1、铸件的基本情况介绍

   某公司生产的1000MW机组中压外缸是国产第一次制造的大型球铁铸件。铸件参数为重量43380kg，外型尺寸为6075mm（长）×4200mm（宽）×2090mm（高），材质为EN-GJS-400-18U-RT（GGG40.3），工作温度为280℃左右，探伤标准PA11.70，实物外形见图1。

            （a）上半部                          

（b）下半部

                             图1  中压外缸的外形

2、球墨铸铁超声波探伤的特点

   铸件因表面粗糙，晶粒粗大，组织不均匀，造成晶界面散射强烈，容易发生散乱反射，产生林状或草状回波，超声波传播时衰减大，穿透力差。球墨铸铁中的石墨形态对超声波的穿透力影响较大，片状石墨的超声波穿透性能差，而球化良好的球状石墨的超声穿透性能好。一般使用2MHz的探头检查球墨铸铁，不能满足时也可使用1MHz探头辅助检查，但有一定的条件限制。

    铸造常见的缺陷主要有气孔、缩孔、疏松、冷隔、裂纹和夹渣等，而球铁中除了以上的缺陷外，还有一种典型的缺陷就是浮渣。

（1）气孔    是金属凝固过程中未能逸出的气体留在金属内部形成的小空洞，其内壁光滑，内含气体，对超声波具有较高的反射率，但是又因为其基本上呈圆形或椭圆形状，也因为点状缺陷，会影响其反射波幅。通常气孔不单独存在，往往成群聚集。超声波检查时的波形常为可分辨的柱状回波，当气孔严重聚集在一起时，波形为不可分辨的回波。

（2）缩孔与疏松    铸件或钢锭冷却凝固时，体积要收缩，在最后凝固的部分因为得不到液态金属的补充，会形成空洞状的缺陷。大而集中的空洞称为缩孔，细小而分散的空隙则称为疏松，一般位于钢锭或铸件中心最后凝固的部分。其内壁粗糙。周围多伴有许多杂质和细小的气孔。由于热胀冷缩的规律，缩孔是必然存在的，当其延伸到铸件或钢锭本体时就成为缺陷。其表面粗糙，声阻抗大，反射波形低，呈锯齿形，根部较宽。有时呈草状或林状，底波很低或完全消失。

（3）冷隔    铸件中特有的一种分层性缺陷，主要与铸件的浇铸工艺设计有关，它是在浇注液态金属时，由于飞溅、翻狼、浇注中断，或者来自不同方向的两股（或多股）金属流相遇等原因，因为液态金属表面冷却形成的半固态薄膜留在铸件本体内而形成一种隔膜状的面积型缺陷。冷隔往往肉眼就可以发现。

（4）裂纹    由于铸件在浇铸成型的过程中，存在液态收缩、凝固收缩和固态收缩等多个过程，当收缩受到阻碍会产生较大的内应力造成收缩裂纹。产生收缩裂纹的位置，多发生在截面变化处。裂纹属平面性缺陷，当裂纹与声波方向垂直时，反射波很高，有时可以得到多次反射。而当裂纹呈倾斜性时，反射波高度明显不同，当裂纹与声波传播方向平行时，往往会检测不到。裂缝的超声波检查通常使用斜探头，对于表面裂缝的检查双晶斜探头是不错的选择。

（5）夹渣    熔炼过程中的熔渣或熔炉炉体上的耐火材料剥落进入液态金属中，在浇注时被卷入铸件或钢锭本体内，就形成了夹渣缺陷。夹渣有单个，条状，也会有密集，呈密集状态时会在不同深度上分散存在，类似体积型缺陷然而又往往有一定长度。

（6）浮渣    在浇注过程中，氧化夹杂物/氧化产物不可能全部从冒口浮出，在工件上的表面凝固形成机体的一部分而减少了工件正常组织厚度的一种缺陷。浮渣一般在工件表面的一侧（图2）。缺陷波位置接近底波，严重时使底波降低或消失。

      （a）上半背部肉眼可见的浮渣              

（b）下半侧面浮渣位置

                                图2  浮渣缺陷

3、超声波检查过程

3.1  工件的表面状态要求

     被检表面应作喷丸或打磨处理，使检验表面无任何可能影响超声波探伤的氧化皮，锈蚀、粘砂、切割残留物、冒口和凹坑等。其粗糙度要达到有关标准规定、

3.2  超声可探性的测试

球铁件的机械性能应达到规定要求，如石墨球化不好，则粗大的石墨和基体结构就会作为声散射源而产生散射，加剧声传播过程中的衰减并大大增加了结构噪声，使灵敏度降低，穿透距离减少，甚至造成不可检，故在超声波探伤前需进行可检测性评价，其要求如表1，另外还需测量并记录断面收缩率。

