超聲檢測在糖廠榨輥軸環向裂紋檢測中的應用

劉 洪，劉新遠

（廣西通用機械產品質量檢測站，廣西 南寧 530001）

0 引言

榨輥軸是糖廠生產重要設備之一，對甘蔗汁榨出必不可少。在整個榨季中，榨輥軸在交變力作用下，極易產生裂紋發生斷軸。一旦斷軸，整個壓榨流程就得停止，對斷軸進行更換。如一間日榨一萬噸的糖廠，以最低蔗糖出糖率百分之十，糖價6000元/噸計算，停榨才能更換榨輥，這就拉長了榨季時間，降低綜合經濟效益約600萬元。因為榨輥軸的重要性，糖廠每次停榨檢修期間，都要對榨輥軸進行無損探傷檢測，根據檢測裂紋深度結果，判斷榨輥軸是否進行修補或進行報廢處理。斷裂的榨輥軸實物圖，如圖1所示。

圖1 斷裂的榨輥軸

1 榨輥軸受力分析

圖2為糖廠榨輥軸檢測位置示意圖，其中A、B、C、D、E為臺階位，由于截面變化，造成應力集中。輥殼和榨輥軸是由熱套組裝而成，在緊箍位置附近也容易造成應力集中。輥殼在工作中壓榨甘蔗，荷載由輥殼傳導至中心軸，在交變力的作用下，這些位置容易產生裂紋，是檢測中的重點監測位置。

2 無損探傷檢測方法

2.1 無損探傷檢測方法的種類

目前無損探傷檢測常規使用的方法有：超聲檢測、射線檢測、磁粉檢測、滲透檢測和渦流檢測。

超聲檢測，適用于工件內部缺陷的檢測，可用于超過100mm大厚度材料的檢測，能確定缺陷的位置和相對尺寸，但較難確定體積狀缺陷和面狀缺陷的性質。

射線檢測，適用于幾乎所有材料，但對裂紋缺陷有方向性限制，較難檢出厚鍛件中存在的缺陷，較難確定缺陷的深度位置和自身高度，且射線對人體有傷害，需要嚴格安全防護。

磁粉檢測，適用于鐵磁性材料的表面和近表面缺陷檢出，靈敏度高，可檢缺陷最小寬度為1μm，但難以確定缺陷自身高度。

滲透檢測，適用于表面開口缺陷，但難以確定缺陷自身高度。

圖2 榨輥軸檢測位置示意圖

渦流檢測，適用于導電材料自動化檢測，可以檢測表面和近表面缺陷，但較難檢測出缺陷的自身寬度和準確深度。

2.2 無損探傷檢測方法的選擇

在糖廠榨輥軸的檢測中，因為榨輥軸直徑超過100mm，且射線有害，必須清場，現場檢測不適用。滲透檢測只能檢測表面開口缺陷，例如對于修復后榨輥軸的埋藏缺陷即表面未開口，以前修復裂紋時，氣刨后清根未徹底就焊接留下缺陷，不能檢出，現場不適用。渦流檢測適合自動化生產，檢測表面和近表面缺陷，但較難檢測出缺陷的自身寬度和準確深度，現場檢測不適用。磁粉探傷直觀，可見磁痕，靈敏度高，儀器攜帶方便，但磁粉檢測只能檢測表面和近表面缺陷，深層缺陷不能檢出，不能確定缺陷的深度，且輥殼內榨輥軸由于輥殼的阻擋，不能檢測，可以做為輔助手段。超聲檢測對于大厚度的榨輥軸穿透能力強，輥殼不形成阻擋，能確定缺陷在榨輥軸上的位置和深度，十分適用。所以在檢測榨輥軸過程中，輥殼外和輥殼內榨輥軸用超聲檢測通體檢測，確定缺陷的位置和相對尺寸，用磁粉檢測做為輔助手段對輥殼外檢測部位進行檢測。

因此，目前超聲檢測是糖廠榨輥軸檢測的一種常用且必要的手段。超聲檢測UT是五大常規無損探傷檢測技術之一，是目前國內外應用最廣泛，使用頻率最高且發展較快的一種無損探傷檢測技術。超聲檢測的工作原理有如下幾點。

