51 船机零件的缺陷检验

1、第五章 船机零件的缺陷检验与船机故障诊断第一节 船机零件的缺陷检验 船机零件的缺陷是指零件在制造和使用过程中产生的缺陷和损伤。制造中的缺陷是零件材料和毛坯在冶炼、铸造、锻造、热处理和机械加工中所产生的气孔、缩孔、疏松、夹渣和微裂纹等缺陷；使用中产生的损伤，如磨损、腐蚀和疲劳裂纹等。零件表面和内部的缺陷是其在运转中产生损坏的内因，导致零件失效和机器损坏。为了保证船舶动力装置运转的可靠性和船舶航行的安全，检验贯穿于船舶机械的制造、安装和使用过程中。船舶机械在制造、安装中进行严格的质量检验，对零件材料进行的无损检验、实现零件的加工技术要求的检验、机器装配要求和在船上安装要求的检验等。入级船舶在建造过

2、程中按照CCS(中国船级社)的规范钢质海船入级与建造规范建造和接受验船师的监督与检验。船舶投入营运后CCS依规范要求进行保持船级的各种检验。 在船舶条件下轮机员对缺陷零件可进行一般检验；船舶进厂修理时对重要零件的缺陷应进行无损检验。一船机零件缺陷的一般检验 一般检验是采用一般的、传统的简易方法检验零件的缺陷。在船舶条件下这些简单、方便的检验方法具有一定的精度，故一直被广泛采用。一般检验采用普通量具检验零件的磨损、腐蚀和运动副的配合间隙等；采用观察法、听响法和液压试验法检验零件表面和内部的缺陷。1观察法 观察法是通过人的眼睛或借助低倍放大镜等辅助工具来观察和判断零件表面有无裂纹和缺陷的

3、方法。用于检验零件表面上的一些细微的和肉眼难以发现的缺陷。检测的准确度取决于检验人员的细心和经验。2听响法 听响法是根据敲击零件时发出的声音来判断零件内部和表面上有无缺陷的方法。声音清脆表示零件完好或零件与其表面上的覆盖层结合良好，无脱壳现象；声音沙哑则表示零件内部或表面有缺陷，或零件与其表面上的覆盖层结合不良、局部脱壳等。例如，检验轴瓦的瓦壳与其上瓦衬(耐磨合金层)的结合情况。听响法只能定性地判断零件内部和表面有无缺陷，不能定量确定缺陷的种类、大小和部位，检验的准确度有赖于检验者的经验和对缺陷的判断，并且只适用于小零件。此法简便，灵活，随时可以进行，所以沿用至今。3测量法测量法是轮机员在船上

4、进行检修和船舶进厂修船时广泛使用的重要检测手段。利用普通或专用量具测量磨损零件的尺寸和配合件的间隙以及腐蚀情况判断零件的使用性能和确定修理方法。一般采用的普通量具有内、外径千分尺，百分表，内径百分表，塞尺等；专用量具、量仪如专用千分尺、长塞尺、桥规和样板等。测量法检测精度高，使用方便、灵活，是船上和修船厂不可缺少的检测手段。然而测量精度取决于量具、量仪的精度和轮机员检测技术水平。因此，轮机员应掌握各种量具、量仪的使用方法和维护方法，不断地提高测量技术水平和测量精度。4液压试验法 对使用中要求具有较高密封性的零件通常进行液压或气压试验来检验零件内部的缺陷。新造或修理的零件或重新装配的组件均应进行

5、密封性检查。例如气缸套、活塞等。液压试验法实质上是在模拟使用条件下对承压零件材料内部缺陷进行检验的一种无损检验方法。试验前，将待检零件上的孔、洞等堵塞，用专用夹具密封零件形成包括检验部位的封闭空腔，注满液体或气体，按要求加压至规定的压力，保持一定时间后观察零件外表面的渗漏情况，以确定零件能否使用。试验用液体可选用水或油，也可用空气，依要求而定。试验压力依零件工作条件而定。例如，气缸套上部 (1/3气缸全长) 是燃烧室组成部分，试验压力为 1.5pz (最高爆发压力)。四冲程柴油机气缸套内孔全长液压试验，试验压力为0.7MPa、保持5min后检验气缸套外表面有无渗漏，如图5-l所示。液压试验法符