注：1）如法兰连接区。

下列步骤可测定最小可检测尺寸（引用PA11.60）：

（1）    在工件上调节底面回波为40%屏高。

（2）提高回波幅度，使噪声信号达20%屏高。

（3）按相应的最大声程，从DGS图表中确定等效缺陷尺寸。从

图表中可得，当铸件厚度＜20mm时，最小检测灵敏度为Φ3mm平底孔，当20mm≤T≤100mm时为Φ5mm平底孔，当100mm≤T≤250mm时为Φ8mm平底孔，当T＞250mm时为Φ10mm平底孔。

     在设置检测系统灵敏度时，如不能得此最小检测灵敏度，则能测得的最小可检尺寸应在报告中注明。此套气缸最小检测检测灵敏度能满足标准要求。

3.3  球墨铸铁的声速测量

     超声波的传播速度与介质的的性质有关（如弹性模量、密度、泊松比），不同的物质不同的组织结构有各自固定的传播速度，石墨球化程度的不同会导致超声传播速度不同，足够的球化率可通过测量球墨铸铁的声速来验证^【1】。有资料表明^【2】，声速5500m/s相当于球化级别三级）。声速的测试可以采用下列步骤：

     （1）在CSK-ⅠA型试块上校准设备，调出相应的水平距离，并设定该试块纵波声速为5920m/s。

      （2）用机械法测量铸件截面厚度（T₁），用超声波反射法测量出的铸件截面厚度（T₂）。, , , ,

      （3）球铁声速计算公式

        按上述方法测出该球铁件声速在5600m/s左右。

3.4  探伤方法的选择

     以直探头纵波脉冲反射法为主，对近表面的探伤选用双晶纵波探头，必要时斜探头也可作为辅助检测（一般选用25°—70°折射角）。

3.5  探测条件

     （1）超声波检测设备选用信噪比较高的仪器，如USD10，USIP11或HS-616E等数字式仪器。

     （2）探头：由于铸件截面厚度大，超声波传播距离远，为改善声束的指向性，尽量减少扩散衰减，使声束能尽量穿透足够的距离，应选用大直径，适当频率的探头，但实际上还应根据铸件的几何形状挑选探头的尺寸和频率。常用单晶探头为B2S和MB2S，双晶探头为SEB2，斜探头MWB45-2。

3.6  探伤灵敏度及标准

     检测时以能达到最低检敏度为探伤灵敏度。对远场区在实物上用DGS图表方法确定增益值，以进行灵敏度校准（图3），对近表面检测可使用同材料的K1试块中的25mm厚度来校准灵敏度（图4），也可使用一个同材料的阶梯试块来校准。扫查时其灵敏度可以再增加一定的增益值直至出现不影响正常信号辨认的电子和结构噪声为止，一般噪声的高度为10%屏高，但如果以规定的探测灵敏度探测时噪声较高也可以采用分层探测法，以保证有一定的信噪比。当然还要考虑表面补偿，视情况加2—4dB，当使用频率较高的探头时还要检查材料的声衰减。

      如探测300mm的工件，使用工件校准Φ3mm缺陷不漏检，从图3中可以查出需增加36 dB（未考虑其它因素）。

     如探测30mm近表面，2mm缺陷不漏检，在25mm厚度上调整，从图4中可得出需 25 dB（未考虑其它因素）。

图3  远场区的灵敏度校正                     图4  近表面检测的灵敏度校正

3.7  探测方向的选择

     球墨铸铁的缺陷形态与一般铸铁有一定的差别，探伤前应对球铁件的铸造工艺有一个大概的了解，确定冒口的位置，熟悉铸件的结构，了解可能存在的缺陷多发区，分清铸件的浇注方位，另外要知道不同区域的各自探伤等级要求，对等级要求高的部位，尽可能在各个方向进行扫查。扫查速度≤150mm/s，扫查时声束要覆盖，以保证缺陷不漏检。

3.8  对不连续尺寸的确定

在确定不连续尺寸时，尽可能使用小声束直径的探头^【3】，特别是对与探测方向不平行的反射体。如反射体实际延伸长度比在反射深度处的声束直径（-6 dB）小，则反射体为不可测量延伸长度的反射体，其大小可以用试块比较或用AVG计算（按当量），反之，反射体为可测量延伸长度的反射体，则能测出反射体的深度与长度或面积（按长度或面积），探头声束直径Φ可以查专用图表或由下列近似公式计算：

