滑動(dòng)軸承超聲波探傷檢測(cè)技術(shù)及應(yīng)用

一、引言

滑動(dòng)軸承是工業(yè)領(lǐng)域中關(guān)鍵的支承部件，廣泛應(yīng)用于汽輪機(jī)、壓縮機(jī)、發(fā)電機(jī)、大型泵組等高端裝備中。其通過潤滑油膜的彈性支撐實(shí)現(xiàn)軸頸與軸瓦的無摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)，具有承載能力強(qiáng)、振動(dòng)小、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。然而，長期運(yùn)行中，滑動(dòng)軸承易因疲勞、磨損、腐蝕或制造缺陷產(chǎn)生裂紋、巴氏合金層脫層、夾渣、氣孔等缺陷，若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能導(dǎo)致軸瓦燒蝕、軸頸磨損甚至整機(jī)停機(jī)，造成巨大經(jīng)濟(jì)損失。因此，對(duì)滑動(dòng)軸承進(jìn)行定期無損檢測(cè)（NDT）是保障設(shè)備安全運(yùn)行的重要手段。

超聲波探傷作為一種非破壞性檢測(cè)技術(shù)，憑借高靈敏度、深穿透性、實(shí)時(shí)性等優(yōu)勢(shì)，成為滑動(dòng)軸承缺陷檢測(cè)的主流方法。本文將詳細(xì)介紹滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、超聲波探傷原理、檢測(cè)流程及注意事項(xiàng)，為工程實(shí)踐提供參考。

二、滑動(dòng)軸承的結(jié)構(gòu)與缺陷類型

（一）滑動(dòng)軸承的基本結(jié)構(gòu)

滑動(dòng)軸承主要由軸頸（轉(zhuǎn)動(dòng)部分，與軸一體）、軸瓦（固定部分，支撐軸頸）和潤滑系統(tǒng)（提供油膜）組成。其中，軸瓦是檢測(cè)的重點(diǎn)，其結(jié)構(gòu)通常為：

• 鋼背：底層為高強(qiáng)度合金鋼，起支撐作用；
• 巴氏合金層（或銅合金、鋁基合金）：貼合于鋼背內(nèi)表面，具有良好的減摩性和抗沖擊性，是軸瓦的關(guān)鍵工作層；
• 過渡層（若有）：位于鋼背與合金層之間，提高結(jié)合強(qiáng)度（如電鍍鎳層）。

（二）常見缺陷類型及危害

1. 巴氏合金層缺陷：

   • 脫層：合金層與鋼背之間結(jié)合失效（如制造時(shí)燒結(jié)不牢或運(yùn)行中熱應(yīng)力導(dǎo)致），表現(xiàn)為界面分離，是滑動(dòng)軸承最危險(xiǎn)的缺陷之一，可能導(dǎo)致油膜破裂、軸頸與鋼背直接摩擦。
   • 裂紋：合金層表面或內(nèi)部的疲勞裂紋（如長期過載、溫度波動(dòng)），可能擴(kuò)展至鋼背，引發(fā)斷裂。
   • 夾渣/氣孔：制造過程中殘留的雜質(zhì)或氣體，降低合金層強(qiáng)度，易誘發(fā)裂紋。

2. 鋼背缺陷：

   • 表面裂紋（如鍛造或熱處理缺陷）、內(nèi)部夾雜物，影響軸瓦的整體支撐能力。

3. 軸頸缺陷：

   • 表面疲勞裂紋（如軸頸與合金層接觸應(yīng)力集中）、磨損溝槽，破壞油膜穩(wěn)定性。

三、超聲波探傷原理與方法

（一）超聲波探傷基本原理

超聲波是頻率高于20kHz的機(jī)械波，具有方向性好、穿透能力強(qiáng)、反射特性顯著的特點(diǎn)。當(dāng)超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，遇到聲阻抗差異（如缺陷與基體的界面），會(huì)產(chǎn)生反射波。探傷儀接收反射信號(hào)后，通過分析波高、位置、波形等參數(shù)，可判斷缺陷的位置、大小和性質(zhì)。

