超聲波無損檢測技術(shù)在煤礦機(jī)械設(shè)備中的應(yīng)用

楊杰 郎艷

摘? 要：近年來，我國超聲波無損檢測裝置發(fā)展迅速，運(yùn)用于航天航空、石油化工、特種設(shè)備等生產(chǎn)各領(lǐng)域。本文通過介紹超聲波無損檢測主要探測方式，該技術(shù)存在的優(yōu)點(diǎn)，以及目前超聲波檢測在煤礦機(jī)械軸類零件、焊縫、錨桿缺陷檢測中的運(yùn)用。超聲波無損檢測可直接判斷缺陷位置、性質(zhì)、大小，使煤機(jī)設(shè)備的生產(chǎn)過程更加自動(dòng)、智能，煤礦設(shè)備的運(yùn)行可以更加高效、安全、可靠。

關(guān)鍵詞：超聲波無損檢測;煤礦機(jī)械;缺陷;使用壽命

中圖分類號(hào)：TD63? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1671-2064（2020）03-0000-00

0引言

我國是多煤少油的國家，煤炭目前占我國能源消耗比例約為60%，煤礦開采的高效、安全、智能化對(duì)煤礦開采具有十分重要意義。煤礦機(jī)械長期處于潮濕、多粉塵、多沖擊載荷與重型載荷的工作環(huán)境，使用條件及維護(hù)條件較差，材料內(nèi)部產(chǎn)生缺陷不易發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生應(yīng)力集中極易造成煤礦機(jī)械的損壞，應(yīng)定期對(duì)關(guān)鍵零部件進(jìn)行檢測，及早發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)性缺陷，避免部件失效或斷裂造成設(shè)備損壞，有效防止因零部件損壞而產(chǎn)生的安全生產(chǎn)事故。

無損檢測技術(shù)可在不會(huì)對(duì)被測物體本身造成任何損傷，即可探測零部件表面或內(nèi)部缺陷，并可根據(jù)反饋的現(xiàn)象，判斷缺陷位置、大小、性質(zhì)等特性，可將缺陷進(jìn)行量化評(píng)價(jià)，目前已在工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，對(duì)煤礦機(jī)械的生產(chǎn)制造和使用維護(hù)具有重要意義。目前常見的無損檢測技術(shù)主要包含超聲檢測（UT）、磁粉檢測（MT）、滲透檢測（PT）、射線檢測（RT）和渦流檢測（ET）等多種方式[1];隨著科技的日益更新，最新非接觸無損檢測技術(shù)也得到了長足發(fā)展，主要有空氣耦合超聲、激光超聲、紅外熱像、散斑干涉技術(shù)等。煤礦機(jī)械生產(chǎn)中最常用的探傷方式為超聲波探傷、磁粉探傷、滲透探傷這三種檢測方法。

1? 超聲波無損檢測技術(shù)

（1）超聲波無損檢測目前在煤機(jī)生產(chǎn)中運(yùn)用較為廣泛，主要原理是利用超聲波在遇到不同介質(zhì)后產(chǎn)生回波，探頭發(fā)射并接收回波，通過電信號(hào)轉(zhuǎn)換，并借助成像技術(shù)，在顯示器中直觀顯示波形，測試人員通過對(duì)反射波的波形、振幅、頻率進(jìn)行分析，從而判斷被測部件缺陷位置、形狀、大小及性質(zhì)，量化缺陷，為被測物體的安全性及可靠性提供有效依據(jù)。

（2）通過超聲波探頭發(fā)射脈沖波至被測物體內(nèi)，根據(jù)其反射波情況來判斷缺陷的方法為脈沖反射法，是超聲波檢測缺陷主要檢測方法。超聲波在傳播過程中沿直線傳播，當(dāng)其垂直射入到聲阻抗差比較大的兩種介質(zhì)中，則會(huì)出現(xiàn)波的反射和透射，同時(shí)聲波在介質(zhì)中的傳播，隨著距離的增大波能逐漸衰減。除此按照檢測原理的不同還有穿透法和共振法。脈沖反射法可以準(zhǔn)確的顯示缺陷位置，缺陷的顯示方式分為A、B、C型顯示，目前運(yùn)用較為廣泛的是A型顯示。A型顯示為反射的超聲波以脈沖的形式顯示，顯示器中的縱軸為超聲波信號(hào)的幅值，橫軸表示超聲傳播的時(shí)間（如圖1）。假設(shè)超聲波在被測物體中傳播速度為，從發(fā)射到遇到缺陷返回的時(shí)間為，缺陷的聲程為：。

