在役皮带运输机滚筒轴的超声波检测与质量分析

黄海 张博 徐可涛

（云南恒峰工程质量检测有限公司）

1 引言

皮带运输机是连接各项生产工序的重要传输设备，皮带运输机的运输量也就意味着工厂的产量。随着各大工厂的不断发展，产量任务也不断提升，如果在没有继续扩大规模的情况下，就需要加大负荷生产。皮带滚筒轴在高负荷运行下易产生危害性缺陷，若未及时发现则容易引发断轴设备事故（如图1所示）。根据实际情况在皮带运输机未扩大规模或进行改良的情况下，需对皮带滚筒轴进行周期性超声波检测，避免断轴设备事故再次发生。本文结合工程实际对皮带滚筒轴质量进行判断分析。

图1 滚筒轴发生断裂

2 检测方法

根据标准GB/T10595-2017《带式输送机》中A.2.4.1的要求，滚筒轴的无损检测方法应按GB/T6402-2008《钢锻件超声检测方法》规定的方法进行[1]。

2.1 扫查方式的选择

（1）100 %扫查覆盖

对滚筒轴所有部位进行检测即为100 %扫查覆盖。

该方式的优点：一是够检测出纵向和横向缺陷，缺陷检出率高；二是不易出现误判；三是能采用多样的检测方法进行检测（如磁粉检测或渗透检测），可避免出现表面缺陷漏检的情况；四是按照标准进行全覆盖检测，对检测人员的能力水平相对要求不高。

该方式的缺点：一是检测工作量大，并且检测费用高；二是轴需要从滚筒中拆卸出来，拆卸工程所需时间长。

100 %扫查覆盖是目前对滚筒轴检测的最优方式，在条件允许的情况下，应当优先采用该种方式检测。

（2）部分扫查覆盖

根据工厂实际情况，滚筒的安装简图如图2所示，滚筒轴基本上被筒体和轴承遮挡，露出的有效检测面为两侧端面。但在役滚筒和备件滚筒要把轴拆卸出来是比较困难的，大部分工厂无法满足要求，所以只能采用部分扫查覆盖的方法进行检测。

图2 滚筒安装简图（加粗部分为滚筒轴）

该方式的优点：一是检测工作量小，并且检测费用低；二是能够检测出横向缺陷；三是不用对滚筒进行拆卸，不影响生产，可短时间进行周期检测。

该方式的缺点：一是不能检测出纵向缺陷；二是怀疑是缺陷的部位不易验证；三是不能检测出滚筒轴表面缺陷；四是对检测人员能力水平要求高。

2.2 检测方法的选择

根据标准GB/T6402-2008《钢锻件超声检测方法》中的要求，用于锻件缺陷评定的超声波检测方法有：当量评定法和底面回波高度法。

（1）当量评定法

当量评定法是将缺陷的回波幅度与规则的人工反射体的回波幅度进行比较的方法，主要用于需要准确评级的工件的检测方法，也是目前检测工程应用最多的检测方法。

当量评定法的优点：一是能较为准确的检测出缺陷的当量，从而准确评定级别；二是可适用于对形状复杂而无底面回波的工件进行检测；三是用人工反射体调好仪器以后，操作方便。

当量评定法的缺点：一是需要制作或找到与被检工件材料相似的人工反射体，检测成本较大；二是由于影响缺陷反射波的因素很多，如工件内部组织情况、工件外部形状等，所以该方法确定的缺陷当量尺寸一般都比实际尺寸小；三是不适用于较长工件的检测。

（2）底面回波高度法

底面回波高度法是根据底面回波高度给缺陷定量的方法，主要用于工件大缺陷评定的检测。

底面回波高度法的优点：一是不需要对比试块和复杂的计算，检测成本低；二是可以利用缺陷的阴影对缺陷大小进行评价，有助于检测因缺陷形状、反射率等原因使反射信号较弱的大缺陷。三是可以结合缺陷波形的变化，初步判定缺陷的性质，以及确定工件内部组织是否均匀。