6、合零件实际工作条件，检测准确、可靠，广泛用于新造和修理工作中。钢质海船入级与建造规范、船用柴油机修理技术标准或柴油机说明书中对各种零部件的试验压力均有明确规定。 二、船机零件的无损检验 随着现代科学技术的发展，无损检验技术在工业生产中日益重要，是产品质量管理的重要手段。现在，无损检验技术已成为一种新兴的综合性的应用技术，广泛用于工业各个领域和科学研究。无损检验是在不破坏或基本不破坏零件、构件和材料，即不破坏零件、构件的形状、尺寸精度，表面质量和不改变材料的成分、性能及零件使用性能的前提下，采用物理、化学等方法探测零件材料内部和表面的缺陷及其某些物理性能。现代无损检验不仅探测缺陷，而且

7、给出缺陷的定量评价。定量测量缺陷的形状、大小、位置、取向、分布和缺陷的性质等，定量测量零件和材料的物理、力学性能，如温度、残余应力、覆盖层厚度等。无损检验技术对于控制和改进产品质量、保证产品的可靠性、保证机器和设备的安全运转和提高生产率等起着重要作用。无损检验技术主要应用在以下三方面：（1）监督和控制生产过程中的质量问题  在产品的生产过程中选用不同的无损检验技术，及时发现质量问题，对产品质量进行监控和管理。（2）产品出厂前的成品检验和用户验收检验  新造和修理零件的质量检验和用户验收检验中均可采用无损检验技术。例如，对购进的大型曲轴进行磁粉探伤和超声波探伤，以验证曲轴表面

8、和内部的缺陷情况与厂家提供的探伤报告是否一致。（3）产品的使用过程中的维护检验  对于长期使用的零件进行预防检验或对事故原因进行分析检验。无损检验在船舶建造和修理中也广泛应用，如对船体钢板、船体焊缝、压力容器焊缝及船机零件缺陷进行渗透探伤、磁粉探伤、超声波探伤等。近年来研究和开发出新的无损检验技术如声发射、激光全息摄影等，均己获得迅速发展和应用，不久亦会应用于造船生产中。1渗透探伤液体渗透探伤是使用较早的一种检验表面缺陷的方法。液体渗透探伤的原理是利用液体的流动性和渗透性，借助毛细管作用显示零料表面上开口性缺陷。渗透探伤原理简单，操作方便、灵活，适应性强，可检查各种材料和各种形状、尺

9、寸的零件，对表面裂纹有很高的检测灵敏度，但不能检测表面非开口性缺陷和皮下缺陷。按照渗透剂的不同有三种方法。1）煤油白粉法 煤油白粉法是一种老式的但很简便的渗透探伤方法，一直沿用至今。以煤油为渗透剂，石灰粉或白垩粉为显像剂。检验步骤如下：（1）检验时，先将清洗干净的零件浸入煤油中或把煤油涂抹在零件待检表面上，依零件尺寸大小而定；（2）1530min后，煤油已充分渗入零件缺陷中，取出零件并擦干；（3）在零件待检表面上涂上一层白粉，干燥后适当敲击零件，使渗入缺陷中的煤油携缺陷中的锈、污等复渗于白粉上，呈现出黑色痕迹，将零件表面上缺陷的大小、部位或覆盖层脱壳情况显示出来。此法简便、实用、经济，但不精确

10、，只能粗略检验。2)着色探伤 着色探伤的渗透液中含有红色颜料、溶剂和渗透剂等成分。具有渗透力强，渗透速度快，显像清晰醒目，洗涤性好，化学稳定性好和无腐蚀、无毒或低毒等特点。显像剂常用氧化锌、氧化镁或二氧化铁等白色粉末和有机溶剂组成。显像剂具有悬浮力好，与渗透液有明显的衬度对比，显示缺陷清晰，易于辨别，无腐蚀性等特点。在着色探伤操作中有浸液法、刷涂法和喷涂法。采用内压式喷罐喷涂检验，操作简单，携带方便，应用灵活。一组内压式喷罐各装有清洗剂、渗透剂和显像剂。检验时，先用清洗剂清洁零件待检表面，然后喷涂一层红色渗透剂并保持一定渗透时间，最后在清洗去渗透剂的表面上再喷涂一层白色显像剂，凉干后在白色衬底

