Chapter5 船机零件缺陷检验与船机故障诊断

Chapter5 船机零件的缺陷检验与船机故障诊断(Flaw Detection and Fault Diagnosis)1．了解无损检测的基本原理、特点，掌握各种检测方法的适应范围，达到能正确选用的目的。

2．了解常用的故障诊断方法（振动与噪声监测、油液监测、性能趋势监测、温度监测）的基本原理及在船舶机械中的应用。

1．结合学生熟悉的医疗诊断方法来介绍本章涉及的无损检测方法和故障诊断，加速消除学生对这些内容的生疏感。

2．结合目前无人机舱的现状和船舶维修体制的改革要求，说明故障诊断工作的重要性。

3．课后马上安排无损检测实验，加深对方法的理解。

为了保证船舶动力装置运转可靠性和船舶航行的安全性，船舶机械在制造和安装过程中均要进行严格的质量检验。

对于零件材料的内部缺陷采用各种先进的无损检验技术检验；对于船舶机械在船上安装，也即船舶在建造过程中不仅要进行安装质量检验，而且还要取得船级社检验的船级证书。

船舶机械运转过程中产生的损伤同样危及着船舶动力装置的可靠性和船舶航行的安全性，轮机员要在日常的维护管理工作中进行各种检查与测量，有计划地维修以防止故障发生。

同时，CCS要求业已取得船级证书的在航船舶保持船级，即为保持其入级的良好技术状态还要进行各种技术检验，如年度检验、中间检验、坞内检验和特别检验等。

在船舶条件下轮机员对缺陷零件可进行一般检验以判断零件的可使用性；船舶进厂修理时对重要缺陷零件应进行无损检验。

零件的缺陷（如裂纹、疲劳、磨损、腐蚀等）既是危险的，又往往是难免的，到一定时间总要出现。

因此，采用一定的检测方法进行缺陷和机械故障的检测是非常重要的。

对机器进行的检测方法是从医学诊断方法中学习得来的。

其诊断方法和原理与人类目前采用的疾病诊断方法是很似的。

不妨对比如下：§5-1 船机零件的缺陷检验（Flaw Detection ） 1 船机零件缺陷的简易检验方法1.1 Direct check检查人员用眼睛或借助放大镜等观测零件表面的裂纹、磨损、腐蚀等情况。

其准确程度与检验人员的经验有关。

1.2 原理：敲击零件，根据零件发出的声音来判断零件有无缺陷。

如：声音清脆，表明零件完好；声音沙哑，表明零件内部有缺陷。

这方法只能进行定性分析，完全依赖于检验人员的经验。

在生活中也应用较多：如买锅、买碗等，买西瓜判断方法相反。

1.3分直接测量和间接测量。

通过测量检测零件的磨损和腐蚀情况等。

应用：在船上用内径千分尺检查缸套的内径，计算圆度误差和圆柱度误差。

工具：千分尺、千分表、塞尺等。

还可用专用工具（如样板）检查（如活塞顶的烧蚀情况检测）。

1.4对要求具有较高密封性的零件进行液压或气压试验。

通过检查表面有无渗漏现象，来检查表面有无穿透性裂纹等。

试验用液体可用水或油，也可用空气，依有关要求而定。

试验压力依零件工作条件而定。

例如，柴油机气缸盖冷却水腔试验压力为0.7MPa，保持5min；气缸套上部（1／3气缸全长）是燃烧室组成部分，试验压力为1.5p z（气缸最大爆发压力）。

图5-1为筒形活塞式柴油机气缸套内孔全长液压试验，试验压力为0.7MPa，保持5min后检查气缸套外表面有无渗漏现象。

2 船机零件缺陷的无损检测（Non-Destructive-Testing=NDT）缺陷（特别是内部缺陷）的检测方法无外乎两种：1) 破坏法即破开被检测对象，检查内部的质量，虽然可靠，但对零件的检验是行不通的，就象给人看病一样，总不能动不动就剖肠开肚进行检查。

2) 无损检验在不破坏被检查对象的前提下（包括：形状、尺寸、性能等）测量其有关的参数。

如测量温度、压力、缺陷等。

目前，在狭义上来说：在不破坏零件的条件下探测零件表面及内部缺陷的方法,称为无损探伤。

无损探伤的种类：常规检测方法（渗透探伤、磁力探伤、超声波探伤、射线探伤、涡流探伤）和无损检测新技术（如声发射技术、激光全息检测技术、红外检测技术、及微波检测技术等）。

在国外，常有下列3个名词使用：(1)无损检测（Nondestructive Testing=NDT）(2)无损检验（Nondestructive Inspection=NDI）(3)无损评价（Nondestructive Evaluation=NDE）其中，NDT与NDI更为相近，NDT一般泛指材料和设备各种场合中使用的检测方法，NDI指出设备验收和在役情况下的检验，NDE是在无损检测更高层次的发展，着重对缺陷的危险程度进行评价。

在我国，无损检测技术是从50年代开始的，几乎所有的方法都得到了实际应用，并成立了中国机械工程学会无损检测学会（挂靠在上海材料研究所）。

2.1 超声波探伤（Ultrasonic Testing=UT）1) 概述法，称为超声波探伤。

在船上的应用较广。

人耳的听觉范围（声波频率）：20Hz～20kHz，频率大于20kHz的声波，叫超声波。

超声波的特点是：频率高，波长短，穿透力强，在介质中直线传播。

高频率的超声波能形成很窄的波束，即具有指向性。

超声波在介质中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。

纵波——施加于介质质点的作用力使波传播方向与质点振动方向一致的振动波。

当介质受到交变拉力或压力作用时就会产生纵波，它可在固体、液体和气体中传播，用于纵波探伤中。

横波——质点振动方向垂直于波的传播方向的振动波。

当介质受到交变的剪切力作用时就会产生横波，只能在固体中传播，用于横波探伤中。

表面波——质点振动介于纵波与横波之间，沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减的振动波，用于表面波探伤中。