式中λ=C/f；C为声速；f为频率；D为探头晶片直径；S为声程。

3.9  浮渣厚度和面积的测量

     球墨铸铁检查时容易发现浮渣，测定浮渣厚度时，在发现底波下降超过规定值的区域，用超声波从铸件的另一面（浮渣表面的相对面）检查不连续处时，得到的比噪声水平高6 dB的第一次回波以内的厚度即为剩余的正常部分厚度。然后将壁厚减去这部分厚度就可以得到浮渣厚度，根据不同标准中的要求并考虑机加工余量判断浮渣是否合格。

     浮渣面积的测量，根据不同标准的规定一般考核底波下降值来测定面积。

4、超声波探测结果

该球铁件的铸造工艺方法是中分面朝下管口向上。夹杂、气体等缺陷容易向上浮起，故中分面上没有发现缺陷信号，缺陷大部分出现在管口上。图5是外径Φ1080mm的管口，缺陷性质为疏松，此处为冒口下部，该管口有三个冒口，三处缺陷部位均出现在冒口下。1号缺陷最大，在外圆探测时底波明显消失（图6、7）。2号，3号缺陷面积次之，从探伤情况看，缺陷由管口端部朝下逐渐减少。目前的加工尺寸，最高部位（内圆止口处）有近10mm加工量。

                     图5  φ1080mm管口上的缺陷位置                           

 图6  1号缺陷深度

图7  打孔至42mm时暴露在孔壁上的1号缺陷

4.1  发现的缺陷情况

     用B2S探头发现1号缺陷尺寸为320mm（周向）×150mm（深度），其距边缘80mm，深度≤80mm，Φ3.5mm≤缺陷当量尺寸≤Φ4mm。

     缺陷区域为距外侧55—120mm，覆盖二个螺栓孔，最大缺陷在一螺栓孔或接近螺栓孔内。

5、对缺陷的处理意见

   对缺陷可挖除后进行焊补，也可在螺栓连接处尽量将缺陷去除掉，用与本体同牌号材料（无缺陷材料）加工一个带有内螺纹的衬套，保证与螺纹相配处的内孔无缺陷。

经对产品缺陷分析认为，由于铸铁件的可焊性差，且焊接周期长。可优先选取镶套的方案。根据目前超声波探伤判定缺陷结果，首先确认螺纹及钻孔尺寸，在镶套孔中心位置钻孔。

（1）采用镶套方案是根据目前对缸体超声波粗探中出现的缺陷判定结果而制定的，而缸体按交货尺寸还有加工余量，所以缺陷的大小只是相对正确，为保证对缺陷更准确的定位，因此需要在进一步的加工过程中，分步骤精确判定缺陷的大小和状态，便于考虑处理方案。

（2）根据目前探伤的结果，对缺陷部位开孔镶套建议采用尺寸M72，深100mm的衬套，因为采用尺寸M84，深140mm的衬套，虽然接触区域增大，即受力区域增加，但内壁减薄，对使用同样不利，所以若采用镶套的方案，建议孔为M72，如果M72还不能保证受力区域（如果缺陷还存在很多），则也不可以加大钻孔，要商量焊接方案。

（3）镶套用的棒料，要与本体材料一致，并进行超声波探伤检验，保证棒料无缺陷。1号、2号、3号缺陷大小各不相同，镶套开孔尺寸要根据钻孔后检验缺陷的实际情况，如先打Φ42mm（图7），再确定各自部位的实际尺寸。比如1号缺陷区域开孔尺寸最大，2号和3号缺陷应视情况而定。

（4）在钻孔之前要测量抽汽口处内部尺寸，以及法兰高度，根据实际尺寸再开始实施镶套钻孔方案。镶套棒与基体间的管口平面处，套完之后要进行焊接，焊接区域要做超声波及表面检查，开坡口深度要保证精加工后套与基体间无缝隙。

6、结语

    超临界1000MW机组中压内缸以前全靠进口，现已逐步实行国产化，通过第一套汽缸按照西门子的方法与标准对其内在质量进行评定，比较完整地掌握了西门子的超声波检验员标准和操作方法，在实际产品的检测中取得了一定的成果。也为今后球铁件的铸造工艺改进、探伤操作和处理缺陷方面积累了宝贵的经验。