紀(jì)曉明

（中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司 通遼機(jī)務(wù)段，內(nèi)蒙古 通遼 028000）

1 探傷現(xiàn)狀

HXN3型機(jī)車高低溫冷卻風(fēng)機(jī)、電阻制動(dòng)風(fēng)機(jī)是機(jī)車重要的熱交換設(shè)備之一，中國(guó)鐵路總公司《HXN3型內(nèi)燃機(jī)車檢修技術(shù)規(guī)程（試行）》（鐵總運(yùn)〔2016〕245號(hào)）規(guī)定，機(jī)車C5修時(shí)對(duì)風(fēng)機(jī)鋁合金葉片進(jìn)行“X光”或滲透檢測(cè)。因“X光”具有放射危害性，段修時(shí)檢測(cè)項(xiàng)目單一，故該方法不適用于現(xiàn)場(chǎng)[1-3]。目前，段修時(shí)葉片不分解且沒有專用整體翻轉(zhuǎn)設(shè)備，為防止葉片撓度形變，僅對(duì)葉片向上的非受力凸面進(jìn)行滲透檢測(cè)；而葉片根部及凹面的裂紋多發(fā)區(qū)域向下，無法進(jìn)行滲透操作，由此產(chǎn)生關(guān)鍵部位檢測(cè)工藝缺項(xiàng)的漏檢隱患。葉片滲透檢測(cè)前，需化學(xué)去除表面積碳、油污，極易造成人為的“腐蝕”傷損和環(huán)境污染。嘗試采用渦流方法對(duì)風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行全面檢測(cè)，消除隱患。

2 風(fēng)機(jī)葉片概況及裂損分析

HXN3型機(jī)車電阻制動(dòng)風(fēng)機(jī)有8長(zhǎng)4短共12個(gè)葉片、高低溫冷卻風(fēng)機(jī)有11個(gè)葉片，弧度與厚度均不一致，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別為3 900 r/min 和2 000 r/min；合金鑄鋁型材的葉片用螺栓緊固在轉(zhuǎn)軸基體上，葉片材質(zhì)牌號(hào)為A357，熱處理工藝采用T6方法，表面噴砂處理后略顯粗糙。

風(fēng)機(jī)葉片產(chǎn)生缺陷的原因有多方面，在生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)空隙、分層和夾雜等典型缺陷；在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)裂紋、斷裂和機(jī)體老化等缺陷。

風(fēng)機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，在蠕變-疲勞的交互作用下，葉片材料的組織、性能會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，葉片表面及內(nèi)部原始冶金缺陷周圍會(huì)產(chǎn)生微裂紋并擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂事故，及早探傷檢測(cè)可發(fā)現(xiàn)缺陷并排除隱患。

3 渦流檢測(cè)原理及依據(jù)

3.1 檢測(cè)原理

渦流檢測(cè)是以電磁感應(yīng)理論為基礎(chǔ)的一種常用的探傷方法，當(dāng)檢測(cè)線圈在葉片上運(yùn)動(dòng)，由于交變磁場(chǎng)的作用，會(huì)使試件中產(chǎn)生同頻率的反作用磁場(chǎng)，即改變線圈的阻抗性質(zhì)[4]。當(dāng)材料的電阻率、磁導(dǎo)率、幾何形狀發(fā)生變化，葉片中有無缺陷均能通過檢測(cè)線圈的阻抗產(chǎn)生的變化量來判斷（見圖1）。

3.2 渦流檢測(cè)風(fēng)機(jī)葉片的技術(shù)特點(diǎn)

（1）渦流檢測(cè)的趨膚深度一般位于表面下0～5 mm，檢測(cè)靈敏度高，可檢出最小長(zhǎng)5.0 mm、深0.5 mm的內(nèi)表面?zhèn)?。?duì)于鋁合金類的風(fēng)機(jī)葉片表面或近表面缺陷，有較高的檢測(cè)靈敏度。

（2）用于風(fēng)機(jī)葉片檢測(cè)時(shí)，檢測(cè)速度快，易于實(shí)現(xiàn)手工操作；對(duì)各類異型葉片和葉片不同部位均有很好的適應(yīng)性，如風(fēng)機(jī)葉片根部、葉片凹面及螺栓安裝座的檢測(cè)。

圖1 電阻抗測(cè)量原理示意圖

圖2 鋁試塊

（3）檢測(cè)風(fēng)機(jī)葉片時(shí)，根據(jù)渦流的趨膚效應(yīng)及相位滯后效應(yīng)，檢測(cè)人員依據(jù)缺陷信號(hào)的相位、幅度大小，可明確區(qū)分缺陷的性質(zhì)及缺陷類型，如是否屬于貫穿性疲勞缺陷、缺陷是位于表面還是近表面、缺陷大小等。

