用表面波探伤法检查压缩机曲轴的疲劳裂纹

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在现代工业生产中，特别是化肥行业，使用的压缩机功率都是比较大的，相应压缩机的 心脏”曲轴尺寸也变得很庞大、笨重，结构也较复杂。在日常的维修中，选用何种探伤方式，能快速、准确、方便地测出曲轴在运行中产生的疲劳裂纹，对于企业的安全生产起到至关重要的作用。笔者经过三年多时间的运用表面波探伤法检查压缩机曲轴的疲劳裂纹，取得了满意的效果。具体介绍如下：1曲轴的受力分析及检查部位曲轴在正常运行中，所承受的载荷为交变的扭转、弯曲力矩的联合作用。此载荷在曲轴的径向和轴向上的各部位的分布是不同的。

在径向 (轴的横截面)上受到的扭转力矩是以剪切的形式出现，即截面上个点都处于剪切状态，剪切应力的大猩由下式[1]计算：T。 p/I式中：M 表示横截面上的扭转力矩，P为轴截面圆心至各点剪切应力的距离，I。为极惯矩。

当P等于轴半径时， o为最大值。在径向上受到的弯曲力矩是以正应力的形式出现，截面上各点的正应力为：0MY/I式中：M表示横截面上的弯曲力矩，Y为轴截面圆心至某点正应力的距离，I。为惯矩。

当 Y等于轴半径时，o为最大值∩见：在轴的整个截面上，轴的表面承受的剪切应力和正应力均为最大。

在轴向上的扭转力矩，各断面上的扭矩或剪切应力都是相同的。

而各断面上的弯矩则不-样。这两力矩联合作用后，在轴向上各断面的载荷 ” 如图1所示：图1曲轴轴向载荷分布通过上述分析可知：曲轴轴颈与轴拐的过渡区 (下称轴颈 R区)承受的载荷最大，同时在该区的横截面周边上的剪切应力和正应力都是最大值。在运行中，轴颈 R区的周边上要承受很大的交变载荷，由于 R去时尺寸突变部位，造成该区应力集中，在 R区的周边上极易形成疲劳裂纹源，并沿截面的中心扩展，达到-定程度曲轴突然断裂∩见 R区特别是周边处，是整条曲轴的危险部位。所以曲轴在探伤中该部位应重点检查。

2探伤方式的选择从曲轴的受力情况和特点可知，曲轴的疲劳裂纹是在 R区的表面起源的，并裂纹为表面开口状。根据裂纹产生的部位及特征选择探伤方式。

(1)磁粉探伤：对于大中型的压缩机曲轴的探伤室不可行的。

因曲轴尺寸大、重量重，-般检修都不易吊起，如就此在机座上探伤，轴磁化后较难退磁，同时探伤后的剩余磁粉保留在轴与轴瓦间不易清除，给安全运行带来隐患。

(2)着色探伤：由于压缩机运行中产生的应力和温度，使轴表面的裂纹开 口增大，润滑油在高压力作用下，进入裂纹内部，停机后，裂纹开 口收缩，同时在表面张力作用下，裂纹的内部便保留了- 定内压力的润滑油。故此着色探伤的渗透剂不易渗入裂纹的内部，此法也不适宜。

(3)超声波斜角探伤法：许多压缩机曲轴的尺寸结构特别是大中型的曲拐销的直径尺寸大于曲拐销的长度尺寸。如合成氨中的H223II型高压机、512型循环机，尿素装置中的4D12型cO 压缩机，3w型-甲泵和液氨泵等的曲轴都如此。现用H223IH型高压机曲轴为例说明声波在工件中的传播、反射情况。H223IH型曲轴尺寸简图如图2所示，为保证声波能扫描到 R区，同时使探头前后有-定的移动量，探头的入射点至曲拐要保留4O毫米，如图 2所以，横声波在曲拐销中的折射角 Btg [(190-40)/280]28.18。。当裂纹在轴表面形成后，裂纹的扩展方向与轴表面形成-个角，该角接近直角。

根据文件 (3)报导：不同角度的横波入射到棱角时，波在棱角的反射率如图3。由图可知，横波入射角在 35。 55。之间时，波的反射率最大，入射角 105。 35。或 55。 80。之间，波的反射率最校根据计算，要扫查到 R区，横波折射角应小于或等于 28.18。，该角度刚好落在棱角反射率最小的入射区域，所以用此角度横波检查工件中与表面垂直的早期裂纹时，是特别不利的。