11、上显示出红色缺陷痕迹。  渗透剂渗透时间对检验效果影响很大。时间短，小缺陷难以发现，大缺陷显示不完全，时间长，难以清洗，且检验效率低。一般，根据零件材料确定渗透时间。例如，铝镁合金铸件约为15min；钢的铸、锻件约为3060min；塑料、玻璃、陶瓷等非金属材料约为530min 。3)荧光探伤 荧光探伤是借助残留在零件缺陷内的荧光渗透液在紫外线照射下发出的荧光显示缺陷。 荧光渗透液主要由荧光物质、溶剂和渗透剂组成。具有荧光亮度高、渗透性好、检测灵敏度高、化学稳定性好、易于清洗和无毒、无味、无腐蚀性的特点。荧光物质是在紫外线照射下能够通过分子跃迁产生荧光的物质。通常采用在紫外线

12、照射下发出黄绿色荧光的渗透液，这种颜色在暗处衬度高，人的视觉对其最敏锐。显像剂常用经过干燥处理的白色氧化镁粉，它具有最高的灵敏度和显示亮度。在荧光探伤操作中，渗透方法主要是浸液法，渗透时间一般为1520min。常用的紫外线灯又称黑光灯，是一种高压水银灯，产生紫外光及可见光，如图5-2所示。荧光探伤具有灵敏度高、操作简便、使用灵活等优点，但需在暗室中观察，长期受紫外线照射有害健康。4)渗透检漏探伤液体渗透检漏探伤用来探测容器或焊缝有无穿透性缺陷。通用于金属或非金属材料的容器。常用煤油渗透检漏。用煤油作为渗透剂进行检漏时，在容器或焊缝的容易观察的一面涂以白垩粉液，干燥后在另一面涂煤油，观察白垩粉上

13、有无煤油渗透的痕迹。如采用着色或荧光渗透检漏显示效果更好。检测灵敏度更高，但需较长的渗透时间。2磁粉探伤磁粉探伤或称磁力探伤，是一种表面探伤方法，也是应用最早的无损探伤技术。具有设备简单、操作容易，检验速度快和灵敏度较高的优点，但仅适用于铁磁性材料。广泛应用于各种工业生产和修造船工业生产中。磁粉探伤可以探测材料或零件表面和近表面的缺陷，对检验裂纹、发纹、折叠、夹层和未焊透等缺陷极为灵敏。采用交流电磁化可探测表面下2mm 以内的缺陷，采用直流电磁化可探测表面下6mm以内的缺陷。磁粉探伤设备有固定式、移动式和手提式三种磁力探伤机，显示介质为较细的纯铁磁粉(Fe3O4) ，直接使用干粉灵敏度高，但操

14、作不便；把磁粉和煤油混合成湿粉，使用方便。目前己研制成半自动、全自动磁粉探伤机，如曲轴半自动探伤机、钢材自动探伤机。除部分工序外，探伤从零件装夹、磁化、喷粉、退磁等工序全部自动化。此外，水下磁粉检验可对船体水下部分、海上石油钻井平台的水下焊缝和海底管道的缺陷进行检验。1)磁粉探伤原理磁粉探伤是基于铁磁性材料导磁率高的特性来检验缺陷，当表面域近表面存在缺陷的零件在磁场中被磁化后产生漏磁磁场，漏磁磁场吸附磁粉显示出零件表面或近表面缺陷的大小、形状和部位，如图5-3所示。在导磁率不同的两种介质的界面上，磁力线的方向发生变化。当两种介质的导磁率相差悬殊时，例如铁和空气，磁力线进入空气时几乎垂直界面，进