底面回波高度法的缺点：一是不能明确地给出缺陷尺寸；二是不适用于对形状复杂而无底面回波的工件进行检测[2]；三是如需要初步判定缺陷性质，对检测人员的能力水平要求较高；质量等级的评定仅适用于由缺陷的存在引起的底波快速衰减，没有当量评定法的评级精准。

在实际工厂中，业主方通常的要求为：判断滚筒轴中是否存在引起断轴的危害性缺陷。由于滚筒轴从轴的两边端头进行检测时底波较为明显，滚筒轴又存在一些台阶和键槽干扰检测，故滚筒轴检测使用的检测手段选用底面回波高度法。

2.3 底面回波高度法基准波的调节及质量等级的评定

首先确定滚筒轴完好部位的底波，调整到满幅度的70 %，作为评定回波信号的基准，如图3和图4所示（其中T代表发射波，B代表底波，B1代表台阶波）。在检测过程中，灵敏度不变，用有缺陷时的底面回波幅度BF与无缺陷时的底面回波幅度B相比，得出底波降低系数R（见式1）。

图3 无缺陷波形示意图

图4 实际中无缺陷波形示意图

R为1时表示无缺陷，BF/B的值越小，代表缺陷就越大。根据标准《钢锻件超声检测方法》GB/T6402-2008中的要求，由缺陷引起底波降低的质量评级参照表1执行。

表1 由缺陷引起底波降低的质量分级

3 对滚筒轴中危害缺陷及相应超声波波形的分析

滚筒轴属于锻件。锻件中常见的缺陷有：缩孔和缩管、疏松、非金属夹杂物、夹砂、折叠、密集缺陷、裂纹、晶粒粗大等。而断轴主要是由密集缺陷、裂纹和材质本身强度不够（晶粒粗大）等原因引起的，故滚筒轴的检测主要也是针对危害性缺陷的检测。

3.1 密集缺陷

在检测中，示波屏上同时显示的缺陷回波很多，缺陷之间的间隔很小，甚至连成一片，这种缺陷回波称为密集缺陷回波。较大面积的密集缺陷能使低波下降严重或者消失，在滚筒轴检测中不允许出现，其波形如图5所示（其中F代表缺陷）。

3.2 裂纹

裂纹的产生原因很多，种类也多，滚筒轴的检测主要针对于横向裂纹，也是引发断轴的主要因素之一。锻件横向裂纹的反射波比较明显，若方向正好垂直于检测方向且裂纹较深，则会出现多次缺陷波反射，同时底波直接消失，如图6所示；若裂纹方向与检测方向倾斜较大，则会出现一次较低的缺陷波，且底波直接消失，如图7所示；若裂纹裂的较浅，则会出现裂纹缺陷波和衰减后的底波，如图8所示。

图6 裂纹方向垂直于检测方向反射波

图7 裂纹方向倾斜于检测方向反射波

图8 较浅裂纹波形图

3.3 晶粒粗大

滚筒轴内部组织晶粒粗大，则其强度、塑性和韧性均会降低，在高负荷运行的情况下极易断轴。同时晶粒粗大的滚筒轴超声波检测难以发现内部缺陷，不符合探伤要求，故发现晶粒粗大的滚筒轴必须报废。当材质晶粒粗大时，在超声波显示屏上会出现连续的草状回波，底波较低，严重时底波会直接消失，波形如图9所示。此类情况一般出现在滚筒轴的生产制造过程中。

图9 晶粒粗大波形示意图

4 在役滚筒轴的检测

以采矿皮带滚筒轴的检测为例，根据厂家提供的图纸，检测的滚筒轴长度为3 190 mm，检测面直径为300 mm，轴的两端对称，具体如图10所示：

图10 滚筒轴简图

4.1 检测前的准备

（1）探头的选择

滚筒轴的检测主要采用直探头，根据标准《钢锻件超声检测方法》GB/T6402-2008，探头的标称频率在1.0 MHZ-6.0 MHZ之间，探头的晶片有效直径应在10 mm-40 mm之间[3]。滚筒轴属于锻件，而且比较长，结合实际条件，我们选用2.5 MHZ频率、14 mm有效晶片直径的探头作为主要检测的探头。