第一，聲源產生超聲波，采用一定的方式超聲波進入工件。

第二，超聲波在工件中傳播并與工件材料以及其中的缺陷相互作用，使其傳播方向或特征被改變。

第三，改變后的超聲波通過檢測設備被接受，并可對其進行處理和分析。

第四，根據接受的超聲波特征，評估工件本身及其內部是否存在缺陷及缺陷的特征。

2.3 與目前常規超聲檢測榨輥軸方法的對比

糖廠榨輥軸材料為鋼鍛件，如用常規直探頭在端面進行檢測，由于工件存在臺階，軸承座位置存在圓弧，只有在最外端面才可進行檢測。這種情況下，只有輥殼內裂紋達到相當深度才可被檢測到，容易造成漏檢?，F對輥殼內缺陷，必須用橫波斜探頭進行檢測。

對于裂紋的垂直深度和水平距離的判定，也與常規斜探頭檢測有所不同：在垂直深度方面，如果出現雙波峰即缺陷在屏幕上顯示很近的兩個波峰，一般方法是前后拖動探頭，用閘門套住最高波，直接讀出垂直深度和水平距離，現經過多年總結，把檢測范圍縮小，使得雙波峰之間距離相對拉開，把雙波峰的前波拖到最高波，用閘門套住波峰讀取裂紋深度，這種做法準確率相對高。

在裂紋的水平距離的判定上，常規的把波峰拖到最高，用閘門套住波峰直接讀取儀器數值，往往有誤差，現在改用表面波法，準確率可以達到百分之百。同側法用K2、K2.5探頭檢測裂紋深度和水平距離時，前后拖動探頭經常會出現一個突然拉起又很快消失的波峰，往往會被人誤判。而DAC曲線法對榨輥軸環向裂紋進行檢測判定，并不適用，榨輥軸環向裂紋并沒有安全區、評定區和判廢區，榨輥軸是否繼續使用或者需要檢修，甚至報廢，是由委托方根據本單位實際情況來決定的。

3 榨輥裂紋形式、位置、深度和檢測方法

3.1 榨輥軸環向裂紋多發位置及檢測方法

由于榨輥軸在工作時是做圓周轉動，所以榨輥上的環向裂紋是最有可能產生和最具有危害的缺陷。根據多年的檢測經驗，榨輥軸在軸承座的軸頸圓弧的B、C、D、E位置、臺階位置即是C、D靠近輥殼位置、輥殼與榨輥軸的箍緊位置附近即輥殼內大約距離C、D位置200mm附近以及方頭位置即是A位置，是與聯軸器相連的位置，這些都是最容易產生環向裂紋。

由于環向裂紋的方向性問題，一般選用斜探頭檢測，檢測流程為：第一步，在CSK-IA型試塊上確定探頭的K值、零點和前沿。第二步，用直探頭確認榨輥軸軸頸位直徑以及軸頸相鄰臺階直徑。第三步，用已知軸頸相鄰臺階位直徑校調斜探頭所用聲速。第四步，用已知臺階直徑取基本波高，一般取屏幕的百分之八十，以HS620型數字式超聲波探傷儀為例，正常值約為70dB。第五步，提高12dB對工件進行掃查。

3.2 用對側法的K1探頭測裂紋深度和水平距離

對于儀器屏幕上出現的波峰，要做具體分析，了解工件的結構和尺寸，由于結構的原因引起的波峰，比如臺階引起的波峰，有時背對臺階也有波峰產生，根據有關文獻，這個可能與表面波的干擾有關，可排除在外。

對榨輥上出現的腐蝕槽進行具體分析，即輥殼與中心軸連接處附近經常出現，由于蔗汁腐蝕經常有淺槽出現，如糖廠方允許，可拆開擋板進行打磨后，再用磁粉檢測確認裂紋是否修補好。

對于在圓周方向移動K1探頭，移動一段距離后波峰消失的缺陷，有可能是小段裂紋，也有可能是夾雜，此時可以看所在深度，若缺陷在榨輥軸中心附近，根據多年檢測經驗，榨輥裂紋一般產生在表層，再往中心發展，所以基本可以排除裂紋可能性，再結合dB值判定，如70dB可以得到基準波高即在屏幕百分之八十處，缺陷波高大于屏幕百分之八十處則在100dB以上，也可以排除裂紋的可能性。