15、入空气的磁力线构成漏磁磁场。零件材料内的缺陷大小、方位对磁力线方向改变的角度和漏磁磁场的强度均有很大影响。表面缺陷较大并与磁力线垂直时，漏磁磁场强度最大，最易探伤。随着缺陷与磁力线的夹角变小，最终与磁力线平行时，漏磁磁场强度逐渐减弱至零。当缺陷与磁力线夹角大于45°时才具有一定的漏磁磁场强度和检验灵敏度。缺陷距零件表面较远，不能形成漏磁磁场时则不能显示缺陷。2)磁粉探伤方法磁粉探伤方法主要有：按磁化电流性质分为：交流电磁化法和直流电磁化法；按显示介质状态和性质分为：干粉法、湿粉法、荧光磁粉法；按磁化方法分为：直接通电法、局部支杆法、心轴法、线圈法和铁轭法；按磁场方向分为：（1）纵向磁

16、化  零件磁化后产生平行零件轴线的磁力线，可以探测与零件轴线垂直或成一定角度的缺陷。采用直流电或交流电通过线圈或铁轭磁化，如图5-4所示。（2）周向磁化  零件直接通电或使穿过零件的心轴通电，使在零件内产生垂直零件轴线的磁力线，可探测轴向缺陷，即平行或近于平行零件轴线的缺陷，如图5-5所示。（3）复合磁化  零件通电后同时产生纵向和周向磁力线，可以探测零件上任意方向上的缺陷，如图5-6所示。3）磁化电流用于探伤的磁化电流可采用直流电或交流电。为了获得强磁场和安全工作，选用低压大电流，一般电压在l2V以下，电流则视零件大小按经验公式求得。直流电磁化产生的磁场强度大，

17、磁力线在零件截面上分布均匀，可探测表面及表面以下6mm处的缺陷。但直流电源复杂，使用不便，退磁困难，所以应用较少。 交流电磁化因集肤效应使产生的磁力线分布于零件的表面层，可探测表面及表面以下2mm处的缺陷，交流电磁化的探测灵敏度高，易于退磁，设备简单，应用广泛。4)退磁由于铁磁性材料的顽磁性使经磁粉探伤的零件内有剩磁，剩磁会使回转零件吸附铁屑而加剧磨损和使仪表工作不正常。所以经磁粉探伤的零件必须退磁，如探伤后需进行700 以上的热处理，则不须退磁。退磁后可用袖珍式磁强计检测剩磁。 3涡流探伤涡流探伤是一种探测金属零件或构件表面和近表面缺陷的无损探伤方法。涡流深伤是在电磁感应

18、的基础上，利用在交变磁场作用下不同材料产生不同振幅和相位的涡流来检验铁磁性和非铁磁性材料的物理性能、缺陷和结构尺寸等的检验方法。1)涡流探伤原理涡流探伤时，把缺陷零件接近或置于通以交流电的线圈内，如图5-7所示。在线圈交变磁场H作用下，零件表面感应出涡流并产生次级磁场Hs，Hs与原磁场Ha相互作用致使原磁场Ha变化，线圈内的磁通变化，从而使线圈阻抗变化。由于零件内部存在的缺陷、材料的物理性能等的变化均能改变涡流的密度和分布，亦即可以改变磁场Hs和Ha从而改变线圈阻抗。于是，通过测量线圈阻抗的变化量来确定零件内部的缺陷和材料的物理性能，如导电率、导磁率、尺寸、合金成分、硬度等。2）涡流探伤的特点

19、（1）可探测零件表面以下0.110.20mm处的缺陷；（2）探伤的灵敏度较高，速度快；（3）设备简单，操作容易、灵活，可以原地探测；（4）探伤时采用不与缺陷零件接触的间接测量法，便于实现自动化控检测；（5）由于影响涡流变化的因素较多和涡流信号不易分离与提取，使探伤的可靠性受到影响。涡流探伤是一种多用途无损检测方法，可进行缺陷、物理性能、尺寸等多种检测。涡流探伤仅适用于导电材料，因缺陷显示不直观，所以不适于形状复杂的零件。近年来涡流检测技术与理论研究均有很大发展，涡流探伤的微机化、智能化和新的检测技术为各类缺陷检测提供了更精确、可靠和快速的保证。3）涡流探伤的应用涡流探伤可探测零件表面内的缺陷，