缺陷的大小、深度、面積則可根據(jù)低波高度法、缺陷回波法、底面多次回波法來進(jìn)行判斷。當(dāng)被測工件中無缺陷，底面產(chǎn)生多次回波，其幅度逐漸遞減，若存在缺陷，缺陷波將先于底波出現(xiàn)，或直接由缺陷全部反射為缺陷波。對(duì)缺陷波的判斷則需要更多的理論知識(shí)的支撐才能準(zhǔn)確完成[2]。

（3）超聲波無損檢測探頭的選擇。根據(jù)探頭的數(shù)量及形式可分為直探頭、斜探頭，可利用一個(gè)、兩個(gè)甚至多個(gè)探頭同時(shí)探傷。目前常用的探頭分為直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）。橫波斜探頭主要檢測缺陷與檢測面垂直或有一定角度，一般用于檢測焊接缺陷（未熔合、夾渣、氣泡等），縱波直探頭主要檢測缺陷與檢測面平行，一般用于檢測鑄、鍛件缺陷（夾層、折疊、裂紋等）。為使聲波能量能有效進(jìn)入被測工件中，同時(shí)減小被測物體與探頭之間的摩擦，需要選擇合理的耦合劑，常用的耦合劑有水、機(jī)油、甘油等。

（4）超聲波檢測較其他檢測方式具有的優(yōu)點(diǎn)。1）檢測范圍較廣。可對(duì)鑄、鍛件等金屬材料進(jìn)行檢測，也可對(duì)復(fù)合材料、非金屬材料進(jìn)行檢測。2）超聲波其穿透性好，能檢測物體內(nèi)較深的缺陷，定位較為準(zhǔn)確。3）超聲波無損檢測對(duì)周圍環(huán)境及檢測人員基本不構(gòu)成傷害。4）對(duì)被測物體不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械損傷，不會(huì)破壞損害物體表面，降低物體機(jī)械性能的無損檢測。5）設(shè)備輕便，靈敏度高，實(shí)用性強(qiáng)[3]。

2 超聲波無損檢測在煤礦機(jī)械中的應(yīng)用

（1）超聲檢測對(duì)軸類零部件的檢測。煤礦機(jī)械中最基礎(chǔ)也是最常用的部件就是軸類零部件，其原材料一般采用軋制或鍛造工藝加工而成，本身在毛坯拉伸或者鍛壓過程中就容易出現(xiàn)裂紋。同時(shí)不同軸類零件的硬度有不同要求，往往通過熱處理進(jìn)行加工，在熱處理過程中極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋或延時(shí)裂紋，無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)。設(shè)備在使用過程中軸類零件受到?jīng)_擊載荷、彎曲應(yīng)力、拉伸應(yīng)力或剪切應(yīng)力，裂紋處逐漸變大或產(chǎn)生斷裂造成嚴(yán)重的質(zhì)量事故或安全事故。同時(shí)銷軸有大有小，把銷軸拆下升井再檢測需耗費(fèi)大量人力物力。便攜式超聲波檢測儀無需破壞銷軸本身狀態(tài)的情況下，在井下便可操作，即可提高生產(chǎn)效率，同時(shí)保障設(shè)備使用壽命，降低故障率[4]。