滑動(dòng)軸承檢測(cè)中，常用脈沖反射法（A型顯示），其原理如下：

• 探頭（ transducer）發(fā)射超聲波脈沖，經(jīng)耦合劑（如機(jī)油、甘油）傳入工件；
• 超聲波在工件內(nèi)傳播，遇到缺陷（如脫層）時(shí)，部分能量反射回探頭，形成缺陷波；
• 剩余能量繼續(xù)傳播至工件底面，反射形成底面波；
• 探傷儀將反射信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，在屏幕上顯示為脈沖波形（橫坐標(biāo)為傳播時(shí)間，縱坐標(biāo)為波高）。

通過缺陷波與底面波的位置差，可計(jì)算缺陷深度（$d = v \cdot t/2$d=v⋅t/2，其中$v$v為工件材料的聲速，$t$t為缺陷波傳播時(shí)間）；通過缺陷波高與基準(zhǔn)波高（如底面波）的比值，可評(píng)定缺陷的相對(duì)大小。

（二）滑動(dòng)軸承超聲波檢測(cè)的關(guān)鍵參數(shù)

1. 探頭選擇：

   • 直探頭（縱波）：用于檢測(cè)軸瓦鋼背與合金層的界面缺陷（如脫層）、鋼背內(nèi)部缺陷（如夾渣），以及軸頸表面裂紋（需耦合良好）。
   • 斜探頭（橫波）：用于檢測(cè)軸瓦合金層內(nèi)部裂紋（如沿圓周方向的疲勞裂紋），通過調(diào)整入射角（如45°、60°），使橫波沿合金層傳播，提高裂紋檢測(cè)靈敏度。
   • 頻率選擇：常用2.5~5MHz。頻率越高，分辨率越高，但穿透能力下降；頻率越低，穿透能力越強(qiáng)，但分辨率降低。軸瓦合金層（厚度通常為2~10mm）宜選5MHz探頭，鋼背（厚度>10mm）宜選2.5MHz探頭。

2. 耦合劑選擇：
   需具備良好的聲傳導(dǎo)性和浸潤性，常用機(jī)油（滑動(dòng)軸承本身的潤滑油）、甘油或專用超聲耦合劑。避免使用水（易導(dǎo)致工件銹蝕）或粘度太高的油脂（影響探頭移動(dòng)）。

3. 靈敏度校準(zhǔn)：
   檢測(cè)前需用標(biāo)準(zhǔn)試塊（如CSK-Ⅰ型、Ⅱ型試塊）校準(zhǔn)探傷儀的基準(zhǔn)靈敏度（如底面波高達(dá)到滿屏的80%）和缺陷定量曲線（如φ2mm平底孔的距離-波幅曲線），確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

四、滑動(dòng)軸承超聲波檢測(cè)流程

（一）檢測(cè)前準(zhǔn)備

1. 工件表面處理：

   • 去除軸瓦內(nèi)表面的油污、銹蝕、積炭（可用汽油清洗或砂紙打磨），確保探頭與工件表面良好耦合；
   • 對(duì)于巴氏合金層，需檢查表面是否有明顯的刮傷或磨損（嚴(yán)重磨損可能影響缺陷判斷）。

2. 儀器與探頭檢查：

   • 確認(rèn)探傷儀電源正常，顯示屏無故障；
   • 檢查探頭線纜是否破損，探頭晶片是否有裂紋（可用酒精擦拭后，用手輕壓晶片，觀察波形是否穩(wěn)定）；
   • 用標(biāo)準(zhǔn)試塊驗(yàn)證探頭的聲速、延遲和靈敏度（如用φ2mm平底孔試塊校準(zhǔn)）。

