张书利

(北京铁路局 机务处,北京100086)

1 提出问题

1.1 试块及作用

超声波探伤经常采用的是当量比较法,它利用探伤仪器和探头组成的探伤系统,首先在规定的材料、加工成特定几何形状及尺寸的标准试块上或在与被探伤工件相同并加工成固定缺陷的实物对比试块上进行,完成对试块的几何尺寸或缺陷的灵敏度标定后,再到工件上进行实际探伤,将探伤结果与标定的灵敏度进行比较,即可得出被检工件的实际质量状态。试块具有以下4方面的作用:①确定和校验探伤灵敏度;②调节探测范围,确定缺陷位置;③评价缺陷大小,对被探工件评级和判废;④测量材质衰减和确定耦合补偿。

1.2 铁路局机车探伤管理特点

铁路局的机车分别配属在管内各机务段,机车较大范围的检修(大修或中修)一般由配属机务段自身或委托其他机务段进行,其中的一项重要内容就是对车轴和车轮进行超声波探伤。因此,要统一铁路局管内各机务段机车车轴和车轮的质量标准,就必须统一超声波探伤试块的灵敏度。

机车超声波探伤用的标准试块都是从试块生产厂直接购买的产品,过去一直认为这些标准试块的探伤灵敏度应该是完全一致的;车轴和车轮实物对比试块一般由各机务段利用废旧的车轴和车轮,根据探伤范围和探伤工艺加工出人工缺陷,习惯地认为相同型号的车轴和车轮的探伤灵敏度也应该是一致的。试块的灵敏度如果不一致,轻则引起委修机务段与承修机务段之间因为探伤结果不一致而争执,并可能导致非正常更换车轮,严重时可能造成行车事故。但是,在一次偶然的事件中,发现了探伤试块灵敏度不一致的现象。

1.3 问题及对策

2005年北京铁路局机务处组织对各机务段的探伤工作进行全面检查,在进行车轴透声探伤前,要先在TS-1试块上进行灵敏度标定,检查人员意外地发现前、后检查的两个机务段的TS-1试块灵敏度差别达到10 dB,这是一种出乎意料的结果。因为在进行超声波探伤时,必须先对探伤方法、探伤仪器和探头的性能及参考试块作出明确的规定,然后用试块确定探伤仪器和探头的组合灵敏度,使灵敏度统一。从此次抽查可以看出,在日常工作中,忽视了标准试块的质量问题。为此,北京铁路局决定将各机务段的 TS-1试块收集到一起,进行一次普查筛选,淘汰灵敏度差值较大的试块,保留灵敏度在3 dB差值范围内的试块,并标出与标准值相差的范围值,以便在实际探伤作业中进行相应的修正。

2 试块普查

2.1 TS-1试块

为验证试块的差别,安排专人、使用同一台探伤仪器、同一组探头对全铁路局27个机务段的所有TS-1试块进行了普查,发现全铁路局的TS-1试块普遍存在较大的差异。测试时,第10次底波均为80%波高情况下,灵敏度最高的70 dB,灵敏度最低的只有50 dB。表1是从中挑选的具有代表性的TS-1试块普查统计情况。

从表1中可见,TS-1试块灵敏度最多相差20 dB。

表1 TS-1试块普查统计表

2.2 轮箍实物试块

2000年铁道部下发了“轮箍不动车超声波探伤技术条件(运装机检(2000)335号)”,并要求各铁路局按文件规定制作轮箍实物对比试块,北京铁路局对铁道部的要求组织落实。并组织专人对各机务段的轮箍实物对比试块进行普查,发现存在以下问题:

(1)轮箍外侧面的φ 3×30 mm的横孔制作不规范。全部用手工钻制作,尺寸不标准。

(2)轮箍材质不佳。各机务段轮箍的实物试块有部分机务段使用的是1993年以前φ 3.2 mm平底孔缺陷当量的旧轮箍为标准,与现在实际使用的进口轮箍和马鞍山生产的精品轮箍在φ 2 mm平底孔缺陷当量上存在差异。

(3)轮箍型式不规范。有的机务段轮箍实物对比试块是依照踏面样板旋削成型的,探头和探测面不能充分耦合,对探测的结果影响很大。

2.3 车轴实物对比试块

在铁路局内各机务段进行车轴质量评定时一般采用当量比较法,凡超过人工缺陷反射波的缺陷一律定为不合格,反之则判为合格。这就要求在制作实物试块时必须达到统一标准。而目前各配属机务段与承修工厂(或机务段)方之间经常因为大、中修后返机务段的机车车轴复探时不符合要求而产生分歧,经过再次普查发现各机务段的车轴实物试块也存在较大差异,其原因是:

(1)人工模拟裂纹制作不规范。部分试块轴用钢锯手工锯成人工模拟裂纹,部分试块轴用线切割加工人工模拟裂纹。手工锯的模拟裂纹为1.1～1.5 mm宽,而线切割加工的模拟裂纹为0.1～0.2 mm宽。由于反射面积不同,两者的反射波高会产生误差,而线切割的人工模拟裂纹相对手工锯成的人工模拟裂纹而言,反射回波与实际裂纹比较更为真实。