20、如裂纹、折叠、气孔和夹杂物；测量材料的物理量，如导电率、导磁率、晶粒度、硬度、尺寸和热处理状态；测量零件表面上镀层、涂层的厚度和测量金属箔、板材、管材的厚度、直径等。4超声波探伤超声波探伤的研究始于20世纪30年代，50年代广泛进入工业领域，60年代研制出高灵敏度和高分辨率的超声波探伤仪有效地解决了焊缝探伤问题。目前，超声波探伤已成为工业无损检验中应用最广泛的一种方法，适用于各种工程材料和各种尺寸的锻件、轧制件、焊缝和某些铸件，各种机械零件和构件，如船体、锅炉、容器等都可利用超声波进行有效地探伤，可采用手动或自动化方式进行检测。利用超声波探测零件内部的缺陷，也可检测材料的物理性能，如无损检测厚

21、度、硬度、淬硬层深度、晶粒度、残余应力、胶接强度、液位和流量等。目前，超声波探伤仪的微机化可完成数据与图像处理。例如，全电脑对话式超声波探伤仪可在屏幕上显示回波曲线和检测数据，存储缺陷波形和打印数据、图形资料、编写探伤报告等。1）超声波超声波是一种机械振动波，是超声振动在介质中的传播，实质是机械振动以波的形式在弹性介质中的传播。声波频率在l6Hz20kHz为人的听觉范围；频率小于l6Hz的声波称为次声波；频率超过20kHz的声波称为超声波。超声波具有频率高、波长短、传播能量大、穿透力强、指向性好的特点。超声波在均匀介质中沿直线传播，遇到界面时发生反射和折射，并且可以在任何弹性介质(固体、液体和

22、气体)中传播。在工业超声波探伤中，传播介质主要是固体，液体作为耦合剂以减少声能损失，气体则常包含在缺陷(如气孔、缩孔、裂纹等)中。超声波在介质中的传播方式随振源在介质上施力方向与声波传播方向不同分为纵波、横波和表面波。2）超声波探伤（1）超声波探伤原理  超声波探伤是利用超声波通过两种介质的界面时发生反射和折射的特性来探测零件内部的缺陷。超声波探伤方法按波的传播方式分为脉冲反射波法和透射波法。脉冲反射波法是利用脉冲发生器发出的电脉冲激励探头晶体产生超声脉冲波。超声波以一定的速度向零件内部传播，遇到缺陷的波发生反射，得到缺陷波，其余的波则继续传播至零件底面后发生反射，得到底波。探头接收

23、发射波、缺陷波和底波，放大后显示在荧光屏上，如图5-8所示。由发射波、缺陷波和底波在时间基线上的位置求出零件内缺陷的部位。依缺陷波的幅度判断缺陷的大小，具体方法有当及量法、定量法等。对于缺陷的性质则主要依缺陷波的形状和变化，结合零件的冶金、焊接或毛坯铸、锻工艺特点，以及参照缺陷图谱和探伤人员的经验来判断。超声波探伤常用频率在0.45MHz之间。较低频率用于检测粗晶材料和衰减较大的材料；较高频率用于检测细晶材料和要求高灵敏度处。特殊要求的检测频率可达1050MHz。(2)换能器 俗称探头，是产生和接收超声波的装置。工业上产生和接收超声波的方法很多，主要有压电式、电磁式等。超声波探伤中主要采用压电

24、式换能器。换能器主要由压电晶体组成。晶体有石英、酒石酸钾钠，硫酸锂等；压电陶瓷有钛酸钡、钛酸铅等。利用石英、钛酸钡的正压电效应产生超声波，逆压电效应接收超声波。压电晶体在交变电压作用下，在晶体厚度方向产生伸缩变形，产生与交变电压频率相同的机械振动，即产生超声波。当把高频振动(超声波)作用在晶体上，在晶体的两个电极之间产生与超声波频率相同、强度与超声波成正比的高频电压，即接收超声波。依结构和使用波型不同，探头分为直探头、斜探头等。直探头为可发射和接收纵波的单探头。斜探头为可发射和接收横波的双探头。探伤时，为了使探头与零件接触良好减少声能损失和提高探伤灵敏度，在探头与零件接触表面之间涂以耦合剂，耦