3. 耦合劑涂抹：
   在軸瓦內(nèi)表面均勻涂抹少量耦合劑，避免過多（導(dǎo)致探頭滑動(dòng)阻力大）或過少（耦合不良，無底面波）。

（二）檢測(cè)實(shí)施

1. 軸瓦檢測(cè)：

   • 鋼背與合金層界面檢測(cè)（直探頭）：
     將探頭置于軸瓦內(nèi)表面，沿圓周方向（或軸向）緩慢移動(dòng)（速度≤100mm/s），觀察屏幕上的波形。若界面存在脫層，會(huì)在底面波前出現(xiàn)高幅度的缺陷波（如圖1所示），缺陷波高越高，脫層面積越大。
     • 判定標(biāo)準(zhǔn)：根據(jù)GB/T 11345-2013《焊縫無損檢測(cè) 超聲檢測(cè) 技術(shù)、檢測(cè)等級(jí)和評(píng)定》或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（如電力行業(yè)DL/T 820-2002），當(dāng)缺陷波高超過基準(zhǔn)靈敏度的50%，且缺陷長度≥10mm時(shí)，需標(biāo)記為不合格。
   • 合金層內(nèi)部裂紋檢測(cè)（斜探頭）：
     將斜探頭置于軸瓦內(nèi)表面，沿合金層的圓周方向掃查（聲束指向裂紋可能擴(kuò)展的方向），若發(fā)現(xiàn)連續(xù)的反射波（如多次反射的裂紋波），需記錄裂紋的位置（圓周角度、軸向位置）和長度（用6dB法測(cè)量）。

2. 軸頸檢測(cè)：
   軸頸是轉(zhuǎn)動(dòng)部件，需將其固定后檢測(cè)（如用卡盤夾持）。用直探頭沿軸頸圓周方向掃查，重點(diǎn)檢測(cè)與軸瓦接觸的區(qū)域（如軸頸的中下部），若發(fā)現(xiàn)表面裂紋波（波前無底面波，波高隨探頭移動(dòng)而變化），需用磁粉探傷或滲透探傷驗(yàn)證（超聲波對(duì)表面裂紋的檢測(cè)靈敏度略低于磁粉，但可檢測(cè)近表面裂紋）。

3. 記錄與標(biāo)識(shí)：
   對(duì)檢測(cè)到的缺陷，需用標(biāo)記筆在工件上標(biāo)記（如用“×”標(biāo)記缺陷位置，用箭頭指示裂紋方向），并填寫《滑動(dòng)軸承超聲波檢測(cè)記錄》，內(nèi)容包括：工件編號(hào)、檢測(cè)日期、探頭型號(hào)、靈敏度、缺陷位置、缺陷類型、缺陷大小等。

（三）缺陷評(píng)定與處理

1. 缺陷評(píng)定：
   根據(jù)滑動(dòng)軸承的使用工況（如轉(zhuǎn)速、載荷、溫度）和標(biāo)準(zhǔn)要求（如GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》、JB/T 10338-2002《滑動(dòng)軸承 軸瓦 技術(shù)條件》），對(duì)缺陷進(jìn)行評(píng)定：

   • 致命缺陷：巴氏合金層大面積脫層（面積≥軸瓦面積的10%）、鋼背裂紋（長度≥20mm）、軸頸表面裂紋（深度≥1mm），需立即更換或修復(fù)；
   • 嚴(yán)重缺陷：巴氏合金層小面積脫層（面積5%~10%）、合金層裂紋（長度≥10mm），需停機(jī)修復(fù)（如重新澆鑄合金層）；
   • 一般缺陷：合金層夾渣（直徑≤2mm）、鋼背輕微夾雜物，可監(jiān)控使用（定期復(fù)檢測(cè)）。

2. 缺陷處理：

   • 對(duì)于脫層缺陷，可采用重新澆鑄巴氏合金層（去除舊合金層，清洗鋼背，用離心澆鑄法重新澆注）；
   • 對(duì)于裂紋缺陷，可采用補(bǔ)焊（如合金層裂紋用銀焊補(bǔ)，鋼背裂紋用氬弧焊補(bǔ)）或磨削加工（去除裂紋層，確保無殘留）；
   • 處理后需重新進(jìn)行超聲波檢測(cè)，確認(rèn)缺陷已消除。

五、超聲波探傷的優(yōu)勢(shì)與注意事項(xiàng)

（一）優(yōu)勢(shì)

1. 非破壞性：檢測(cè)過程不損傷工件，可用于在役設(shè)備的定期檢測(cè)（如電廠汽輪機(jī)每年一次的大修檢測(cè)）；
2. 高靈敏度：可檢測(cè)0.1mm以下的裂紋（如巴氏合金層的微裂紋）和1%以下的脫層面積（如軸瓦與鋼背的界面脫層）；
3. 深穿透性：可檢測(cè)鋼背內(nèi)部50mm以上的缺陷（如大型軸瓦的鋼背夾渣）；
4. 實(shí)時(shí)性：檢測(cè)時(shí)可實(shí)時(shí)顯示缺陷信號(hào)，便于現(xiàn)場判斷；
5. 適用性廣：可檢測(cè)各種金屬材料（如合金鋼、巴氏合金、銅合金）的滑動(dòng)軸承，不受工件形狀限制（如圓柱形軸瓦、扇形軸瓦）。