對于環向達到圓周四分之一到整圈波峰，如果基本波高容易產生，缺陷波高提高十幾dB就可達到基本波高高度，基本可以判定是環向裂紋，此時可環向加前后掃查，找到最高波讀出裂紋深度，如出現雙波峰，可調整探測范圍，使得波峰分開，仔細調整閘門套住前波，讀出前波最高波峰時候的深度值。環向裂紋水平位置的數值，在最高波峰時由儀器直接讀出往往有偏差，這是由于探頭的零點、前沿和K值的確定，是由試塊測試得來，而工件的材料與試塊有差異，工件的厚度也比試塊的厚度大得多，CSK-IA型試塊的厚度是一百毫米，而榨輥軸軸徑位的直徑可以達到500毫米，聲能損失較大，使得探傷儀的自動計算出現失誤。這種在波峰時候讀出的水平距離，和實際距離的偏差可以達到幾十毫米，如果裂紋出現在輥殼與中心軸箍緊位附近，在返修時就要考慮是否破殼的問題，而一個榨輥殼的成本是幾萬塊錢，破后就無法使用，只能換新殼，增加成本，所以水平尺寸的確定十分重要。

根據多年的實踐經驗，可用表面波讀數法取代傳統上的最高波讀數法，正確率基本可以達到百分之百，例如在一個直徑500毫米的軸上發現環向裂紋，此時不在最高波時讀出水平讀數，而是前后拖動探頭，當探頭深度顯示500的時候，讀出波峰數值，此時才是裂紋水平位置的真實讀數。缺陷理論波形圖和缺陷實際波形圖，如圖3和圖4所示。

3.3 用同側法的K2和K2.5探頭檢測裂紋深度和水平距離

由于試塊材料、試塊厚度與工件的差異，導致聲能的損失，使得水平位置在波峰最高時候的讀數，與實際位置存在差異。在厚度方向，最高波時儀器讀數和實際數值的差異一樣存在。為盡量減少誤差，在榨輥殼外的中心軸發現的裂紋，可以用同側法取代對側法，也就是用K2或者K2.5的探頭，以對側法所測出的裂紋深度做參考選用合適探頭，在裂紋附近進行測量。

在檢測過程中，對雜波的排除相當重要，初始波會在屏幕上占相當寬度，而初始波是始終存在的，這時可以讓探頭離開工件，仍然存在的波，就是初始波，這個應當排除掉。探頭在裂紋旁邊前后移動，當一個高的波峰出現，又很快消失，這時后面再起的一個穩定波峰，用閘門套住，讀出的深度值就是裂紋深度的真實值。

圖3 缺陷理論波形圖

圖4 缺陷實際波形圖

4 結束語

裂紋具有延伸特性，小裂紋會發展成大裂紋，最終導致斷軸，糖廠在每個榨季停榨后，都要對榨輥軸進行檢測，然后根據裂紋位置和深度，決定是否停用、報廢或者返修。

做為廠家判斷依據的裂紋水平距離和裂紋深度，得出結論應該盡量真實。特別是在輥殼內榨輥軸位置，不能用磁粉做為輔助檢測，只能由超聲檢測得出檢測結果，一旦裂紋深度數值達到廠家認為需要返修，要把舊輥殼破碎了才能返修，這樣舊輥殼不能再用，就必須換新輥殼，如果真實值比檢測出的數值小，本不用破碎輥殼而又被破碎了，就造成了浪費。若裂紋深度判定比真實值小，榨輥不返修，又容易造成斷軸，被迫停榨。

根據歷年對各個糖廠榨輥軸檢測的統計，有裂紋的概率超過30%?，F在糖廠一般有兩條生產線，一條線5座機架使用15條榨輥軸，兩條線共使用30條榨輥軸，檢出有裂紋榨輥軸概率達到9條，如果這9條軸不能正確返修、停用或者報廢，而繼續使用，榨季時候很容易造成時不時的斷軸，被迫停榨次數多，糖廠生產損失大。更換一條榨輥軸所用時間為八到二十四小時，以八個小時計，減產損失大，造成動力資源浪費，拉長榨季時間，降低企業和社會效益。

超聲檢測在糖廠榨輥軸的應用中，試塊材料和榨輥軸材料的差異、榨輥軸本身結構以及裂紋方向性的影響，使得超聲波探傷儀顯示的裂紋深度和裂紋水平距離，不能簡單的在超聲波儀上由波峰直接讀出數值，而是要經過仔細研究、具體分析，找出最真實的波峰數值，然后得出結論。