T/P92鋼焊接接頭蠕變損傷的超聲檢測(cè)

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(1.國(guó)電科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，武漢 430066；2.武漢大學(xué) 動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430071)

隨著我國(guó)電力工業(yè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，社會(huì)對(duì)電力行業(yè)安全運(yùn)行的要求越來(lái)越高。為了確保主蒸汽管道以及再熱蒸汽管道在高溫高壓下的安全運(yùn)行，電廠在運(yùn)行前以及實(shí)際工作過(guò)程中，需要采用無(wú)損檢測(cè)手段對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的損傷檢測(cè)。檢測(cè)目的包括發(fā)現(xiàn)待檢對(duì)象中是否存在缺陷，以及缺陷的大小、性質(zhì)、位置和形狀等。

超聲波是一種頻率大于20 000 Hz的機(jī)械波，其實(shí)質(zhì)是以波動(dòng)形式在彈性介質(zhì)中傳播的一種波。利用超聲波的反射、透射和散射行為，超聲檢測(cè)法可以對(duì)被檢工件進(jìn)行幾何特性測(cè)量、組織結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能變化的評(píng)定、缺陷檢測(cè)和表征等。

1 T/P92鋼焊接接頭損傷的超聲檢測(cè)

1.1 超聲檢測(cè)系統(tǒng)的搭建

超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，超聲波的能量會(huì)出現(xiàn)明顯衰減。引發(fā)超聲波衰減的原因主要有以下幾方面：① 晶粒散射衰減；② 聲束的擴(kuò)散衰減；③ 介質(zhì)吸收衰減。

筆者對(duì)T/P92鋼焊接接頭蠕變后的試樣，進(jìn)行了縱波聲速檢測(cè)以及衰減系數(shù)測(cè)量，蠕變時(shí)間為312(20% tf),624(40% tf),936(60% tf),1 248(80% tf),1 560 h(1.0 tf)(tf指蠕變壽命分?jǐn)?shù))。試驗(yàn)儀器采用汕頭超聲電子開發(fā)的CTS-1002數(shù)字式超聲探傷儀。

1.2 焊接接頭損傷的縱波聲速檢測(cè)

由于聲波是在彈性媒介中傳播的一種機(jī)械波，其傳播速度與介質(zhì)的特性及狀態(tài)有關(guān)。因此，可以通過(guò)測(cè)量介質(zhì)中的聲速來(lái)研究被測(cè)媒介的特性或狀態(tài)變化。

為了研究不同蠕變壽命分?jǐn)?shù)下T/P92鋼焊接接頭各區(qū)域的常規(guī)超聲檢測(cè)時(shí)的縱波聲速變化,進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。焊接接頭的超聲檢測(cè)位置如圖1所示，其一共包含5個(gè)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)測(cè)量3次。其中第1點(diǎn)和第5點(diǎn)為T/P92鋼母材組織；第2點(diǎn)和第4點(diǎn)為熱影響區(qū)組織；第3點(diǎn)為焊縫組織。

圖2為不同蠕變壽命分?jǐn)?shù)下，T/P92鋼焊接接頭各區(qū)域的縱波聲速變化(圖中BM指母材，HAZ指熱影響區(qū)，WM指焊縫)。

圖2 T/P92鋼焊接接頭常規(guī)超聲檢測(cè)縱波聲速變化示意圖

圖1 T92鋼焊接接頭超聲檢測(cè)位置示意

從圖2(a)和2(e)可以看出，T/P92鋼母材組織的聲速在蠕變壽命范圍內(nèi)并沒(méi)有呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化。當(dāng)試樣蠕變1 560 h后，與原始焊接接頭相比，斷裂試樣母材區(qū)域的縱波聲速并沒(méi)有發(fā)生明顯的改變。一方面這可能是由于母材區(qū)域的蠕變損傷相對(duì)較小，另一方面則可能是由于常規(guī)縱波聲速法自身靈敏度的限制所致。

圖2(b)和2(d)為T/P92鋼焊接接頭熱影響區(qū)組織的縱波聲速變化示意。由于蠕變1 560 h后，持久試樣的斷裂位置發(fā)生在測(cè)量點(diǎn)2處，因此在圖2(b)中缺失了相應(yīng)的數(shù)據(jù)。從圖2(d)中可以看出，在蠕變壽命區(qū)間的80%～100%中，焊接接頭熱影響區(qū)的縱波聲速表現(xiàn)出輕微的下降趨勢(shì)。