4 渦流檢測(cè)試驗(yàn)

為進(jìn)一步完善葉片的探傷檢測(cè)工藝，使用愛德森（廈門）電子有限公司多頻渦流檢測(cè)儀及相關(guān)探頭對(duì)葉片自然裂紋進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，目的是驗(yàn)證渦流檢測(cè)風(fēng)機(jī)葉片的可行性。

4.1 試驗(yàn)條件

檢測(cè)儀器：EMT-2006C掌上型多頻渦流檢測(cè)儀。檢測(cè)探頭：筆式探頭（差動(dòng)式）、彎角斧式探頭、低頻探頭、邊緣探頭。

檢測(cè)試塊：刻有深度為0.2 mm、1.0 mm人工缺陷的鋁試塊（見圖2）。

試件：風(fēng)機(jī)葉片（葉片表面、邊緣、根部、內(nèi)部），材質(zhì)為合金鑄鋁（見圖3）。

各檢測(cè)參數(shù)設(shè)置見表1。

4.2 葉片邊緣檢測(cè)

圖3 風(fēng)機(jī)葉片

表1 檢測(cè)參數(shù)設(shè)置

檢測(cè)探頭采用邊緣探頭， 驅(qū)動(dòng)電壓為5 V，檢測(cè)頻率為553×103Hz，高通濾波為1 Hz，前置20 dB，增益38.0 dB。對(duì)人工缺陷深度為0.2 mm的鋁試塊進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)波形見圖4。

檢測(cè)結(jié)果表明：渦流檢測(cè)方法對(duì)疲勞裂紋具有很好的檢出能力和探傷能力，且波形清晰，方便分辨。該探頭為邊緣探頭，可以克服渦流檢測(cè)中的邊緣效應(yīng)，減少誤報(bào)警現(xiàn)象，檢出率比較可靠。但受試件表面粗糙度影響較大，且需根據(jù)葉片的厚度不同設(shè)計(jì)不同的探頭。通常葉片表面裂紋是由葉片邊緣裂紋發(fā)展而成，所以建議重點(diǎn)檢測(cè)葉片邊緣。

4.3 葉片表面檢測(cè)

檢測(cè)探頭采用筆式探頭， 驅(qū)動(dòng)電壓為3 V，檢測(cè)頻率為260×103Hz，高通濾波為1 Hz，前置15 dB，增益35.0 dB。對(duì)人工缺陷深度為0.2 mm的鋁試塊進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)波形見圖5。

檢測(cè)結(jié)果表明：相對(duì)于普通絕對(duì)式探頭，采用筆式探頭檢測(cè)靈敏度更高，缺陷波形比較容易分辨，但該探頭由于受檢測(cè)面積限制和具有方向性的特點(diǎn)容易發(fā)生漏檢。綜上考慮，如果所需檢測(cè)靈敏度不是很高，可以考慮普通絕對(duì)式探頭。

4.4 葉片狹窄區(qū)域檢測(cè)

圖4 葉片邊緣檢測(cè)波形

檢測(cè)探頭采用彎角斧式探頭，驅(qū)動(dòng)電壓為3 V，檢測(cè)頻率為553×103Hz，高通濾波為1 Hz，前置20 dB，增益38.0 dB。對(duì)人工缺陷深度為0.2 mm的鋁試塊進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)波形見圖6。

檢測(cè)結(jié)果表明：根據(jù)檢測(cè)試件前端的形狀，彎角斧式探頭比較適用于試件的狹窄區(qū)域，一般為可作為其他探頭的補(bǔ)充檢測(cè)，不適用于大面積檢測(cè)。

4.5 葉片內(nèi)部檢測(cè)

檢測(cè)探頭采用低頻探頭，驅(qū)動(dòng)電壓為8 V，檢測(cè)頻率為256 Hz，高通濾波為1 Hz，前置35 dB，增益33.5 dB。對(duì)人工缺陷埋藏深度為2.0 mm的鋁試塊進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)波形見圖7。

圖6 葉片狹窄區(qū)域檢測(cè)波形

圖5 葉片表面檢測(cè)波形

圖7 葉片內(nèi)部檢測(cè)波形

檢測(cè)結(jié)果表明：一般渦流探頭檢測(cè)試件表面以及近表面的開口裂紋，低頻探頭可以檢測(cè)鋁合金的埋藏缺陷（一般也有相應(yīng)的檢測(cè)范圍），本次試驗(yàn)檢測(cè)到相應(yīng)波形，但缺陷的具體性質(zhì)還需進(jìn)一步分析。