（二）注意事項(xiàng)

1. 表面狀態(tài)影響：
   軸瓦內(nèi)表面的粗糙度（Ra>6.3μm）或油污會(huì)導(dǎo)致耦合不良，產(chǎn)生假信號(hào)（如無底面波或雜波）。檢測(cè)前需用砂紙打磨（Ra≤3.2μm）并清洗干凈。

2. 探頭壓力控制：
   探頭與工件表面的壓力需適中（約0.5~1N），壓力過大可能導(dǎo)致探頭晶片損壞，壓力過小會(huì)導(dǎo)致耦合不良。

3. 避免誤判：

   • 界面波：鋼背與合金層的界面會(huì)產(chǎn)生反射波（如合金層厚度為5mm，界面波位于底面波前1/2處），需與缺陷波區(qū)分（界面波穩(wěn)定，缺陷波隨探頭移動(dòng)而變化）；
   • 雜波：工件內(nèi)部的晶粒粗大（如鑄鋼件）或組織不均勻（如巴氏合金的偏析）會(huì)產(chǎn)生雜波，需通過調(diào)整靈敏度（降低增益）或用標(biāo)準(zhǔn)試塊對(duì)比，避免誤判。

4. 安全操作：

   • 檢測(cè)時(shí)需佩戴防護(hù)手套（避免耦合劑接觸皮膚）；
   • 軸頸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)（如檢測(cè)軸頸），需確保軸頸固定牢固，避免探頭卷入（造成人員受傷或探頭損壞）；
   • 探傷儀需接地（防止電擊），避免在潮濕環(huán)境中使用（防止儀器短路）。

六、工程案例

某電廠汽輪機(jī)3號(hào)機(jī)組的高壓缸滑動(dòng)軸承（型號(hào)：6-35-1，軸瓦尺寸：直徑φ300mm，合金層厚度8mm）在大修時(shí)進(jìn)行超聲波檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)巴氏合金層與鋼背界面存在脫層缺陷（缺陷波高為底面波的70%，缺陷面積約1200mm²，占軸瓦面積的8%）。經(jīng)拆解驗(yàn)證，脫層區(qū)域的合金層已與鋼背完全分離（如圖2所示）。若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，該缺陷可能在運(yùn)行中擴(kuò)展，導(dǎo)致軸瓦燒蝕，造成機(jī)組停機(jī)（損失約500萬元/天）。隨后，電廠采用重新澆鑄合金層的方法修復(fù)軸瓦，修復(fù)后檢測(cè)無缺陷，機(jī)組恢復(fù)運(yùn)行。

七、結(jié)論與展望

超聲波探傷是滑動(dòng)軸承缺陷檢測(cè)的有效手段，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)巴氏合金層脫層、裂紋等致命缺陷，保障設(shè)備安全運(yùn)行。隨著技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字化超聲探傷儀（如帶圖像顯示的便攜式探傷儀）、相控陣超聲（PAUT）和超聲斷層掃描（C掃描）等技術(shù)已逐漸應(yīng)用于滑動(dòng)軸承檢測(cè)，提高了檢測(cè)效率和準(zhǔn)確性（如相控陣可實(shí)現(xiàn)多角度掃查，C掃描可生成缺陷的二維圖像）。未來，人工智能（AI）將進(jìn)一步提升超聲波探傷的自動(dòng)化水平（如自動(dòng)識(shí)別缺陷波形、預(yù)測(cè)缺陷發(fā)展趨勢(shì)），為滑動(dòng)軸承的智能維護(hù)提供支撐。

總之，超聲波探傷在滑動(dòng)軸承檢測(cè)中的應(yīng)用，不僅降低了設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)，還提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益（如減少停機(jī)損失、延長設(shè)備壽命），是工業(yè)領(lǐng)域不可或缺的無損檢測(cè)技術(shù)。