過(guò)去的研究表明：縱波聲速與介質(zhì)的彈性性質(zhì)有關(guān)，介質(zhì)的彈性模量越高，材料內(nèi)部越是致密，其聲速也越高。而當(dāng)材料內(nèi)部出現(xiàn)孔洞等缺陷時(shí)，其縱波聲速則會(huì)相應(yīng)地下降。T/P92鋼熱影響區(qū)的縱波聲速在蠕變壽命區(qū)間的80%～100%中下降幅度輕微，這可能是由于細(xì)晶區(qū)的區(qū)域很窄(即損傷程度較重的區(qū)域較窄)而引起的。

圖2(c)為焊縫組織的縱波聲速變化圖，可以看出：相比較焊接接頭的母材與熱影響區(qū)，焊縫區(qū)域的聲速最小，這是由于焊縫組織的晶粒比較粗大，縱波聲速易發(fā)生衰減所致。

1.3 焊接接頭損傷的衰減法檢測(cè)

由于熱影響區(qū)是T/P92鋼焊接接頭中最脆弱的位置，因此除了測(cè)量縱波聲速外，還對(duì)蠕變前后焊接接頭熱影響區(qū)的衰減系數(shù)進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)量位置統(tǒng)一選取為第4點(diǎn)。

圖3為T/P92鋼焊縫熱影響區(qū)在不同蠕變壽命分?jǐn)?shù)下的聲衰減示意?；诙啻蚊}沖反射法，可以看出：在試樣的蠕變壽命范圍內(nèi)，四次反射底波(B4)的幅度變化不大，而五次反射底波B5則在蠕變壽命的80%～100% tf區(qū)間內(nèi)呈下降趨勢(shì)。此外，和80% tf的試樣相比，六次反射底波B6以及后者(B7, B8)在1.0 tf的試樣中降低明顯，表明超聲衰減法對(duì)T/P92鋼熱影響區(qū)的損傷評(píng)估只在蠕變壽命末期階段才較為敏感。

圖4為T/P92鋼熱影響區(qū)在不同蠕變壽命分?jǐn)?shù)下的衰減系數(shù)變化示意。由圖4可以看出，由于衰減系數(shù)在熱影響區(qū)蠕變壽命期的絕大部分時(shí)間內(nèi)變化不大，因此常規(guī)的衰減系數(shù)測(cè)量法對(duì)評(píng)估T/P92鋼焊接接頭蠕變損傷的效果并不是很理想。

圖3 T/P92鋼焊接接頭常規(guī)超聲檢測(cè)聲衰減示意

圖4 T/P92鋼焊接接頭常規(guī)超聲檢測(cè)衰減系數(shù)變化示意

過(guò)去的研究表明[1-3]：介質(zhì)中出現(xiàn)的孔洞等缺陷將會(huì)對(duì)超聲波產(chǎn)生散射作用，從而導(dǎo)致超聲波發(fā)生衰減。同時(shí)，隨著介質(zhì)損傷程度的加重(即孔洞等缺陷的尺寸增加、數(shù)量增多)，超聲波衰減的程度將增加。然而，從圖3(a)～3(c)中可以看出：T/P92鋼熱影響區(qū)的底波幅度在80%的蠕變壽命范圍內(nèi)并沒(méi)有發(fā)生明顯變化，盡管蠕變孔洞在此范圍內(nèi)已經(jīng)有了顯著的萌生與長(zhǎng)大。探究其原因可以發(fā)現(xiàn)，常規(guī)超聲檢測(cè)只對(duì)尺寸接近半波長(zhǎng)的缺陷才較為敏感，而當(dāng)缺陷的尺寸小于半波長(zhǎng)時(shí)，在介質(zhì)中超聲的衍射現(xiàn)象占主導(dǎo)地位。T/P92鋼蠕變斷裂后，熱影響區(qū)大多數(shù)蠕變孔洞的尺寸仍然處于微米級(jí)水平，這就表明了超聲衰減法很難檢測(cè)出T/P92鋼熱影響區(qū)蠕變壽命前期中的孔洞損傷。

2 結(jié)論

(1) 采用超聲縱波聲速檢測(cè)方法對(duì)T/P92鋼焊接接頭蠕變損傷進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)T/P92鋼焊接接頭母材、熱影響區(qū)與焊縫區(qū)域的縱波聲速并沒(méi)有呈現(xiàn)明顯的規(guī)律性變化，表明常規(guī)的超聲方法對(duì)T/P92接頭形成的蠕變孔洞并不敏感。

(2) 采用超聲波衰減系數(shù)方法對(duì)焊接接頭熱影響區(qū)進(jìn)行了評(píng)估，結(jié)果表明T/P92鋼熱影響區(qū)的衰減系數(shù)在80%蠕變壽命的范圍內(nèi)并沒(méi)有發(fā)生明顯的變化，而只是在之后的壽命區(qū)間內(nèi)發(fā)生了較為顯著的上升，超聲衰減法很難檢測(cè)出T/P92鋼熱影響區(qū)蠕變壽命前期的孔洞損傷。