我國從2005年開始大規模發展風電，風電設備自主化程度也越來越高。鑄件在風電領域應用較廣泛，風電機組用鑄件主要有輪轂、底座(機艙座)、軸、 軸承座、齒輪箱箱體等。風電鑄件材料主要采用球墨鑄鐵，球墨鑄鐵由于碳以球狀存在于鑄鐵基體中，改善了對基體的割裂作用，使得其抗拉強度、屈服強度、塑 性、沖擊韌性大大提高，并具有耐磨、減震、工藝性能好、成本低等優點^[1]。對于風電機組球墨鑄件的無損檢測手段主要有超聲波檢測 和磁粉檢測，其中超聲波檢測主要檢測鑄件內部缺陷應用較為廣泛。國外的風電制造企業例如Gamesa等在無損檢測企業規范中對于球墨鑄鐵的檢測都有嚴格的 規定，國內的風電企業很多參照EN12680歐洲標準檢測球墨鑄鐵。隨著風電行業對質量重視程度的提高，風力發電機組球墨鑄鐵的國家標準也于2009年頒 布實施。

本文先介紹球墨鑄鐵超聲波檢測的特點、然后介紹國外風電企業球墨鑄鐵超聲波檢測的要求關鍵要點，*后介紹風電機組中典型球墨鑄鐵結構的超聲波檢測。 

一 球墨鑄鐵超聲波檢測的特點 

球墨鑄鐵中的缺陷主要有疏松、縮松、縮孔、夾渣及夾雜物、裂紋、砂眼、氣孔。

球墨鑄鐵探傷的主要特點有三點:

1.透聲性差

球墨鑄鐵的主要特點是組織不致密，不均勻和晶粒粗大，使超聲波散射衰減和吸收衰減明顯增加，透聲性差。

2.聲耦合差

球墨鑄鐵表面粗糙，聲耦合差，探傷靈敏度低，且探頭磨損嚴重。

3.干擾雜波多

球墨鑄鐵探傷干擾雜波多，一是由于粗晶和組織不均勻性收起的散亂反射，形成草狀回波，使信噪比下降，特別是頻率較高時尤為嚴重，二是球墨鑄鐵形狀復雜，一些輪廓回波和遲到變形波引起的非缺陷信號多，此外鑄件表面粗糙表面也會產生一些反射回波，干擾對缺陷波的正確判定。

球墨鑄鐵超聲波檢測一般采用縱波脈沖反射法，由于球墨鑄鐵的超聲衰減較大宜采用穿透能力較強的設備，例如設備的激發電壓較高、同時支持方波激勵；檢測頻率不宜過高，一般為2MHz~2.25MHz。

球墨鑄鐵超聲波檢測時要注意因鑄件結構形狀影響底波的現象；要注意因檢測面為曲面而需要的增益補償；對于位于鑄件表面以下3~4mm之內的表層缺 陷，即使采用表面檢測手段例如磁粉或渦流檢測也能以發現，常規的單晶直探頭也可能位于其盲區之內，故宜采用單晶探頭斜射檢測或者采用雙晶直探頭或者斜探頭 檢測解決該問題。

二 國外風力發電企業對球墨鑄鐵檢測要求 

國外風電企業關于球墨鑄鐵的檢測一般采用EN12680-3，3級合格，但有很多公司認為該標準較松，所以各企業根據EN標準編寫了適合本公司的更 為嚴格的檢驗及驗收標準.如*的風電生產制造商Vestas，Gamesa等企業，他們都分別有自己的無損檢測規范，其中對探頭和儀器及檢測驗收標準都 有明確的規定。

1、超聲波探傷儀

現在風電企業普遍采用美國GE公司的USM35X-S  A型顯示脈沖數字式超聲波探傷儀。

2、超聲波探頭

鑄件探傷一般以縱波直探頭和縱波雙晶探頭，由于鑄件晶粒比較粗大，衰減嚴重，宜選用較低的頻率，一般為0.5″2.5 MHz，探頭直徑一般為10mm~30m。

在風電企業一般采用GE公司生產的B1S和B2S帶軟保護膜的單晶縱波直探頭和SEB2，SEB2-0，MSEB2和MSEB4。

3、耦合劑

鑄件探傷時，常用粘度較大的耦合劑，一般采用化學漿糊，甘油等。

4、檢測靈敏度調整

靈敏度調整有計算法以及DGS圖法。

計算法 

在鑄件上厚度*厚的地方找一位置，檢測表面與底面平行，調整底波，使波高達到熒屏滿刻度的50%或80%，依檢驗者的習慣，再調節增益，增加下面公式計算出來的數:

△dB=20log(2λx/ πD_f²)

式中: x—工件橫截面厚度，mm

λ—波長，mm

D_f—平底孔直徑，mm

 

通過查探頭DGS圖法 

GE公司的探頭，每一個探頭在出廠前都由廠商技術人員進行測試，制作出每一個探頭的DGS曲線，例如雙晶直探頭MSEB2(E)，探頭編號為:57461，其測試圖如圖1所示。實際檢測時，根據每個探頭的DGS曲線，查找需要增加的dB 數。

 

 