4.6 缺陷測(cè)深

由于渦流檢測(cè)是一個(gè)相對(duì)量的檢測(cè)方法，無法直接檢測(cè)出缺陷的實(shí)際大小，但可以采用比較法來判斷缺陷實(shí)際大小。若采用比較法，就必須保存已知缺陷波形的幅度及所對(duì)應(yīng)的實(shí)際缺陷大小，需要做缺陷幅度的標(biāo)定曲線。一般采用筆式探頭，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)試塊深度為0.2、0.5、1.0 mm的人工缺陷，通過標(biāo)定試塊缺陷大小來測(cè)量其他缺陷，用數(shù)字顯示缺陷的實(shí)際深度。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，2.0 mm深的斜向自然裂紋與徑向人工缺陷在阻抗平面圖中顯示的缺陷波形特點(diǎn)略有不同，需要進(jìn)一步探索檢測(cè)參數(shù)設(shè)置、探頭匹配以及缺陷定性、定量分析的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

本次試驗(yàn)中，多頻渦流對(duì)葉片檢測(cè)的判廢標(biāo)準(zhǔn)為深0.5 mm、長(zhǎng)5.0 mm的缺陷，以鋁合金試塊深0.5 mm的橫向人工刻槽作為報(bào)警參照，對(duì)葉片表面、根部、邊緣部位進(jìn)行檢測(cè)。如果在檢測(cè)過程中出現(xiàn)超過報(bào)警區(qū)域的信號(hào)、長(zhǎng)度判定為5.0 mm以上的缺陷，均按判廢處理。

5 典型裂紋

通過外觀檢查，可發(fā)現(xiàn)電阻制動(dòng)風(fēng)機(jī)12個(gè)葉片均有流線形連續(xù)狀缺陷痕跡，且與葉片約15°角平行走向，呈密集狀均勻分布，直達(dá)葉片邊緣，最長(zhǎng)為56 mm（見圖8、圖9）。葉片根部未見與運(yùn)行方向一致的橫向裂紋，螺栓安裝座、葉片背部完好。在進(jìn)行滲透探傷檢測(cè)后，出現(xiàn)的微裂紋顯示更加清晰、邊緣整齊光滑，表面擦拭干凈后滲進(jìn)內(nèi)部的滲液無法去除，局部打磨可見未消除的痕跡，且打磨部位也無法處理干凈。微裂紋在葉片端部斜向顯示，與水平面夾角約35°、深度達(dá)2.0 mm（見圖10）。在風(fēng)機(jī)葉片上偶見單個(gè)短線狀缺陷，極少有這樣密集型的缺陷，該情況在航空發(fā)動(dòng)機(jī)也極其罕見。具體成因和失效性質(zhì)有待進(jìn)一步對(duì)缺陷的樣品進(jìn)行能譜分析和材料金相分析來判定。

通過對(duì)風(fēng)機(jī)葉片試件的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以得出：（1）多頻渦流檢測(cè)儀配合幾種專用探頭可以實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)機(jī)葉片檢測(cè)的全覆蓋，特別是葉片根部圓弧部位；（2）對(duì)葉片表面和近表面裂紋、夾雜和氣孔等類型缺陷具有較高的檢測(cè)靈敏度，能夠發(fā)現(xiàn)表面長(zhǎng)2.5 mm的缺陷；（3）對(duì)葉片表面噴砂形成的粗糙面，可通過2個(gè)不同檢測(cè)頻率的混頻技術(shù)濾除雜波干擾。

圖8 缺陷密集分布

圖9 葉片邊緣缺陷

圖10 葉片端部缺陷深度

6 結(jié)論

（1）多頻渦流檢測(cè)適用于各型機(jī)車風(fēng)機(jī)鋁合金葉片，具有便于現(xiàn)場(chǎng)操作、對(duì)試件表面要求不高、不需耦合劑、對(duì)環(huán)境無污染等優(yōu)點(diǎn)；但其缺點(diǎn)是缺陷顯示不直觀，難于定性和定量分析缺陷，并且只適用于表面以及近表面缺陷。

（2）針對(duì)葉片材質(zhì)的差異，需要制作同材質(zhì)的實(shí)物試塊，建議重點(diǎn)在葉片根部、表面、邊緣以及螺孔相應(yīng)部位分別設(shè)置深度為0.5、1.0、2.0 mm的人工缺陷，以滿足靈敏度校準(zhǔn)需要。

（3）為適應(yīng)葉片弧度的差異和提高渦流技術(shù)的檢出率，需要有針對(duì)性地制作專用檢測(cè)探頭，制定相應(yīng)的檢測(cè)工藝和規(guī)范。

通過實(shí)踐確定，多頻渦流檢測(cè)方法完全滿足HXN3型機(jī)車C5修風(fēng)機(jī)葉片檢測(cè)的需要，可彌補(bǔ)現(xiàn)有探傷技術(shù)的不足。