（2）超聲檢測對(duì)結(jié)構(gòu)件焊縫的檢測。焊接作為煤礦機(jī)械目前運(yùn)用最為基礎(chǔ)及廣泛的連接組成方式，焊縫質(zhì)量的高低直接影響設(shè)備的使用壽命。隨著各類新型材料的應(yīng)用，結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，對(duì)焊接要求越來越高，焊接工藝，焊接材料，焊接參數(shù)、焊接順序及焊接人員能力均對(duì)焊縫質(zhì)量有直接影響。焊接殘余應(yīng)力極易造成結(jié)構(gòu)件的變形和焊接缺陷，而主要焊縫處一般承受較大的承載力，焊接缺陷降低設(shè)備可靠性、安全性及使用壽命。磁粉探傷、滲透探傷也可應(yīng)用于焊縫探傷，但僅焊縫表面缺陷有較好的探傷效果，不易發(fā)現(xiàn)焊縫中部的夾渣、氣孔、裂紋等焊接缺陷。在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)對(duì)主要焊縫要求進(jìn)行探傷檢測，超聲波無損檢測可快速、省時(shí)、省力的檢測出焊接缺陷，有效預(yù)防設(shè)備可能產(chǎn)生的故障[5]。

（3）超聲檢測對(duì)錨桿的檢測。煤礦井下主要加固支護(hù)方式為錨桿支護(hù)，由于巷道條件惡劣，錨桿的質(zhì)量檢測就顯得尤為重要。目前常用的對(duì)錨桿檢測的方式有無損檢測和破壞性檢測兩種方式。隨著無損檢測技術(shù)的不斷進(jìn)步，可更全面、快捷、準(zhǔn)確、無需破壞的超聲波無損檢測技術(shù)被應(yīng)用于進(jìn)行錨桿檢測[6]。超聲檢測錨桿無需受到外力作用，不會(huì)對(duì)錨桿造成任何損傷，縮短錨桿壽命。

3 超聲波檢測未來的發(fā)展趨勢

隨著對(duì)煤礦生產(chǎn)安全性的要求越來越高，目前超聲檢測的方法仍有一定的局限性。超聲檢測的可靠性，對(duì)缺陷的定位、定量、定性的準(zhǔn)確性，漏檢率均對(duì)操作人員及儀器提出很高要求。超聲波無損檢測過程中需要對(duì)機(jī)械加工、熱處理等多方面知識(shí)的支持。隨著科技進(jìn)步，超聲波無損檢測也向著自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化、圖像化方向發(fā)展。

4 結(jié)語

近年來，我國數(shù)字化超聲波無損檢測裝置的研制迅猛發(fā)展，有多家專門從事超聲波無損檢測裝置的研究機(jī)構(gòu)及生產(chǎn)廠家。超聲波探傷儀器具有體積較小，攜帶方便，靈敏度高，費(fèi)用較低，無污染等優(yōu)點(diǎn)，可對(duì)煤礦機(jī)械中鑄鍛件、軸類零部件、焊縫、巷道錨桿等進(jìn)行監(jiān)測。不僅可及早發(fā)現(xiàn)缺陷，采取有效預(yù)防手段，盡早干預(yù)處理，防止設(shè)備帶病運(yùn)行造成更大的損失。

參考文獻(xiàn)

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[6]徐金海，周保精，吳銳.煤礦錨桿支護(hù)無損檢測技術(shù)與應(yīng)用[J].采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2010，27（2）：166-170.

收稿日期：2019-12-10

作者簡介：楊杰（1984—），女，山西盂縣人，本科，工程師，研究方向：煤礦機(jī)械設(shè)計(jì)。

Application of Laser Cladding Technology in Coal Mine Machinery

YANG Jie? LANG Yan

（Taiyuan Research Institute of China Coal Technology & Engineering Group Corporation，Taiyuan Shanxi 030006）

Abstract：Coal mine machinery production conditions are bad， coal mine machinery failure seriously affects the service life of equipment， or even cause safety accidents. In the coal industry under the background of recession， using laser cladding technology to repair damaged parts can effectively prevent coal mine mechanical wear failure， improve the parts surface wear resistance， corrosion resistance， surface strength， such as performance， not only can prolong the service life of equipment， improve the efficiency of coal mining machinery production， reduce production cost， but also can reduce the harmful chemicals， harmful gases， the damage to the environment， accord with national green sustainable development strategy.

Keywords：Ultrasonic nondestructive testing;Coal mining machinery;Defect;Service life