图2曲轴结构简图 图3横波入射端角射率(4)表面波探伤法：表面波是超声波在工件表面或表层上传播的-种形式。当其沿表面传播的过程中遇到表面裂纹时，部分声波在裂纹开口处仍以表面波的型式被反射，并沿工件表面返回到探头接收。部分声波仍以表面波型式沿裂纹表面继续向前传播，传播到裂纹顶端时，部分声波反射而返回探头接收。部分声波继续以表面波型式沿裂纹表面向前传播。如图 4所示：应用表面波探伤曲轴，曲轴的结构、尺寸、表面光洁度、材料组织都能满足，是-种较理想的检测方法。本文就是介绍用此方法，不用任何试块就能快速、准确地检测压缩机曲轴的疲劳裂纹。

图4表面波在裂纹中的传播3探伤方法3.1探测面、探头频率的选择根据表面波的特点，探测面应选在光洁度较好的曲拐销处。由于大多曲轴材料都是用中碳钢或球墨铸铁制成，材料的晶粒都较细，同时为了发现较小的裂纹，-般可选用较高频率的探头，取 2.5MHz或 5MHz为宜。

3.2扫描速度的调节调节扫描速度是为了更好地发现缺陷和确定缺陷的位置。调节扫描速度时，原则上 R区处能在荧光屏中部左右显示出来，同时为能快速测定缺陷的位置，扫描速度最好按 1：1的比例调节。方法为：将探头置于需探伤曲轴的曲拐上，并垂直对准曲拐上的棱角，探头的前沿距曲拐棱角 40毫米，调节仪器，使该波在荧光屏 4的位置上，探头亦自然与棱角垂直，往后移动探头，使探头前沿距棱角8O毫米。

(下转第 14页)2013.O2 I 7High＆New Technology(2)添加剂投入量控制。添加剂产生 0 的效率与其浓度本身成抛物线型关系。添加剂太多或太少都将影响整个系统氧化效能(3)铁碳填料投加量控制。填料投加量、池容、水量等等参数都需控制在最合适的范围。

3.4利用芬顿试剂进行进-步氧化3.4.1 Fenton试剂的原理羟基自由基 OH·的氧化能力在所有氧化剂中排第二，仅次于氟。

OH·的氧化是非选择性特性，可降解多种类的有机物，如废水中的苯酚、烷基苯、磺胺等。从而使得生产医药中间体过程产生的难降解大分子有机物能进-步分解，成为易于降解的小分子，从而减轻其对后续生化系统的冲击，减少对微生物的抑制作用，为生化系统有效降解有机污染物创造条件。

Fenton氧化反应的过程比较复杂，反应原理如下所示：Fe H202- Fe”OrOHFe。 H20z- Fe HO2Fe OH- Fe OHFe。 H02- Fe o2HOHH202- H2OHO2Fe H02- Fe HOzRH0H- R H20RFe - R FeRH2O2-OH 0H上式中的 R代表的就是有机物等需要被氧化的物质。

3.4.2本方案使用 Fenton试剂的方法与传统相比的优势Fenton催化氧化法这种高级氧化技术，如何将其氧化能力发挥到最大，与 0H·(羟基自由基)的产生量、产生效率有关。故需要有效控制 H20 的状态，使之尽量不产生0 ，避免试剂损耗。

Fenton法反应式如下：H20 Fe · OH· OH- Fe - Fe(OH)3 I(1)传统方法中需要单独投加 Fe ，来作为催化剂。而本工艺中，由于铁碳电解的反应，使得废水中已经存在了较多的 Fe (通过PH来控制其价态)，故可不需较多、或可完全不需加入 Fe 。这样就有效降低了废水处理运行成本。

(2)影响Fenton法氧化反应效果与速率的因素有下列几项：1)反应物本身的特性、2)H：0 的投加方式、3)H 的剂量、4)[Fe ]的浓度、5)催化剂种类、6)反应时间、7)温度、8)废水中干扰物(如氯离子)的多少 。

上述的每-个方面，均在后续详尽的实验中，针对博腾高浓废水的成分、特点，去优化、完善。使得使用 Fenton法的每-个参数都最适于处理该种废水。

(3)同铁碳微电解氧化的使用要点，控制 PH值至关重要。并不是传统方法中PH为 3左右就能使之发挥效力。强酸性环境将抑制OH·(羟基自由基)的生成。如何使 Fe(OH)。有效生成，发挥胶体絮凝作用，都需控制 PH值在恰当范围。