如果檢測鑄件的厚度是100mm，在鑄件表面調節底波，使波高達到50%， 要求工件中缺陷當量大小不超過φ3，通過查DGS曲線，可知△dB為27dB。

利用儀器制作DGS曲線

GE公司生產USM35 非常先進，可以根據不同的工件制作不同的DGS曲線，可以更貼近工件的狀態，檢驗靈敏度更高。

這種方法非常先進和方便，檢測者只要在工件上做好DGS曲線，只要發現了缺陷，就可以很直觀地知道缺陷的當量尺寸大小。

5、檢測缺陷的記錄及驗收標準 

依照圖2所示對需超聲波檢查的組件進行區域劃分。標準對區域1和區域2的驗收等級是不同的。

圖2區域類型及分類

A.根據表1記錄缺陷。該記錄的缺陷為：

l  反射波高度超過表1記錄標準的缺陷。

l  超過表1中底面回波高度降低量標準的底面回波降低的缺陷，注意這種底面回波降低不能是由幾何形狀或耦合引起的。

B.缺陷的大小由下述方法決定：

n  dB中紀錄標準之上的*大回波高度或底面回波*大降低值都應該被測量和記錄。

n  在相關的記錄標準下，缺陷的范圍應該用6dB法來決定。

C.缺陷大小修正：

假如缺陷的大小比聲束的直徑小應該被降低，允許降低值已經在表2中給出。

D.缺陷評估，表1中有三種缺陷類型：

類型一，非測量性延伸缺陷

非測量性延伸缺陷的反射波實際的超聲波波程長度比超聲波束的直徑小(見圖3)。這類缺陷的大小不用報告，依照表1的參考標準（以平底孔為參考）和深度延伸進行評估。

類型二，測量性延伸缺陷：

測量性延伸缺陷的反射波實際聲波波程長度比聲波束的直徑大。次類缺陷的大小應該報告，并且應該通過探測兩側表面超出了實際區域和壁厚規定的參考標準(以平底孔為參考)的點來決定這些缺陷的深度延伸。缺陷應依照表1中的參考標準、區域及深度延伸。

類型三，底面回波降低

超過的區域和壁厚規定的記錄水平的底面回波降低。此類缺陷根據表1進行評估，評估是在缺陷的范圍在表面上的投影被確定后進行，投影的邊界點是底面回 波相對于記錄標準降低了6dB的點。在測試區域的底面回波降低應該不需要深度延伸的確定就可以驗收通過，在測試區域降低應該小于記錄水平+6dB。當底面 回波降低量大于記錄標準6dB時定義為底面回波全部消失。

 

表1: 球墨鑄鐵的UT記錄和驗收標準

(1) 如果缺陷有深度延伸，那么必須按照區域的深度延伸規則進行評估。

(2) 底面回波的全部損失=記錄標準＋6dB。

(3) 缺陷的掃描表面上的*大允許長度等于實際斷面T。如果兩個相鄰缺陷之間的距離小于它們兩者之中*大的一個尺寸，那么它們可以認為是一個缺陷。

(4) 通過區域2中的底面回波的全部損失得到的深度延伸應該利用對兩側表面上點的探測來確定，在這些表面上，就區域1內反射器而言，能夠發現一個超過記錄標準的 直接反射波。接著應該依據就缺陷的深度延伸而言的規則，對缺陷進行評估。覆蓋區域1和區域2的缺陷應該具有一個實際斷面T的*大的總深度延伸，并且區域1 的深度延伸應至多為實際斷面T 的10%。對于在區域1內缺陷的*大區域來說的規則應該被考慮。

如果一個缺陷的*大長度小于實際斷面T，那么區域2 的*大深度延伸可以被增加到30%。

(5) 在區域2 內，記錄標準和記錄標準+6dB之間的底面回波降低可以驗收通過而不必測量。

 

表2. 聲波束直徑的補償

超聲波路徑(mm)(1)	超聲波波束直徑 SEB2(mm)	超聲波波束直徑MSEB2(mm)	超聲波波束直徑 B2S(mm)
<20	15	5	-
20-60	15	15	-
60-120	20	20	12

(1)  超聲波路徑被定為從掃描表面到缺陷之間距離的兩倍

 

非測量性延伸缺陷                     測量性延伸缺陷

三 風力發電機組球墨鑄鐵典型結構超聲波檢測

輪轂檢測。輪轂屬于大型球形殼體類鑄件，壁厚一般為60mm~150mm范圍內，不允許存在超過標準規定的縮孔、縮松、氣孔、夾渣以及表面裂紋等鑄 造缺陷。輪轂鑄造成型后需要進行精加工及組裝，如果在精加工前或者在組裝過程中發現缺陷那么將無法返修，所以需要在精加工前對輪轂進行超聲波檢測。

 

軸承座檢測。軸承座承受較高的載荷，對質量要求較高，需要進行檢測。

 

軸套檢測。國內風電企業出現過軸套斷裂的事故，所以部分風電企業在安裝前對其進行檢測。軸套檢測一般從軸的兩端以及軸的圓周進行檢測。

 

 

四 結束語

通過對國外風電企業對球墨鑄鐵超聲波探頭的介紹，希望對國內的風電企業有借鑒和學習的意義。隨著風電行業球墨鑄鐵檢測標準的制定與實施，必將對風力發電機組球墨鑄鐵的質量控制將有重大意義，有利于整個產業與國際接軌。