統(tǒng)一機車超聲波探傷試塊靈敏度的必要性

張書利

(北京鐵路局 機務處,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準試塊上或在與被探傷工件相同并加工成固定缺陷的實物對比試塊上進行,完成對試塊的幾何尺寸或缺陷的靈敏度標定后,再到工件上進行實際探傷,將探傷結(jié)果與標定的靈敏度進行比較,即可得出被檢工件的實際質(zhì)量狀態(tài)。試塊具有以下4方面的作用:①確定和校驗探傷靈敏度;②調(diào)節(jié)探測范圍,確定缺陷位置;③評價缺陷大小,對被探工件評級和判廢;④測量材質(zhì)衰減和確定耦合補償。

1.2 鐵路局機車探傷管理特點

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

機車超聲波探傷用的標準試塊都是從試塊生產(chǎn)廠直接購買的產(chǎn)品,過去一直認為這些標準試塊的探傷靈敏度應該是完全一致的;車軸和車輪實物對比試塊一般由各機務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,習慣地認為相同型號的車軸和車輪的探傷靈敏度也應該是一致的。試塊的靈敏度如果不一致,輕則引起委修機務段與承修機務段之間因為探傷結(jié)果不一致而爭執(zhí),并可能導致非正常更換車輪,嚴重時可能造成行車事故。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年北京鐵路局機務處組織對各機務段的探傷工作進行全面檢查,在進行車軸透聲探傷前,要先在TS-1試塊上進行靈敏度標定,檢查人員意外地發(fā)現(xiàn)前、后檢查的兩個機務段的TS-1試塊靈敏度差別達到10 dB,這是一種出乎意料的結(jié)果。因為在進行超聲波探傷時,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,忽視了標準試塊的質(zhì)量問題。為此,北京鐵路局決定將各機務段的 TS-1試塊收集到一起,進行一次普查篩選,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,并標出與標準值相差的范圍值,以便在實際探傷作業(yè)中進行相應的修正。

2 試塊普查

2.1 TS-1試塊

為驗證試塊的差別,安排專人、使用同一臺探傷儀器、同一組探頭對全鐵路局27個機務段的所有TS-1試塊進行了普查,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,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)計表

2.2 輪箍實物試塊

2000年鐵道部下發(fā)了“輪箍不動車超聲波探傷技術條件(運裝機檢(2000)335號)”,并要求各鐵路局按文件規(guī)定制作輪箍實物對比試塊,北京鐵路局對鐵道部的要求組織落實。并組織專人對各機務段的輪箍實物對比試塊進行普查,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,尺寸不標準。

(2)輪箍材質(zhì)不佳。各機務段輪箍的實物試塊有部分機務段使用的是1993年以前φ 3.2 mm平底孔缺陷當量的舊輪箍為標準,與現(xiàn)在實際使用的進口輪箍和馬鞍山生產(chǎn)的精品輪箍在φ 2 mm平底孔缺陷當量上存在差異。

(3)輪箍型式不規(guī)范。有的機務段輪箍實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 車軸實物對比試塊

在鐵路局內(nèi)各機務段進行車軸質(zhì)量評定時一般采用當量比較法,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。這就要求在制作實物試塊時必須達到統(tǒng)一標準。而目前各配屬機務段與承修工廠(或機務段)方之間經(jīng)常因為大、中修后返機務段的機車車軸復探時不符合要求而產(chǎn)生分歧,經(jīng)過再次普查發(fā)現(xiàn)各機務段的車軸實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,反射回波與實際裂紋比較更為真實。

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

(3)車軸實物對比試塊材質(zhì)不佳。各機務段的車軸實物對比試塊在選材時存在材質(zhì)不均現(xiàn)象。因此,在車軸超聲波探傷中,當車軸與試塊的衰減明顯不同時,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存在較大的誤差。

3 試塊制作要求

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

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

(2)當試塊的材料與被探材料相差較多時,應對聲速、材質(zhì)衰減等進行修正。

(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)一試塊并標志

為避免鐵路局管內(nèi)各機務段再次因為試塊不統(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)各機務段的TS-1試塊和車軸、輪箍實物對比試塊。

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)一在試塊上作標志。如某機務段TS-1試塊的銘牌下方標志的“+2 dB”,就是指在TS-1試塊上用探頭作透聲靈敏度校對時,當?shù)?0次底面回波調(diào)節(jié)到熒光屏的80%時,再增益2 dB作為該型試塊的靈敏度。

各機務段統(tǒng)一TS-1試塊后,其上都有不同的標志,表2是對應表1中各機務段的TS-1試塊的修正表,并按此修正表在試塊上作出標志。

表2 TS-1標準試塊誤差修正表

4.2 輪箍實物試塊

廢棄各機務段不符合要求的輪箍實物對比試塊后,重新制作試塊,試塊制作、標志靈敏度時按如下原則:

(1)均嚴格執(zhí)行了輪箍、整體輪超聲波探傷工藝及鐵道部運輸局文件“運裝機檢(2000)335號”文件和“鐵道機車進口輪箍、整體輾鋼車輪輪輞超聲波探傷技術條件(運裝技驗(1998)64號)”文件。

(2)用同一臺標準儀器、一套標準探頭對應各輪箍試塊缺陷進行測試。

(3)制作人工缺陷按技術條件執(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)標定靈敏度時根據(jù)“運裝機檢(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,以此作為標準靈敏度。

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

(6)以64°為參照角度計算出理論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 輪箍實物試塊

表3 部分機車輪箍實物試塊缺陷位置及檢測情況匯總表

表3是以部分機車輪箍實物試塊為例,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 車軸實物試塊

在制作車軸實物試塊前,首先要進行選材、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,為減少誤差,在探測過程中均用同一個探頭、同一臺儀器,由專人測試。

(4)靈敏度的標志以同類軸為基準進行測試,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行平衡,找出中間值,以這個值為標準,作為此類軸的此類缺陷的靈敏度,對于有差異的分貝值進行±dB值的修正。

圖2所示是以DF4型機車車軸為例制作的超聲波探傷實物對比試塊,并在除探傷部位外的其余位置均作了防腐處理。圖3所示為該車軸實物對比試塊人工缺陷標志式樣,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表示比同型軸的標準靈敏度高2 dB。表4中列出了部分機型車軸實物對比試塊(以某一根車軸為例)人工缺陷的數(shù)據(jù)。

圖2 DF4型機車車軸超聲波探傷實物對比試塊

圖3 車軸實物對比試塊人工缺陷標志式樣

表4 部分機型車軸實物對比試塊人工缺陷數(shù)據(jù)表

5 結(jié)束語

按照以上的各項原則制作實物試塊以后,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)各機務段配齊了各型機車車軸和輪箍實物對比試塊。現(xiàn)在,各委修機務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:機械工業(yè)出版社,2004.

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