（2）扫查参数

扫查部位为轴两侧端面，相邻探头移动覆盖区至少为有效探头直径的10 %，手工扫查速度不超过150 mm/s。

（3）表面要求

检测表面应无油漆、氧化皮和干结的油脂、表面无凹凸不平，或任何其他引起耦合失效，阻碍探头自由移动及引起判断错误的物质。同时要求表面粗糙度Ra≤6.3 μm。

4.2 滚筒轴实际检测中的缺陷分析

按照文中2.3中底面回波高度法基准波的调节方法，将完好滚筒轴的底波幅度调整为如图4所示的波形，作为评定回波信号的基准，然后开始对滚筒轴的两侧端面进行全覆盖扫查。检测过程中发现以下典型缺陷：

（1）磨损后引发的裂纹

滚筒轴和胀套在长期运行过程中，轴径表面受胀套的挤压力和复合机械力的作用出现长久性变形，然而金属的退让性非常差，出现间隙后，若未及时发现并采取措施，间隙就会越来越大直到磨损的情况出现。磨损使得轴的自身强度不足，在磨损较深处易产生裂纹。

检测中发现一个滚筒轴出现磨损。当探头移动到滚筒轴端面中间位置时，波形如图4所示，证明此轴只存在局部缺陷。当探头移动到滚筒轴端面边缘时，出现如图11所示波形，530 mm（台阶）处出现幅度为满幅度80 %的缺陷波，980 mm（胀套）处出现超屏缺陷波，并且两者之间伴有较低草状波（较小密集缺陷）出现，底波幅度下降至满幅度的41 %。根据式（1）得：

图11 探头移到端面边缘时的缺陷波形

对照表1进行评级，此滚筒轴评为3级，建议对此轴进行修复处理。后经实际拆卸后验证发现距端面980 mm的胀套处出现一定磨损，并伴有较浅表面裂纹，同时由于维护保养不到位，露在空气中的表面部位存在一定的腐蚀情况，如图12所示。

图12 实际拆卸后轴的磨损情况

（2）台阶、键槽处产生的裂纹

滚筒轴主要承受着扭转载荷，长时间的高负荷运转，极易在台阶、键槽等处附近产生疲劳裂缝。疲劳裂纹危害巨大，且产生时间不确定，需要对滚筒轴进行周期性检测。

检测中发现一个滚筒轴内部在530 mm（台阶）处存在大面积疲劳裂纹缺陷。由于裂纹方向与检测方向有一定倾斜，超声波屏幕上出现一次幅度为满幅度88 %的缺陷波，底波消失，BF=0 %，波形如图13所示。根据式（1）对照表1进行评级，此滚筒轴评为1级，建议对此轴作报废处理。经拆卸破坏后验证，断面示意图如图14所示，断裂面与端面存在一定倾斜度。

图13 实际中检测出倾斜裂纹波形图

图14 实际破坏后的断面图

5 结语

（1）经实际验证，通过部分覆盖的扫查方式和底面回波高度法对滚筒轴进行检测，可有效地发现滚筒轴内部存在的缺陷。同时结合对缺陷波形图的分析，可对滚筒轴做出相应的质量等级评价。

（2）结合工厂的实际生产情况，建议在役滚筒轴的周期检测时间为半年，对新进备件进行上线前检测，同时建议工厂维保人员严格按照维护保养规程对滚筒轴进行检查和润滑保养，尽量避免滚筒轴因磨损而引发裂纹缺陷。

（3）皮带运输机一旦出现断轴设备事故，工厂将会部分停产或直接停产，引起巨大损失。而若是提前发现滚筒轴存在危害性缺陷，立即更换，则最多停产1天，既保证了皮带运输机的使用安全，也为企业节省了80 %以上的停产检修时间，从而证明了超声波检测的必要性。