(4)本方案提出，可在 Fenton反应的时间后期，当 PH值逐渐由酸转向碱时，在某- PH范围，适量投加絮凝剂，将大幅增加Fe(OH)。的絮凝效果。对于絮凝剂何时加入、加入量多少的把握需进- 步优化4高浓度废水物化改造方案实验结果针对上述物化工艺，取高浓度废水进行了实验，在以最优条件控制各个参数的情况下，高浓度废水的COD会有大幅下降。

表 i高浓度废水物化处理实验结果COD 值 去 除 名称 备注(mg/L) 童高浓废水 原 151311水26.05 实验条件受限，无法真正实现真空减原水蒸馏 111900 压蒸馏，冷凝水温度不能达到 7℃ 1 2 %℃ ：40.91 催化微电解 66l17 比传统微电解效率高%Fenton氧化 27.13 絮凝 48180 %68.16 总去除率%(上接 第 7页 )调节仪器的水平、深度旋钮，使该波在 8的位置上，这样反复几次调节即可获得 1：1的扫描速度。 3.3探伤灵敏度的调节利用曲拐的直角棱边反射波作为参考信号～仪器的 抑制”关掉，衰减器置于适当位置，用机油作耦合剂，探头置于探测面上，调节增益和衰减旋钮，使荧光屏上出现棱角反射波，其波高为满刻度的 80%，然后在增益 15dB，即为探头灵敏度。笔者做过测定，该灵敏度能发现深度为 0.5毫米深的裂纹，能完全满足实际的需求。

3.4探头的移动方式鉴于上述扫描速度按 1：1调定，探头的移动范围相应也确定了，- 般为 R区至探头前沿 4O 90毫米范围内移动。移动方式有两种：- 种为锯齿形移动，即探头保持与 R区垂直作锯齿形移动，并沿圆周方向运动，移动间距小于镜片尺寸的 1/2。-种为平行移动，即探头前沿保持与 R区平行 (探头前沿与 R区保持-恒定距离)并向轴的圆周方向移动。探头的-点速度应小于 100毫米/秒为宜。

4裂纹波的判别和定位在表面波传播的路径上，如有聚集机油，此处会出现-反射波，探伤时特别要加以区别。由前所述，-般疲劳裂纹易产生于R区处。

探伤时首先确定反射波是否在 R区，可从荧光屏上按 1：l的比例，直接读出反射点至探头前沿的距离，然后用尺子量，确定该反射波的位置，如反射波在 R区处，应先用干净的棉纱把 R区处的油擦干净，观察反射波的变化情况，反射波立即衰减掉，说明该反射波为油滴的反射波。如反射波仍很强烈，说明该反射波为裂纹波。裂纹较浅时，荧光屏上只出现-个反射波。裂纹较深时，同时出现两个相邻的反射波。另外可用沾有油的手指在表面波的反射点或其传播的路径上轻轻拍打，表面波也会随之跳动，用此方法很容易找到反射点，可帮助判断是缺陷反射或是其它棱角的反射。

5裂纹尺寸的测量14 I华东科技表面开口裂纹深度可用表面波的延时方法测定。由于曲轴的形状较复杂，用双探头法受条件的限制不能采用，只能用单探头法，如图 5所示：表面波自探头发出，在传至裂纹开 口A处返回-个信号，在荧光屏上的水平位置为 ，传到裂纹尖端又返回-个信号，在荧光屏上的水平位置为 t。，其裂纹深度 h为 hn( 。- )，式中：n为调扫描速度时缩小 (实际尺寸大于荧光屏上的水平刻度数)的倍数。

当扫描速度为 1：1时：h -t ，当扫描速度为 1：2时：h2( - .)。裂纹的长度可按两端 6分贝测长法测定j睦I l图5裂纹反射波6总结(1)用表面波检查曲轴的疲劳裂纹速度快、灵敏度高，准确性好，操作简单(2)测量裂纹深度时，只是利用裂纹开口处和尖端的反射信号在传播时间上的差值而不是用裂纹反射信号的强度，所以工件表面光洁度、耦合状况等方面的变化，对测量精度无显著影响。

(3)为减少表面波的衰减和消除-些干扰杂波，-般选用粘度较大的机油作耦合剂。笔者用 19#汽缸油效果很好。

总之，用表面波检查压缩机曲轴的疲劳裂纹，是-种行之有效的方法。