符合要求的輪箍實(shí)物對比試塊后,重新制作試塊,試塊制作、標(biāo)志靈敏度時(shí)按如下原則:

(1)均嚴(yán)格執(zhí)行了輪箍、整體輪超聲波探傷工藝及鐵道部運(yùn)輸局文件“運(yùn)裝機(jī)檢(2000)335號”文件和“鐵道機(jī)車進(jìn)口輪箍、整體輾鋼車輪輪輞超聲波探傷技術(shù)條件(運(yùn)裝技驗(yàn)(1998)64號)”文件。

(2)用同一臺標(biāo)準(zhǔn)儀器、一套標(biāo)準(zhǔn)探頭對應(yīng)各輪箍試塊缺陷進(jìn)行測試。

(3)制作人工缺陷按技術(shù)條件執(zhí)行,誤差為:缺陷垂直距離±0.5 mm;缺陷深度±0.5 mm;人工缺陷直徑誤差±0.2 mm。

(4)標(biāo)定靈敏度時(shí)根據(jù)“運(yùn)裝機(jī)檢(2000)335號文件所規(guī)定的,4次聲程探測φ 3×30 mm橫孔靈敏度余量為20 dB,以此作為標(biāo)準(zhǔn)靈敏度。

(5)測試各輪箍的人工缺陷時(shí),均將4次聲程處的最高反射波調(diào)至80%,此時(shí)記錄實(shí)際測得的靈敏度,將標(biāo)準(zhǔn)靈敏度加或減分貝值作為標(biāo)志靈敏度。

(6)以64°為參照角度計(jì)算出理論4次聲程線,并在輪箍試塊外側(cè)面描繪出黑色線條,如圖1所示。

圖1 輪箍實(shí)物試塊

表3 部分機(jī)車輪箍實(shí)物試塊缺陷位置及檢測情況匯總表

表3是以部分機(jī)車輪箍實(shí)物試塊為例,按以上原則制作出的新試塊的測試數(shù)據(jù)。輪箍透聲均為良好,全部采用 62°、67°、74°測試。

4.3 車軸實(shí)物試塊

在制作車軸實(shí)物試塊前,首先要進(jìn)行選材、測試等工作,基本原則為:

(1)車軸試塊不能有人工碰、刮、傷損,并有永久的水平距離、開槽深度的標(biāo)志。

(2)所有人工缺陷與軸端螺孔不能重合,保證小角度探頭檢測到所有鋸口。

(3)測試靈敏度時(shí),為減少誤差,在探測過程中均用同一個(gè)探頭、同一臺儀器,由專人測試。

(4)靈敏度的標(biāo)志以同類軸為基準(zhǔn)進(jìn)行測試,分別記下測得的各缺陷80%最高反射波的分貝值,然后所有軸的同水平距離及深度的分貝值進(jìn)行平衡,找出中間值,以這個(gè)值為標(biāo)準(zhǔn),作為此類軸的此類缺陷的靈敏度,對于有差異的分貝值進(jìn)行±dB值的修正。

圖2所示是以DF4型機(jī)車車軸為例制作的超聲波探傷實(shí)物對比試塊,并在除探傷部位外的其余位置均作了防腐處理。圖3所示為該車軸實(shí)物對比試塊人工缺陷標(biāo)志式樣,其中380 mm為人工缺陷距軸端面的水平距離;4 mm為人工缺陷的切割深度;+2dB表示比同型軸的標(biāo)準(zhǔn)靈敏度高2 dB。表4中列出了部分機(jī)型車軸實(shí)物對比試塊(以某一根車軸為例)人工缺陷的數(shù)據(jù)。

圖2 DF4型機(jī)車車軸超聲波探傷實(shí)物對比試塊

圖3 車軸實(shí)物對比試塊人工缺陷標(biāo)志式樣

表4 部分機(jī)型車軸實(shí)物對比試塊人工缺陷數(shù)據(jù)表

5 結(jié)束語

按照以上的各項(xiàng)原則制作實(shí)物試塊以后,北京鐵路局于2005年12月前全部完成了TS-1試塊規(guī)范工作,并為管內(nèi)各機(jī)務(wù)段配齊了各型機(jī)車車軸和輪箍實(shí)物對比試塊?，F(xiàn)在,各委修機(jī)務(wù)段與承修單位之間不再受車軸、輪箍靈敏度不一致問題的困擾。北京鐵路局采用這種方法取得了較好的效果,其他鐵路局也借鑒這種作法,在超聲波探傷試塊上進(jìn)行了較大規(guī)模的統(tǒng)一工作。

[1] 李家偉,陳積懋.無損檢測手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[2] 超聲波探傷(無損檢測培訓(xùn)教材)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.