25、合剂多采用机油。3）超声波探伤的特点超声波探伤迅速，灵敏度高，可探测53000mm厚的金属或非金属材料的构件，设备简单，操作灵活、方便，探测范围广，对人体无害。但对零件表面粗糙度有一定要求，一般要求粗糙度等级高于Ra6.3 um，表面清洁、光滑，与探头接触良好。由于零件表面一段距离内的缺陷波与初始波难于以分辨，难以探测缺陷，所以这段距离称为盲区。盲区的大小因超声波探伤仪不同而异，一般为57mm 。超声波探伤中对缺陷种类和性质的识别较为困难，需借助一定的方法和技术。5.射线探伤射线探伤是利用射线探测零件内部缺陷的无损探伤方法。利用x射线、射线和中子射线易于穿透物体和穿透物体后的衰减程度不同，使胶

26、片感光不同的特点，来探测物体内部的缺陷。 1)射线的特性 x射线和射线均为电磁波，波长范围均在0.0011nm之间，比可见光的波长短、频率高、穿透力强，具有以下特性： (1)不可见，以直线传播； (2)不带电荷，不受电场和磁场的影响； (3)能穿透物体并被物质吸收而使自身强度衰减；(4)能产生光化学作用，使胶片感光；(5)能使物质电离，使某些物质产生荧光； (6)能产生生物效应，对生命细胞有杀伤作用。 2)射线探伤原理 射线探伤方法有照相法、透视法(荧屏显示)和工业射线电视法。目前生产中广泛应用射线照相法。射线照相法探伤是利用物质在密度不同、厚度不同时对射线的吸收程度不同(即射线的衰

27、减程度不同)，就会使零件下面的底片感光不同的原理，实现对材料或零件内部质量的照相探伤。当射线穿过密度大的物质，如金属或非金属材料时，射线被吸收得多，自身衰减的程度大，使底片感光轻；当射线穿过密度小的缺陷(空气)时，则被吸收得少，衰减小，底片感光重。这样就获得反映零件内部质量的射线底片，如图5-9所示。3）射线探伤的特点 （1）可直接观察零件内部缺陷的影像，对缺陷进行定性、定量和定位分析；（2）探测厚度范围大，从薄钢片到厚达500mm以内的钢板，但薄钢片的表面缺陷(如表面发纹、疲劳裂纹等)较难探测；（3）设备复杂、昂费，检验费用高；（4）射线对人体健康有害，其设备应加防护措施。射线探伤适用于所有

28、的材料，可检验金属、非金属材料内部质量，探测铸件、焊接件内部的缺陷，如检测船体焊缝的质量。 目前，射线探伤在高能射线、图像显示和自动检测等方面有很大进展，尤其是工业CT，即x射线计算机层析摄影技术的应用，对提高探伤精确性等极为重要。6声发射探伤 声发射无损检测技术是20世纪60年代发展起来的一种探测材料或构件内部缺陷和进行质量评定的新技术。 1）声发射原理 材料或构件受外力作用时，引起内部缺陷处或微观结构不均匀处产生应力集中，进而导致裂纹的产生和扩展。这是一种应变能的释放过程，其中一部分能量是以弹性应力波的形式快速释放，称为声发射。声发射的频率范围从次声、可听声至超声，大多数金属材料声发射信号

29、频率范围在100500kHz之间。声发射持续的时间很短，一般在10e-410e-8s之间。由于声发射信号中包含着材料内部缺陷和应变的信息，所以，声发射检测通过接收声发射的信号，进行处理、分析后判断材料内部的缺陷位置和性质。2）声发射检测的特点 （1）声发射检测时需对待检件施加力的作用； （2）是一种动态检测，利用加载状态下待检件内部缺陷活动发出的声波信号来探测缺陷，是缺陷主动参与检测，而其他无损检测技术则是静态的，是用外加信号检测缺陷； （3）操作简便，可大面积探测和监视缺陷状况；（4）除极少数材料外，金属和非金属材料在一定条件下均有声发射现象，所以此种探伤方法基本不受材料限制； （5）不仅可探测缺陷，且可了