(2)人工模拟裂纹位置不当。有的机务段制作的人工模拟裂纹偏离探头的主声束,也就是说当探头主声束能探到人工缺陷的位置时,其恰好在车轴端面的螺栓孔处。

(3)车轴实物对比试块材质不佳。各机务段的车轴实物对比试块在选材时存在材质不均现象。因此,在车轴超声波探伤中,当车轴与试块的衰减明显不同时,材质衰减不仅会影响探伤灵敏度的变化,而且会影响对缺陷定量的精度,造成在检测车轴镶入部裂纹及对裂纹深度定量时存在较大的误差。

3 试块制作要求

从轮箍和车轴实物对比试块的普查中可以看出,各机务段在制作实物试块时并没有遵循以下的试块制作基本原则:

(1)试块材质应均匀,内部杂质少,无影响使用的缺陷。

(2)当试块的材料与被探材料相差较多时,应对声速、材质衰减等进行修正。

(3)试块表面之间的平行度、端面与钻孔轴线或人工槽之间的垂直度、平底孔底面的平整度等都应有一定的要求。

(4)对比试块探测面光洁度与被探工件表面光洁度尽量保持一致。

4 统一试块并标志

为避免铁路局管内各机务段再次因为试块不统一而造成分歧、争议,我们决定统一购置和制作铁路局管内各机务段的TS-1试块和车轴、轮箍实物对比试块。

4.1 TS-1试块

对于灵敏度值相差超过3 dB的TS-1试块,决定全部废弃,重新购置新试块,并将购入的试块由专人、使用专用仪器和探头进行逐一测试,发现差别较大的退货,以使全铁路局的TS-1试块达到统一。对于相差不超过3 dB的试块,统一在试块上作标志。如某机务段TS-1试块的铭牌下方标志的“+2 dB”,就是指在TS-1试块上用探头作透声灵敏度校对时,当第10次底面回波调节到荧光屏的80%时,再增益2 dB作为该型试块的灵敏度。

各机务段统一TS-1试块后,其上都有不同的标志,表2是对应表1中各机务段的TS-1试块的修正表,并按此修正表在试块上作出标志。

表2 TS-1标准试块误差修正表

4.2 轮箍实物试块

废弃各机务段不符合要求的轮箍实物对比试块后,重新制作试块,试块制作、标志灵敏度时按如下原则:

(1)均严格执行了轮箍、整体轮超声波探伤工艺及铁道部运输局文件“运装机检(2000)335号”文件和“铁道机车进口轮箍、整体辗钢车轮轮辋超声波探伤技术条件(运装技验(1998)64号)”文件。

(2)用同一台标准仪器、一套标准探头对应各轮箍试块缺陷进行测试。

(3)制作人工缺陷按技术条件执行,误差为:缺陷垂直距离±0.5 mm;缺陷深度±0.5 mm;人工缺陷直径误差±0.2 mm。

(4)标定灵敏度时根据“运装机检(2000)335号文件所规定的,4次声程探测φ 3×30 mm横孔灵敏度余量为20 dB,以此作为标准灵敏度。

(5)测试各轮箍的人工缺陷时,均将4次声程处的最高反射波调至80%,此时记录实际测得的灵敏度,将标准灵敏度加或减分贝值作为标志灵敏度。

(6)以64°为参照角度计算出理论4次声程线,并在轮箍试块外侧面描绘出黑色线条,如图1所示。

图1 轮箍实物试块

表3 部分机车轮箍实物试块缺陷位置及检测情况汇总表

表3是以部分机车轮箍实物试块为例,按以上原则制作出的新试块的测试数据。轮箍透声均为良好,全部采用 62°、67°、74°测试。

4.3 车轴实物试块

在制作车轴实物试块前,首先要进行选材、测试等工作,基本原则为:

(1)车轴试块不能有人工碰、刮、伤损,并有永久的水平距离、开槽深度的标志。

(2)所有人工缺陷与轴端螺孔不能重合,保证小角度探头检测到所有锯口。

(3)测试灵敏度时,为减少误差,在探测过程中均用同一个探头、同一台仪器,由专人测试。

(4)灵敏度的标志以同类轴为基准进行测试,分别记下测得的各缺陷80%最高反射波的分贝值,然后所有轴的同水平距离及深度的分贝值进行平衡,找出中间值,以这个值为标准,作为此类轴的此类缺陷的灵敏度,对于有差异的分贝值进行±dB值的修正。

图2所示是以DF4型机车车轴为例制作的超声波探伤实物对比试块,并在除探伤部位外的其余位置均作了防腐处理。图3所示为该车轴实物对比试块人工缺陷标志式样,其中380 mm为人工缺陷距轴端面的水平距离;4 mm为人工缺陷的切割深度;+2dB表示比同型轴的标准灵敏度高2 dB。表4中列出了部分机型车轴实物对比试块(以某一根车轴为例)人工缺陷的数据。

图2 DF4型机车车轴超声波探伤实物对比试块

图3 车轴实物对比试块人工缺陷标志式样

表4 部分机型车轴实物对比试块人工缺陷数据表

5 结束语

按照以上的各项原则制作实物试块以后,北京铁路局于2005年12月前全部完成了TS-1试块规范工作,并为管内各机务段配齐了各型机车车轴和轮箍实物对比试块。现在,各委修机务段与承修单位之间不再受车轴、轮箍灵敏度不一致问题的困扰。北京铁路局采用这种方法取得了较好的效果,其他铁路局也借鉴这种作法,在超声波探伤试块上进行了较大规模的统一工作。

[1] 李家伟,陈积懋.无损检测手册[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2] 超声波探伤(无损检测培训教材)[M].北京:机械工业出版社,2000.