探伤用的超声波：0.5～25MHz，其中常用的0.4～5MHz。

特殊要求的检测频率可达10MHz～50MHz。

2)探伤原理：超声波入射到构件后，如果遇到缺陷（或两种介质的界面）会出现折射或反射，用探头（注：探头可以产生超声波、发射超声波和接受超声波）接受，变成电信号，经放大显示在屏幕上，根据波形来确定缺陷的部位、大小和性质。

超声波探伤的方法按波的传播方式分为脉冲反射波法和透射波法；按耦合方式分为接触法和水浸法；按波型分为纵波法、横波法、表面波法。

主要由压电晶片构成，是产生和接收超声波的装置。

主要有压电式、电磁式等。

超声波探伤中主要利用压电式换能器，即电声、声电换能器。

某些单晶体和多晶陶瓷在应力作用下产生应变时，晶体内产生极化或电场，称为正压电效应。

反之，当晶体处于电场中时，由于极化作用在晶体内产生应力或应变，称为逆压电效应。

超声波探伤中使用的单晶体有石英、酒石酸钾钠、硫酸锂等，压电陶瓷有钛酸钡（BaTiO3）、钛酸铅（PbTiO3）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。

将高频振动（超声波）作用在晶体上，在晶体两个电极之间产生与超声波相同频率、强度及与超声波成正比的高频电压，即接收超声波。

探头分为直探头、斜探头、表面波探头、双晶探头、专用探头等。

直探头可发射和接收纵波，斜探头可发射和接收横波。

超声波探伤中较为普遍采用纵波接触法，单探头或双探头发射和接收超声波。

探头与零件表面上的耦合剂薄层接触进行探伤。

单探头多用于探测中厚板、大型锻件、大厚度焊缝和形状简单的毛坯制件。

双探头特别适于探测近表面的缺陷。

由发射波、缺陷波和底波在时间基线上的位置求出缺陷部。

依缺陷波的幅度判断缺陷的大小，具体方法有当量法、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。

脉冲反射法是脉冲发生器发出的电脉冲激励探头晶体产生的超声脉冲波。

一次脉冲反射波是以一次底波为依据进行探伤的方法。

超声波以一定的速度向零件内部传播，一部分波遇到缺陷后反射，其余的波则继续传播至零件底面后反射，发射波、缺陷波和底波由探头接收放大后显示在荧屏上，如图5-8所示。

波形上有三个波：底面回波B、缺陷回波F和入射波T。

根据底波B与缺陷回波F之间的信号差别，便可知缺陷是否存在、性质、部位及其大小。

★根据波形的特征，判断缺陷的有无及性质（裂纹、气孔、杂质等）。

★X=L F/L B*T，得到缺陷的位置；L B－－始波与底波之间的距离。

★根据缺陷回波的高度，判断缺陷的大小。

3) 特点：优点：适用的材料广（金属与非金属均可）；可在构件的一侧实现检测（厚度5～3000mm）；适合于自动化与计算机处理与显示；成本低；可显示内部缺陷。

缺点：对探伤人员的素质要求高，如果无外围设备，显示结果不可重现，有时结果难以解释。

先进的仪器也很昂贵。

2.2 渗透探伤法（Penetrate Testing=PT）1）概述定义：利用液体的流动性、渗透性及表面裂纹的毛细管作用，将表面细微裂纹显示出来的方法。

方法是：将渗透剂涂于构件的被测表面，当表面有开口缺陷时，渗透剂就渗透到缺陷中，去除表面多余的部分，在涂以显象剂，在合适光线下观察放大了的缺陷痕迹，据此来判断缺陷的种类和大小，这就是渗透探伤法。

特点：是最简单、最古老的无损检测方法，可用于检测金属与非金属材料的表面裂纹。

2）方法一操作方法：将清洗后的零件浸入煤油槽中或将煤油涂于零件表面，经过15～30min，把零件擦干，涂上白粉，干燥后适当敲击或加热零件，渗入缺陷的煤油会复渗于白粉上，出现黑色痕迹。

缺点：太小的裂纹不易显示（裂纹宽度不小于0.01mm，裂纹深度不小于0.03mm）。

3）方法二原理同上。

区别：渗透剂(Penetrant)是有颜色（如红色）的溶液，显象剂（Developer）用白色液体，便于观察。

4）方法三渗透剂是荧光物质，当用（水银石英灯的）紫外线照射时，缺陷内的渗透剂会发出荧光，从而显示出表面裂纹。

缺点：需要紫外线的发射装置，暗室中进行，对人体有害。

5）渗透探伤的特点优点：在NDT中成本最低，设备简单，操作方便，适用于所有材料，灵敏度比人的眼睛直接观察高5～10倍左右，显示结果直观。

缺点：仅适用于表面开口型缺陷类型，灵敏度不太高，不便于实现自动化，无深度显示。

2.3 磁粉探伤法（Magnetic Particle Testing=MT）磁粉探伤或称磁力探伤。

也是比较古老的无损检测方法，国外已有50年的历史，国内也有30多年。

广泛用于检测铁磁性材料及其构件的表面和近表层的缺陷，可检测的缺陷类型：裂纹、重叠、分层等。

磁粉探伤可以探测材料或零件表面和近表面的缺陷，对裂纹、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，但操作不便；把磁粉和煤油混合成湿粉，使用方便。

目前已研制成半自动、全自动磁粉探伤线和专用自动探伤机，如曲轴半自动探伤机、钢材自动磁粉探伤机。